CN106226224A - 一种粒子分析仪用光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粒子分析仪用光学系统，包括激光整形照明单元，鞘流池和信号接收处理单元；激光整形照明单元包括激光器、单模光纤和激光整形模块；激光器将发出的激光通过单模光纤传输到激光整形模块；激光整形模块用于对单模光纤出射的激光进行准直、汇聚和整形处理；鞘流池用于检测样本检测区域的样本流；信号接收处理单元用于接收从样本检测区域发出的有用散射光信号并进行光电转换形成电信号。本发明采用单模光纤作为光传播手段，避免了在光学系统中直接收集由半导体激光器发出的大角度激光，使得收集透镜的数值孔径可以降低至0.3或者更小，同时避免了激光器发出的高阶横模的激光对系统的影响，使得照明光斑形状规则，能亮密度均匀。

Description

一种粒子分析仪用光学系统
技术领域
本发明涉及粒子分析仪领域，特别是一种粒子分析仪用光学系统。
背景技术
在粒子分析领域，血细胞分类计数领域，流式细胞法是常用的计数手段之一。流式细胞法是让待测粒子被鞘液携裹着通过一检测区域。在该区域中，细胞被照射光照亮，并向全空域发出散射光或者荧光，收集有用的光信息，进行光电转换后进入数据处理系统，形成散点图，依据散点图对分析对象进行分析。
上述流式细胞法的光学系统一般包括照明单元、鞘流池单元和信号接收处理单元。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或者荧光；信号处理单元按照设计收集散射光和荧光信息，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甚至三维散点图，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。当待测粒子通过鞘流池2的中心区域时将被激光照亮，发出的散射光和/或荧光被信号接收处理单元接收，经光电转换后再进行处理。
其中照明单元在鞘流池2中的检测区域形成的光斑如图2所示，为椭圆形，长轴约为60～240um，短轴约为8～22um，为方便叙述，选择一个典型值，长轴为200um，短轴为10um。图2中圆形物体代表待测粒子，当待测粒子一个接着一个成队列通过照射区域时，待测粒子会在激光的照射下，发出散射光或者荧光等。
光源11一般为半导体激光器，半导体激光器的发光模式如图3所示，其发出的激光在水平和垂直方向上的发散角是不同的，以图3的放置位置为例，激光器在水平方向上的发散角为5～10度，在垂直方向上的发散角为30～50度。如图1中所示，光源11发出的光被准直透镜12收集后整形成平行光，平行光继续被整形组件13进行压缩整形，形成检测区域的椭圆形光斑。
现在的问题是，准直透镜12一般为非球面透镜，目前比较合适的数值孔径在0.6左右，即该准直透镜对激光器发出的激光，最大的收集能力约为36度。换句话说，与光轴夹角大于36的光束不能被准直透镜12收集，而且一般来说，该透镜收集能力的极限边缘处，会出现衍射杂散光点，最后，在检测区域形成的最终照明光斑会如图4所示。
另外，对半导体激光器来说，理论上使用的是其基模TEM00的激光，但是对激光器本身来说，不可避免的有高阶横模的光发出，即激光器发出的光，在水平和垂直方向上不是一个标准的高斯曲线，而是有一定的波动。这种高阶模式的光不可去除，进入系统后会加剧上述图4中出现的问题。
这个问题会使每一待检粒子通过照射区域时，在进入主光斑之前和之后，都会有一个能亮较弱的次光斑，这样在后续的转换完成的电信号中，除了正常的主脉冲之外，还会有两个伴生的次脉冲，如图5所示。这种伴生的次脉冲会对后续的数据处理引入误差或者误判，从而影响检测精度。
因此，需要一种检测精度更高的粒子分析仪用光学系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种检测精度更高的粒子分析仪用光学系统；该系统适用于对血细胞进行分析计数。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种粒子分析仪用光学系统，包括激光整形照明单元，鞘流池和信号接收处理单元；
所述激光整形照明单元包括半导体激光器、单模光纤和激光整形模块；
所述半导体激光器将发出的激光通过单模光纤传输到激光整形模块；
