CN102680379A - 一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，属于光学。偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，包括激光整形照明单元、样本处理输送单元和后续信号处理单元。激光整形模块至少包括一片准直均匀透镜对激光器发出的高斯光束进行准直和均匀化处理，样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块和鞘流池，后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块。本发明的有益效果为：对激光器发出的高斯光束进行准直的同时，将光束横截面上按高斯形状分布的光能量密度调整为近平坦分布，减少了散射光强度偏差，降低后续信号处理过程中的误判和分类界限不清楚等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学，尤其涉及白细胞分类计数仪。
背景技术
传统的流式细胞仪已广泛应用于白细胞分类计数领域。这样的白细胞分类计数仪主要由照明单元、鞘流池单元、压力液路单元和信号处理单元组成。其中照明单元将光源（一般为激光）发出的光准直整形后，变成横截面为椭圆型的光斑，照射至鞘流池。鞘流池提供了一个光学检测区域，在该区域中，利用鞘流原理将白细胞样本携裹在鞘流中，使白细胞逐个通过该区域。通过该区域的细胞被照明单元照亮后，在全空域发出散射光；信号处理单元按照散射光角度的不同收集散射光信息，并转换为电信号。这些电信号经甄别、处理、分析后可形成直观的一维直方图或者二维散点图，从而得到白细胞的分类和计数信息。
现有技术中，如图1所示，通常的白细胞计数仪都需要将光源11发出的光经过一个光学系统12、13聚焦在鞘流池2的中心区域。在垂直于光路的平面上形成一个椭圆型光斑。通常光源为激光，其光束截面上的能量密度分布为高斯型的，而不是均匀分布。
由此引发的问题是，如图2所示，当鞘流池中的鞘流和样本流因为各种微小扰动出现不稳定（这种扰动通常都是存在的），样本流就会偏离光斑中心，照明单元在该处的能量密度远小于在光斑中心处的能量密度，所以，即使同样的样本在出现上述不稳定时，因为照射强度不同，会发出不同大小的散射光。这种不同大小的散射光被收集、处理，就会误判为不同的样本，大样本可能被误判为小样本，就会使系统输出的一维直方图或者二维散点图对样本的分类界限不清晰，给白细胞计数带来误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，所述的白细胞分类计数仪通过激光整形系统使照射光斑在长径和短径方向上均匀化，消除或者减小了因样本位置偏差引起的照射强度不一致，避免了信号处理中可能出现的样本信息误判。
本发明中的使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，包括激光整形照明单元、样本处理输送单元和后续信号处理单元，其中，
所述的激光整形照明单元包括激光器和激光整形模块，所述的激光整形模块对激光器发出的激光进行准直、均匀、汇聚整形处理；
所述的样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块，并与鞘流池连接，使得包含被测白细胞的样本液被鞘液携裹着流经鞘流池；
所述的激光整形照明单元产生的光斑照射在鞘流池中通过的样本液上；
所述的后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块，所述后续信号处理单元接收鞘流池输出的散射光，并使用光电探测器件，如光电池、光电二极管等，进行光电转换，对获得的电信号进行相应处理；
其特征在于：所述的激光整形模块至少包括一片准直均匀透镜对激光器发出的高斯光束进行准直和均匀化处理，所述的准直均匀透镜的数值孔径至少为0.5。
所述的准直均匀透镜是偶次高次非球面透镜。
所述的准直均匀透镜的镜面形状采用下式表示：
其中c为曲率，z为镜面上截面相对与定点的轴向距离，k为二次常数，r为截面上点的孔径高，所述的准直均匀透镜包括至少2个镜面，其中第一镜面为激光光束入射面。所述2个镜面的参数如下：
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑照射于鞘流池中的样本流上，所述椭圆短径略大于携裹在样本流中的细胞直径，一般为12±2um，所述的椭圆长径略大于鞘流池内液流通道直径或者边长。
