CN103575632A - 一种鞘流装置及血液分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种鞘流装置及血液分析仪。其中，鞘流装置包括：反射平面、非球反射曲面，以及设置于中心位置的中空的用于细胞流动的管道，非球反射曲面的焦点位置为细胞停留的位置；其中，外部光源产生的平行光入射反射平面的第一反射侧面，经第一反射侧面反射之后到达非球反射曲面的第一反射曲面，再经第一反射曲面反射之后聚焦至焦点位置，之后继续到达非球反射曲面的第二反射曲面，经第二反射曲面反射之后到达反射平面的第二反射侧面，经第二反射侧面反射之后出射；第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。通过本发明，能够提高应用过程中对光束的调试对准精度。

Description

一种鞘流装置及血液分析仪
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，涉及一种鞘流装置及血液分析仪。
背景技术
当前主流的流式血液分析仪中大多采用测量光学照射细胞后所得到的散射或者透射信号得到细胞的体积、内部结构等信息。具体工作过程可以总结如下：采用发射光学系统将光源所发出的光束聚焦至一中空的鞘流室中，鞘流室采用流体聚焦原理将细胞聚集成单细胞列顺序通过聚焦区域，细胞的透射或者散射光被接收光学系统收集至光电探测器上，进一步通过对光学信号的数据处理得到所需要的细胞体积、内部结构等信息。一个典型的血液分析仪光学系统装置结构如图1所示。其中，发射光学系统和接收光学系统通常由单片或多片光学镜片组成。
应用如图1所示的血液分析仪光学系统装置，在实际调试和生产过程中，需要准确的将发射光学系统聚焦得到的光斑中心同鞘流室中细胞位置对准，即需要对光学系统的x、y、z三轴方向和位置进行对准。
对于传统光学系统，由于存在多个调节自由度相互耦合所产生的光路在实现对准时较为困难，导致实际生产需要采用专用的对准设备和调试工序，进而降低生产效率和提高产品成本。不仅如此，发射和接收光学系统需要对光源进行整形、聚焦等功能，为了达到理想的像质，采取多片（4-6）光学透射镜片完成。多片光学系统亦需要进行精密调教，也存在调试复杂，加工时间长等限制因素。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种鞘流装置及血液分析仪，能够提高应用过程中对光束的调试对准精度。
本发明实施例提供一种鞘流装置，包括：反射平面、非球反射曲面，以及设置于中心位置的中空的用于细胞流动的管道，所述非球反射曲面的焦点位置为所述细胞停留的位置；
其中，外部光源产生的平行光入射所述反射平面的第一反射侧面，经所述第一反射侧面反射之后到达所述非球反射曲面的第一反射曲面，再经所述第一反射曲面反射之后聚焦至所述焦点位置，之后继续到达所述非球反射曲面的第二反射曲面，经所述第二反射曲面反射之后到达所述反射平面的第二反射侧面，经所述第二反射侧面反射之后出射；
所述第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。
优选的，还包括：与所述反射平面衔接的透射平面，则，
所述平行光垂直入射所述透射平面的第一透射侧面，经所述第一透射侧面透射，到达所述反射平面的第一反射侧面，经所述第一反射侧面反射之后到达所述非球反射曲面的第一反射曲面，再经所述第一反射曲面反射之后聚焦至所述焦点位置，之后继续到达所述非球反射曲面的第二反射曲面，经所述第二反射曲面反射之后到达所述反射平面的第二反射侧面，经所述第二反射侧面反射之后到达所述透射平面的第二透射侧面透射；
所述第一透射侧面和第二透射侧面、第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。
优选的，所述非球反射曲面为旋转抛物曲面。
优选的，所述第一透射侧面与第一反射侧面、第二透射侧面与第二反射侧面之间的夹角为45度。
优选的，所述反射平面为全反射平面。
优选的，所述非球反射曲面上镀有光学反射膜。
优选的，所述透射平面、反射平面、非球反射曲面以及管道的材质为同一种光学材料。
优选的，所述透射平面上镀有增透膜。
优选的，所述反射平面、非球反射曲面以及用于细胞流动的管道为一体成型结构。
