本實用新型涉及用于流式細(xì)胞術(shù)儀器的激光光束整形模塊，特別涉及一種類高斯平頂光束激光系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于流式細(xì)胞術(shù)的儀器，包括流式細(xì)胞儀、血液分析儀、粒子分析儀等都是通過對靶流中排列成單列的細(xì)胞或其他微粒逐個進(jìn)行快速定量分析和分選的技術(shù)平臺，其基本原理是利用聚焦的激光束照射單個細(xì)胞或微粒，并同時利用光電探測器件對產(chǎn)生的散射光或熒光信號分析從而得到待檢測物的各種參數(shù)。其中激光光源及其光學(xué)系統(tǒng)是流式細(xì)胞儀的核心部件之一，聚焦光束的質(zhì)量和穩(wěn)定性直接決定了流式細(xì)胞儀器的性能指標(biāo)。由于待分析細(xì)胞樣品在靶流中高速流動(5000個/秒)，通過激光照射區(qū)域的時間僅為微秒量級，其產(chǎn)生的散射光或熒光信號強(qiáng)度與激光照射區(qū)域的光功率密度分布密切相關(guān)。

目前的主流技術(shù)通常是采用球面柱透鏡、球面透鏡及棱鏡對組合對激光光束進(jìn)行整形，使激光束最終聚焦在靶流室中心時形成橢圓形光束。其能量分布在水平方向上和垂直方向上通常都呈高斯分布，如附圖1所示。一方面，在儀器裝調(diào)過程中對激光照明模塊的指向性要求極高，必須使高斯光束的頂點位置嚴(yán)格對準(zhǔn)靶流的中心位置，增加了儀器裝調(diào)難度和維護(hù)成本。另一方面，由于激光束在水平方向的功率密度不均勻，同類粒子在不同位置通過激光照射區(qū)時就會引起不同強(qiáng)度的散射光或熒光信號，從而導(dǎo)致較高的系統(tǒng)變異系數(shù)(CV)，甚至是錯誤判斷結(jié)果。如附圖2所示，采用“平頂”激光光束照明，可以使每個通過聚焦光斑的細(xì)胞或微粒接受同樣強(qiáng)度的激光輻照，從而提高了流式細(xì)胞儀的分析準(zhǔn)確性。產(chǎn)生平頂光束的激光整形技術(shù)包括利用衍射光學(xué)元件、非球面透鏡、數(shù)字微鏡等就是為實現(xiàn)激光束在靶流照射區(qū)的“平頂”分布這一目的。然而這些技術(shù)得到的“平頂”光束在整個靶流中(包括周圍沒有細(xì)胞流過的靶流區(qū))都具有同樣的激發(fā)光功率分布，這既導(dǎo)致了激光功率的無端浪費，也增加了系統(tǒng)的背景光噪聲。此外，這些技術(shù)所需要的關(guān)鍵元器件如衍射光學(xué)元件、非球面透鏡、數(shù)字微鏡等加工工序繁瑣，周期較長，價格昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提出了一種類高斯平頂光束激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)使聚焦在靶流中心處的激光光束在水平方向呈類高斯平頂分布，該系統(tǒng)可消除由于細(xì)胞在不同位置進(jìn)入照射區(qū)時引起的誤差，降低聚焦光斑在周圍沒有細(xì)胞流過的靶流區(qū)的功率密度分布。

