五分類血液細(xì)胞關(guān)鍵技術(shù)--光學(xué)系統(tǒng)

1、五分類血液細(xì)胞關(guān)鍵技術(shù) -光學(xué)系統(tǒng)目錄目錄 1第 1 章概述 3第 2 章光學(xué)系統(tǒng)功能描述及要求 42.1 光學(xué)系統(tǒng)功能描述 42.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的總體要求 42.3 光學(xué)系統(tǒng)工作環(huán)境要求 4第 3 章光學(xué)系統(tǒng)總體框圖及各功能模塊說明 53.1 光學(xué)系統(tǒng)總體框圖 53.2 光源及光束控制系統(tǒng) 53.2.1 光源 63.2.2 準(zhǔn)直透鏡 73.2.3 空間濾波 73.2.4 光束形狀控制 83.2.5 參考光輸出 93.3 前向散射光收集系統(tǒng) 93.4 側(cè)向散射光收集系統(tǒng) 10附錄 A 圖、表目錄 12第1章概述光學(xué)檢驗血細(xì)胞的基本原理是：用一束入射光（一般為激光）照射到流動的細(xì)胞流上發(fā)生散

2、射或激發(fā)熒光，通過一定的收集系統(tǒng)在某些特定區(qū)域上對散射或熒光信號進行收集，從這些信號 中提取細(xì)胞的某些特征以達(dá)到全部分類或部分分群的目的，如圖 1所示。圖1光學(xué)檢測血液細(xì)胞的基本方法» I I IU II I II I I m I I I I 1 GI j r 1 r 1 RS其中1為光源，它發(fā)射出的光束經(jīng)過傳輸控制系統(tǒng) 2形成滿足檢驗要求的光束 3,照射到細(xì)胞流4 上產(chǎn)生散射光束6，在一個特定的散射場 9上對某些區(qū)域7、8的散射光進行收集、探測，得到多 維光信號，通過對這些散射光信號的分析可以得到細(xì)胞的分類信息，達(dá)到分類的目的，如圖2。BASOPHILS,YMPHOCV7ES-*

3、叫一胡細(xì)gTdNEUTKOPHLS* 吃1 EOStNOPHUS； GH0S7 OF ERY7WOCVTES（a）. ABBOTT散射信號散點圖分析（b） Sysmex散射信號散點圖分析圖2細(xì)胞的散射光信號分析本項目的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)兩個功能，一是提供和細(xì)胞流動室相匹配的照射光對細(xì)胞流進行照射，二是能夠?qū)νㄟ^細(xì)胞后的散射光進行收集，在預(yù)研的初期階段至少應(yīng)該能夠收集:1.小角度散射光；2.中角度散射光。另外還要保留側(cè)向散射光和熒光探測的接口。第 2章 光學(xué)系統(tǒng)功能描述及要求2.1 光學(xué)系統(tǒng)功能描述光學(xué)系統(tǒng)提供照明光源 , 對光源輸出的光束進行一定的控制，提高照射光束的質(zhì)量，使其大 小與細(xì)胞流動室匹配

4、對細(xì)胞流進行照射。照射到逐個通過的細(xì)胞上之后，光束發(fā)生透射和散射， 光學(xué)系統(tǒng)將透射光和部分角度的散射光收集到相應(yīng)的探測器上，光電轉(zhuǎn)換后的信號由電路處理并 輸送到 CPU 進行算法研究。2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的總體要求根據(jù)本項目光學(xué)系統(tǒng)的特點，在光學(xué)設(shè)計中有如下的總體原則：（ 1） 系統(tǒng)盡量簡單以減少光強在各個光學(xué)部件中的能量損失；（ 2） 透鏡的二次反射像不要成在透鏡內(nèi)部，以免打壞透鏡；（ 3） 由于不是成像系統(tǒng)， 只要所需部分的光強落在相應(yīng)的探測器上即可， 所以對系統(tǒng)的像差要 求沒有衍射成像那么嚴(yán)格，只要是適當(dāng)校正球差就可以。（ 4） 光源照明部分要求校正色差，可以更換不同波長的光源，為將來的