优选的，所述反射平面、非球反射曲面、透射平面以及用于细胞流动的管道为一体成型结构。
一种血液分析仪，包括：光源、发射光学系统、接收光学系统、探测器以及上述任一项所示的鞘流装置；
其中，所述光源产生的平行光经所述发射光学系统准直之后，射入所述鞘流装置，聚焦至所述鞘流装置中血细胞所在的位置，经所述血细胞之后的透射光或散射光经所述接收光学系统接收并输出至所述探测器，由所述探测器根据所述透射光或散射光进行血液分析。
优选的，所述光源包括：激光器、卤素灯或发光二极管。
优选的，所述发射光学系统包括：单片准直透镜。
优选的，所述接收光学系统包括：单片准直透镜。
本发明实施例中，通过在鞘流装置中集成反射平面及非球反射曲面，使得射入鞘流室装置的平行光可以自动在反射平面完成反射，并将反射光投射至非球反射曲面，经非球反射曲面反射之后聚焦至细胞所在位置，可见，应用本装置仅需要对入射光束进行单自由度调节，可以大大提高应用过程中对光束的调试对准精度，同时可以降低与本装置配合使用的发射和接收光学系统的复杂度，降低生产和调试的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中典型的血液分析仪光学系统装置结构示意图；
图2（1）为本发明实施例提供的一种鞘流装置的侧视图；
图2（2）为相应图2（1）中鞘流装置的立体示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种鞘流装置示意图；
图4为本发明实施例提供的鞘流装置工作原理示意图；
图5为本发明实施例中光束在鞘流装置中发生偏移的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种血液分析仪的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，对本发明提供的一种鞘流装置进行说明，该装置可以包括：反射平面、非球反射曲面，以及设置于中心位置的中空的用于细胞流动的管道，所述非球反射曲面的焦点位置为所述细胞停留的位置；其中，外部光源产生的平行光入射所述反射平面的第一反射侧面，经所述第一反射侧面反射之后到达所述非球反射曲面的第一反射曲面，再经所述第一反射曲面反射之后聚焦至所述焦点位置，之后继续到达所述非球反射曲面的第二反射曲面，经所述第二反射曲面反射之后到达所述反射平面的第二反射侧面，经所述第二反射侧面反射之后出射；所述第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。
本发明实施例中，通过在鞘流装置中集成反射平面及非球反射曲面，使得射入鞘流室装置的平行光可以自动在反射平面完成反射，并将反射光投射至非球反射曲面，经非球反射曲面反射之后聚焦至细胞所在位置，可见，应用本装置仅需要对入射光束进行单自由度调节，可以大大提高应用过程中对光束的调试对准精度，同时可以降低与本装置配合使用的发射和接收光学系统的复杂度，降低生产和调试的难度。
实际应用时，上述鞘流装置还可以包括：与所述反射平面衔接的透射平面，则，所述平行光垂直入射所述透射平面的第一透射侧面，经所述第一透射侧面透射，到达所述反射平面的第一反射侧面，经所述第一反射侧面反射之后到达所述非球反射曲面的第一反射曲面，再经所述第一反射曲面反射之后聚焦至所述焦点位置，之后继续到达所述非球反射曲面的第二反射曲面，经所述第二反射曲面反射之后到达所述反射平面的第二反射侧面，经所述第二反射侧面反射之后到达所述透射平面的第二透射侧面透射；所述第一透射侧面和第二透射侧面、第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。
具体地，当设置透射平面之后，可以在所述透射平面上镀有增透膜。此外，所述非球反射曲面可以为旋转抛物曲面。所述第一透射侧面与第一反射侧面、第二透射侧面与第二反射侧面之间的夹角为45度。
为了增加反射光的强度，上述鞘流装置内的反射平面可以为全反射平面。并且，可以所述非球反射曲面上镀光学反射膜，以进一步增加聚焦到细胞处的光线强度。
优选的，上述鞘流装置可为一体成型结构，整体可由同一种光学材料构成，例如：光学塑胶、光学玻璃等。可通过光学冷加工、热加工等方法加工得到本装置。
由于光学塑料可通过注塑、模压等手段实现大批量加工，且光学塑料成本低廉，且可保证良好的机械精度，因此是上述鞘流装置的优选材料。