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，其中椭圆短径方向与鞘流池中的液体流动方向一致，长径方向与液体流向垂直，同时垂直于光束传播方向。
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，在椭圆长径方向上，激光能量分布均匀，光斑中心处与距光斑中心30um处光能量密度差异不超过20%。
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，在椭圆短径方向上，激光能量分布均匀，光斑中心处与距光斑中心5um处光能量密度差异不超过20%。
所述的样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块和鞘流池，并有机相连，其中，
所述的气压传输控制模块提供0.14±0.03MPa的鞘液压力，使得鞘液高速稳定通过鞘流池；
所述的液体传输控制模块将处理后的样本输送至鞘流池，并使鞘液携裹着样本刘通过鞘流池；
所述的鞘流池内部液体通路横截面为圆形或者正方形，其直径或者边长小于0.3mm。
所述的后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块，并依次相连，其中，
所述的光信号处理模块收集样本发出的散射光，准直后按照不同的散射角度进行分光，之后分别进行汇聚，射入光电转换模块；
所述的光电转换模块至少包括光电池或者光电二极管等光电转换元件，将入射的光信号转换成电信号；
所述的电信号处理模块提取上述电信号中的峰值或脉冲宽度信息，甄别筛选后进行计数、分类，形成二位散点图或者一维直方图。
所述的光信号处理模块至少包括一片数值孔径大于0.5的收集准直透镜。
所述的收集准直透镜为偶次高次非球面镜。
本发明的有益效果为：在本发明中，使用一种偶次高次非球面透镜作为准直均匀透镜，在对激光器发出的高斯光束进行准直的同时，将光束横截面上按高斯形状分布的光能量密度通过几何光学手段调整为近平坦分布，从根本上减少了因样本流不稳定引起的散射光强度偏差，降低后续信号处理过程中的误判和分类界限不清楚等问题。
本发明中准直均匀透镜采用偶次高次非球面镜，其镜面形状采用的曲线为：
其具体参数见下表：
这种非球面透镜除了可以保证准直效果优异外，还可以获得大于0.5的数值孔径，并且能够使高斯光斑均匀化。
本发明的光源采用激光，包括但不限于HE-NE激光器，红宝石激光器，激光二极管等。
附图说明
图1为现有技术中白细胞分类计数仪示意图；
图2为现有技术中照明光斑缺陷示意图；
图3为本发明总体结构示意图；
图4为准直均匀透镜示意图；
图5为鞘流池示意图；
图6为散射光收集系统示意图。
具体实施方式
包括激光整形照明单元、样本处理输送单元和后续信号处理单元，其中，
所述的激光整形照明单元包括激光器和激光整形模块，所述的激光整形模块对激光器发出的激光进行准直、均匀、汇聚整形处理；
所述的样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块，并与鞘流池连接，使得包含被测白细胞的样本液被鞘液携裹着流经鞘流池；
所述的激光整形照明单元产生的光斑照射在鞘流池中通过的样本液上；
所述的后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块，所述后续信号处理单元接收鞘流池输出的散射光，并使用光电探测器件，如光电池、光电二极管等，进行光电转换，对获得的电信号进行相应处理；
其特征在于：所述的激光整形模块至少包括一片准直均匀透镜对激光器发出的高斯光束进行准直和均匀化处理，所述的准直均匀透镜的数值孔径至少为0.5。
所述的准直均匀透镜是偶次高次非球面透镜。
所述的准直均匀透镜的镜面形状采用下式表示：
其中c为曲率，z为镜面上截面相对与定点的轴向距离，k为二次常数，r为截面上点的孔径高，所述的准直均匀透镜包括至少2个镜面，其中第一镜面为激光光束入射面。所述2个镜面的参数如下：
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑照射于鞘流池中的样本流上，所述椭圆短径略大于携裹在样本流中的细胞直径，一般为12±2um，所述的椭圆长径略大于鞘流池内液流通道直径或者边长。
