JP2013527929A

JP2013527929A - フローサイトメーターにおいて複数のレーザービームを合波するための光学コンバイナ

Info

Publication number: JP2013527929A
Application number: JP2013509196A
Authority: JP
Inventors: ハンター，スーザン; エヌ．フォックス，ダニエル; サデー，ティダー; ジェー．ジー．オッテンベルグ，マティアス; ピー．ラレイ，ケヴィン
Original assignee: バイオ−ラッド・ラボラトリーズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-05-03
Also published as: EP2567204A4; WO2011140153A1; EP2567204A1; EP2567204B1; CA2797122A1; US8619370B2; US20120105967A1; JP5571845B2; CA2797122C

Abstract

フローサイトメーターにおいて複数のレーザービームを合波するための光学コンバイナが開示される。ダイクロイックビームコンバイナを用いて、第１のレーザービーム及び第２のレーザービームが共線を成すように２つのレーザービームを合波する。ビームサイズ調整器を用いて、両方のレーザービームが垂直方向においてフローサイトメーター内のストリーム上の同じ場所において合焦するように、第２のレーザービームのサイズ及び収束／発散を調整する。合焦可能ビーム整形光学素子内の、垂直に向けられた軸を有する円柱レンズを調整して、２つのビームの焦点の場所を水平方向において調整することができる。一方のレーザービーム上で他方のレーザービーム径路に対する光学機械的調整を行うことによって位置合わせが維持される。光路に付加的なビームを追加することもできる。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、Susan Hunter、Daniel N. Fox、Tidhar Sadeh、Matthias J. G. Ottenberg及びKevin P. Raleyによって２０１０年５月３日に出願された、「Optical Combiner for Combining Multiple Laser Beans in a Flow Cytometer」と題する米国仮特許出願第６１／３３０，８４９号の利益を主張し、かつその米国仮特許出願に対する優先権を主張し、その米国仮特許出願が開示及び教示する全ての内容について参照することにより、その米国仮特許出願の内容全体が具体的に本明細書に援用される。

フローサイトメーターは、小さな流体ストリーム内の粒子を照明するために光源をその流体ストリームに合焦させる必要があり、それらの粒子は細胞、染色体、ウイルス等とすることができる。その後、それらの粒子は、粒子を着色又は染色するために使用された蛍光色素の放射に基づいて選別される。粒子を照明し、その後、これらの粒子を選別するプロセスは非常に複雑である。複数のレーザービームを合焦させるための光学合焦システム、及びレーザー励起に対する粒子の反応を収集するための光学撮像システムを限られたエリア内に配置しなければならない。したがって、フローサイトメーターによって利用される光学システムはコンパクトであり、かつ高度な機能を提供しなければならない。

したがって、本発明の一実施の形態は、フローサイトメーターにおいてレーザービームを合波する方法であって、
第１のレーザービームを準備するステップと、
第１の方向に向けられた第１の円柱レンズと、該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に向けられた第２の円柱レンズとを有する合焦可能ビーム整形光学素子を用いて前記第１のレーザービームを合焦させることであって、第１の楕円形の焦点を形成し、該焦点は前記フローサイトメーターの流体ストリーム上の実質的に中心に位置する所定の場所において合焦する、合焦させるステップと、
第２のレーザービームを準備するステップと、
前記第２のレーザービームのビームサイズ及び発散を、ビームサイズ調整器を用いて調整することであって、調整済みの第２のレーザービームを形成し、該調整済みの第２のレーザービームは実質的に前記所定の場所において第２の楕円形の焦点を形成し、該第２の楕円形の焦点は前記第１の楕円形の焦点と実質的に同じサイズ及び形状を有する、調整するステップと、
前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームが実質的に同心の合波されたビームとして前記合焦可能ビーム整形光学素子に加えられるように、ビームコンバイナを用いて、前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームを実質的に同心に合波するステップと、を含む、フローサイトメーターにおいてレーザービームを合波する方法を含むことができる。