为了便于对上述鞘流装置的理解，下面通过具体的实例对整体方案进行详细的介绍说明。
如图2（1）所示的鞘流装置侧视图，鞘流装置为由透射平面、反射平面以及非球反射曲面构成的实体。实体重心位置设置有中空的管道11，所述管道11为细胞流动和聚焦的通道。图2中1为光学透射平面中的第一透射侧面，2为光学反射平面中的第一反射平面，3为非球反射曲面中的第一反射曲面，4为非球反射曲面中的第二反射曲面，5为光学透射平面中的第二透射侧面，6为光学反射平面中的第二反射平面，7为入射光束，8为出射光束，9为非球反射曲面焦点，10为中心轴线。对应图2（1），图2（2）为该鞘流装置的立体示意图。
其中，所述第一透射侧面1和第二透射侧面5、第一反射侧面2和第二反射侧面6以及第一反射曲面3和第二反射曲面4均呈中心对称形式，即：侧面1、5同10平行，侧面2、6同10成45度夹角，侧面1同2成45度夹角，侧面5同6成45度夹角。2、3、4、6均为光学反射面，其中，2、6利用光学全反射效应，均为全反射平面，3、4镀有光学反射膜。1、5镀有增透膜。
上述鞘流装置的工作过程为：平行光束7垂直于第一透射侧面1入射，经第一反射平面2反射后至第一反射曲面3，第一反射曲面3将光束聚焦至焦点9，焦点9为目标即细胞流所处位置。光束在焦点处同细胞相互作用后射至第二反射曲面4，第二反射曲面4将光束准直后射至第二反射平面6，第二反射平面6将光束进行反射，反射光束经过第二透射侧面5后形成出射光束8。
当然，实际应用过程中，第一透射侧面1与第一反射平面2、第二透射侧面5与第二反射平面6的设置位置并不局限于图2所示形式，还可以有其他设计方式，例如图3所示形式。只需满足侧面1同2成45度夹角，侧面5同6成45度夹角即可。
上述鞘流装置的工作原理依据图4进一步详述如下。由于第一透射侧面1和第一反射平面2均为光学平面，不改变光束的特性，其设置是考虑结构的合理性。由于各光学面对于中心轴线10对称设置，所以仅对左侧入射端进行描述，右侧出射端同理可知。
图4中a为装置构成材料，其折射率为na，b为待测样本液体所处空间，其折射率为nb，da、db为如图所示距离。第一反射曲面3为抛物线绕轴线10旋转形成的抛物面或是抛物面的一部分。如图4所示建立坐标系，坐标原点位于焦点9。光学面3的抛物线由下式进行确定：
y = - p 2 + 1 2 p ( x - q ) 2 - - - ( 1 )
设入射光束束腰为ω0，在焦点9处期望得到的光斑束腰为ω1，光束真空中光波长为λ0，已知na、nb、db后，公式(1)中的参数由(2)、(3)确定。
p = π ω 0 ω 1 n a λ 0 - - - ( 2 )
d a = p - d b · n a n b - - - ( 3 )
公式(1)保证了可获得期望大小的光斑形状，公式(2)、(3)保证了抛物面焦点同细胞所处位置重合。本发明实施例中的鞘流装置，可将入射的平行光理想聚焦至细胞所处位置，即非球反射曲面的焦点处。
图5中给出了光束偏移的情况示意，图中实线表示理想光束，虚线表示偏移光束，由图5可知，光束横向偏移后，由抛物面性质，光束仍然聚焦于焦点。
因此，应用上述鞘流装置，在实际调试过程中，唯一需要保证的条件是入射平行光束的轴线垂直于第一透射侧面1。这相对于传统光学系统需要进行至少二维对准的情况极大降低了调试的难度。并且，由于本装置优选采用光学塑料整体成型的方式进行加工，因此，各光学面的位置精度可以得到良好保证，且对使用环境不敏感，因此本装置可很好保证仪器所需精度要求。从成本上考虑，光学塑胶整体成型在批量生产的方式下可以极大降低元器件成本，且可保证元件的一致性。此外，本装置入射和出射光束均要求为平行光束，通常可利用单片光学元件对激光进行准直，相对于传统光学系统所需要的4~6片透镜，亦极大降低了元件数量，从而进一步降低成本。
需要说明的是，由于实际应用中光学系统同理论的差别，上述公式(1)、(2)、(3)仅是一种设计中的初始值，实际经过优化后的光学系统可能同公式所给出的值存在偏差，偏差量不超过20%的情况下均可认为是本发明所述范围。
同上述鞘流装置配合使用的光源可采用激光器，亦可采用卤素灯、发光二级管等。由于激光器具有高亮度和良好的光束特性，因此是上述鞘流装置的优选光源。
