CN104503101B - 一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统 - Google Patents

一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于衍射光学技术领域，尤其涉及一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，包括：激光光源、衍射光学整形器件、反射镜、分光镜、透镜；各个激光器光源发出的光，经过衍射光学整形器件后，形成强度均匀分布的光斑，包括但不限于矩形光斑，最终照射在所述流式细胞仪系统的细胞液流上。相对于传统流式细胞仪光束形成系统的结果，本发明将衍射光学整形器件应用于流式细胞仪的光束形成系统中，而形成强度均匀分布的照明光斑，提高了流式细胞仪系统能量利用率和测量分析精度。

Description

一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统
技术领域
本发明属于衍射光学技术领域，尤其涉及一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统。
背景技术
流式细胞仪是对处在快速、流动状态中的单细胞或生物颗粒进行多参数快速定量分析，同时对特定群体加以分选的现代细胞分析仪器。其工作原理是：激光光源经过聚焦整形后，垂直照射在细胞液流上，激发荧光染料产生荧光或者细胞散射光，这些光信号被探测器接收后转换为电信号，经过一系列的信号处理，从而实现细胞特征检测或者是分流。
在传统的流式细胞仪光束形成系统中，激光器发出的光经过两个正交的柱面镜整形为一个高斯分布的椭圆形光斑，如图1所示，其长轴与细胞液流垂直。为在细胞流上形成较为均匀的照明光斑，只允许椭圆光斑的中间部分照射在细胞液流上，所以流式细胞仪的光能利用率低，并且高斯光斑旁瓣作为背景光，影响了流式细胞仪的测量精度。
发明内容
为了能将入射光斑整形成均匀分布的照明光斑，从而能有效地提高流式细胞仪系统能量利用率和测量分析精度，本发明提出了一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，包括：n个激光光源、n个衍射光学整形器件、n-1个分光镜、1个透镜，n为大于等于2的正整数，i＝2,4…,n；
其中，第1个激光光源发出的光经过第1个衍射光学整形器件后发出的第1路光与第2个激光光源发出的光经过第2个衍射光学整形器件后在第1个分光镜处合成第2路光后发出，第i个激光光源发出的光经过第i个衍射光学整形器件后在第i-1个分光镜处与第i-1路光合成为第i路光后发出，第n路光发出后经过透镜形成光斑照射在流式细胞仪的细胞液流上。
所述n个激光光源当中的第i个激光光源与所述n个衍射光学整形器件当中的第i个衍射光学整形器件之间加装有mi个分光镜以及mi个激光光源，第i个激光光源发出的光依次经过mi个分光镜后到达第i个衍射光学整形器件，并且在经过这mi个分光镜当中的第ji个分光镜时与这mi个激光光源当中的第ji个激光光源所发出的光合成之后再发向下一个分光镜或第i个衍射光学整形器件，其中，ji＝1,2,…,mi，mi为自然数，且不同的i对应相同或不同的mi数值。
一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，包括：n个激光光源、1个衍射光学整形器件、n-1个分光镜、1个透镜，n为大于等于2的正整数，i＝2,3,…,n；
其中，第1个激光光源发出的第1路光在第1个分光镜处与第2个激光光源发出的光合成为第2路光后发出，第i个激光光源发出的光在第i-1个分光镜处与第i-1路光合成为第i路光后发出，第n路光发出后依次经过衍射光学整形器件、透镜形成光斑照射在流式细胞仪的细胞液流上。
所述第1个激光光源发出的光在经过第1个分光镜或第1个衍射光学整形器件之前先经过1个反射镜。
所述衍射光学整形器件与不同波长光源一一对应，或一个衍射光学整形器件能满足对不同波长光源整形后得到符合几何形状、尺寸和强度分布的照明光斑的要求。
所述衍射光学整形器件能与透镜或透镜组联用；或只使用衍射光学器件实现整形光斑。
所述衍射光学整形器件与闪耀光栅结合使用；或将衍射光学器件加工在有一倾斜角的基板上，从而达到减小加工误差对整形结果影响的目的。
所述衍射光学整形器件加工在平面基板或者透镜表面。
所述衍射光学整形器件是透射式或反射式。
所述衍射光学整形器件的材料是光学玻璃或光学晶体或光学塑料。
所述衍射光学整形器件是二元光学器件或全息光学器件或微纳光学器件或空间光调制器，以及包括其他能实现光场相位调制和/或振幅调制的各类器件。
