CN104459999B - 成像流式细胞仪的照明系统 - Google Patents

Abstract

成像流式细胞仪的照明系统属于光学设计技术领域，目的在于解决现有技术存在的光能损耗大、利用率低、研制成本高、稳定性差和对光机设计存在一定制约的问题。本发明的成像流式细胞仪的照明系统包括激光光源、数字微镜阵列、压电陶瓷转动平台、激光扩束系统、柱面镜和聚焦透镜；激光光源输出的基模光线经数字微镜阵列生成反射光线，反射光线经激光扩束系统扩束形成圆形光斑的扩束光线，所述扩束光线经柱面镜成像为椭圆形光斑，所述椭圆形光斑经聚焦透镜产生的聚焦光线，所述聚焦光线在目标面处聚焦成一条均匀的线形光斑；所述数字微镜阵列设置在所述压电陶瓷转动平台上，所述数字微镜阵列通过压电陶瓷转动平台控制实现高速扫描运动。

Description

成像流式细胞仪的照明系统

技术领域

本发明属于光学设计技术领域，具体涉及一种用于成像流式细胞仪等检测设备的照明系统。

背景技术

在成像流式细胞仪的研制过程中，对其照明系统提出了高亮度以及均匀的要求。具有高亮度、单色性、相干性等显著特点的基模激光光源(TEM00)就成为了最为合适的选择。为使细胞得到均匀照射，并提高分辨率，照射到细胞上的激光光斑直径应和细胞直径相近。所以，要求用于照明的激光强度分布为类矩形脉冲的平顶。

目前的成像流式细胞仪中的照明系统为了在目标面处形成平顶光强分布，有以下两种实现方法：一是利用二元光学中的衍射效应，对经过衍射光学元件阵列的光束进行光学整形，使出射光束的光场分布为类平顶似的光强分布，引入衍射光学元件，由于衍射效应会使光束发生不同衍射级次的分光，造成光能的大量损耗，光能利用率极低，并且为了满足照明面积的需求必须采用大口径激光光源，增加研制难度和成本；二是利用楔形光学元件同样可以对入射光束进行整形的原理，在激光传输路径上添加双楔形光学元件，生成平顶光强，但是双楔形光学元件的加工精度要求过高，并伴随着其稳定性不高等缺陷，使得仪器在光机设计有着一定的制约作用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种成像流式细胞仪的照明系统，解决现有技术存在的光能损耗大、利用率低、研制成本高、稳定性差和对光机设计存在一定制约的问题。

为实现上述目的，本发明的成像流式细胞仪的照明系统包括激光光源、数字微镜阵列(Digital Mirror Detector，简称DMD)、压电陶瓷转动平台、激光扩束系统、柱面镜和聚焦透镜；

激光光源输出的基模光线经数字微镜阵列生成反射光线，反射光线经激光扩束系统扩束形成圆形光斑的扩束光线，所述扩束光线经柱面镜成像为椭圆形光斑，所述椭圆形光斑经聚焦透镜产生的聚焦光线，所述聚焦光线在目标面处聚焦成一条均匀的线形光斑；

所述数字微镜阵列设置在所述压电陶瓷转动平台上，所述数字微镜阵列通过压电陶瓷转动平台控制实现高速扫描运动，使得在目标面处的高斯分布光强叠加形成一个类平顶分布的矩形光斑。

所述激光扩束系统包括一个凹透镜和一个凸透镜，所述反射光线依次经过凹透镜和凸透镜实现扩束。

所述基模光线、反射光线和扩束光线为高斯光强分布的圆形光斑。

本发明的有益效果为：本发明的成像流式细胞仪的照明系统采用压电陶瓷转动平台控制数字微镜阵列的转动以实现照明系统在小角度范围内的光线扫描，以及柱面镜可以改变成像尺寸的特性，使照明系统在目标面处的光线发生叠加效应，生成一个类平顶光强分布的均匀的矩形光斑，完成了利用低功率激光光源替代大口径、高功率的激光光源实现目标面的高亮度的照明要求，解决了设备的研制难题，降低了设备的研究成本，光能损耗小，利用率高。另外，相较于其他成像流式细胞仪中的照明系统，本装置中采用的均是简单、非专业的光学元件，为此可以适应各种波长激光光源的照明设计环境，避免了对光机设计存在的制约问题。

