五分类血液细胞关键技术光学系统2

《五分类血液细胞关键技术光学系统2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《五分类血液细胞关键技术光学系统2（14页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、Error! Unknown document property name.(Error! Unknown document property name.)五分类血液细胞关键技术-光学系统目录目录2第章 概述3第2章光学系统功能描述及要求4.1光学系统功能描述42.2光学系统设计的总体要求4光学系统工作环境要求4第3章 光学系统总体框图及各功能模块说明531光学系统总体框图53.2光源及光束控制系统63.21光源63.2.2准直透镜.2.3空间滤波83.24光束形状控制3.2.5参考光输出03.3前向散射光收集系统03.4侧向散射光收集系统1附录图、表目录13第1章 概述光学检验血细胞的基本原

2、理是：用一束入射光(一般为激光）照射到流动的细胞流上发生散射或激发荧光,通过一定的收集系统在某些特定区域上对散射或荧光信号进行收集，从这些信号中提取细胞的某些特征以达到全部分类或部分分群的目的,如图所示。图 Error! Bookmark not defined. 光学检测血液细胞的基本方法其中1为光源,它发射出的光束经过传输控制系统2形成满足检验要求的光束3，照射到细胞流4上产生散射光束6,在一个特定的散射场9上对某些区域、8的散射光进行收集、探测,得到多维光信号,通过对这些散射光信号的分析可以得到细胞的分类信息，达到分类的目的,如图。(a) ABOTT散射信号散点图分析 (b) Syex散

3、射信号散点图分析图1 细胞的散射光信号分析本项目的光学系统实现两个功能，一是提供和细胞流动室相匹配的照射光对细胞流进行照射，二是能够对通过细胞后的散射光进行收集，在预研的初期阶段至少应该能够收集:1. 小角度散射光；2中角度散射光。另外还要保留侧向散射光和荧光探测的接口。第2章 光学系统功能描述及要求2.1 光学系统功能描述光学系统提供照明光源, 对光源输出的光束进行一定的控制,提高照射光束的质量,使其大小与细胞流动室匹配对细胞流进行照射。照射到逐个通过的细胞上之后,光束发生透射和散射，光学系统将透射光和部分角度的散射光收集到相应的探测器上,光电转换后的信号由电路处理并输送到U进行算法研究。2

4、.2 光学系统设计的总体要求根据本项目光学系统的特点,在光学设计中有如下的总体原则：（1） 系统尽量简单以减少光强在各个光学部件中的能量损失;（2） 透镜的二次反射像不要成在透镜内部,以免打坏透镜;（3） 由于不是成像系统，只要所需部分的光强落在相应的探测器上即可，所以对系统的像差要求没有衍射成像那么严格,只要是适当校正球差就可以。（4） 光源照明部分要求校正色差，可以更换不同波长的光源,为将来的荧光检测作准备。（5） 系统各部分的同轴度要求高(缘自于细胞算法对角度的要求），不大于40。2.3 光学系统工作环境要求（1） 温度:1050,在一次标定之后温度要保持稳定,直至下一次标定；（2） 避

5、免强烈震动和重负、挤压。第3章 光学系统总体框图及各功能模块说明3.1 光学系统总体框图光学系统总体上包括光源及光束控制系统(前光学系统)和散射光收集系统（后光学系统）并由相应的机械结构(将在光学机械结构设计中描述）将它们与光学流动室有机结合。前光学系统提供光源，并对光源输出的光束进行形状及质量的控制，使其达到设计要求,然后用聚焦透镜将光束聚焦到细胞流动室上，对流动的细胞进行照射。后光学系统主要是将照射到细胞后的散射及透射光收集到相应的探测器上，经过电路系统最终形成可以分析的数字信号,为细胞的分类算法提供数据。系统的结构框图如图3所示：图 3 光学系统总体结构框图根据光学系统设计输入的要求,初

6、步设计的光学系统图如图4所示：3.2 光源及光束控制系统根据设计需求,原理框图如下:图5 前光学系统原理框图光源目前都是采用激光光源,在我们的设计当中，从系统的结构尺寸上考虑,采用了半导体激光器。半导体激光器的出射光发散角比较大,因此在光源部分还增加了一个准直透镜。光束质量优化部分主要是一个空间滤波器，用它把激光光束边缘部分不均匀的高阶模式滤掉，使光束的光场尽量均匀。光束形状控制部分用一定形状的限制光阑和聚焦透镜使光束在照射到细胞流动室上的时候达到设计要求的10um*0um大小，这些限制光阑同时也起到了消除杂光的作用。经过这部分之后的输出为一束质量良好的会聚激光光束，落在细胞流动室上的光斑大小

