CN114136867B - 用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法和装置，涉及流式细胞仪技术领域，其中，用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法包括：确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；建立棱镜色散模型，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。采用上述方案的本申请避免了光栅色散系统光线射入时所需的遮光狭缝，提高了所收集荧光能量的利用率、信噪比以及灵敏度，在有效地实现流式细胞仪微型化需求的同时，具有最好的色散率以及最好的透光率。
Description
技术领域
本申请涉及流式细胞仪技术领域，尤其涉及一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法和装置。
背景技术
流式细胞仪是一种能够对细胞群体中每一个细胞或生物微粒的生物物理信息和生物化学信息进行快速检测的仪器，其被广泛应用于科学研究、临床检测和生产活动中；荧光检测是目前流式细胞仪进行细胞检测的主要手段。传统流式细胞仪使用多通道滤光的方法进行荧光检测，而直接检测全光谱的荧光则是新型的荧光检测方法，能够极大提升检测的准确性；考虑到流式细胞仪的具体需求，尤其是近年新产生的流式细胞仪微型化的需求，棱镜色散是适用于微型流式细胞仪的主要色散方法，因此，亟需一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法，既能实现流式细胞仪微型化的需求，同时又能得到最好的色散率以及最好的透光率。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法，以解决目前用于流式细胞仪荧光色散的光路无法在兼顾流式细胞仪微型化的同时得到最好的色散率以及最好的透光率的技术问题。
本申请的第二个目的在于提出一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置。
为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法，包括：
确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；
建立棱镜色散模型，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；
确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述棱镜的材料参数为棱镜的折射率；根据所述棱镜的材料参数确定光线的波长。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述建立棱镜色散模型，包括：
在平面上，当光线射入任一棱镜时，以这个棱镜的顶角的顶点为原点，光线第一次入射的顶角边为x轴，与x轴垂直的方向为y轴，以保证棱镜主体位于第一象限的方向为x轴以及y轴的正方向构建平面直角坐标系，所述顶角和光线第一次入射的入射角为锐角，光线第一次入射的方向为x轴正方向、y轴负方向；
根据所述顶角的角度、光线第一次入射的入射角以及光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标确定收光平面与y轴的交点的纵坐标及旋转角度，所述收光平面的旋转角度为棱镜与x轴正方向的夹角；所述收光平面为接收屏或光线下一个要射入的棱镜；
根据所述顶角的角度、收光平面的旋转角度、棱镜的材料参数、光线第一次入射的入射角、光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线在收光平面上最终落点的位置。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状，包括：
当光线射入任一棱镜后到达收光平面时，根据所述棱镜色散模型确定色散率与棱镜的顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系；
利用色散率与棱镜顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系确定光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标与从光线射出棱镜的位置到接收屏的距离之间的比例值；
根据所述比例值确定所述色散率的最大值以及此时的棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度；
根据色散率的最大值时棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度确定光线射入一个棱镜后到达收光平面时色散率值最大时的光路。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述根据所述棱镜色散模型确定色散率与棱镜的顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系，包括：通过下式确定所述光线在收光平面上最终落点的位置：
F＝x2+dr2
其中，F为光线的最终落点位置，x2为光线在收光平面上的横坐标，r2为光线射出棱镜时的折射角，d为从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，k为中间变量；