相应上述鞘流装置，本发明还提供了一种血液分析仪实施例。如图6所示，所述血液分析仪具体包括：光源601、发射光学系统602、接收光学系统604、探测器605以及上述鞘流装置603；其中，所述光源601产生的平行光经所述发射光学系统602准直之后，射入所述鞘流装置603，聚焦至所述鞘流装置603中血细胞所在的位置，经所述血细胞之后的透射光或散射光经所述接收光学系统604接收并输出至所述探测器605，由所述探测器605根据所述透射光或散射光进行血液分析。
该血液分析仪中，所述发射光学系统可以包括：单片准直透镜。且，所述接收光学系统也可以只包括：单片准直透镜。
由于鞘流装置中入射和出射光束均要求为平行光束，因此，可直接利用单片光学元件对入射和出射鞘流装置的光进行准直，即在发射光学系统和接收光学系统中只设置单片准直透镜即可。相对于传统光学系统所需要的4~6片透镜，极大地降低了元件数量。
同上述鞘流装置配合使用的光源可采用激光器，亦可采用卤素灯、发光二级管等。由于激光器具有高亮度和良好的光束特性，因此是上述鞘流装置的优选光源。
所述探测器605根据所述透射光或散射光进行血液分析的具体实施方式为本领域技术人员公知的技术，此处不再进行赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种鞘流装置，其特征在于，包括：反射平面、非球反射曲面，以及设置于中心位置的中空的用于细胞流动的管道，所述非球反射曲面的焦点位置为所述细胞停留的位置；
其中，外部光源产生的平行光入射所述反射平面的第一反射侧面，经所述第一反射侧面反射之后到达所述非球反射曲面的第一反射曲面，再经所述第一反射曲面反射之后聚焦至所述焦点位置，之后继续到达所述非球反射曲面的第二反射曲面，经所述第二反射曲面反射之后到达所述反射平面的第二反射侧面，经所述第二反射侧面反射之后出射；
所述第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。
2.根据权利要求1所述的鞘流装置，其特征在于，还包括：与所述反射平面衔接的透射平面，则，
所述平行光垂直入射所述透射平面的第一透射侧面，经所述第一透射侧面透射，到达所述反射平面的第一反射侧面，经所述第一反射侧面反射之后到达所述非球反射曲面的第一反射曲面，再经所述第一反射曲面反射之后聚焦至所述焦点位置，之后继续到达所述非球反射曲面的第二反射曲面，经所述第二反射曲面反射之后到达所述反射平面的第二反射侧面，经所述第二反射侧面反射之后到达所述透射平面的第二透射侧面透射；
所述第一透射侧面和第二透射侧面、第一反射侧面和第二反射侧面以及第一反射曲面和第二反射曲面均呈中心对称形式。
3.根据权利要求1所述的鞘流装置，其特征在于，所述非球反射曲面为旋转抛物曲面。
4.根据权利要求2所述的鞘流装置，其特征在于，所述第一透射侧面与第一反射侧面、第二透射侧面与第二反射侧面之间的夹角为45度。
5.根据权利要求1所述的鞘流装置，其特征在于，所述反射平面为全反射平面。
6.根据权利要求1所述的鞘流装置，其特征在于，所述非球反射曲面上镀有光学反射膜。
7.根据权利要求2所述的鞘流装置，其特征在于，所述透射平面、反射平面、非球反射曲面以及管道的材质为同一种光学材料。
8.根据权利要求2所述的鞘流装置，其特征在于，所述透射平面上镀有增透膜。
9.根据权利要求1所述的鞘流装置，其特征在于，所述反射平面、非球反射曲面以及用于细胞流动的管道为一体成型结构。
10.根据权利要求2所述的鞘流装置，其特征在于，所述反射平面、非球反射曲面、透射平面以及用于细胞流动的管道为一体成型结构。
11.一种血液分析仪，其特征在于，包括：光源、发射光学系统、接收光学系统、探测器以及如权利要求1-10中任一项所示的鞘流装置；
其中，所述光源产生的平行光经所述发射光学系统准直之后，射入所述鞘流装置，聚焦至所述鞘流装置中血细胞所在的位置，经所述血细胞之后的透射光或散射光经所述接收光学系统接收并输出至所述探测器，由所述探测器根据所述透射光或散射光进行血液分析。
12.根据权利要求11所述的血液分析仪，其特征在于，所述光源包括：激光器、卤素灯或发光二极管。
13.根据权利要求11所述的血液分析仪，其特征在于，所述发射光学系统包括：单片准直透镜。
14.根据权利要求11所述的血液分析仪，其特征在于，所述接收光学系统包括：单片准直透镜。
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