本发明的有益效果在于：将衍射光学器件应用于流式细胞仪的光束形成系统中，而形成强度均匀分布的照明光斑，提高了流式细胞仪系统能量利用率和测量分析精度。
附图说明
图1为使用两个正交柱面镜得到的整形光斑强度分布的截面图。
图2为本发明提出的流式细胞仪光束形成系统的方案一示意图。
图3为本发明提出的流式细胞仪光束形成系统的方案二示意图。
图4为本发明提出的流式细胞仪光束形成系统的方案三示意图。
图5为在方案三的基础上增加反射镜后的方案四示意图。
图6为在方案一的基础上增加反射镜后的方案五示意图。
图7为本发明实施例一的光学系统图。
图8为本发明实施例二的光学系统图。
图9为本发明实施例三的光学系统图。
图10为设计的衍射光学整形器件的相位图。
图11为理论计算得到的整形光斑强度分布截面图。
图12为理论计算得到的整形光斑强度分布截面图。
图13为实验测量得到的整形光斑强度分布的截面图。
其中，A1～An为第1～n个激光光源发出的第1～n入射光，B1～Bn为第1～n个衍射光学整形器件，C1～Cn-1为第1～n-1个分光镜，D1～Dn为第1～n路光，E为反射镜，F为透镜，G为光斑，a1～an为第1～n入射光分别经过各自所对应的第1～n个衍射光学整形器件后的整形光束，d2～dn为第2～n路光经过衍射光学整形器件后形成的光束，为在第i个激光光源与第i个衍射光学整形器件之间增加的mi个激光光源中的第ji个激光光源，为在第i个激光光源与第i个衍射光学整形器件之间增加的mi个分光镜中的第ji个分光镜，为在第i个激光光源与第i个衍射光学整形器件之间增加的mi个激光光源中的第ji个激光光源发出的光经过第ji个分光镜之后发出的光。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，如图2所示，包括：n个激光光源、n个衍射光学整形器件、n-1个分光镜、1个透镜，n为大于等于2的正整数，i＝2,4…,n；
其中，第1个激光光源发出的光经过第1个衍射光学整形器件后发出的第1路光与第2个激光光源发出的光经过第2个衍射光学整形器件后在第1个分光镜处合成第2路光后发出，第i个激光光源发出的光经过第i个衍射光学整形器件后在第i-1个分光镜处与第i-1路光合成为第i路光后发出，第n路光发出后经过透镜形成光斑照射在流式细胞仪的细胞液流上。
如图3所示，所述n个激光光源当中的第i个激光光源与所述n个衍射光学整形器件当中的第i个衍射光学整形器件之间加装有mi个分光镜以及mi个激光光源，第i个激光光源发出的光依次经过mi个分光镜后到达第i个衍射光学整形器件，并且在经过这mi个分光镜当中的第ji个分光镜时与这mi个激光光源当中的第ji个激光光源所发出的光合成之后再发向下一个分光镜或第i个衍射光学整形器件，其中，ji＝1,2,…,mi，mi为自然数，且不同的i对应相同或不同的mi数值。
一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，如图4所示，包括：n个激光光源、1个衍射光学整形器件、n-1个分光镜、1个透镜，n为大于等于2的正整数，i＝2,3,…,n；
其中，第1个激光光源发出的第1路光在第1个分光镜处与第2个激光光源发出的光合成为第2路光后发出，第i个激光光源发出的光在第i-1个分光镜处与第i-1路光合成为第i路光后发出，第n路光发出后依次经过衍射光学整形器件、透镜形成光斑照射在流式细胞仪的细胞液流上。
如图5和图6所示，所述第1个激光光源发出的光在经过第1个分光镜或第1个衍射光学整形器件之前先经过1个反射镜。
所述衍射光学整形器件与不同波长光源一一对应，或一个衍射光学整形器件能满足对不同波长光源整形后得到符合几何形状、尺寸和强度分布的照明光斑的要求。
所述衍射光学整形器件能与透镜或透镜组联用；或只使用衍射光学器件实现整形光斑。
所述衍射光学整形器件与闪耀光栅结合使用；或将衍射光学器件加工在有一倾斜角的基板上，从而达到减小加工误差对整形结果影响的目的。
所述衍射光学整形器件加工在平面基板或者透镜表面。
所述衍射光学整形器件是透射式或反射式。
所述衍射光学整形器件的材料是光学玻璃或光学晶体或光学塑料。
所述衍射光学整形器件是二元光学器件或全息光学器件或微纳光学器件或空间光调制器，以及包括其他能实现光场相位调制和/或振幅调制的各类器件。
根据流式细胞仪系统对激光光斑几何尺寸、形状要求、光强分布和高频噪声等要求，再结合光束形成系统光路，设计衍射光学整形器件的相位分布；再根据相位，加工得到衍射光学整形器件，或者直接由空间光调制器等相位调制器件产生。
图7为本发明实施例一的光学系统图。两束不同波长的第1入射光A1和第2入射光A2经过光束准直系统或者直接入射；第1入射光A1经过第1衍射光学整形器件B1后经过反射镜E后成为整形光束D1；第2入射光A2经过第2衍射光学整形器件B2后成为整形光束a2；整形光束D1和a2在分光镜C1处合光，经过透镜F后形成整形光斑G照射在流式细胞仪的细胞液流上。