本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種類高斯平頂光束激光系統(tǒng)，包括沿光軸z方向放置的激光二極管；還包括與所述激光二極管間隙設(shè)置并將所述激光二極管發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成在X方向是類高斯平頂光束的非球面透鏡，所述非球面透鏡的前方設(shè)置有激光二極管，后方設(shè)置有一優(yōu)化組件，所述激光二極管、非球面透鏡、優(yōu)化組件在同一光路上依次設(shè)置；所述優(yōu)化組件包括依次設(shè)置的棱鏡對、柱面透鏡組或聚焦透鏡；所述棱鏡對用于將準(zhǔn)直后的激光光束在Y方向上進(jìn)行壓縮或擴(kuò)束后使所述激光光束沿光軸方向準(zhǔn)直傳播，所述柱面透鏡組包括第一柱面鏡和第二柱面鏡，且兩者正交放置，所述柱面透鏡組用于對X方向和Y方向的光束進(jìn)行聚焦；所述第一柱面鏡具有正的光焦度，用于對X方向光束進(jìn)行聚焦，所述第二柱面鏡具有正的光焦度，用于對Y方向光束進(jìn)行聚焦；所述聚焦透鏡具有正的光焦度，用于將經(jīng)所述柱面透鏡組整形后的激光光束聚焦在靶流中心。

優(yōu)選地，所述類高斯平頂光束激光系統(tǒng)的后工作距離為150-500mm。

優(yōu)選地，所述激光器二極管為半導(dǎo)體二極管激光器。

優(yōu)選地，所述非球面透鏡具有正的光焦度，用于對所述激光二極管發(fā)出的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，使所述激光光束準(zhǔn)直輸出。

優(yōu)選地，所述非球面透鏡具有特定的像差特征，要求滿足以下關(guān)系：3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12；其中W₀₄₀為準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生的波像差系數(shù)，θ為激光二極管的在X方向上1/e²處的發(fā)散角，單位為弧度，f為準(zhǔn)直透鏡的焦距，單位為mm。

本實用新型技術(shù)方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：本實用新型提出了一種類高斯平頂光束激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對垂直方向和水平方向光斑尺寸的控制，將水平方向的光束整形為類高斯平頂光束，垂直方向仍為高斯光束，提高了靶流中心處的光強(qiáng)分布均勻性；而且能實現(xiàn)對最終聚焦在靶流中心的光斑橢圓度在1:3-1:20進(jìn)行控制和變換。該系統(tǒng)降低了對靶流系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，大大簡化了流式細(xì)胞儀系統(tǒng)安裝、調(diào)試、校準(zhǔn)過程。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的同種粒子在通過高斯型激光聚焦光束在水平方向上不同位置的光強(qiáng)度分布示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)的同種粒子在通過平頂型激光聚焦光束在水平方向上不同位置的光強(qiáng)度分布示意圖；

圖3是本實用新型的類高斯平頂光束激光系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型的類高斯平頂光束在水平方向和豎直方向的光強(qiáng)分布實測圖；

圖5是本實用新型的類高斯平頂光束經(jīng)優(yōu)化組件后聚焦在靶流中心位置處水平方向和豎直方向的光強(qiáng)分布實測圖；

圖6是本實用新型的類高斯平頂光束在流式細(xì)胞儀中的應(yīng)用效果圖。

具體實施方式

本實用新型的目的、優(yōu)點和特點，將通過下面優(yōu)選實施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋。這些實施例僅是應(yīng)用本實用新型技術(shù)方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術(shù)方案，均落在本實用新型要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。

如圖3所示，該類高斯平頂光束激光系統(tǒng)包括一激光二極管1和一準(zhǔn)直透鏡2，所述激光二極管1沿光軸Z方向放置。本實用新型中的激光二極管1采用半導(dǎo)體激光二極管，所述半導(dǎo)體激光二極管1原始的出射光束的小發(fā)散角方向與細(xì)胞流動方向一致。該激光二極管發(fā)出的光束在兩個方向上的發(fā)散角不一致，假設(shè)光的傳播方向為Z軸，那么光束在X方向的發(fā)散角θx和Y方向上的發(fā)散角θy是不同的，假設(shè)θx＜θy，那么光束截面就會是長軸為Y方向的橢圓光斑。

在本實施例中，所述準(zhǔn)直透鏡2優(yōu)選為非球面透鏡，所述非球面透鏡2具有正的光焦度，用于將所述半導(dǎo)體激光二極管1發(fā)出的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，使所述激光光束準(zhǔn)直輸出；所述準(zhǔn)直透鏡2具有正的光焦度，且有效焦距為2mm-10mm，在本實施例中，所述準(zhǔn)直透鏡2的有效焦距優(yōu)選為2.54mm。所述準(zhǔn)直透鏡2具有如下特征：

