CN109357992A - 用于对光束进行整形的光学系统及流式细胞仪 - Google Patents

用于对光束进行整形的光学系统及流式细胞仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于对光束进行整形的光学系统，所述光学系统包括：用于发出所述光束的光源；光学整形元件，所述光学整形元件沿所述光源发出的光束的光轴布置在光源之后并且与其直接相邻设置，并且光学整形元件包括面向光源的第一自由曲面，其中，在垂直于光轴的平面内限定出第一轴线，光束借助光学整形元件的第一自由曲面能被整形为：光束在第一轴线上的光强为平顶分布。借助该光学系统，能够仅使用单个光学整形元件就可以实现期望的光强分布。此外，本发明还涉及包含此光学系统的一种流式细胞仪。

Description

用于对光束进行整形的光学系统及流式细胞仪
技术领域
本发明涉及一种用于对光束进行整形的光学系统。此外，本发明还涉及一种包含这种光学系统的流式细胞仪。
背景技术
自七十年代以来，流式细胞技术是逐步发展成集计算机技术、激光技术、流体力学、细胞化学、细胞免疫学于一体的技术，该技术具有分析和筛选细胞的功能。流式细胞技术是一种在功能水平上对单细胞或颗粒进行定量分析和筛选的检测手段。
目前，已知基于流式细胞技术开发出的各种流式细胞仪可用于鉴别各种类型的细胞及生物学流体。现有的流式细胞仪具有光学上透明的流通池，该流通池包含细胞样品入口，鞘液入口，以及细胞可以通过的管状通道，即流道。在该流道中，细胞样品由同心包围该细胞样品的鞘液集中到流道的中心流动。激光束聚焦在该流道的中心，在细胞通过该激光照射区域时，光子依赖于细胞大小、形状、折射率而发生不同角度的光散射。
另外细胞上不同的官能团被标记上不同的荧光标记物，不同的荧光标记物在激光辐射下产生不同波长的荧光，进而可以根据荧光的波长和强度可以判断通过激光束的细胞的种类。像这样，对于每个细胞，除了散射光之外，还可以用多个光检测器根据不同波长检测荧光，由此可以多方面地分析细胞。
高分辨、高灵敏和高通量的流式细胞仪对其光学系统的光束强度以及光强的空间分布形状提出了更高的要求。为了实现高灵敏度，使用具有高亮度、单色性、相干性等显著特点的激光光源就成为了一种合适的选择。
另外，为了实现高分辨率，应该尽量缩短细胞在同样流速条件下穿过激光束的时间，这就需要激光束在流道轴截面上的光强分布窄并且中心强度高，譬如高斯光强分布。更进一步，在高通量的情况下为使细胞在流通池流道横截面上都得到均匀的光照射，需要使得激光束在该横截面上的光强分布宽并且均匀，譬如平顶光强分布。
目前，使用衍射光学器件或者两组以上的非衍射光学器件组合可以形成接近或满足与上述要求的激光束，譬如一字激光束，或x轴平顶-y轴高斯分布的激光束。然而，现有的光学整形器件通常需要在激光光源后加入用于光源准直的附加器件，从而导致整个光学系统的组装复杂且体积大，不利于大批量生产、成本优化以及仪器小型化。
为此，在高分辨、高灵敏和高通量的流式细胞仪对其光学系统的光束强度以及光强的空间分布形状特殊要求的情况下，本领域中始终存在对提供体积紧凑、组装方便且高性价比的光学系统的需求。
发明内容
在一方面，本发明提供一种用于对光束进行整形的光学系统，所述光学系统包括：用于发出所述光束的光源；光学整形元件，所述光学整形元件沿所述光源发出的光束的光轴布置在所述光源之后并且与其直接相邻设置，并且所述光学整形元件包括面向所述光源的第一自由曲面，其中，在垂直于所述光轴的平面内限定出第一轴线，所述光束借助所述光学整形元件的所述第一自由曲面能被整形为：所述光束在所述第一轴线上的光强为平顶分布。