图8为本发明实施例二的光学系统图。两束不同波长的第1入射光A1和第2入射光A2经过光束准直系统或者直接入射；第1入射光A1经过反射镜E后再经过第1衍射光学整形器件B1后成为整形光束a1；第2入射光A2经过第2衍射光学整形器件B2后成为整形光束a2；整形光束a1和a2在分光镜C1处合光，经过透镜F后形成整形光斑G照射在流式细胞仪的细胞液流上。
图9为本发明实施例三的光学系统图。两束不同波长的第1入射光A1和第2入射光A2经过光束准直系统或者直接入射；第1入射光A1经过反射镜E与第2入射光A2在分光镜C1处合光，经过第1衍射光学整形器件B1，再经过透镜F后形成整形光斑G照射在流式细胞仪的细胞液流上。
针对实施例一，设计得到的衍射光学整形器件相位分布如图10所示，仿真得到的整形光斑强度分布截面如图11和图12所示，为强度均匀分布的矩形光斑。图13为实验测量得到的整形光斑强度分布的截面图，对比图1中利用柱面镜整形得到的光斑强度分布，可以看出，利用衍射光学器件得到的光斑，顶部强度分布均匀，旁瓣小，背景噪声明显减小，从而可以有效地提高流式细胞仪系统能量利用率和测量分析精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，其特征在于，包括：n个激光光源、n个衍射光学整形器件、n-1个分光镜、1个透镜，n为大于等于2的正整数，i＝2,4…,n；
其中，第1个激光光源发出的光经过第1个衍射光学整形器件后发出的第1路光与第2个激光光源发出的光经过第2个衍射光学整形器件后在第1个分光镜处合成第2路光后发出，第i个激光光源发出的光经过第i个衍射光学整形器件后在第i-1个分光镜处与第i-1路光合成为第i路光后发出，第n路光发出后经过透镜形成光斑照射在流式细胞仪的细胞液流上。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述n个激光光源当中的第i个激光光源与所述n个衍射光学整形器件当中的第i个衍射光学整形器件之间加装有mi个分光镜以及mi个激光光源，第i个激光光源发出的光依次经过mi个分光镜后到达第i个衍射光学整形器件，并且在经过这mi个分光镜当中的第ji个分光镜时与这mi个激光光源当中的第ji个激光光源所发出的光合成之后再发向下一个分光镜或第i个衍射光学整形器件，其中，ji＝1,2,…,mi，mi为自然数，且不同的i对应相同或不同的mi数值。
3.一种基于衍射光学整形器件的流式细胞仪光束形成系统，其特征在于，包括：n个激光光源、1个衍射光学整形器件、n-1个分光镜、1个透镜，n为大于等于2的正整数，i＝2,3,…,n；
其中，第1个激光光源发出的第1路光在第1个分光镜处与第2个激光光源发出的光合成为第2路光后发出，第i个激光光源发出的光在第i-1个分光镜处与第i-1路光合成为第i路光后发出，第n路光发出后依次经过衍射光学整形器件、透镜形成光斑照射在流式细胞仪的细胞液流上。
4.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述第1个激光光源发出的光在经过第1个分光镜或第1个衍射光学整形器件之前先经过1个反射镜。
5.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件与不同波长光源一一对应，或一个衍射光学整形器件能满足对不同波长光源整形后得到符合几何形状、尺寸和强度分布的照明光斑的要求。
6.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件能与透镜或透镜组联用；或只使用衍射光学器件实现整形光斑。
7.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件与闪耀光栅结合使用；或将衍射光学器件加工在有一倾斜角的基板上，从而达到减小加工误差对整形结果影响的目的。
8.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件加工在平面基板或者透镜表面。
9.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件是透射式或反射式。
10.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件的材料是光学玻璃或光学晶体或光学塑料。
11.根据权利要求1或2或3所述系统，其特征在于，所述衍射光学整形器件是二元光学器件或全息光学器件或微纳光学器件或空间光调制器或其他能实现光场相位调制和/或振幅调制的各类器件。
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