3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12

其中W₀₄₀為所述準(zhǔn)直透鏡2產(chǎn)生的波像差系數(shù)，θ為激光二極管的在X方向上1/e²處的發(fā)散角，單位為弧度，f為所述準(zhǔn)直透鏡2的焦距，單位為mm。波像差的表示式為：

其中，y為視場因子，r、為光瞳坐標(biāo)。

在本實施例中，我們采用以無像差的理想非球面透鏡為參照，通過引入球差的方法得到類高斯平頂光束，能出現(xiàn)類高斯平頂光束的必要條件為：

1、該類高斯平頂光束激光系統(tǒng)的后工作距離為150-500mm；類高斯平頂光束不穩(wěn)定，只能在光軸上一定范圍內(nèi)產(chǎn)生，所述后工作距離是指探測平面離出光面的距離。

2、本實用新型所用準(zhǔn)直透鏡具有如下特征：3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12,其中W₀₄₀為所述準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生的波像差系數(shù)，t為激光二極管的發(fā)散角，單位為弧度，f為所述準(zhǔn)直透鏡的焦距，單位為mm。

3、3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12值越大，得到平頂范圍越寬。

4、后續(xù)應(yīng)用光路，需要離焦應(yīng)用，并且在光軸上一定范圍內(nèi)才有平頂效果，共焦時平頂現(xiàn)象消失。

圖4是激光二極管W₀₄₀＝13通過的準(zhǔn)直透鏡后在后工作距離300mm處的光斑實測圖像，其水平方向為類高斯平頂光束；圖5是類高斯平頂光束經(jīng)優(yōu)化組件后聚焦在靶流中心位置處水平方向和豎直方向的光強(qiáng)分布實測圖。該類高斯平頂光束激光系統(tǒng)還包括一將類高斯平頂光束進(jìn)行優(yōu)化的優(yōu)化組件3。

如附圖3所示，所述優(yōu)化組件3包括依次設(shè)置的棱鏡對31、柱面透鏡組32和聚焦透鏡33。所述棱鏡對31用于將準(zhǔn)直后的激光光束在Y方向上進(jìn)行壓縮或擴(kuò)束并使所述激光光束沿光軸方向準(zhǔn)直輸出。所述柱面透鏡組32包括第一柱面鏡321和第二柱面鏡322，且兩者正交放置，所述柱面透鏡組32用于對X方向和Y方向的光束進(jìn)行聚焦，所述第一柱面鏡321具有正的光焦度，用于對X方向光束進(jìn)行聚焦，所述第二柱面鏡322具有正的光焦度，用于對Y方向光束進(jìn)行聚焦。所述聚焦透鏡33具有正的光焦度，在本實施例中，所述聚焦透鏡33為一雙膠合透鏡，用于將經(jīng)所述柱面透鏡組32整形后的激光光束聚焦在靶流中心。所述棱鏡對31將Y方向的激光光束整形為1-2mm。在本實用新型中，所述激光二極管1、所述準(zhǔn)直透鏡2、棱鏡對31、柱面透鏡組32和聚焦透鏡33在同一光路上依次設(shè)置。

具體過程為：所述激光光束經(jīng)過所述棱鏡對31后，所述棱鏡對31用于將經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后的激光光束在Y方向上進(jìn)行壓縮或擴(kuò)束使所述激光光束沿光軸Z方向準(zhǔn)直輸出；經(jīng)準(zhǔn)直輸出后的激光光束依次經(jīng)過第一柱面鏡和第二柱面鏡，所述第一柱面鏡具有正的光焦度，對X方向的激光光束進(jìn)行聚焦，所述第二柱面鏡具有正的光焦度，對Y方向的激光光束進(jìn)行聚焦；經(jīng)過聚焦后的激光光束再經(jīng)過聚焦透鏡，使得最后出射的激光光束聚焦在靶流液的中心位置。