由此，借助本发明的光学系统，能够仅使用单个光学器件、即利用一个光学整形元件的自由曲面就可以将来自激光二极管或混合光学器件的激光束成形为其光强分布为沿着一个轴的平顶形状，从而提供对流式细胞仪中的细胞在流道横截面上的均匀照射。光强的均匀分布可以允许细胞在流道中流动时偏离流道中轴或偏离光束主轴时并不会造成信号减弱。在高通量的情况下，细胞往往会偏离流道中轴，因此本发明的光学系统更适用于大通量的流式细胞仪。
优选地，在垂直于所述光轴的平面内还限定出与所述第一轴线垂直的第二轴线，所述光束借助所述光学整形元件的所述第一自由曲面能被整形为：所述光束在所述第二轴线上的光强为高斯分布。
借助被如此整形的光束，可以使得处于流式细胞仪的样品流通池的流道中的细胞能以最快的速度通过光束形成的流道横截面，这是因为在流道轴截面上的光强分布窄并且中心强度高，所以细胞需要通过所述流道横截面的时间显著缩短了，从而进一步提高了细胞尺寸分辨率。
有利地，所述光学系统还可以包括光学聚焦元件，所述光学聚焦元件沿所述光束的光轴布置在所述光学整形元件之后，以对经过所述光学整形元件的光束聚焦至指定区域，譬如流通池的流道中心。由此，可以使得经整形的尺寸仍较大的光束聚焦到期望的较小区域(例如，光束主轴指定位置的横截面积在0.1毫米×0.01毫米的量级)上，提高激光束在流道内单位体积的光强度，从而进一步细胞检测灵敏度。
更较佳的是，光学聚焦元件可以包括成对的凹透镜和凸透镜，沿所述光束的光轴方向，所述凹透镜布置成比所述凸透镜更接近于所述光学整形元件，所述指定区域位于所述凸透镜之后。尤其是，凹透镜和/或所述凸透镜还可以构造成复合镜。
由此，可以获得结构非常紧凑的光学聚焦元件。
此外，光学系统的光学整形元件的第一自由曲面的形状可以至少由所述光束的波长和发散角来确定。这使得不同的光学整形元件可以匹配不同的光源、例如激光器。
在一个实施例中，光学系统的光学整形元件的该第一自由曲面使得经过入射平面Z0上的点S(X,y,Z0)的光线同时也经过束腰横截面Z0’上的点 S’(X’,y,Z0’)，所述点S(X,y,Z0)和所述点S’(X’,y,Z0’)的满足如下方程：
其中，
如此设计的光学整形元件的第一自由曲面可适合指定的发散角和指定的波长。
特别是，沿所述光轴通过所述光学整形元件的光可以是准直光。
另外，光源特别可以是激光光源或LED光源等形式的光源，以根据流式细胞仪的条件提供最佳光束。
在某些情况下，尽管根据本发明在光源和光学整形元件之间并不存在任何其它光学器件、尤其是光学准直元件，但光学整形元件本身可以用作为光学准直元件。例如，光学整形元件还可以包括背向所述光源的第二表面，以使得沿所述光轴通过所述第二表面的光是准直光。由此，能以非常紧凑的结构在获得整形的同时也能实现经准直的光束。
在另一方面，本发明还提供一种流式细胞仪，该流式细胞仪包括：样品流通池；和如上所述的光学系统，其中，光源发出的光束沿光学系统的光轴通过所述光学系统以及穿过样品流通池。
该流式细胞仪可以在提供期望的对细胞的均匀照射的情况下获得十分可靠的检测结果，且其整个体积紧凑、便于组装和安装。
有利地，样品流通池包括管状通道，所述管状通道与所述光轴以及所述第一轴线垂直。在此定向下，既能使得细胞偏离管状通道中轴或光束主轴时信号强度不变，又能使得细胞以最快的速度通过光束，由此使得流式细胞仪的检测通量以及分辨率大幅提高。
最佳的是，光源为激光光源。激光光源具有高亮度、单色性、相干性等显著特点，并且还可以在细胞官能团上标记的荧光标记物产生荧光，以便于细胞官能团检测。
特别是，光源可以构造成带光纤的激光器。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示意性地示出根据本发明的光学系统的一些部件，其中包括光学整形元件、光学聚焦元件等；