7、约为100um*2m。3.2.1 光源到目前为止对细胞的光散射模型研究都是针对单色光进行的，因此我们的光源必须能够提供单色光对细胞进行照明。单色光的获得途径有如下两条：一是用白光光源（如卤素灯）加上单色滤光片，另外是直接用单色性比较好的激光作为光源。用白光作为光源的时候由于需要大量的光学元件对发散光进行会聚,因此导致光源的结构复杂、体积比较大,现在已经很少用了。激光由于其良好的单色性和准直性被广泛的应用于流式细胞仪和血液分析仪中。我们也将采用激光作为实验平台的光源。对于激光器的选择主要从其单色性、光场模式(主要是横模模式)、功率以及结构尺寸几点出发。l 横模为TEM00模式：这是细胞的散射模型

8、对照射光均匀性的要求。l 单色性:一般的激光光源都可以达到,对激光纵模没有特殊要求。l 结构尺寸:由于采用了流式细胞仪的方法,血球仪由许多功能不同的模块结构组成，为了不至于使整机结构过于庞大,要求我们的光学系统也不能太大，因此光源也不能有太大的结构。基于以上几点的考虑我们选用了当今比较流行的半导体激光器作为光源,虽然气体的He-e激光器在光束质量上比半导体激光器还要好一些，但是其体积比较大而被否决。我们选用的半导体激光器(如图3所示)为Toshib TOL225M其技术指标为：其他参数如表1、所示：表 1 半导体激光器的性能参数Absolut Maximm Rangs (Tc=2C） CHAR

9、ATRISTICSMORATOptica ututPoe (CW)Po10mWLD Revrse VoltageVR（L）VPD Revers VlVR(PD)0VOpeation Ce temperaueT-0o 0CStorageemperareTtg-4 to85表 2 Thba T225的光学特性Opticl Electrial Charactrisi（Tc=2C, P=1mW）CHRACTERISTCSYMBLMN.TP.MAXhresd urrentlt45mA65AOprio Curretlop0mA0ApationoltgVop-24V3.0VLaing Wavengthlp6

10、nm60n80em iegene(FW）q|51Bem vergec （FWHM)q51823Mnior Curretlm0mAmA3.03.2.2 准直透镜由表中可以看到，半导体激光器的输出光束的发散角是很大的，因此需要将其准直。如果使用传统的球面镜，为了满足像差的要求则需要系列的透镜组才能够完成,这将造成系统结构的庞大,因此我们采用一个非球面镜。在比较了结构尺寸和各种性能指标后选择了horlbs公司的产品3010，尺寸如下图所示:光学特性如下所示: Design Wavelegth (nm): 780 uerical Apertre: .40 iffractn iitd Range (nm

11、):0-1550 lar Aperture （mm）： 5.0 ffecv Foca enth (m)：6.24 Manification:Innit Laser Window Thness(m): 075 Laer Widw Mteril/Indx: BK7/1.51 RS WFE（Axial 63.8n Aerage vr FulAperure)：.50 lss (Corning）: CO550 3.2.3 空间滤波由于激光器本身的缺陷、光束传播过程中通过的光学器件的缺陷以及空气中微粒的影响，光束不可能是理想的模式,这就会为研究算法带来误差,因为首先输入光就不均匀。所以在光束还没有到达流动

12、室的时候先对其进行一次空间滤波，用来减弱光束中其他的高阶模式的影响。一般情况下用一个空间滤波器基本上可以消除高阶模。空间滤波器是利用透镜的傅立叶变换特性，在入射光的空间频率域上进行处理，再经过另外一个透镜的傅立叶反变换，以达到对入射光（或物体）进行处理的目的,如图8所示。这里不再详述空间滤波器的原理，可以参考相关文献。在激光应用光学上为了使激光光束模式更好通常使用显微物镜对激光进行空间滤波,但是那样势必使系统的结构庞大，不适用于实际应用系统。因此，本设计决定采用两个双胶合透镜和一个针孔实现空间滤波的功能，如图4中6所示:其中透镜3、5为焦距为6mm的高质量双胶合透镜,Tholab LC10-B

13、；狭缝4为一个直径25u、厚度0mm的针孔。调整透镜3,使激光束准确聚焦在针孔中央，滤掉激光束中外围高频的高阶模式，然后用透镜进行反变换,这样就可以优化激光光束的质量。图2 用透镜的傅立叶变换特性进行空间滤波的4f结构其中1为输入面，3为空间频谱面,5为反变换后的输出面，在3上用各种形式的透过函数的光阑就可以对输入面的空间频率进行滤波。3.2.4 光束形状控制流动室的检测区内径大约200um，为了使激光束在照射细胞流的时候打到流动室的内壁而发生散射和折射，必须把激光光束在到达检测区的时候比其内壁要窄,即要对激光束进行聚焦处理,在传播到检测区的地方横向直径要小于20um,我们的要求是120um。

14、同时,为了信号检测的需要,在到达检测区的时候纵向直径应该小于1.52倍的血细胞直径，我们的要求在20u左右。图9 孔径光阑和聚焦透镜对光束大小进行控制为了达到上述的目的,需要对准直后比较大的光束进行形状控制,主要是控制光斑的大小。我们用一个光阑和一个聚焦透镜实现这一功能，如图所示。其中光阑是为了限制入射光束的直径,而图4中的光阑26除了限制入射光束大小以外还起到消杂光的作用，二者都是mm*0m的通光孔径，镀了吸收膜（消反射膜）的金属箔片，如图10示。经过光阑限制的光束再用聚焦透镜会聚就可以形成我们所需要的大小了。聚焦透镜的焦距由下式决定: （1)式中为聚焦透镜的焦距,f为入射高斯光束的焦参数，