本発明の一実施の形態は、流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナであって、
第１の周波数、第１のビームサイズ及び第１の発散を有する第１のレーザービームと、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数、第２のビームサイズ及び第２の発散を有する第２のレーザービームと、
前記第２のレーザービームの前記第２のビームサイズ及び前記第２の発散を調整し、調整済みの第２のレーザービームを形成するビーム調整器と、
前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に同心に合波し、実質的に同心の合波されたビームを形成する光学ビームコンバイナと、
実質的に垂直なレンズ軸方向に向けられた第１の円柱レンズと、実質的に水平なレンズ軸方向に向けられた第２の円柱レンズとを有する、前記実質的に同心の合波されたビームと位置合わせされる合焦可能ビーム整形光学素子であって、前記第２の円柱レンズは、前記第１のレーザービーム及び前記第２の調整済みレーザービームを垂直方向において前記フローサイトメーターのフローストリーム上に合焦させるように配置され、前記第１の円柱レンズは、前記調整済みの第２のレーザービームが前記流体ストリーム上に第２の楕円形の焦点を形成するように、前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームを水平方向において合焦させるように調整可能に配置され、前記第２の楕円形の焦点は前記流体ストリーム上に前記第１のレーザービームによって形成される第１の楕円形の焦点と実質的に位置合わせされる、合焦可能ビーム整形光学素子とを備える、流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナを更に含むことができる。

本発明の一実施の形態は、流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナであって、
第１の周波数、第１のビームサイズ及び第１の発散を有する第１のレーザービームと、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数、第２のビームサイズ及び第２の発散を有する第２のレーザービームと、
前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に同心に合波し、実質的に同心の合波されたビームを形成する光学ビームコンバイナと、
実質的に垂直なレンズ軸方向に向けられた第１の円柱レンズと、実質的に水平なレンズ軸方向に向けられた第２の円柱レンズとを有する、前記実質的に同心の合波されたビームと位置合わせされる合焦可能ビーム整形光学素子であって、前記第２の円柱レンズは前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に垂直な方向において合焦させ、前記第１の円柱レンズは前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に水平な方向において合焦させる、合焦可能ビーム整形光学素子と、
前記合焦可能ビーム整形光学素子からの上流において前記第２のレーザービームと位置合わせされるビーム調整器であって、該ビーム調整器は、前記合焦可能ビーム整形光学素子が前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームの両方を前記流体ストリーム上の楕円形の焦点に合焦させるように、前記第２のレーザービームの前記第２のビームサイズ及び前記第２の発散を調整する、ビーム調整器とを備える、流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナを更に含むことができる。

光学コンバイナの一実施形態の側面図である。ビームエクスパンダーを備えない光学コンバイナの一実施形態の側面図である。光学コンバイナの図１の実施形態の平面図である。図１の光学コンバイナの実施形態の別の平面図である。フローストリーム及び標的細胞を例示する側面図である。合焦可能ビーム整形光学素子の一実施形態の断面図である。ビームサイズ調整器の代替の実施形態の斜視図である。

図１は光学コンバイナ１００の一実施形態の側面図である。図１に示されるように、光学コンバイナ１００は、レーザービーム１０２及びレーザービーム１０４を合波して、合波された実質的に共線を成す１つのビームにし、そのビームがフローサイトメーターのストリーム１１８上に合焦する。これまでは、個々のレーザーを、ストリーム１１８のような、フローサイトメーター内のストリーム上のスポット又は焦点に合焦させていた。ビームを合焦させる理由は、流体ストリーム上にレーザービームが突き当たる点において、レーザーの光学エネルギーの電力密度を高めることである。レーザーによって放射される通常のレーザービームは或る断面径を有することができ、その断面径は０．３ミリメートルから２．５ミリメートルに及ぶことができる。通常の光学素子は、垂直方向において約２０ミクロンまで、かつ水平方向において約６０ミクロンまでビームを合焦させることができる。

計測設備が進歩するにつれて、異なる波長の付加的なレーザーを追加して、異なるマーカーを検出することが望まれるようになった。種々のマーカーを照合するために、種々の蛍光色素が用いられる。特定の蛍光色素の励起帯は、特定の波長のレーザーを必要とする場合がある。複数のマーカーを検出し、ブール論理を利用して粒子を分類し、選別することが望ましいので、これらの付加的な蛍光色素の励起帯を励起するために、付加的なレーザーが必要とされる場合がある。それゆえ、フローサイトメーターにおいて使用することができるレーザーが増えると、フローサイトメーターにおいて実行することができる応用形態も増えるので、フローサイトメーターは、その動作に関して融通性が高くなる。レーザービームをストリーム１１８のようなストリーム上に合焦させるために用いられる光学合焦システム、及び散乱又は放射された光を撮像する撮像システムは、非常に限られたエリア内に大量の空間を占有する。例えば、撮像システムは、１つ又は複数の対物レンズをストリーム付近に配置する必要があり、ストリームに隣接する著しい空間を占有する場合がある。