图2示意性地示出根据本发明的光学系统的一个实施例，其中，激光器为光纤激光器，光学聚焦元件包括成对的凹透镜和凸透镜；
图3示意性地示出根据本发明的光学系统的另一个实施例，其中，激光器为自由空间激光器，光学聚焦元件包括成对的凹透镜和凸透镜；
图4示意性地示出在经过根据本发明的光学系统的光学整形元件之后的光束在X轴上的光强分布状况；
图5示意性地示出在经过根据本发明的光学系统的光学整形元件之后的光束在Y轴上的光强分布状况；
图6示意性地示出根据本发明的光学系统的光学整形元件的两种可能的第一自由曲面；
图7示意性地示出来自光源的光束沿根据本发明的光学整形元件的光轴传播的示例性光路。
应注意参考的附图并非都按比例绘制，而是可扩大来说明本发明的各方面，且在这方面，附图不应被解释为限制性的。
具体实施方式
在本发明中，光学系统可以用于流式细胞仪，但也可以用于生物领域的其它细胞学或非细胞学的应用中，甚至还可以用于包括激光加工(微加工)、数字全息术、夜视和远距离物体的测距在内的诸多其它应用。
此外，本发明语境下的术语“光学系统”一般不包含光源和被测对象本身，而是指在光源与被测对象之间的改变光束性质的各种光学器件的集合。但术语“光学系统”也可以包含与光源和/或被测对象相对应的部分，也可以排除其构成光源和/或被测对象的至少一部分的可能性。
在此，光学系统“改变(来自光源的)光束的光束性质”例如可以是指对光束进行整形、对光束进行聚焦等作用。尽管可以在本发明的光学系统中根据需要添加其它未被要求的光学器件以进一步改善光束特性，但在根据本发明的光学系统中在位于“最上游”的光学器件(例如，下文中将详细阐释的光学整形元件)与光源(在本文中光源是指在“光学器件”之外的源器件)之间并不包含用于使光束准直的任何额外的光学器件(但不排除光学整形元件本身用作光束准直元件的可能性，具体参见下文更详细的描述)。
也就是说，“最上游”的光学器件如其文字含义所表达的就是位于整个光学系统中最上游的、距离光源(无论光源是否属于光学系统，当光学系统包含光源是则是指除了光源之外最上游的)最接近的光学器件。
在下文中，假设从光源发出的光束是沿其光轴照射的，光轴例如可以为图7中所示的笛卡尔坐标系中的Z轴(即，图中为水平的轴线)。
在本发明中，可以理解到，当光学系统应用于流式细胞仪时，光源也可以由流式细胞仪来提供。换言之，流式细胞仪可以包括光源。但也可以理解到，光源为独立提供的、而并非集成到流式细胞仪中。有利地，根据本发明的光源为激光光源(例如，来自激光二极管)，因为其通常具有高亮度、单色性、相干性等显著特点。当然，光源也可以是被集成到光学系统中的。
如图1中所示，光束从光源1照射出、进入本发明的光学系统中。沿光束的光轴方向布置在光源1之后的光学器件为用于光束整形的光学整形元件2。可以看到，光学整形元件2在光学系统中处于最上游的位置，即光学整形元件2与光源1直接相邻。
在此，术语“直接相邻”是指二者之间没有其它中间的光学器件(例如，用于准直的光学器件)，即光束在二者之间向前传播时不改变其光学性质。
如图6中示意所示，根据本发明的光学整形元件2(例如是光学整形镜) 可包括至少第一自由曲面，该第一自由曲面面向光源1。因此，该第一自由曲面是光束从光源发射之后最先到达的光学器件的表面。
已知术语“自由曲面”一般在CAD和其他计算机图形软件中用以描述三维几何元素的外观。与平面、圆柱面和圆锥曲面等常规的曲面不同，自由曲面一般不具有硬性径向尺寸。在本发明中，术语“自由曲面”是指一种可人为自由设计以使经过其的输出光束符合特定要求的光学器件表面、尤其是可自由设计的三维表面。