所述激光整形模块用于对单模光纤出射的激光进行准直、汇聚和整形处理；
所述鞘流池用于检测样本检测区域的样本流；
所述信号接收处理单元用于接收从样本检测区域发出的有用散射光信号并进行光电转换形成电信号。
进一步，所述激光整形模块包括收集透镜和柱面透镜；
所述收集透镜设置于单模光纤的出光口；所述柱面透镜设置于收集透镜后用于收集激光并将激光传输到鞘流池。
进一步，所述单模光纤纤芯直径约为2～6微米，数值孔径(NA)约为0.1～0.3。
进一步，所述单模光纤中的激光通过尾纤出射。
进一步，所述激光整形照明单元在照射目标区域的光斑形状为椭圆形，椭圆长轴为60～240微米，椭圆短轴为8～22微米。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明公开的粒子分析仪用的光学系统采用单模光纤作为光传播手段，使半导体激光器发出的光耦合进入单模光纤，再从光纤出射时，其发光效果为一个发散角度小于20度的理想点光源，这使得后续的光束处理系统趋近理想化，不用考虑半导体激光器引入的大数值孔径，高阶横模等问题，避免了在光学系统中直接采用收集透镜收集由半导体激光器发出的大角度激光，使得收集透镜的数值孔径可以降低至0.3或者更小，同时避免了激光器发出的高阶横模的激光对系统的影响，使得照明光斑形状规则，能亮密度均匀。该光学系统也可用于血细胞分析仪等采用流式细胞方法进行粒子分的分析仪。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为现有技术中照明单元示意图；
图2为检测区域的照明光斑示意图；
图3为半导体激光器发光模式示意图；
图4为检测区域试剂照明光斑示意图；
图5为电信号脉冲示意图；
图6为本发明照明单元示意图。
图中：光源11、激光整形模块12、鞘流池2、半导体激光器101、单模光纤102、出光口103、收集透镜104、柱面透镜105；311为输出激光束、312为纵模振荡谱、313为垂直横模、314为水平横模、315为远场图、316为近场图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图所示，本实施例提供的一种粒子分析仪用光学系统，包括激光整形照明单元，鞘流池2和信号接收处理单元；
所述激光整形照明单元包括半导体激光器、单模光纤和激光整形模块12；
所述半导体激光器将发出的激光通过单模光纤传输到激光整形模块12
所述激光整形模块12用于对单模光纤出射的激光进行准直、汇聚和整形处理；
所述鞘流池用于检测样本检测区域的样本流；
所述信号接收处理单元用于接收从样本检测区域发出的有用散射光信号并进行光电转换形成电信号。
所述激光整形模块包括收集透镜和柱面透镜；
所述收集透镜设置于单模光纤的出光口；所述柱面透镜设置于收集透镜后用于收集激光并将激光传输到鞘流池。
所述单模光纤纤芯直径约为2～6微米，数值孔径(NA)约为0.1～0.3。
所述单模光纤中的激光通过尾纤出射。
所述激光整形照明单元在照射目标区域的光斑形状为椭圆形，椭圆长轴为60～240微米，椭圆短轴为8～22微米。
实施例2
本实施例提供的粒子分析仪的光学系统，包括激光照明单元，鞘流池和信号接收处理单元，其中，所述的激光整形照明单元包括半导体激光器、传导单模光纤和激光整形模块，所述的激光整形模块对光纤出射的激光进行准直、汇聚和整形处理；
所述的鞘流单元提供样本检测区域，形成用于检测的单排成队列逐一通过的样本流；
所述的信号接收处理单元用于接收从样本检测区域发出的有用散射光信号，进行光电转换，并对转换形成的电信号进行放大。
所述的激光整形照明单元使用半导体激光器作为光源11，使用单模光纤传输激光能量，使用一块球面或者非球面镜配合一块柱面透镜用于对光纤出射的激光进行处理。
所述的半导体激光器输出的激光直接耦合射入单模光纤，不直接进行准直或者整形处理。
所述的单模光纤纤芯直径约为2～6微米，数值孔径(NA)约为0.1～0.3。
所述单模光纤中的激光通过尾纤；不适用自准直透镜，直接出射。
所述单模光纤出射的光束被一块球面或者非球面镜收集、整形，其后放置一块柱面镜，用于对光束进行整形。
所述激光整形照明单元在照射目标区域的光斑形状为椭圆形，椭圆长轴为60～240微米，椭圆短轴为8～22微米。