根据所述收光平面的旋转角度、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线射出棱镜的位置到收光平面的距离；
根据所述光线在收光平面上最终落点的位置确定所述色散率，通过下式确定所述色散率:
其中，为色散率，/>为k对n的偏导数，/>为r2对n的偏导数，F为光线的最终落点位置，λ为光的波长，n为棱镜的材料参数，k为中间变量，r2为光线射出棱镜时的折射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，d为从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离；
其中，通过下式确定所述k对n的偏导数：
其中，为k对n的偏导数，k为中间变量，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角；
其中，通过下式确定所述r2对n的偏导数：
其中，为r2对n的偏导数，r2为光线射出棱镜时的折射角，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角；
根据所述光线在接受屏上最终落点的位置以及中间变量k、光线射出棱镜时的折射角确定光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标与从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离之间的比例值。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路，包括：
根据光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时，光线射入每一个棱镜后到达收光平面时总色散率值最大时的光路，确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状，包括：根据所述光路形状确定所需棱镜的尺寸、个数以及摆放位置。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述根据所述光路形状确定所需棱镜的尺寸、个数以及摆放位置，包括：
所述棱镜的尺寸大于射入的光线的尺寸，并且射入棱镜的光线靠近但不位于棱镜的顶角。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小，包括：
光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时，光线中波长不同的光被分开的距离为Δθ1(d1+d2+……+dp)+Δθ2(d2+d3+……+dp)+……+Δθpdp；
其中，△θp为光线经过第p个棱镜后光线中波长不同的光被分离的角度；dp为光线射出第p个棱镜的介质交界面与光线射出第p个棱镜后到达的收光平面的介质交界面之间的距离；
根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小即d1、d2...dp的值，d1、d2...dp的值按递增形式分配。
综上，本申请第一方面实施例提出的方法，通过确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；建立棱镜色散模型，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。本申请避免了光栅色散系统光线射入时所需的遮光狭缝，提高了所收集荧光能量的利用率、信噪比以及灵敏度，在有效地实现流式细胞仪微型化需求的同时，具有最好的色散率以及最好的透光率。
为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置，包括：
输入模块，用于确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；
棱镜色散模型模块，用于建立棱镜色散模型，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状。
确定模块，用于确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。
综上，本申请第二方面实施例提出的装置，通过输入模块确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；棱镜色散模型模块建立棱镜色散模型，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；确定模块确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。本申请得到的光路稳定性强，只需一般水平的机械定位和固定即可工作，可以用于实现片上光学系统，使用中无需频繁校准，具备光路一次成型的加工途径，有利于系统集成，以及更适合流式细胞仪微型化需求。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例所提供的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的棱镜色散模型的建立过程示意图；
图3为本申请实施例所提供的单棱镜的数学模型结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的单个棱镜的参数扫描示意图；
图5为本申请实施例所提供的最优取值示意图；
图6为本申请实施例所提供的多个棱镜的参数扫描示意图；
图7为本申请实施例所提供的分立器件的光路设计示意图；
图8为本申请实施例所提供的第一种片上色散的光路设计示意图；
图9为本申请实施例所提供的第二种片上色散的光路设计示意图；