如图7中所示，假设光束的光轴为沿Z轴方向，那么X轴和Y轴就构成与光束的光轴方向垂直的平面。借助根据本发明的光学整形元件2的上述第一自由曲面，该光束可以被整形为：在该与光束的光轴方向垂直的平面内存在第一轴线，在该第一轴线上，经整形的光束的光强分布为平顶形状。该第一轴线可以为在该平面内的任何轴线，包括但不限于是X轴。下文中为了说明的方便，可以假设该第一轴线为图7中所示的X轴。
如图4中所示，当第一轴线为图7中所示的X轴(坐标值以毫米为单位)时，经整形的光束在该X轴上的光强分布为大致平顶形状。图4中纵轴所示的光强分布是经过标准化后的光强分布，即将最大光强设定为1，最小光强为0(该过程也称将光强标准化处理)。在此，图4清晰地示出了在 X轴上的光束的光强分布呈现一种平顶分布，即光强在一定区域内是均匀的，其他区域则接近于0。
在将本发明的光学系统应用于流式细胞仪时，流式细胞仪可包括样品流通池，从光源1发出的光束在经过光学系统整形之后将穿过该样品流通池，以照射位于样品流通池内的细胞。较佳的是，该样品流通池可包括管状通道(可以呈各种横截面形状，诸如但不限于是方形、圆形等)，该管状通道的尺寸可以设计成供待检测的细胞、尤其是仅供较少的细胞通过。
在此情况下，借助前述大致平顶光强分布的经整形光束，当将流式细胞仪的样品流通池的管状通道定向成其与光轴(例如，Z轴)和第一轴线 (例如，X轴)均垂直时，在该管状通道中的流动的细胞则可以在该管状通道横截面上被均匀光强光束照射到。
当细胞通过光束时，一个细胞就会产生一个待检测的脉冲信号。因此，光强在该管状通道横截面上的均匀分布可以允许细胞偏离管状通道主轴或光束主轴时，该脉冲信号的强度不发生改变或变化微小。至此，与传统的未经整形的光束照射方法相比，流式细胞仪中的细胞在该管状通道中流动时偏离管状通道中轴或光束主轴时并不会造成信号减弱，从而更适用于大通量的流式细胞技术。
更佳的是，借助根据本发明的光学整形元件2的上述第一自由曲面，光束还可以被进一步整形为：在该与光束的光轴方向垂直的平面内存在第二轴线，该第二轴线与第一轴线彼此垂直，在该第二轴线上，经整形的光束的光强分布为高斯分布形状。
当将流式细胞仪的样品流通池的管状通道定向成其与光轴(例如，Z 轴)和第一轴线(例如，X轴)均垂直时，管状通道即定向成沿图7中所示的Y轴方向或者平行于该Y轴的方向。因此，在所示实施例中，第二轴线例如可以为Y轴。
但应理解到，本发明中所述的第一轴线和第二轴线只要彼此垂直即可，不一定是图7中所示的X轴(即，图中竖直方向)和Y轴(即，垂直穿过纸张的方向)的方向。
当在第二轴线(例如，Y轴)上经整形的光束的光强分布为高斯分布时(如图5中最佳可见)，可以理解到，光强与平顶分布相比更为集中(可以对比参照图4和图5中的横轴上的数值大小之间的差异)，这可以使得处于流式细胞仪的样品流通池的管状通道中的细胞能以最快的速度通过激光束。
与图4类似地，图5中的X轴上的数值也以毫米为单位，而Y轴则为经标准化的0-1范围内的数值。
由此，在最佳的实施例中，既能使得细胞偏离管状通道中轴或光束主轴时信号强度不变，又能使得细胞最快的速度通过光束，由此使得流式细胞仪的检测通量以及分辨率大幅提高。
当光学系统用于流式细胞仪时，大部分激光会与被测对象、即细胞的表面(诸如，细胞壁)发生弹性碰撞，从而产生沿各个方向的散射光，这种散射光将被流式细胞仪或其它装置中的对应检测元件捕获到，并且可将该检测元件检测到的信号转化成诸如电信号，以供后续生物研究分析。
此外，在某些特定应用场合下，被测对象、例如细胞的表面(诸如，细胞壁)上还会标记有荧光标记物，当激光照射到细胞上时荧光标记物吸收部分激光，并产生荧光，便于检测设备检测到。
下面，具体阐释如何借助对光学整形元件的第一自由曲面的设计来实现在一根轴线上光强为平顶分布、而在垂直的另一轴线上为高斯分布的效果。