本实施例提供光纤作为光能量的传输工具，使半导体激光器发出的光耦合进入单模光纤，再从光纤出射时，其发光效果为一个发散角度小于20度的理想点光源，这使得后续的光束处理系统趋近理想化，不用考虑半导体激光器引入的大数值孔径，高阶横模等问题，有效的避免了高阶横模光和伴生次脉冲对后续的数据处理引入误差或者误判，从而影响检测精度的问题。如图3所示，图3为半导体激光器发光模式示意图；其中，311为输出激光束、312为纵模振荡谱、313为垂直横模、314为水平横模、315为远场图、316为近场图。
实施例3
本实施例结合附图6进一步的详细说明：
如图6所示，图6中半导体激光器101发出的激光耦合进入单模光纤102，激光从单模光纤的出光口103处射出，射出的光出射角度不大于20度(半角)，可以当做点光源处理，射出的类似点光源发出的光被收集透镜104收集，并初步整形，之后射入柱面透镜105被进一步整形，当光束传播至鞘流池2时，在鞘流池2中的待检测区域，形成如图2所示的照明光斑。
收集透镜104可以为球面或者非球面透镜，其数值孔径应大于单模光纤的数值孔径。收集透镜104同时具有一定的整形能力，理论上说，其将光纤出射的光收集后汇聚至待检测区域，形成一个圆形照明光斑，该圆形照明光斑的直径应与最终照明光斑的长轴或者短轴近似相同。
柱面透镜105在收集透镜104初步整形的基础上，将上述圆形照明光斑压缩或者拉伸。如收集透镜104形成的圆形照明光斑直径与最终光斑的长轴相同，则柱面透镜105会在短轴方向上压缩该光斑，使得照明光斑成椭圆形。如收集透镜104形成的圆形照明光斑直径与最终光斑的短轴相同，则柱面透镜105会在长轴方向上拉伸该圆形照明光斑，使得照明光斑成为设计的椭圆形。
柱面透镜105的曲面形式可以为圆形曲线或者圆锥曲线，或者更高次的曲线。收集透镜104和/或柱面透镜105具有对高斯光束进行均匀化和/或平顶化处理的功能，以使得形成的光斑能亮均匀。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种粒子分析仪用光学系统，其特征在于：包括激光整形照明单元，鞘流池和信号接收处理单元；
所述激光整形照明单元包括半导体激光器、单模光纤和激光整形模块；
所述半导体激光器将发出的激光通过单模光纤传输到激光整形模块；
所述激光整形模块用于对单模光纤出射的激光进行准直、汇聚和整形处理；
所述鞘流池用于检测样本检测区域的样本流；
所述信号接收处理单元用于接收从样本检测区域发出的有用散射光信号并进行光电转换形成电信号。
2.如权利要求1所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述激光整形模块包括收集透镜和柱面透镜；
所述收集透镜设置于单模光纤的出光口；所述柱面透镜设置于收集透镜后用于收集激光并将激光传输到鞘流池。
3.如权利要求1所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述单模光纤纤芯直径约为2～6微米，数值孔径(NA)约为0.1～0.3。
4.如权利要求1所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述单模光纤中的激光通过尾纤出射。
5.如权利要求1所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述激光整形照明单元在照射目标区域的光斑形状为椭圆形，椭圆长轴为60～240微米，椭圆短轴为8～22微米。
6.如权利要求2所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述柱面透镜用于压缩从收集透镜出射的圆形照明光斑，从而形成椭圆形光斑；所述收集透镜形成的圆形照明光斑直径与柱面透镜形成的椭圆形光斑长轴相同。
7.如权利要求2所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述柱面透镜用于拉伸从收集透镜出射的圆形照明光斑，从而形成椭圆形光斑；所述收集透镜形成的圆形照明光斑直径与柱面透镜形成的椭圆形光斑的短轴相同。
8.如权利要求2所述的粒子分析仪用光学系统，其特征在于：所述柱面透镜的曲面形式为圆形曲线、圆锥曲线或高次曲线。
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