レーザーシステムによって占有される空間の量を削減するために、従来技術のデバイスは、光ファイバーケーブル内でビームを合波しており、これによって、必要とする空間は著しく少ない。光ファイバーケーブルを使用する際に直面する問題のうちの１つは、それらのケーブルが高額であり、かつＵＶ放射を高い効率で伝送しないことである。種々の蛍光色素の励起帯を励起するために用いられるレーザーの多くはＵＶレーザーである。それゆえ、フローサイトメーターにおいて光ファイバーケーブルを利用することは制限される。ＵＶ領域よりも低い周波数を有するレーザーが光ファイバーケーブル内で合波される場合であっても、タンデム色素又は共役色素の使用は制限される。その点において、光ファイバーは、約４００ナノメートル未満の波長を有するレーザーとともに使用することはできず、４００ナノメートルから４３５ナノメートルまでの波長では、光ファイバーケーブルを通して入手可能な電力は制限される。

より多くのレーザーを利用するために用いられてきた他の技法は可動式ミラーを含んでおり、単一の経路を得るために、可動式ミラーが２つ以上のレーザービームから１つのレーザーを選択する。しかしながら、同じ光学素子を通しても、異なる波長は、異なる焦点距離において合焦する。さらに、焦点が大きく異なる場所において生じることによって、種々のレーザーのビーム径の違い、及びビームの発散／収束の違いが付加的な問題を引き起こす。さらに、いずれの時点でも、可動式ミラーは１つのレーザーしか使用できるようにしない。これらの問題に直面すると、可動式ミラーを使用することは難しい。

図１は一実施形態を示しており、その実施形態は、２つ以上のレーザービームを共線レーザービーム、又は共伝搬レーザービームとして、同じ光路を通して流体ストリーム上の同じ場所に送達することができる。図１に示されるように、第１のレーザービーム１０２が、ダイクロイックビームコンバイナ１１０を通って、或る光路に沿って伝搬する。第１のレーザービーム１０２は、所定のビームサイズを有する。図１に示されるように、第２のレーザービーム１０４は異なるビームサイズを有する。第２のレーザービーム１０４はビームサイズ調整器１０６に加えられ、ビームサイズ調整器は、第２のレーザービーム１０４のサイズ及び発散／収束を調整する。これは、「Optical Design Fundamentals for Infrared Systems」（Second Edition, Vol. TT48, SPIE Press, ISBN9780819440518）に開示されるような、標準的なビームサイズ調整器を用いて成し遂げられ、その文献は、その文献が開示及び教示する全ての内容について参照することによって、本明細書に具体的に援用される。図１に示されるビームサイズ調整器１０６は、ビームエクスパンダーとして機能し、負の焦点距離レンズ１７２及び正の焦点距離レンズ１７４を利用する。調整済みレーザービーム１０５が焦点において所望の垂直スポットサイズを有することになるように、負のレンズ１７２及び正のレンズ１７４の焦点距離を変更して、ビーム調整器の倍率を変更することができる。場合によっては、第２のレーザービーム１０４はその特定の周波数に適したサイズを有することができ、その結果、第２のレーザービーム１０４は適切な垂直スポットサイズを有することになる。そのため、ビームのサイズは、ビームサイズ調整器１０６によって調整される必要はない。別の実施形態では、固定倍率システムの代わりに、可変倍率ビーム調整器を利用することができる。距離１２２は一般的にビーム調整器の式に従って設定され、その距離を調整して第２のレーザービーム１０４のビーム収束／発散を変更し、所望のサイズ及び収束／発散を有する調整済みレーザービーム１０５を生成することもできる。両方の垂直焦点距離１１４及び１１６が実質的に同じ場所に生じるように、収束／発散を変更して、第１のレーザービーム１０２と合波することができるビームを生成することが必要な場合がある。レンズの調整は、調整器１６４を操作することによって成し遂げられる。調整済みレーザービーム１０５は、ミラー１０８から、ダイクロイックビームコンバイナ１１０上に反射される。他の実施形態では、ビーム合波は、ビームスプリッター、偏光フィルター、プリズム、又は他の光学デバイスを用いて実行することができる。第２のレーザービーム１０４の場所、並びにミラー１０８及びダイクロイックビームコンバイナ１１０の角度によって、調整済みレーザービーム１０５は、第１のレーザービーム１０２と共線を成すように合波される。言い換えると、第１のレーザービーム１０２が円形ビームであり、第２のレーザービーム１０４が円形ビームである場合には、２つのレーザービームは共通の軸を共有する。その後、共線ビームは、合焦可能ビーム整形光学素子１１２上に投影される。合焦可能ビーム整形光学素子１１２は、垂直に向けられた軸を有する円柱レンズ１２６と、水平に向けられた軸を有する円柱レンズ１２８とを含む。ストリーム１１８は通例、垂直方向に流れるので、本明細書において用いられるときに、用語「垂直」はフローサイトメーターのストリームが流れる方向を意味するものとして用いられており、一方、「水平」はストリーム１１８の流れの方向に対して概ね直交する方向を意味する。円柱レンズ１２６及び円柱レンズ１２８は距離１２０だけ離隔される。調整器１６８を用いて円柱レンズ１２６を調整し、円柱レンズ１２６と円柱レンズ１２８との間の距離１２０を変更することができ、結果として、ストリーム１１８からの円柱レンズ１２６までの距離を変更することができる。円柱レンズ１２６は、垂直方向に実質的に位置合わせされた円柱軸を有する。円柱レンズ１２８は、水平方向に実質的に位置合わせされた円柱軸を有する。円柱レンズ１２６とストリーム１１８との間の距離１２０を変更することによって、水平方向において共線ビームの焦点を調整することができる。調整器１７０が、合焦可能ビーム整形光学素子１１２全体の位置を調整する。言い換えると、調整器１７０は、ストリーム１１８に対する、合焦可能ビーム整形光学素子１１２全体の位置を調整する。円柱レンズ１２８は、調整器１７０を用いて、垂直方向において共線ビーム１０７を合焦させる。言い換えると、調整器１７０を用いることによって、垂直方向における共線ビーム１０７の焦点の位置を、調整器１７０の横方向の調整によって、すなわち、図１に示されるように左右方向に調整して、垂直方向に合焦したビームをストリーム１１８と一致するように動かすことができる。