15、为入射高斯光束的束腰半径，这里为限制光阑通光口径,为系统要求的出射光束的束腰半径:竖直方向10um,水平方向50um。用焦距为30mm的聚焦透镜可以实现上述要求，复杂的论证过程将在设计说明中给出。图1光束限制孔径光阑3.2.5 参考光输出为了能对入射光束进行观察,以便对系统的光学输入部分进行自检和标定,在经过空间滤波器之后的光路中用一个分束器将入射光分成两个部分,一部分（约0%）通过,另外一部分被反射出来用作参考光，用一个光电二极管接受，并反馈给控制系统对入射光进行监视。3.3 前向散射光收集系统为了满足上面的设计要求,收集部分应该包括以下几个功能:聚光、准直、分束、角度控制、收集和探测。激光

16、照射到细胞之后就发生散射,形成散射光束,用一个聚光镜将这些散射光的一部分收集起来。由于设计要求有15的收集范围，因此聚光镜的数值孔径为：0.26 ()因为需要对特定的角度范围进行检测，因此将聚光镜收集来的散射光准直,然后再用特定孔径形状的光阑就可以对收集的角度进行控制,以达到对某个角度范围内的散射光进行收集、探测的目的。在图11所示的原理中,流动室出射的散射光束经过聚光镜收集、准直镜准直后，一部分被分束器反射到垂直方向，另外一部分透过分束器,用一个光阑将散射光限制在15范围内，然后用一个聚焦透镜将这部分光聚焦在光电二极管上,反射的那部分用815光阑和聚焦透镜收集到另外一个光电二极管上探测出来。

17、图 11 散射光收集系统原理图在设计的应用系统中，用一个非球面镜代替上图中的聚光镜（conense）和准直镜(limor），选用NePort公司的非球面聚光镜KPA10-C来实现，聚焦透镜用Thlas公司的双凸透镜B140来实现,对它们的需求及选用过程将会在设计说明中给出。3.4 侧向散射光收集系统虽然在预研的第一阶段没有这部分内容,但是我们在设计的时候仍然初步考虑了它的总体方案。束在侧向的散射强度比正向要弱的多,在收集的时候需要一个很大的角度，所以就要求侧向散射的聚光镜要有更大的数值孔径(N）。和正向光收集系统设计思想一样，综合考虑系统的像差和结构之后，侧向散射光的收集镜仍然采用一个非球面镜

18、，这个非球面镜的数值孔径比正向光收集镜更大，选用wport的另外一款Aphric CondernerLens,结构尺寸如下：Dater(m）EFL(mm）spere Di. d(mm)f/BL(mm)P2(mm）c1(m)e(m)2 Shape2(mm)12.081.00.674133.87591.6covex1.8从f/可以看出它的数值孔径要更加大一些。 由于侧向散射光的强度很弱,将可以收集到的角度范围内散射光全部利用,因此不需要正向光收集那样的遮光光阑。除此之外，为了削弱探测器、聚焦镜和聚光镜的准直精度，采用了一种远心光路的结构,如图12所示。为非球面的聚光镜,1为会聚透镜，22为一个场镜

19、，为孔径光阑，24为收集目镜，25为探测器。由于对像差没有过高的要求，我们认为发散的散射光被0良好准直，21将散射光会聚在后焦面上,这样即的后焦面和流动室检测区为一对共轭面。为了降低探测器和流动室的准直要求，用一个收集目镜2将21后焦面上的像准直，为了减少目镜的尺寸，在1的后焦面附近放置一个场镜和一个孔径光阑，形成远心光路的结构。这样,场镜、孔径光阑和流动室共轭,探测器相对于流动室为无穷远。图12 侧向散射光收集系统各棱镜的尺寸如下表所列：表 Error! Bookmark not defined. 侧向散射光收集系统光学元件结构尺寸LsIem#DA(m）(mm）b（m）tc（mm)20ewP

20、or208.135.91LA0412.720.0744.022LC45736.-10.0-142.24L1156.010.092.4附录A 图、表目录图光学检测血液细胞的基本方法3图2 细胞的散射光信号分析3图 光学系统总体结构框图5图 光学系统图图5 前光学系统原理框图6图 6 Laser Dodoshi LD9257图 非球面激光准直透镜图 8 用透镜的傅立叶变换特性进行空间滤波的结构图 9 孔径光阑和聚焦透镜对光束大小进行控制9图 0 光束限制孔径光阑0图 1 散射光收集系统原理图11图1 侧向散射光收集系统2表 1 半导体激光器的性能参数7表 2TosiTOLD925M的光学特性表 侧向散射光收集系统光学元件结构尺寸12内容总结 第 14 页 共 14 页