5、熒光檢測作準(zhǔn)備。（5） 系統(tǒng)各部分的同軸度要求高（緣自于細(xì)胞算法對角度的要求），不大于0 40卩m。2.3 光學(xué)系統(tǒng)工作環(huán)境要求（1） 溫度：-1050 C,在一次標(biāo)定之后溫度要保持穩(wěn)定，直至下一次標(biāo)定；（ 2） 避免強烈震動和重負(fù)、擠壓。第3章光學(xué)系統(tǒng)總體框圖及各功能模塊說明3.1光學(xué)系統(tǒng)總體框圖光學(xué)系統(tǒng)總體上包括光源及光束控制系統(tǒng)（前光學(xué)系統(tǒng)）和散射光收集系統(tǒng)（后光學(xué)系統(tǒng)） 并由相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)（將在光學(xué)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中描述）將它們與光學(xué)流動室有機結(jié)合。前光學(xué)系 統(tǒng)提供光源，并對光源輸出的光束進行形狀及質(zhì)量的控制，使其達(dá)到設(shè)計要求，然后用聚焦透鏡 將光束聚焦到細(xì)胞流動室上，對流動的細(xì)胞進行照射

6、。后光學(xué)系統(tǒng)主要是將照射到細(xì)胞后的散射 及透射光收集到相應(yīng)的探測器上，經(jīng)過電路系統(tǒng)最終形成可以分析的數(shù)字信號，為細(xì)胞的分類算 法提供數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示：圖3光學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計輸入的要求，初步設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)圖如圖4所示:3.2光源及光束控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需求，原理框圖如下:'前光學(xué)系統(tǒng)光束質(zhì)量優(yōu)化光源光束形狀控制輸出至細(xì)胞流動室圖4前光學(xué)系統(tǒng)原理框圖光源目前都是采用激光光源，在我們的設(shè)計當(dāng)中，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸上考慮，采用了半導(dǎo)體 激光器。半導(dǎo)體激光器的出射光發(fā)散角比較大，因此在光源部分還增加了一個準(zhǔn)直透鏡。光束質(zhì) 量優(yōu)化部分主要是一個空間濾波器，用它把激光光

7、束邊緣部分不均勻的高階模式濾掉，使光束的 光場盡量均勻。光束形狀控制部分用一定形狀的限制光闌和聚焦透鏡使光束在照射到細(xì)胞流動室 上的時候達(dá)到設(shè)計要求的 100um*20um大小，這些限制光闌同時也起到了消除雜光的作用。經(jīng)過 這部分之后的輸出為一束質(zhì)量良好的會聚激光光束，落在細(xì)胞流動室上的光斑大小約為100um*20um。3.2.1光源到目前為止對細(xì)胞的光散射模型研究都是針對單色光進行的，因此我們的光源必須能夠提供 單色光對細(xì)胞進行照明。單色光的獲得途徑有如下兩條：一是用白光光源（如鹵素?zé)簦┘由蠁紊?濾光片，另外是直接用單色性比較好的激光作為光源。用白光作為光源的時候由于需要大量的光 學(xué)元件對發(fā)

8、散光進行會聚，因此導(dǎo)致光源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積比較大，現(xiàn)在已經(jīng)很少用了。激光由 于其良好的單色性和準(zhǔn)直性被廣泛的應(yīng)用于流式細(xì)胞儀和血液分析儀中。我們也將采用激光作為 實驗平臺的光源。對于激光器的選擇主要從其單色性、光場模式（主要是橫模模式）、功率以及結(jié)構(gòu)尺寸幾點出發(fā)。橫模為TEM 00模式：這是細(xì)胞的散射模型對照射光均勻性的要求。 單色性：一般的激光光源都可以達(dá)到，對激光縱模沒有特殊要求。結(jié)構(gòu)尺寸：由于采用了流式細(xì)胞儀的方法，血球儀由許多功能不同的模塊結(jié)構(gòu)組成，為了不至于使整機結(jié)構(gòu)過于龐大，要求我們的光學(xué)系統(tǒng)也不能太大，因此光源也不 能有太大的結(jié)構(gòu)。基于以上幾點的考慮我們選用了當(dāng)今比較流行的半導(dǎo)體

9、激光器作為光源，雖然氣體的 He-Ne激光器在光束質(zhì)量上比半導(dǎo)體激光器還要好一些，但是其體積比較大而被否決。我們選用 的半導(dǎo)體激光器（如圖 3所示）為Toshiba TOLD9225M其技術(shù)指標(biāo)為：其他參數(shù)如表1、2所示：表1半導(dǎo)體激光器的性能參數(shù)Absolute Maximum Ratings 仃 c=25°C)CHARACTERISTICSYMBOLRATINGOptical Output Power (CW)Po10mWLD Reverse VoltageVr（ld）2VPD Reverse VoltageV R(PD)30VOperation Case temperature