第２のレーザービーム１０４は、第１のレーザービーム１０２とは異なる周波数を有するので、合焦可能ビーム整形光学素子１１２において、第２のレーザービーム１０４に対する屈折率は第１のレーザービーム１０２に対する屈折率とは異なる。ストリーム１１８に送達される最大電力を得るために、垂直方向において、第１のレーザービーム１０２及び第２のレーザービーム１０４の両方が同じ横方向の場所に合焦するべきであり、その場所がストリーム１１８の場所である。その点において、ビームサイズ調整器１０６は、垂直方向における第２のレーザービームのための焦点距離１１６が垂直方向における第１のレーザービーム１０２のための焦点距離１１４と実質的に同じであるように、第２のレーザービーム１０４のサイズ及び収束／発散を調整する。設定中、第１のレーザービーム１０２がオンであり、第２のレーザービーム１０４がオフである間に、調整器１７０が調整される。そのようにして、第１のレーザービーム１０２が焦点距離１１４においてストリーム１１８上に合焦するように、第１のレーザービーム１０２を調整することができる。その後、第１のレーザービーム１０２をオフにし、第２のレーザービーム１０４をオンにする。調整器１６４を用いてビームサイズ調整器１０６を調整して、第２のレーザービーム１０４が垂直方向において焦点距離１１４とほぼ同じである焦点距離１１６を有するように、第２のレーザービーム１０４の発散／収束を変更する。このようにして、第２のレーザービーム１０４も垂直方向においてストリーム１１８上に合焦する。

図２は、図１のビームサイズ調整器１０６のようなビームサイズ調整器を備えない光学コンバイナの側面図１５０である。図２に示されるように、第１のレーザービーム１０２は、垂直方向において第１のレーザービーム１０２をストリーム１１８上に合焦させる焦点距離１１４を有する。第２のレーザービーム１０４は図１のビームサイズ調整器１０６のようなビームサイズ調整器を用いないので、第２のレーザービーム１０４は、垂直方向において焦点距離１３０を有する。それゆえ、第２のレーザービーム１０４は、垂直方向においてストリーム１１８上に合焦せず、第２のレーザービーム１０４によって、最適な電力量がストリーム１１８に送達されない。