如图6中所示的光学整形元件2类似于鲍威尔(Powell)透镜，但其第一自由曲面可以根据从光源1照射的光束、尤其是激光光束的波长和发散角来确定、即修改。换言之，具有不同发散角和不同波长的光源(例如，激光器)应使用具有不同第一自由曲面的不同的光学整形元件，这种光学整形元件在下面的等式中描述：
F(x,y,z,λ,Ω)＝P(x,y,z)+δ(x,y,z,λ,Ω) 等式1
其中，F为笛卡尔坐标系(x,y,z)中的第一自由曲面函数，λ是光源的光束波长，Ω是光源(例如，激光器)的立体角，P是鲍威尔透镜的表面函数，δ是表面校正函数，且该表面校正函数是在空间上是连续的。
图6中示出具有不同的两种第一自由曲面。例如，图6中左侧的光学整形元件可以用于匹配来自光纤的诸如是405nm波长的激光器，而图6中右侧的光学整形元件则可以用于匹配处于自由空间中的诸如是488nm波长的激光器。
根据图7，可以设计根据本发明的一个实施例的光学整形元件2的第一自由曲面(前表面)。首先，假设具有功率P的光源(例如，激光光源或者LED光源)位于坐标原点：O(x,y,z)＝(0,0,0)(例如，其实际处于根据本发明的光学系统之外)，来自光源的光束的发散角为(θx,θy)，则光束的束腰为ωx(z)＝z·tan(θx)、ωy(z)＝z·tan(θy)。假设光学整形元件2的中心在坐标系中位于点(0,0,zo)处。
因此，在入射平面z＝z0，光束强度可以表达为：
其中，这是因为
在接收平面z＝z’中，假设沿(y＝0,z＝z’)的一轴线，光束能量为平顶分布，则光束强度可以表达为：
以及
其中，这是因为(假设从入射平面到接收平面没有发生能量损失)。
在y＝0的截平面中，可以得到：
通过求解上面的等式，可以找到针对任何接收点(K，0，z')的入射点 (X，0，z0)。然后可以通过在光束OS(即，从O点到S点的光束)、 SM(即，从S点到M点的光束)和MK(即，从M点到K点的光束)上应用折射定律得到点S(x，0，z)的坐标，这就是整形光学元件的第一自由曲面上的一个点，其中点(X,0,z0)在光束OS上。通过将K从-a迭代到a，由此可以得到针对光学整形元件2的第一自由曲面的z＝f(x)的曲线函数。
进一步拓展，在垂直于y轴的各个截平面上可以得到：
由此，可以获得z＝f(x,y)的曲面函数。
如此设计的光学整形元件2的第一自由曲面设计成适合指定的发散角和指定的波长。如果光源的发散角和波长发生变化，则需要相应地重新设计光学整形元件2的第一自由曲面。
如上所述，根据本发明的光学整形元件2可以使得在光学整形元件2 之后的较远位置处形成期望的光强分布(即，在第一轴线上为平顶分布，而在第二轴线上为高斯分布)，但该光束的尺寸仍较大。
为此，本发明的光学系统还包括光学聚焦元件，这种光学聚焦元件布置在光学整形元件的后面(例如，与其直接相邻，而没有中间光学器件)，以将经过光学整形元件2的光束聚焦到指定区域4(例如，流式细胞仪的流通池管状通道中心)处(即，指定的成像表面)。
在如图1中所示的一个实施例中，来自光源1的指定波长的光束到达光学整形元件2，该光学整形元件2将光束整形成为所需的光束。光学整形元件2之后，成形光束可以达到光学聚焦元件、例如为聚焦透镜3，其可以将经整形的成形光束以缩小的方式聚焦在成像表面4上(即，光束可以从光学聚焦元件中的最后一个器件的远离光源的后表面处离开该光学系统)。
较佳地，光学聚焦元件可以包括成对的凹透镜和凸透镜。有利地，沿光束的光轴方向看，凹透镜布置成比凸透镜更接近于光学整形元件，而指定区域位于凸透镜之后。更有利的是，根据本发明的凸透镜和/或凹透镜可以为复合镜。