图10为本申请实施例所提供的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
在流式细胞仪在进行荧光检测时，需要重点关注色散率以及透光率这两个指标；首先，流式细胞仪在进行荧光检测时需要检测细胞发出的荧光信号，但由于细胞发出的荧光信号的光强很弱，需要使用光电倍增管(PMT)进行检测，而光电倍增管往往具有较大的空间尺寸，为了适配光电倍增管的空间尺寸，流式细胞仪的色散光路必须实现较大的色散率，此外，由于荧光信号本身很弱，荧光信号的透光率是影响荧光检测的信噪比的关键，因此，在设计用于流式细胞仪荧光色散的光路时，需要追求最好的色散率以及最好的透光率。
实施例1
图1为本申请实施例所提供的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法的流程图。
如图1所示，本申请实施例提供的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法，包括以下步骤：
步骤110，确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；
步骤120，建立棱镜色散模型，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；
步骤130，确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定光路形状的大小。
在本申请实施例中，棱镜的材料参数为棱镜的折射率；根据棱镜的材料参数确定光线的波长。
在本申请实施例中，建立棱镜色散模型，包括：
在平面上，当光线射入任一棱镜时，以这个棱镜的顶角的顶点为原点，光线第一次入射的顶角边为x轴，与x轴垂直的方向为y轴，以保证棱镜主体位于第一象限的方向为x轴以及y轴的正方向构建平面直角坐标系，所述顶角和光线第一次入射的入射角为锐角，光线第一次入射的方向为x轴正方向、y轴负方向；
根据顶角的角度、光线第一次入射的入射角以及光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标确定收光平面与y轴的交点的纵坐标及旋转角度，收光平面的旋转角度为棱镜与x轴正方向的夹角；收光平面为接收屏或光线下一个要射入的棱镜；
根据顶角的角度、收光平面的旋转角度、棱镜的材料参数、光线第一次入射的入射角、光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线在收光平面上最终落点的位置。
具体地，在流式细胞仪中，通过荧光检测收集荧光得到的一束平行光线(包含一定波长范围的光线，且假定各处各波长均匀分布)从基准折射率的环境穿过棱镜的顶角(0度到360度之间，内部相对折射率为n，n为常规光学材料折射率)的一个边射入棱镜内，然后完全从棱镜的顶角的另一个边射出，此过程重复1次或者多次之后在接收屏上成像(或所有光线全部射入一个凸透镜，并在其焦平面上成像)，棱镜色散模型的建立过程如图2所示，其中，图2(a)为以棱镜的顶角的顶点为原点，光线第一次入射的顶角边为x轴，与x轴垂直的方向为y轴，以保证棱镜主体位于第一象限的方向为x轴以及y轴的正方向构建的平面直角坐标系。
进一步地，对于这一束平行光线，由于流式细胞仪光学系统中的各光学面均为平面，因此对于相同波长的光线而言，这一束光线中的任何一条光线在第一个光学面处发生折射时，由于入射角的余角为平行线和直线相交形成的同位角，因此入射角总是相同的，所以折射角也相同。以此类推，对于相同波长的光线，最初平行的光线最终在射到平面上或射到透镜上之前依然是平行的，所以暂不考虑这一束平行光线的宽度，先研究单一的一条光线的情况；
如图2(b)所示，顶角和光线第一次入射的入射角为锐角，光线第一次入射的方向为从右下向左上方的x轴负方向、y轴正方向，在这些条件下计算收光平面的位置，收光平面的位置包括以下三种情况：
第一种情况，收光平面与y轴正半轴相交于一个点；
第二种情况，收光平面与y轴负半轴相交于一个点；
第三种情况，收光平面与y轴平行(不相交)或者完全重合；
当收光平面的位置为第一种情况时，设收光平面与y轴的交点的纵坐标为y1，收光平面的初始方位是与x轴平行，且收光平面接收光的一面朝y轴负方向，此时收光平面进行逆时针旋转，逆时针旋转的角度为正值，这个角度记为θ，如图2(c)所示。
收光平面的位置在各种情况下，经过几何光学推导最终都可以推导出光线的最终落点位置与其影响因素的公式F＝f(α,θ,n,i1,x1,y1)；
其中，F为光线的最终落点位置，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，y1为收光平面与y轴的交点的纵坐标。
进一步地，如果这一束平行光线的波长发生变化，那么将表现为n的变化，即F＝f(α,θ,n(λ),i1,x1,y1)，也就是说，如果这一束平行光线中包含不同波长的光线，那么其经过流式细胞仪光学系统之后将出现色散效果，不同波长的光线散到不同位置，相当于λ在某一个范围内连续取值，对应的F也会在一个范围内分布，每一个λ对应一个F；
如果这一束平行光线具有一定的宽度(先考虑仍为单色光的情况)，那么相当于x1在某一个范围内连续取值，对应的F也会在一个范围内分布，每一个x1对应一个F；如果这一束光束非平行光，同样相当于x1发生变化；
如果这一束平行光线既具有一定的宽度，又包含不同波长的光线，那么F的结果将会是多个连续分布的光带。每一个(x1,λ)有序数对对应一个F。
进一步地，根据色散率的定义，单一的一条光线经过流式细胞仪光学系统的线色散率为即/>