図３は図１の光学コンバイナ１００の平面図である。図３に示されるように、第１のレーザービーム１０２は第２のレーザービーム１０４とは異なる直径を有する。第２のレーザービーム１０４はビーム調整器１０６を通って伝搬し、そのビーム調整器は第２のレーザービーム１０４を拡大して、拡大済みの第２のレーザービーム１０５を生成する。ダイクロイックビームコンバイナ１１０が、２つのビームが共線を成すように２つのビームを合波する。その後、共線ビーム１０７は、合焦可能ビーム整形光学素子１１２に伝搬する。円柱レンズ１２８が、上記のように垂直方向において焦点を実質的に制御する一方で、円柱レンズ１２６が水平方向において共線ビーム１０７の焦点を実質的に制御する。図３に示されるように、第１のレーザービーム１０２は水平方向において焦点距離１３６を有する。第２のレーザービーム１０４は水平方向において焦点距離１３４を有し、その焦点距離は水平方向における第１のレーザービームの焦点距離１３６とは異なる。調整器１６８（図１）を用いて、レンズ１２６を調整することによって、ストリーム１１８の位置に対する、水平焦点距離１３６及び水平焦点距離１３４の位置が変更される。

図４も、図１及び図３に示される光学コンバイナ１００の平面図である。図４に示されるように、円柱レンズ１２６は、調整器１６８（図１）を用いて、横方向に、すなわち左に動かされている。これにより、第１のレーザービーム１０２の焦点距離１４０及び第２のレーザービームの焦点距離１４２がいずれもストリーム１１８の場所に対して調整される。図４に示されるように、円柱レンズ１２６は、水平方向において、より広いエリアにわたってレーザービーム１０２、１０４の両方を合焦させ、そのエリアは通常、垂直方向における焦点よりも２〜４倍広くすることができる。その点において、図５に示されるように、円柱レンズ１２６によって、レーザービーム１０２、１０４は楕円形のビームプロファイル１５８を有する。同心ビームを楕円形のプロファイル１５８に集中させる目的は、ビームを横切って水平方向においてより広いプロファイルを生成することである。これにより、収集されたデータの変動係数を大きくすることによってフローサイトメーターの応答に大きく悪影響を及ぼすことなく、ストリーム、及びストリーム内の粒子は水平方向に移動できるようになる。円柱レンズ１２６は垂直方向に軸を有するので、円柱レンズ１２６は、垂直方向において焦点位置まで、ほとんど変化することなく動くことができる。図１に示されるように、垂直方向における２つのレーザービーム１０２、１０４の焦点が必ずしも水平方向における２つの焦点の位置あわせをするわけではない。図３は、垂直方向における２つのレーザービーム１０２、１０４の焦点が、結果として、いずれのビームも水平方向において標的上に合焦させない焦点距離１３４、１３６を生成することを示す。円柱レンズ１２６を動かすことによって、最良の性能を得るために、すなわち、最も高い電力及び安定性を得るために、焦点距離１４０、１４２を最適化することができる。その点において、図４に示されるように、ストリームまでの距離１４４が焦点距離１４０と１４２との間にくるまで、円柱レンズ１２６を合焦させることができる。電力又は安定性に関する利得が達成される場合には、円柱レンズ１２６を他の距離に合焦させることもできる。

焦点の直径は式１によって与えられる。

ただし：λ＝波長
Ｆ＝レンズの焦点距離
Ｄ＝レンズに入るレーザービームの直径
である。レーザービーム１０２、１０４のためのスポット径を一致させることは、単に、式２に従って第２のレーザービーム１０４の直径を拡大縮小することにすぎない。

焦点深度は式３によって与えられる。

ただし：λ＝波長
Ｆ＝レンズの焦点距離
Ｄ＝レンズに入るレーザービームの直径
である。式３から明らかであるように、焦点深度（ＤＯＦ）は焦点距離の二乗で増加する。それゆえ、スポット幅がスポット高の３倍であるシステムでは、水平方向における焦点深度は垂直方向における焦点深度の９倍である。したがって、円柱レンズ１２６の位置を設定することに関して大きな許容範囲がある。例えば、１ミリメートルの断面径を有する４８８ナノメートルのレーザーは、垂直方向において２５ミクロン、水平方向において７５ミクロンのスポットサイズに合焦することになる。垂直方向における被写界深度は２ミリメートルであり、一方、水平方向における被写界深度は１７ミリメートルよりも大きい。