所述激光二極管1發(fā)出激光經(jīng)過所述準(zhǔn)直透鏡2得到在X方向是類高斯平頂光束及在Y方向是高斯光束，所述激光光束經(jīng)過所述優(yōu)化組件3后，進(jìn)一步對所得的類高斯平頂光束進(jìn)行壓縮變換，典型的聚焦后的光斑實測圖如附圖5所示，在X方向上得到了100um左右的類高斯平頂光強(qiáng)分布，平頂寬度為30um，在Y方向上得到了10um左右的高斯光強(qiáng)分布。

該類高斯平頂光束激光系統(tǒng)一方面實現(xiàn)了對垂直方向和水平方向光斑尺寸的控制，使垂直方向的光斑聚焦在靶流室的中心，聚焦在靶流室中心的光束為橢圓型光斑，橢圓度為1:3-1:20，光強(qiáng)為高斯分布；另一方面，通過控制所述棱鏡對、所述柱面透鏡組和所述聚焦透鏡將水平方向的激光光束整形為類高斯平頂光束，提高了靶流中心處的水平方向光強(qiáng)分布的均勻性。

流式細(xì)胞儀是一種對細(xì)胞進(jìn)行自動分析和分選的裝置。它可以快速測量、存儲以及顯示懸浮在液體中的分散細(xì)胞的一系列重要的生物物理、生物化學(xué)方面的特征參量，并可以根據(jù)預(yù)選的參量范圍把指定的細(xì)胞亞群從中分選出來。

該流式細(xì)胞儀的工作流程主要包括：將待檢測細(xì)胞染色后制成單細(xì)胞懸液的待檢測樣品，然后在一定壓力的作用下，將待檢測樣品壓入流動室；不含細(xì)胞的磷酸緩沖靶液在高壓下從靶液管噴出，靶液管入口方向與待檢測樣品的流向成一定角度，這樣，靶液就能夠包繞著待檢測樣品告訴流動，組成一個圓形的流束，待檢測細(xì)胞在靶液的包被下呈單行排列，依次通過檢測區(qū)域。

該流式細(xì)胞儀可同時進(jìn)行多個參數(shù)的測量，測量數(shù)據(jù)主要來自特異性熒光信號以及非熒光散射信號。測量是在測量區(qū)進(jìn)行的。所謂測量區(qū)是指入射激光束和從流動式的噴嘴噴出的液流束的垂直相交點。液流束中央的單個細(xì)胞通過測量區(qū)時，受到入射激光光束的照射，即受到該類高斯平頂光束的照射，會向立體角為2π的整個空間散射光線，散射光的波長和入射激光光束的波長相同；散射光的強(qiáng)度及其空間分布與細(xì)胞的大小、形態(tài)、質(zhì)膜以及細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因為這些生物學(xué)參數(shù)和細(xì)胞對光線的反射、折射燈光學(xué)特性有關(guān)。未遭受任何損壞的細(xì)胞對光線都具有特征性的散射，因此，可以利用不同的散射光信號直接對不經(jīng)染色的活細(xì)胞進(jìn)行分析和分選。經(jīng)過固定的和染色處理的細(xì)胞由于光學(xué)特性的改變，其散射光信號與不經(jīng)染色的活細(xì)胞有所不同。散射光不僅與作為散射中心的細(xì)胞的參數(shù)有關(guān)，還與散射角以及收集散射光線的立體角等非生物因素有關(guān)。