此外，当光源较佳地设计成及激光光源时，该光源可以为带光纤的激光器或者处于自由空间中的激光器(具体参见如下若干实施例)。总体而言，来自带光纤的激光器(作为光源)的光束的发散角较大，而直接从自由空间中的激光器中发出的光束的发散角则较小。通常，激光器发出的激光的波长在400纳米到800纳米之间为最佳。
首先，在如图2中所示的另一个实施例中，来自光源(例如，光纤的特定激光器)5的指定波长的光束到达光学整形元件6的第一自由曲面。光学整形元件6还将大的发散激光束成形为适度的发散光束(即，光强在一个轴线上是平顶分布，在另一个轴线上是高斯分布)。然后，成形光束优选地到达光学聚焦元件、在此实施例中构造成双凹透镜7和双凸透镜8。即，光学聚焦元件9由双凹透镜7和双凸透镜8组合而成。该光学聚焦元件9 将成形光束聚焦在指定区域10上(例如，尺寸在0.1毫米乘0.01毫米数量级上)。可以理解到，不同的光束整形光学元件6应匹配不同的光纤激光器5。
在如图3中所示的实施例中，来自自由空间中的光源(例如，指定的激光器)11的指定波长的光束到达光学整形元件12的第一自由曲面(如前所述，经过该第一自由曲面的光束的光强在一根轴上可产生平顶分布，而在另一轴上是高斯分布)。可以调整该第一自由曲面，以适应自由空间中激光的发散角。成形光束在光学整形元件12之后到达双凹透镜13和双凸透镜14。在此实施例中，光学聚焦元件15由双凹透镜13和双凸透镜14 组合。光学聚焦元件15将成形光束聚焦在指定区域16上。可以理解到，不同的光学整形元件12应匹配不同的指定激光器11。
另外，通常光线是发散的，即开始相邻的两条光线传播后会相离越来越远。但在本文中，术语“准直”是指使得光束变成发散角小的光束，发散角小到在具体应用中可以忽略不计。这种准直光的光斑尺寸在应用距离内的变化针对该应用可以忽略不计。例如在流式细胞仪的应用中，在光学整形元件12之后(在没有其他光学元件的情况下)激光的束腰位置与光学整形元件12的距离大于2米，则可以认为该光束为准直光束。或者例如在同样的流式细胞仪的应用中，在光学整形元件12之后(在没有其他光学元件的情况下)光斑尺寸在距离光学整形元件12为2米以内时的变化量小于 10％，也可以认为该光束为准直光束。不同的应用有不同的激光束腰距离或光斑变化量的定义，本发明不局限于以上实例中的数字，而是以发散角或光斑尺寸的变化不对具体应用产生本质影响作为“准直”为准。
如前所述，尽管根据本发明在光源和光学整形元件之间并不存在任何其它光学器件、尤其是光学准直元件，但光学整形元件本身可以用作为光学准直元件。
例如，光束在沿光轴经过根据本发明的光学整形元件之后可以是准直过的。在优选的实施例中，根据本发明的光学整形元件可包括第二表面，该第二表面为背向光源的表面(与第一自由曲面相对)，由此经过第一自由曲面的光束仍然可以通过该第二表面、在其离开光学整形元件时为经准直的光束(即，准直光)。
至此，根据本发明的可用于流式细胞仪的光学系统一方面满足流式细胞技术检测中对光束的要求(即，能够产生在第一轴线上光强大致平顶分布、但在垂直的第二轴线上光强为高斯分布的经整形光束)，另一方面所需要的光学器件数目极少，整个系统的体积非常紧凑，便易于其制造和组装、甚至可以结合到激光模块中。此外，借助不同设计的第一自由曲面，可以匹配校正由不同光源引起的发散角的偏差。
尽管在各附图中参照了用于流式细胞仪的光学系统的实例来描述了本发明的各种实施例，但应当理解到，本发明的范围内的实施例可应用至具有相似结构和/或功能的其它应用场合上，例如用于其它生物学、化学等研究的光学系统。
前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及装置和方法的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。