附图说明

图1为本发明的成像流式细胞仪的照明系统的结构示意图；

图2为本发明的成像流式细胞仪的照明系统中照明光斑光强分布叠加情况示意图；

其中：1、激光光源，2、基模光线，3、数字微镜阵列，4、压电陶瓷转动平台，5、反射光线，6、凹透镜，7、凸透镜，8、激光扩束系统，9、扩束光线，10、柱面镜，11、椭圆形光斑，12、聚焦透镜，13、聚焦光线，14、线形光斑，15、高斯分布光强。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的成像流式细胞仪的照明系统包括激光光源1、数字微镜阵列3、压电陶瓷转动平台4、激光扩束系统8、柱面镜10和聚焦透镜12；

激光光源1输出的基模光线2经数字微镜阵列3生成反射光线5，反射光线5经激光扩束系统8扩束形成圆形光斑的扩束光线9，因柱面镜10的改变像尺寸的应用，所述扩束光线9经柱面镜10成像为椭圆形光斑11，所述椭圆形光斑11经聚焦透镜12产生的聚焦光线13，所述聚焦光线13在目标面处聚焦成一条均匀的线形光斑14；

参见附图2，所述数字微镜阵列3是将微镜阵列芯片固定在开发电路板上。当数字微镜阵列未加电压时，光入射到数字微镜阵列3表面后反射出去，属初始状态；加电压后，由于上下电极间静电力作用，驱动微镜，微镜镜面发生±12°的偏转，使得出射光角度发生偏离。该器件优点为只有“0”，“1”两种状态，控制简单，稳定性和可靠性高，具有可编程等功用。

所述数字微镜阵列3设置在所述压电陶瓷转动平台4上，使得激光光源1在目标面处的光束仍为高斯分布光强15。所述数字微镜阵列3通过压电陶瓷转动平台4控制实现高速扫描运动，这一运动的直接结果就是在目标面处的高斯分布光强15发生叠加效应，若干个相同束腰半径等参数的高斯光束叠加生成一种类平顶分布的矩形光斑，可满足成像流式细胞仪对照明系统的尺寸要求。

所述激光扩束系统8包括一个凹透镜6和一个凸透镜7，所述反射光线5依次经过凹透镜6和凸透镜7实现扩束。

所述基模光线2、反射光线5和扩束光线9为高斯光强分布的圆形光斑。

激光光源发射的基模光线形成的高斯光束的光场分布可表为如下的一般形式：

$u_{00}(x,y,z)=c_{00}\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\exp [-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}]\exp \{-i[k(z+\frac{x^2+y^2}{2R\left(z\right)})-\arctan \frac{z}{f}\left]\right\}$

式中：c₀₀为常数因子，

k＝2π/λ，

为与传播轴线相较于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径；

为与传播轴线相较于z点的高斯光束等相位面的曲率半径；

为高斯光束的共焦参数；

基模高斯光束的腰斑半径。

Claims (3)

1.成像流式细胞仪的照明系统，包括激光光源(1)、数字微镜阵列(3)、柱面镜(10)和聚焦透镜(12)，其特征在于，还包括压电陶瓷转动平台(4)和激光扩束系统(8)；

激光光源(1)输出的基模光线(2)经数字微镜阵列(3)生成反射光线(5)，反射光线(5)经激光扩束系统(8)扩束形成圆形光斑的扩束光线(9)，所述扩束光线(9)经柱面镜(10)成像为椭圆形光斑(11)，所述椭圆形光斑(11)经聚焦透镜(12)产生的聚焦光线(13)，所述聚焦光线(13)在目标面处聚焦成一条均匀的线形光斑(14)；

所述数字微镜阵列(3)设置在所述压电陶瓷转动平台(4)上，所述数字微镜阵列(3)通过压电陶瓷转动平台(4)控制实现高速扫描运动，使得在目标面处的高斯分布光强(15)叠加形成一个类平顶分布的矩形光斑。

2.根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的照明系统，其特征在于，所述激光扩束系统(8)包括一个凹透镜(6)和一个凸透镜(7)，所述反射光线(5)依次经过凹透镜(6)和凸透镜(7)实现扩束。

3.根据权利要求1所述的成像流式细胞仪的照明系统，其特征在于，所述基模光线(2)、反射光线(5)和扩束光线(9)为高斯光强分布的圆形光斑。