10、Tc-10 to 50 CStorage temperatureTstg-40 to 85 C表 2 Toshiba TOLD9225M的光學(xué)特性O(shè)ptical Electrical Characteristics 仃 c=25C, P=10mW)CHARACTERISTICSYMBOLMIN.TYP.MAX.Threshold Currentlth-45mA65mAOperation Currentlop70mA90mAOperation VoltageVop2.4V3.0VLasing Wavelengthp660nm670nm680nmBeam Divergence (FWHM)|5&#

11、176;8°11 °Beam Divergence (FWHM)丄15 °18 °23 °Monitor Currentlm0.5mA0.3mA3.0mA322準(zhǔn)直透鏡由表2中可以看到，半導(dǎo)體激光器的輸出光束的發(fā)散角是很大的，因此需要將其準(zhǔn)直。如果使用傳統(tǒng)的球面鏡，為了滿足像差的要求則需要系列的透鏡組才能夠完成，這將造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的龐大，因此我們采用一個非球面鏡。在比較了結(jié)構(gòu)尺寸和各種性能指標(biāo)后選擇了Thorlabs公司的產(chǎn)品350110,尺寸如下圖所示：光學(xué)特性如下所示：?Design Wavelength (nm): 780?Numerica

12、l 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): CO5503.2.

13、3空間濾波由于激光器本身的缺陷、光束傳播過程中通過的光學(xué)器件的缺陷以及空氣中微粒的影響，光 束不可能是理想的模式，這就會為研究算法帶來誤差，因為首先輸入光就不均勻。所以在光束還 沒有到達(dá)流動室的時候先對其進行一次空間濾波，用來減弱光束中其他的高階模式的影響。一般 情況下用一個空間濾波器基本上可以消除高階模?？臻g濾波器是利用透鏡的傅立葉變換特性，在 入射光的空間頻率域上進行處理，再經(jīng)過另外一個透鏡的傅立葉反變換，以達(dá)到對入射光(或物 體)進行處理的目的，如圖 8所示。這里不再詳述空間濾波器的原理，可以參考相關(guān)文獻。在激光應(yīng)用光學(xué)上為了使激光光束模式更好通常使用顯微物鏡對激光進行空間濾波，但是那

14、樣勢必使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)龐大，不適用于實際應(yīng)用系統(tǒng)。因此，本設(shè)計決定采用兩個雙膠合透鏡和一 個針孔實現(xiàn)空間濾波的功能，如圖4中6所示：其中透鏡 3、5為焦距為16mm的高質(zhì)量雙膠合透鏡，Thorlabs LAC110-B ;狹縫4為一個直徑25um、厚度0.2mm的針孔。調(diào)整透鏡 3，使激光 束準(zhǔn)確聚焦在針孔中央，濾掉激光束中外圍高頻的高階模式，然后用透鏡5進行反變換，這樣就可以優(yōu)化激光光束的質(zhì)量。圖5用透鏡的傅立葉變換特性進行空間濾波的4f結(jié)構(gòu)其中1為輸入面，3為空間頻譜面，5為反變換后的輸出面，在3上用各種形式的透過函數(shù)的光闌就可以對輸入面的空間頻率進行濾波。3.2.4光束形狀控制流動室的檢測區(qū)

15、內(nèi)徑大約200u m,為了使激光束在照射細(xì)胞流的時候打到流動室的內(nèi)壁而發(fā)生散射和折射，必須把激光光束在到達(dá)檢測區(qū)的時候比其內(nèi)壁要窄，即要對激光束進行聚焦處理,在傳播到檢測區(qū)的地方橫向直徑要小于200um，我們的要求是120um。同時，為了信號檢測的需要，在到達(dá)檢測區(qū)的時候縱向直徑應(yīng)該小于1.52倍的血細(xì)胞直徑，我們的要求在20um左右。collimati ng lens aperturefocusi ng lens圖6孔徑光闌和聚焦透鏡對光束大小進行控制為了達(dá)到上述的目的，需要對準(zhǔn)直后比較大的光束進行形狀控制，主要是控制光斑的大小。我們用一個光闌和一個聚焦透鏡實現(xiàn)這一功能，如圖9所示。其中光闌