对于本领域的技术人员来说显然可对由所附权利要求所表达的术语的宽泛上位含义所指示的全部范围内做出各种改型，尤其是在结构、材料、元素、部件、形状、尺寸和部件的布置方面，包括这些方面在此处所描述的原理范围内的结合。在这些各种改型未偏离所附权利要求的精神和范围的程度内，意味着它们也包含于此。

Claims (13)

1.一种用于对光束进行整形的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：
用于发出所述光束的光源；
光学整形元件，所述光学整形元件沿所述光源发出的光束的光轴布置在所述光源之后并且与其直接相邻设置，并且所述光学整形元件包括面向所述光源的第一自由曲面，其中，在垂直于所述光轴的平面内限定出第一轴线，所述光束借助所述光学整形元件的所述第一自由曲面能被整形为：所述光束在所述第一轴线上的光强为平顶分布。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在垂直于所述光轴的平面内还限定出与所述第一轴线垂直的第二轴线，所述光束借助所述光学整形元件的所述第一自由曲面能被整形为：所述光束在所述第二轴线上的光强为高斯分布。
3.如权利要求1或2所述光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光学聚焦元件，所述光学聚焦元件沿所述光束的光轴布置在所述光学整形元件之后，以对经过所述光学整形元件的光束聚焦至指定区域。
4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光学聚焦元件包括成对的凹透镜和凸透镜，沿所述光束的光轴方向，所述凹透镜布置成比所述凸透镜更接近于所述光学整形元件，所述指定区域位于所述凸透镜之后。
5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述凹透镜和/或所述凸透镜为复合镜。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一自由曲面的形状至少由所述光束的波长和发散角来确定。
7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一自由曲面使得经过入射平面Z0上的点S(X,y,Z0)的光线同时也经过束腰横截面Z0’上的点S’(X’,y,Z0’)，所述点S(X,y,Z0)和所述点S’(X’,y,Z0’)满足如下方程：
其中，
8.如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，沿所述光轴通过所述光学整形元件的光是准直光。
9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述光学整形元件还包括背向所述光源的第二表面，以使得沿所述光轴通过所述第二表面的光是准直光。
10.如权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述光源为激光光源或者LED光源。
11.一种流式细胞仪，其特征在于，所述流式细胞仪包括：
样品流通池，以及
如权利要求1-10中任一项所述的光学系统，
其中，所述光源发出的光束沿光学系统的所述光轴通过所述光学系统以及穿过所述样品流通池。
12.如权利要求11所述的流式细胞仪，其特征在于，所述样品流通池包括管状通道，所述管状通道与所述光轴以及与所述第一轴线均垂直。
13.如权利要求11或12所述的流式细胞仪，其特征在于，所述光源为带光纤的激光器。
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