図５は、フローサイトメーター内におけるチャンバー壁１６６を有するチャンバー内のストリーム１１８の側面図である。ビームプロファイル１５８は通常のビームプロファイルであり、ストリーム１１８に対するビームプロファイル１５８の相対的なサイズを示す。ストリーム１１８内の種々の場所に複数の標的細胞１５２、１５４、１５６が配置される。それゆえ、流体ストリームが垂直方向１６０に移動するときに、水平方向１６２において標的１５２〜１５６をカバーすることができるビームプロファイル１５８を有することが好都合である。

図６は、合焦可能ビーム整形光学素子１１２の一実施形態の破断図である。図６に示されるように、円柱レンズ１２８が合焦可能ビーム整形光学素子１１２の一端に配置される。円柱レンズ１２６が合焦可能ビーム整形光学素子１１２の他端に配置され、調整器１６８によって調整することができ、その調整器はハウジング１７２に螺入される。合焦可能ビーム整形光学素子１１２のために用いられるような円柱レンズは、Thor Labs社（435 Route 206 North, Newton, NJ 07860 USA）から購入することができる。

図７は、ビームサイズ調整器７００の一実施形態の破断図であり、この実施形態は、図１に示されるビームサイズ調整器１６８の代替の実施形態である。図７に示されるように、レンズ７０６及びレンズ７０８がビームサイズ調整器７００内に取り付けられる。レンズ間隔調整器７１０がレンズ７０８とレンズ７０６との間の長さを調整する。レンズ７０６に横方向調整器７０２が結合される。横方向調整器７０２は、横方向調整器７０２を回転させることによって、横方向においてレンズ７０６を調整する。横方向調整は、横方向調整器７０２の軸に沿った方向において行なわれる。レンズ７０６には縦方向調整器７０４も結合される。縦方向調整器７０４は垂直方向においてレンズ７０６の垂直位置を調整する。垂直方向は縦方向調整器７０４の軸に沿った方向であり、その方向は横方向調整器７０２によってレンズ７０６が調整される横方向と実質的に直交する。横方向調整器７０２及び縦方向調整器７０４を使用することによって、ビームサイズ調整器７００においてレーザービーム１０４を正確に調整できるようになる。ビームサイズ調整器１０６に用いられるような負の焦点距離レンズ及び正の焦点距離レンズは、Thor Labs社（435 Route 206 North, Newton, NJ 07860 USA）から購入することができる。

それゆえ、開示される実施形態は、フローサイトメーター内のビーム整形光学素子に関する幾つかの特有の要件を利用し、単一のレーザー経路における幾つかの光学的な追加物及び機械的な調整しか必要としない。図１の実施形態に示されるように、ビーム１０２、１０４が垂直方向及び水平方向の両方においてともに合焦することができるように、ビーム整形光学素子１１２は合焦可能である。さらに、円柱レンズ１２８が第２のレーザービーム１０４を垂直方向において高い精度でストリーム１１８上に合焦できるように、ビームサイズ調整器１０６はレーザービーム１０４のサイズ及び収束／発散を調整する役割を果たし、第２のレーザービーム１０４が第１のレーザービーム１０２とは異なる周波数を有する場合であっても、垂直方向における第２のレーザービームの焦点距離１１６は垂直方向における第１のレーザービームのための焦点距離１１４と同じになるようにする。ビームサイズ調整器１０６において負の焦点距離レンズ１７２及び正の焦点距離レンズ１７４を組み合わせることによって、ビームサイズを調整できるようになる。これらの素子間の距離１２２によって、レーザービーム１０４の収束／発散を調整できるようになる。ビームサイズ調整器１０６によって、第２のレーザービーム１０４が調整されて、第１のレーザービーム１０２の焦点位置と実質的に一致する垂直焦点位置が達成されるので、付加的なレーザービームを光路に追加することができ、付加的なダイクロイックビームコンバイナを用いて第１のレーザービーム１０２と合波することができる。式１及び式２に従って、付加的な各レーザービームのレーザービーム径を変更して、所望の最終的な焦点スポットサイズを最も適切に生成することができ、垂直方向において焦点スポットの位置を調節するために、ビーム収束／発散のための微調整として、ビームサイズ調整器１０６内のレンズの離隔を用いることができる。水平方向において焦点を調整するために、円柱レンズ１２６の横方向への並進を実行して、第１のレーザービーム１０２の水平焦点位置と第２のレーザービーム１０４の水平焦点位置との間の最も良好な歩み寄りを提供する。２つのレーザービームは水平方向において非常に長い焦点深度を有するので、ほとんど劣化することはなく、水平方向において２つのビームの焦点を改善できる可能性がある。さらに、これらの調整は毎日のように実行する必要はない。特定の１組のレーザーが製造され、共線を成すように位置合わせされると、光学素子の調整は不要にすることができる。