在流式細(xì)胞儀的測量中，通常使用以下兩種散射方向的散射光測量：前向散射(FSC，F(xiàn)orword Scatter)，又稱0角散射，以及側(cè)向散射(SCC，Side Scatter)，又稱90角散射；這里所指的角度是入射激光光束照射方向與收集散射光信號的光電探測器件軸向方向之間所成的角度。一般來說，前向散射光的強(qiáng)度與細(xì)胞的形態(tài)大小有關(guān)，對于同種細(xì)胞群體，隨著細(xì)胞截面積的增大而增大；例如：對于球形活細(xì)胞，經(jīng)實驗表明在小立體角范圍內(nèi)基本上和截面積大小成線性關(guān)系，對于形狀復(fù)雜具有取向性的細(xì)胞，則可能差異性很大。側(cè)向散射光的測量主要用來獲取有關(guān)細(xì)胞內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的顆粒性質(zhì)的有關(guān)信息；側(cè)向散射光雖然也與細(xì)胞的形狀以及大小有關(guān)，但它對細(xì)胞膜、胞質(zhì)、核膜的折射率更為敏感，同時也能夠?qū)?xì)胞質(zhì)內(nèi)部較大顆粒做出靈敏的反應(yīng)。

當(dāng)細(xì)胞攜帶熒光素標(biāo)記物，通過激光照射區(qū)時，細(xì)胞內(nèi)的熒光物質(zhì)吸收符合其波長范圍的光能量后，內(nèi)部的電子受激發(fā)上升到高能級，然后迅速衰落回到基態(tài)，釋放過剩能量成為光子，產(chǎn)生代表細(xì)胞內(nèi)不同物質(zhì)、不同波長的熒光信號，這些信號以細(xì)胞為中心，向空間360度立體角發(fā)射，產(chǎn)生散射光和熒光信號，由于側(cè)向散射光以及熒光的強(qiáng)度很微弱，為了滿足本實用新型光束整形系統(tǒng)的要求，必須對側(cè)向散射光和熒光進(jìn)行聚焦，使其與準(zhǔn)直系統(tǒng)匹配，提高熒光和側(cè)向散射光的信號強(qiáng)度。側(cè)向散射光的成像能夠很好的反應(yīng)細(xì)胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這樣我們就具有了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的圖像，受激發(fā)而產(chǎn)生的熒光的細(xì)胞成像能夠用于對亞細(xì)胞水平信號分布的相關(guān)分析。通過對這類熒光信號的檢測和定量分析就能了解所研究細(xì)胞參數(shù)的存在與定量。

附圖6為本實用新型實施例的類高斯平頂光束激光系統(tǒng)應(yīng)用在流式細(xì)胞儀中的測試結(jié)果圖。在本實用新型中，我們選擇了波長為488nm的半導(dǎo)體激光二極管，能同時檢測FL1(FITC)、FL2(PE)、FL3(Percp)這三個熒光通道。前向散射通道和三種主要熒光通道(FITC，PE，Percp)的CV值分別為1.2％，1.4％，2.1％，1.7％，因此在生物樣品分析中能夠提高分析的靈敏度。采用本實用新型的類高斯平頂激光光束照明比采用現(xiàn)有的高斯激光光束照明得到了明顯的改進(jìn)，現(xiàn)有技術(shù)中的CV值通常在3％左右。實際流式細(xì)胞儀器應(yīng)用中，熒光分析通道的數(shù)目可以通過引入其它波長的激光器如405nm，532nm，638nm等進(jìn)行拓展，并采用本實用新型的類高斯平頂技術(shù)對激光光束進(jìn)行整形。更進(jìn)一步地，由于該類高斯平頂光束具有相對寬的平頂寬度(10-30um)，使得該類高斯平頂光束激光系統(tǒng)在系統(tǒng)裝調(diào)過程中的光路校準(zhǔn)工作大為簡化，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，節(jié)約了時間和維護(hù)成本。

利用該類高斯平頂光束系統(tǒng)，可使聚焦在靶流中心處的激光光束在水平方向呈類高斯平頂光束，該系統(tǒng)一方面可用于消除由于細(xì)胞在不同位置進(jìn)入照射區(qū)時引起的誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和CV值；另一方面降低聚焦光斑在周圍沒有細(xì)胞流過的靶流區(qū)的功率密度分布，降低背景噪聲，提高流式細(xì)胞分析系統(tǒng)的信噪比和靈敏度。

以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。