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，其中椭圆短径方向与鞘流池中的液体流动方向一致，长径方向与液体流向垂直，同时垂直于光束传播方向。
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，在椭圆长径方向上，激光能量分布均匀，光斑中心处与距光斑中心30um处光能量密度差异不超过20%。
所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，在椭圆短径方向上，激光能量分布均匀，光斑中心处与距光斑中心5um处光能量密度差异不超过20%。
所述的样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块和鞘流池，并有机相连，其中，
所述的气压传输控制模块提供0.14±0.03MPa的鞘液压力，使得鞘液高速稳定通过鞘流池；
所述的液体传输控制模块将处理后的样本输送至鞘流池，并使鞘液携裹着样本刘通过鞘流池；
所述的鞘流池内部液体通路横截面为圆形或者正方形，其直径或者边长小于0.3mm。
所述的后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块，并依次相连，其中，
所述的光信号处理模块收集样本发出的散射光，准直后按照不同的散射角度进行分光，之后分别进行汇聚，射入光电转换模块；
所述的光电转换模块至少包括光电池或者光电二极管等光电转换元件，将入射的光信号转换成电信号；
所述的电信号处理模块提取上述电信号中的峰值或脉冲宽度信息，甄别筛选后进行计数、分类，形成二位散点图或者一维直方图。
所述的光信号处理模块至少包括一片数值孔径大于0.5的收集准直透镜。
所述的收集准直透镜为偶次高次非球面镜。
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
根据图3，本发明包括激光整形照明单元1、样本处理输送单元2和后续信号处理单元3，并且3个单元依次相连。
其中，激光整形照明单元1采用的总体结构与图1中所示现有照明单元类似，但其准直均匀透镜的表面面型采用下式表示：
镜面形状如图4所示，对光源发出的高斯型激光进行准直均匀化处理，通过S1面（光束入射面）和S2面（光束出射面）的共同作用，将入射的在横截面上能量分布符合高斯分布形式的激光，准直均匀成为一束光能量均匀分布的准平行光，该平行光的发散焦距小于10mrad。
如图4所示，该镜片的数值孔径大于0.5，可以满足对小于35°发散角的激光能量的收集。
该近平行光束在激光整形模块后续的镜片作用下，被压缩成一个能量分布均匀的椭圆型光斑，椭圆长径略大于鞘流池内壁边长，在本实施例中，鞘流池内壁选为0.2mm*0.2mm的正方形截面，故将椭圆长径选为0.22mm；椭圆短径应略大于样本流中细胞的直径，故选为0.012mm。
所述的激光整形模块至少包括一片柱面镜用以在椭圆短径方向上压缩光斑，至少包括一块柱面镜或者球面镜或者非球面镜，用以在长径方向或者长径和短径方向上压缩光斑。
本实施例中的鞘流池提供了一个光学检测区域，如图5所示，鞘流池选用石英玻璃制造，为一个横截面是4*4mm正方形的四棱柱，中心用一个0.2mm*0.2mm的小四棱柱型空腔以供鞘液和样本流通。
椭圆型光斑照亮鞘流池中心处，通过该区域的细胞将向全空域发出散射光，依据细胞中所含微粒的体径，该散射光将按照米氏散射的模式向外发射，及在光束照射方向（前向）散射光能量最强，在其他方向呈现一种起伏式的非均匀分布。并且，前向小角度光蕴含大量细胞粒径大小的信息，前向大角度光蕴含大量细胞核复杂程度的信息。
上述光斑在鞘流池后约17mm处被压缩成为一个长轴约5mm，短轴约0.2mm的椭圆形光斑，长径方向与样本流向一致，短径与样本流向垂直，且在此位置安装一宽约0.4mm的条状拦阻光阑，用以遮挡经鞘流池后直接透射的激光，避免其影响后续散射光的收集和处理。
如图6所示，细胞发出的散射光被一块高次偶次非球面镜31收集准直后，变成成近平行光。准直后的光束射入分光棱镜32，被分成能量相等的两部分分别射出。之后经环形光阑33选择一定数值的大、小角度，被收集透镜34汇聚后进入光电探测器35，光信号被转换为电信号。
上述环形光阑会按照大小角度的收集要求，拦截不应被收集的散射光部分，环状通光孔径的尺寸选择与大小角度的通光要求和上述准直透镜的安装位置相关。由散射光能量收集系统得到的电信号送入后续信号处理单元，经甄别，分析，处理后形成直观的一维直方图或者二维散点图，从而分类、计数样本中的白细胞。