しかしながら、システムが、環境的な変化、ウォームアップサイクル中の変化、経時変化等に起因して実質的に同心の垂直焦点が離れるような変化を受ける場合、システムに付加的な調整を追加して、種々のレーザー経路の垂直焦点を再び同心になるように実質的に位置合わせし直すことができる。

図７は、ストリームにおける焦点の垂直位置を少しだけ変更できるようにするために、ビームエクスパンダーの第２のレンズに追加される付加的な調整ノブ７０４を示す。さらに、上記で説明されたのと同一の方法で調整器７１０を用いて、第２のレーザーの垂直焦点を、第１のレーザービームと実質的に同様の、ストリーム上の焦点位置に動かす。図７は、第３の最終的な調整ノブ７０２を示しており、その調整ノブは水平焦点位置を僅かに変更して、第１のレーザービームと同心となるように第２のレーザービームを動かすために必要とされる。ビームエクスパンダーの第１のレンズ上にＸ−Ｙ並進ステージを配置すること、又はミラー１０８若しくはダイクロイック１１０を保持する台上でチップ・チルト調整を実施することを含む、焦点の垂直位置及び水平位置の調整を達成する他の方法もある。

本発明の上記の説明は、例証及び説明のために提示された。本発明の上記の説明は、網羅的であるように意図されるものでもなければ、開示される厳密な形態に本発明を限定するように意図されるものでもなく、上記教示に照らして、他の変更及び変形が可能であってよい。実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最もよく説明し、それにより、当業者が、想定される特定の使用に適した種々の実施形態及び種々の変更形態において本発明を最良に利用することを可能にするために、選択され述べられた。添付の特許請求の範囲は、従来技術によって制限される場合を除いて、本発明の他の代替の実施形態を含むと考えられることが意図される。

