五分类血液细胞关键技术--光学系统.doc

文件编号(版本) 五分类血液细胞关键技术--光学系统 目录 目录 2 第1章 概述 3 第2章 光学系统功能描述及要求 4 2.1 光学系统功能描述 4 2.2 光学系统设计的总体要求 4 2.3 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 5 3.1 光学系统总体框图 5 3.2 光源及光束控制系统 6 3.2.1 光源 6 3.2.2 准直透镜 7 3.2.3 空间滤波 8 3.2.4 光束形状控制 9 3.2.5 参考光输出 10 3.3 前向散射光收集系统 10 3.4 侧向散射光收集系统 11 附录A 图、表目录 13 第1章 概述 光学检验血细胞的基本原理是：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1所示。 图 1 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7、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2。 (a). ABBOTT散射信号散点图分析 (b) Sysmex散射信号散点图分析 图 2 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CPU进行算法研究。 2.2 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φ40μm。 2.3 光学系统工作环境要求 （1） 温度：-10~50℃，在一次标定之后温度要保持稳定，直至下一次标定； （2） 避免强烈震动和重负、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 4 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100um*20um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约为100um*20um。 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-Ne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Toshiba TOLD9225M其技术指标为： 其他参数如表1、2所示： 表 1 半导体激光器的性能参数 Absolute Maximum Ratings (Tc=25°C) CHARACTERISTIC SYMBOL RATING Optical Output Power (CW) Po 10mW LD Reverse Voltage VR(LD) 2V PD Reverse Voltage VR(PD) 30V Operation Case temperature Tc -10 to 50°C Storage temperature Tstg -40 to 85°C 表 2 Toshiba TOLD9225M的光学特性 Optical Electrical Characteristics (Tc=25°C, P=10mW) CHARACTERISTIC SYMBOL MIN. TYP. MAX. Threshold Current lth - 45mA 65mA Operation Current lop - 70mA 90mA Operation Voltage Vop - 2.4V 3.0V Lasing Wavelength lp 660nm 670nm 680nm Beam Divergence (FWHM) q|| 5° 8° 11° Beam Divergence (FWHM) q⊥ 15° 18° 23° Monitor Current lm 0.5mA 0.3mA 3.0mA 3.2.2 准直透镜 由表2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Thorlabs公司的产品350110，尺寸如下图所示： 光学特性如下所示： · Design Wavelength (nm): 780 · Numerical Aperture: 0.40 · Diffraction Limited Range (nm): 510-1550 · Clear Aperture (mm): 5.0 · Effective Focal Length (mm): 6.24 · Magnification: Infinite · Laser Window Thickness (mm): 0.275 · Laser Window Material/Index: BK7/1.51 · RMS WFE (Axial @ 632.8nm Averaged Over Full Aperture):£0.050 · Glass (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16mm的高质量双胶合透镜，Thorlabs LAC110-B；狭缝4为一个直径25um、厚度0.2mm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5进行反变换，这样就可以优化激光光束的质量。 图 5 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200um，我们的要求是120um。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1.5~2倍的血细胞直径，我们的要求在20um左右。 图 6 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9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1mm*200um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F为聚焦透镜的焦距，f为入射高斯光束的焦参数，ω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 7 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