进一步地，分辨率受多种因素影响、限制，在整个流式细胞仪光学系统中可能有多个限制分辨率的因素，流式细胞仪光学系统最终的分辨率取决于这些限制中限制最大的因素，由于对于单一的一条光线无法定义分辨率，因此假设这一束平行光线具有一定宽度△x，如果要分开相距△λ的两种波长的光，需要满足以下两个条件：
第一个条件，最终分开的这两种波长之间的距离不小于探测器像元的最小尺度；
第二个条件，最终分开的这两种波长的光束在空间中没有重叠(串扰)；
对于第一个条件而言，设探测器像元的最小尺寸为D，则有
对于第二个条件而言，f(α,θ,n(λ),i1,x1+Δx,y1,)≤f(α,θ,n(λ+Δλ),i1,x1,y1,)，在小变化量情况下，可以化为根据下式确定最小分辨波长：
其中，△λ为最小分辨波长，max函数表示取最大值；
根据分辨率的定义，光路最终的分辨率，计算得到/>
进一步地，对于透光率而言，首先考虑反射引起的光能损失，假定一束自然光穿过光路，只考虑反射损失的透光率即两个光学面的透射率的乘积，通过下式确定流式细胞仪光学系统的透光率：
其中，影响透光率的因素还包括界面的散射以及棱镜内部材料的散射与吸收，对于通常的光学材料而言，棱镜内部材料的散射与吸收都很弱，可基本忽略不计，而界面的散射可能较大并不足以忽略，但考虑到界面的散射是漫反射，具有随机性，即各向同性，因此其具体的影响程度与本实施例所需设计的参数无联系；
对于单个棱镜的设计则无需考虑界面的散射这一因素；
对于在接收荧光的位置之前带透镜的情况，如果使用理想透镜模型，对于色散部分来说，定义式只有分辨率不同，此情况仍需要满足探测器像元条件，即
进一步地，第二个条件本应由衍射光斑的大小结合瑞利判据决定，但事实上，理想光学系统与实际光学系统的差距导致产生的各种像差往往是更主要的因素，再加上入射光束的平行度往往不佳，因此，事实上这方面考虑入射光束窗口在像面上的成像情况往往更准确一些；但无论如何，透镜总是对光束有汇聚作用的，因此，在常规的透镜选用下，这个光斑一定是小于不加透镜情况下的光束宽度的，因此，对于带透镜的情况，此部分考虑直接参考程序计算或仿真结果进行评价与设计；
对于带透镜的情况还需考虑透镜的加入引起的光能损失，这部分也可以根据算法内部求得的两次入射角与折射角的结果，用类似于上方求光路的透光率的公式进行计算。
进一步地，当光线射入一个棱镜就到达接收屏时，单棱镜的数学模型结构如图3所示；
需要说明的是，棱镜色散，即物质色散方法，本质是利用物质中不同波长的光的传播速度不同，即折射率不同来实现色散的，在折射率不同的情况下，不同波长的光会向不同方向传播。
进一步地，光线连续射入至少两个棱镜后到达接收屏时，首先分析多个棱镜(棱镜组)色散的本质，即利用两种不同介质的交界面，使得光束通过交界面的时候，不同波长的光的传播方向之间由于变化量不同，产生角度差，然后利用各个交界面之间的距离，让角度差转化为空间距离，实现色散的效果。
在本申请实施例中，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状，包括：
当光线射入任一棱镜后到达收光平面时，根据棱镜色散模型确定色散率与棱镜的顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系；
利用色散率与棱镜顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系确定光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标与从光线射出棱镜的位置到接收屏的距离之间的比例值；
根据比例值确定色散率的最大值以及此时的棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度；
根据色散率的最大值时棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度确定光线射入一个棱镜后到达收光平面时总色散率值最大时的光路。
在本申请实施例中，根据棱镜色散模型确定色散率与棱镜的顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系，包括：通过下式确定光线在收光平面上最终落点的位置：
F＝x2+dr2
其中，F为光线的最终落点位置，x2为光线在收光平面上的横坐标，r2为光线射出棱镜时的折射角，d为从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，k为中间变量；
根据收光平面的旋转角度、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线射出棱镜的位置到收光平面的距离；
根据光线在收光平面上最终落点的位置确定色散率，通过下式确定色散率:
其中，为色散率，/>为k对n的偏导数，/>为r2对n的偏导数，F为光线的最终落点位置，λ为光的波长，n为棱镜的材料参数，k为中间变量，r2为光线射出棱镜时的折射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，d为从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离；
其中，通过下式确定k对n的偏导数：
其中，为k对n的偏导数，k为中间变量，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角；
其中，通过下式确定r2对n的偏导数：
其中，为r2对n的偏导数，r2为光线射出棱镜时的折射角，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角；
根据光线在接受屏上最终落点的位置以及中间变量k、光线射出棱镜时的折射角确定光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标与从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离之间的比例值。