Claims

フローサイトメーターにおいてレーザービームを合波する方法であって、
第１のレーザービームを準備するステップと、
第１の楕円形の焦点を形成するために、第１の方向に向けられた第１の円柱レンズと、該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に向けられた第２の円柱レンズとを有する合焦可能ビーム整形光学素子を用いて前記第１のレーザービームを合焦させることであって、該焦点は前記フローサイトメーターの流体ストリーム上の実質的に中心に位置する所定の場所において合焦する、合焦させるステップと、
第２のレーザービームを準備するステップと、
調整済みの第２のレーザービームを形成するために、前記第２のレーザービームのビームサイズ及び発散をビームサイズ調整器を用いて調整することであって、該調整済みの第２のレーザービームは実質的に前記所定の場所において第２の楕円形の焦点を形成し、該第２の楕円形の焦点は前記第１の楕円形の焦点と実質的に同じサイズ及び形状を有する、調整するステップと、
前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームが実質的に同心の合波されたビームとして前記合焦可能ビーム整形光学素子に加えられるように、ビームコンバイナを用いて、前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームを実質的に同心に合波するステップと、を含む、
フローサイトメーターにおいてレーザービームを合波する方法。
前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームを合波する前記ステップは、ダイクロイックビーム合波ミラーを用いて実行される、
請求項１に記載の方法。
前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームの水平焦点を調整するために、前記第１の円柱レンズを前記流体ストリームに対して動かすことによって、前記合焦可能ビーム整形光学素子を調整するステップを更に含む、
請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザービームのビームサイズ及び発散を調整する前記ステップは、
前記調整済みの第２のレーザービームが垂直方向において前記第２の円柱レンズによって実質的に前記所定の場所において合焦するように、前記ビーム調整器を用いて前記第２のレーザービームのビームサイズ及び発散を調整するステップを更に含む、
請求項３に記載の方法。
前記第２のレーザービームのビームサイズ及び発散を調整する前記ステップは、
前記ビーム調整器内の第１のレンズと第２のレンズとの間の距離を調整するステップを含む、
請求項４に記載の方法。
ビームサイズ及び発散を調整する前記ステップは、
前記第２のレーザービームと実質的に直交する第１の方向において前記ビーム調整器内のレンズを調整するステップと、
前記第１の方向及び前記第２のレーザービームと実質的に直交する第２の方向において前記ビーム調整器内の前記レンズを調整するステップと、を更に含む、
請求項４に記載の方法。
流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナであって、
第１の周波数、第１のビームサイズ及び第１の発散を有する第１のレーザービームと、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数、第２のビームサイズ及び第２の発散を有する第２のレーザービームと、
調整済みの第２のレーザービームを形成するために、前記第２のレーザービームの前記第２のビームサイズ及び前記第２の発散を調整する、ビーム調整器と、
実質的に同心の合波されたビームを形成するために、前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に同心に合波する、光学ビームコンバイナと、
実質的に垂直なレンズ軸方向に向けられた第１の円柱レンズと、実質的に水平なレンズ軸方向に向けられた第２の円柱レンズとを有する、前記実質的に同心の合波されたビームと位置合わせされる合焦可能ビーム整形光学素子であって、前記第２の円柱レンズは、前記第１のレーザービーム及び前記第２の調整済みレーザービームを垂直方向において前記フローサイトメーターのフローストリーム上に合焦させるように配置され、前記第１の円柱レンズは、前記調整済みの第２のレーザービームが前記流体ストリーム上に第２の楕円形の焦点を形成するように、前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームを水平方向において合焦させるように調整可能に配置され、前記第２の楕円形の焦点は前記流体ストリーム上に前記第１のレーザービームによって形成される第１の楕円形の焦点と実質的に位置合わせされる、合焦可能ビーム整形光学素子と、を備える、
流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナ。
前記光学ビームコンバイナはダイクロイックビーム合波ミラーである、
請求項７に記載の光学コンバイナ。
前記第１の円柱レンズに結合される調整デバイスであって、前記第１の円柱レンズが前記流体ストリームに対して移動して、前記第１のレーザービーム及び前記調整済みの第２のレーザービームを水平方向において合焦させることを可能にする、調整デバイスを更に備える、
請求項７に記載の光学コンバイナ。
前記ビーム調整器は、
前記第２のレーザービームと実質的に直交する第１の方向において前記ビーム調整器内のレンズを調整する第１の調整器と、
前記第２のレーザービーム及び前記第２の方向と実質的に直交する第２の方向において前記ビーム調整器内の前記レンズを調整する第２の調整器と、を更に備える、
請求項７に記載の光学コンバイナ。
流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナであって、
第１の周波数、第１のビームサイズ及び第１の発散を有する第１のレーザービームと、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数、第２のビームサイズ及び第２の発散を有する第２のレーザービームと、
実質的に同心の合波されたビームを形成するために、前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に同心に合波する、光学ビームコンバイナと、
実質的に垂直なレンズ軸方向に向けられた第１の円柱レンズと、実質的に水平なレンズ軸方向に向けられた第２の円柱レンズとを有する、前記実質的に同心の合波されたビームと位置合わせされる合焦可能ビーム整形光学素子であって、前記第２の円柱レンズは前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に垂直な方向において合焦させ、前記第１の円柱レンズは前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームを実質的に水平な方向において合焦させる、合焦可能ビーム整形光学素子と、
前記合焦可能ビーム整形光学素子からの上流において前記第２のレーザービームと位置合わせされるビーム調整器であって、該ビーム調整器は、前記合焦可能ビーム整形光学素子が前記第１のレーザービーム及び前記第２のレーザービームの両方を前記流体ストリーム上の楕円形の焦点に合焦させるように、前記第２のレーザービームの前記第２のビームサイズ及び前記第２の発散を調整する、ビーム調整器と、を備える、
流体ストリーム内の粒子を照明するフローサイトメーターにおいてレーザービームを合波するための光学コンバイナ。
前記光学ビームコンバイナはダイクロイックビーム合波ミラーである、
請求項１１に記載の光学コンバイナ。
前記第２のレーザービームと実質的に直交する第１の方向において前記ビーム調整器内のレンズを調整する第１の調整器と、
前記第１の方向及び前記第２のレーザービームと実質的に直交する第２の方向において前記ビーム調整器内の前記レンズを調整する第２の調整器と、を更に備える、
請求項１１に記載の光学コンバイナ。