Claims (10)
1.一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，包括激光整形照明单元、样本处理输送单元和后续信号处理单元，其中，
所述的激光整形照明单元包括激光器和激光整形模块，所述的激光整形模块对激光器发出的激光进行准直、均匀、汇聚整形处理；
所述的样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块，并与鞘流池连接，使得包含被测白细胞的样本液被鞘液携裹着流经鞘流池；
所述的激光整形照明单元产生的光斑照射在鞘流池中通过的样本液上；
所述的后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块，所述后续信号处理单元接收鞘流池输出的散射光，并使用光电探测器件进行光电转换，对获得的电信号进行相应处理；
其特征在于：所述的激光整形模块至少包括一片准直均匀透镜对激光器发出的高斯光束进行准直和均匀化处理，所述的准直均匀透镜的数值孔径至少为0.5。
2.根据权利要求1所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的准直均匀透镜是偶次高次非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的准直均匀透镜的镜面形状采用下式表示：
其中c为曲率，z为镜面上截面相对与定点的轴向距离，k为二次常数，r为截面上点的孔径高，所述的准直均匀透镜包括至少2个镜面，其中第一镜面为激光光束入射面，所述2个镜面的参数如下：
4.根据权利要求1或2或3所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑照射于鞘流池中的样本流上，所述椭圆短径略大于携裹在样本流中的细胞直径，一般为12±2um，所述的椭圆长径略大于鞘流池内液流通道直径或者边长。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，其中椭圆短径方向与鞘流池中的液体流动方向一致，长径方向与液体流向垂直，同时垂直于光束传播方向。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，在椭圆长径方向上，激光能量分布均匀，光斑中心处与距光斑中心30um处光能量密度差异不超过20%。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的激光整形照明单元输出横截面为椭圆的光斑，在椭圆短径方向上，激光能量分布均匀，光斑中心处与距光斑中心5um处光能量密度差异不超过20%。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的样本处理输送单元包括气压传输控制模块、液体传输控制模块和鞘流池，并有机相连，其中，
所述的气压传输控制模块提供0.014±0.003MPa的鞘液压力，使得鞘液高速稳定通过鞘流池；
所述的液体传输控制模块将处理后的样本输送至鞘流池，并使鞘液携裹着样本流通过鞘流池；
所述的鞘流池内部液体通路横截面为圆形或者正方形，其直径或者边长小于0.3mm。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种使用偶次高次非球面激光整形系统的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的后续信号处理单元包括光信号处理模块、光电转换模块、电信号处理模块，并依次相连，其中，
所述的光信号处理模块收集样本发出的散射光，准直后按照不同的散射角度进行分光，之后分别进行汇聚，射入光电转换模块；
所述的光电转换模块至少包括光电池或者光电二极管等光电转换元件，将入射的光信号转换成电信号；
所述的电信号处理模块提取上述电信号中的峰值或脉冲宽度信息，甄别筛选后进行计数、分类，形成二位散点图或者一维直方图。
10.根据权利要求9所述的白细胞分类计数仪，其特征在于：所述的光信号处理模块至少包括一片数值孔径大于0.5的收集准直透镜，所述的收集准直透镜为偶次高次非球面镜。
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