具体地，正常情况下，收光平面垂直于射出的光线，x1和d均与n无关，也就是与波长无关，因此，x1和d相当于是固定的，只需考虑F与各角度量之间的关系；
其中，是/>与/>的线性组合，对于带透镜的情况，如果使用理想透镜模型，可得/>由于n以及/>与材料的性质有关属于已经固定的量，所以本实施了主要设计棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度，对于单个棱镜的参数扫描如图4所示，其中，图4(a)为棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度的可行范围示意图，图4(b)为透光率示意图，图4(c)为透光率三维示意图，图4(d)为/>示意图，图4(e)为三维示意图，图4(f)为在透光率不低于80％情况下的/>示意图,图4(g)为在透光率不低于80％情况下的/>三维示意图。
进一步地，在图4(a)所示的可行范围中，在相同透光率的下限下寻找线色散率的最大值以及达到此最大值时的棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度，如图5所示。
进一步地，与/>的分布规律类似，取到最优值的位置也类似。
进一步地，当光线射入一个棱镜就到达接收屏时，单个棱镜的光路设计方法包括以下几个步骤：
步骤210，确定光路所需透光率的下限；
步骤220，对于一个确定的透光率下限，在图5所示的角状区域内通过变动x1与d的比例画出一条横跨角状区域，连接角的两条边的短线，这条短线与符合最小偏向角原则的取值线存在一个交点；
步骤230，确定x1与d的比例值(也就是步骤220中交点处的x1与d的比例)，使得此比例下的α与i1的取值线通过步骤220中的交点。
在本申请实施例中，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路，包括：
根据光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时，光线射入每一个棱镜后到达收光平面时总色散率值最大时的光路，确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状。
在本申请实施例中，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状，包括：根据光路形状确定所需棱镜的尺寸、个数以及摆放位置。
在本申请实施例中，根据光路形状确定所需棱镜的尺寸、个数以及摆放位置，包括：
棱镜的尺寸大于射入的光线的尺寸，并且射入棱镜的光线靠近但不位于棱镜的顶角。
需要说明的是，两个特定波长的光线经过整个流式细胞仪光学系统，相当于经过若干个介质交界面，设经过第j个介质交界面后，这两个特定波长的光线被额外分离的角度为△θj，第j个交界面与第(j+1)个交界面之间的距离为dj,则经过第一个交界面以及第一个面与第二个面之间的间隔之后，两个波长的光被分开的距离为Δθ1d1，经过第二个交界面以及第二个面与第三个面之间的间隔之后，两个波长的光被分开的距离d＝Δθ1(d1+d2)+Δθ2d2。以此类推，设总共有p个交界面，则通过下式确定最终两个波长的光线被分开的距离：
d＝Δθ1(d1+d2+.....+dp)+Δθ2(d2+d3+......+dp)+......+Δθpdp
＝d1Δθ1+d2(Δθ1+Δθ2)+......+dp(Δθ1+Δθ2+.....+Δθp)
进一步地，在流式细胞仪光学系统中，光线总共能够经过的路径长度是一定的，由于光路设计的目的之一就是实现流式细胞仪微型化需求，在这种情况下，为了最大化“光线被分开的距离”，本质上是对每一段交界面之间的距离d进行分配，对于不同的d，其前方所乘的系数不同，对于合理的色散设计，各Δθ为非负的，因此，dp前方所乘的系数是最大的，为了最大化“光被分开的距离”，则应让dp最大，也就是说，d1、d2...dp的值按递增形式分配。
在本申请实施例中，根据光路的总路径长度确定光路形状的大小，包括：
光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时，光线中波长不同的光被分开的距离为Δθ1(d1+d2+......+dp)+Δθ2(d2+d3+......+dp)+......+Δθpdp；
其中，Δθp为光线经过第p个棱镜后光线中波长不同的光被分离的角度；dp为光线射出第p个棱镜的介质交界面与光线射出第p个棱镜后到达的收光平面的介质交界面之间的距离；
根据光路的总路径长度确定光路形状的大小即d1、d2...dp的值，d1、d2...dp的值按递增形式分配。
具体地，设计的光路结构为平面结构，不考虑立体布局，因此，光路的机械元件不得出现平面交叉，所以对于色散部分来说，设计方案例如可以为令光线最多整体偏转180度，也可以为令入射光线与出射光线形成接近于平面正交270度的结构。
进一步地，当光线连续射入至少两个棱镜后到达接收屏时，多个棱镜的参数扫描如图7所示，图7(a)为多棱镜透光率示意图，图7(b)为多棱镜透光率三维示意图，图7(c)为多棱镜在透光率不低于80％情况下的示意图,图4(g)为多棱镜在透光率不低于80％情况下的/>三维示意图。
进一步地，多个棱镜的光路设计方法包括以下几个步骤：
步骤310，确定采用的棱镜的折射率n；
步骤320，重复步骤210-230，得到最佳的顶角、入射角、棱镜个数，棱镜个数即确定了光路走向的正多边形形状；
步骤330，根据光路的尺寸限制(或者是希望控制的尺寸)，确定光路走向的正多边形形状的大小即半径；
步骤340，根据最佳的顶角、入射角值，在光路走向的正多边形的每个顶点处配置棱镜，棱镜尺寸只需大于光线射入尺寸的大小，并且棱镜顶角距离光路尽量近的同时留有一定余量即可。
作为一种场景实现，按照本实施例提出的方法，考虑到流式细胞仪的色散部分的实际需求，在色散棱镜的玻璃材料的情况下，根据色散棱镜的材料参数。例如F2玻璃，在500nm处折射率为1.63，最优方案为3个色散棱镜，且可以保证60％的透光率，在这种情况下进行480-700nm光谱波段范围的32通道色散光路设计，分立器件的光路设计结果如图7所示，其中，图7(a)为光路设计图，图7(b)为光路实物图，图7(c)为使用单色仪检定具体输出光波长位置的检定结果，图7(d)为在流式细胞仪系统中实际测得的绿色荧光微球的荧光信号的平均光谱结果图。
作为一种场景实现，按照本实施例提出的方法，以片上色散为设计目标，采用令光线最多整体偏转180度的设计方案时，根据微加工所用的PDMS材料的材料参数，其D光(589.3nm)折射率为1.414，最优设计方案包含5个棱镜，这种情况下可以在硅片上加工模具并通过倒模来一次成形，如图8所示，其中，图8(a)为第一种片上光路设计图，图8(b)为硅片模具示意图。
进一步地，采用令入射光线与出射光线形成接近于平面正交270度的结构的设计方案时，最优设计方案包含8个棱镜，如图9所示，其中，并没有出现机械元件的平面交叉。
综上，本申请实施例提出的方法，通过确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；建立棱镜色散模型，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定光路形状的大小。本申请避免了光栅色散系统光线射入时所需的遮光狭缝，提高了所收集荧光能量的利用率、信噪比以及灵敏度，在有效地实现流式细胞仪微型化需求的同时，具有最好的色散率以及最好的透光率。
为了实现上述实施例，本申请还提出一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置。
图10为本申请实施例提供的一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置的结构示意图。
如图10所示，一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置，包括：
输入模块101，用于确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；
棱镜色散模型模块102，用于建立棱镜色散模型，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状。
确定模块103，用于确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定光路形状的大小。
综上，本申请实施例提出的装置，通过输入模块确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数；棱镜色散模型模块建立棱镜色散模型，棱镜色散模型根据总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；确定模块确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定光路形状的大小。本申请得到的光路稳定性强，只需一般水平的机械定位和固定即可工作，可以用于实现片上光学系统，具备光路一次成型的加工途径，有利于系统集成，以及更适合流式细胞仪微型化需求。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数，其中，所述棱镜的材料参数为棱镜的折射率；根据所述棱镜的材料参数确定光线的波长；
建立棱镜色散模型，包括：在平面上，当光线射入任一棱镜时，以这个棱镜的顶角的顶点为原点，光线第一次入射的顶角边为x轴，与x轴垂直的方向为y轴，以保证棱镜主体位于第一象限的方向为x轴以及y轴的正方向构建平面直角坐标系，所述顶角和光线第一次入射的入射角为锐角，光线第一次入射的方向为x轴正方向、y轴负方向；根据所述顶角的角度、光线第一次入射的入射角以及光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标确定收光平面与y轴的交点的纵坐标及旋转角度，所述收光平面的旋转角度为棱镜与x轴正方向的夹角；所述收光平面为接收屏或光线下一个要射入的棱镜；根据所述顶角的角度、收光平面的旋转角度、棱镜的材料参数、光线第一次入射的入射角、光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线在收光平面上最终落点的位置；
所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；
确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状，包括：
当光线射入任一棱镜后到达收光平面时，根据所述棱镜色散模型确定色散率与棱镜的顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系；
利用色散率与棱镜顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系确定光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标与从光线射出棱镜的位置到接收屏的距离之间的比例值；
根据所述比例值确定所述色散率的最大值以及此时的棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度；
根据色散率的最大值时棱镜的顶角的角度和光线第一次入射的入射角的角度确定光线射入一个棱镜后到达收光平面时色散率值最大时的光路。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述棱镜色散模型确定色散率与棱镜的顶角的角度以及光线第一次入射的入射角的角度之间的关系，包括：通过下式确定所述光线在收光平面上最终落点的位置：
F＝x2+dr2
其中，F为光线的最终落点位置，x2为光线在收光平面上的横坐标，r2为光线射出棱镜时的折射角，d为从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，k为中间变量；
根据所述收光平面的旋转角度、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线射出棱镜的位置到收光平面的距离；
根据所述光线在收光平面上最终落点的位置确定所述色散率，通过下式确定所述色散率:
其中，为色散率，/>为k对n的偏导数，/>为r2对n的偏导数，F为光线的最终落点位置，λ为光的波长，n为棱镜的材料参数，k为中间变量，r2为光线射出棱镜时的折射角，x1为光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标，d为从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离；
其中，通过下式确定所述k对n的偏导数：
其中，为k对n的偏导数，k为中间变量，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角；
其中，通过下式确定所述r2对n的偏导数：
其中，为r2对n的偏导数，r2为光线射出棱镜时的折射角，α为棱镜顶角的角度，n为棱镜的材料参数，i1为光线第一次入射的入射角；
根据所述光线在接受屏上最终落点的位置以及中间变量k、光线射出棱镜时的折射角确定光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标与从光线射出棱镜的位置到收光平面的距离之间的比例值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路，包括：
根据光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时，光线射入每一个棱镜后到达收光平面时总色散率值最大时的光路，确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状，包括：根据所述光路形状确定所需棱镜的尺寸、个数以及摆放位置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述光路形状确定所需棱镜的尺寸、个数以及摆放位置，包括：
所述棱镜的尺寸大于射入的光线的尺寸，并且射入棱镜的光线靠近但不位于棱镜的顶角。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小，包括：
光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时，光线中波长不同的光被分开的距离为Δθ1(d1+d2+……+dp)+Δθ2(d2+d3+……+dp)+……+Δθpdp；
其中，△θp为光线经过第p个棱镜后光线中波长不同的光被分离的角度；dp为光线射出第p个棱镜的介质交界面与光线射出第p个棱镜后到达的收光平面的介质交界面之间的距离；
根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小即d1、d2...dp的值，d1、d2...dp的值按递增形式分配。
8.一种用于流式细胞仪荧光色散的光路设计装置，其特征在于，所述装置包括：
输入模块，用于确定所需总透光率以及采用的棱镜的材料参数，其中，所述棱镜的材料参数为棱镜的折射率；根据所述棱镜的材料参数确定光线的波长；
棱镜色散模型模块，用于建立棱镜色散模型，包括：在平面上，当光线射入任一棱镜时，以这个棱镜的顶角的顶点为原点，光线第一次入射的顶角边为x轴，与x轴垂直的方向为y轴，以保证棱镜主体位于第一象限的方向为x轴以及y轴的正方向构建平面直角坐标系，所述顶角和光线第一次入射的入射角为锐角，光线第一次入射的方向为x轴正方向、y轴负方向；根据所述顶角的角度、光线第一次入射的入射角以及光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标确定收光平面与y轴的交点的纵坐标及旋转角度，所述收光平面的旋转角度为棱镜与x轴正方向的夹角；所述收光平面为接收屏或光线下一个要射入的棱镜；根据所述顶角的角度、收光平面的旋转角度、棱镜的材料参数、光线第一次入射的入射角、光线第一次入射时与x轴的交点的横坐标、收光平面与y轴的交点的纵坐标确定光线在收光平面上最终落点的位置；其中，所述棱镜色散模型根据所述总透光率以及采用的棱镜的材料参数确定光线连续射入至少一个棱镜后到达接收屏时总色散率值最大时的光路形状；
确定模块，用于确定光路的总路径长度，根据光路的总路径长度确定所述光路形状的大小。
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| 宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计;刘兵 等;光谱学与光谱分析;第36卷(第5期);第1544-1548页 * |
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