16、是為了限制入射光束的直徑，而圖4中的光闌26除了限制入射光束大小以外還起到消雜光的作用，二者都是1mm*200um的通光孔徑，鍍了吸收膜（消反射膜）的金屬箔片，如圖10示。經(jīng)過光闌限制的光束再用聚焦透鏡會聚就可以形成我們所需要的大小了。聚焦透鏡的焦距由下式?jīng)Q定：(1)F,(lF)2f2式中F為聚焦透鏡的焦距，f為入射高斯光束的焦參數(shù)，3為入射高斯光束的束腰半徑，這里為限制光闌通光口徑，為系統(tǒng)要求的出射光束的束腰半徑：豎直方向10um，水平方向50um。用焦距為30mm的聚焦透鏡可以實現(xiàn)上述要求，復(fù)雜的論證過程將在設(shè)計說明中給出。thin sheet of metal with nonrefle

17、ctive coating325參考光輸出為了能對入射光束進行觀察，以便對系統(tǒng)的光學(xué)輸入部分進行自檢和標(biāo)定，在經(jīng)過空間濾波器之后的光路中用一個分束器將入射光分成兩個部分，一部分（約80%）通過，另外一部分被反射出來用作參考光，用一個光電二極管接受，并反饋給控制系統(tǒng)對入射光進行監(jiān)視。3.3前向散射光收集系統(tǒng)為了滿足上面的設(shè)計要求，收集部分應(yīng)該包括以下幾個功能：聚光、準(zhǔn)直、分束、角度控制、收集和探測。激光照射到細(xì)胞之后就發(fā)生散射，形成散射光束，用一個聚光鏡將這些散射光的一 部分收集起來。由于設(shè)計要求有15。的收集范圍，因此聚光鏡的數(shù)值孔徑為：NA n si nU 1 si n15° 0.

18、26（ 2）因為需要對特定的角度范圍進行檢測，因此將聚光鏡收集來的散射光準(zhǔn)直，然后再用特定孔徑形 狀的光闌就可以對收集的角度進行控制，以達(dá)到對某個角度范圍內(nèi)的散射光進行收集、探測的目 的。在圖11所示的原理中，流動室出射的散射光束經(jīng)過聚光鏡收集、準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，一部分被分束器反射到垂直方向，另外一部分透過分束器，用一個光闌將散射光限制在15°范圍內(nèi)，然后用一個聚焦透鏡將這部分光聚焦在光電二極管上，反射的那部分用815。光闌和聚焦透鏡收集到另外一個光電二極管上探測出來。i815 Collectingi圖8散射光收集系統(tǒng)原理圖在設(shè)計的 應(yīng)用系 統(tǒng)中，用 一個非 球面鏡代 替上圖 中的聚 光

19、鏡(con de nser)和準(zhǔn)直 鏡 (collimator)，選用NewPort公司的非球面聚光鏡 KPA010-C來實現(xiàn)，聚焦透鏡用 Thorlabs公司 的雙凸透鏡LB1406來實現(xiàn)，對它們的需求及選用過程將會在設(shè)計說明中給出。3.4側(cè)向散射光收集系統(tǒng)雖然在預(yù)研的第一階段沒有這部分內(nèi)容，但是我們在設(shè)計的時候仍然初步考慮了它的總體方 案。束在側(cè)向的散射強度比正向要弱的多，在收集的時候需要一個很大的角度，所以就要求側(cè)向 散射的聚光鏡要有更大的數(shù)值孔徑(NA )。和正向光收集系統(tǒng)設(shè)計思想一樣，綜合考慮系統(tǒng)的像差和結(jié)構(gòu)之后，側(cè)向散射光的收集鏡仍然采用一個非球面鏡，這個非球面鏡的數(shù)值孔徑比正向光

20、 收集鏡更大，選用 Newport的另外一款 Aspheric Condernser Lens，結(jié)構(gòu)尺寸如下：Diameter(mm)EFL(mm)Asphere Dia. d(mm)f/dBFL(mm)P2(mm)Tc1(mm)Te(mm)S2 ShapeR2(mm)12.08.012.00.674.13-3.875.91.65convex12.18從f/d可以看出它的數(shù)值孔徑要更加大一些。由于側(cè)向散射光的強度很弱，將可以收集到的角度范圍內(nèi)散射光全部利用，因此不需要正向光收集那樣的遮光光闌。除此之外，為了削弱探測器、聚焦鏡和聚光鏡的準(zhǔn)直精度，采用了一種遠(yuǎn)心光路的結(jié)構(gòu)，如圖12所示。20為非球面的聚光鏡，21為會聚透鏡，22為一個場鏡，23為孔徑光闌，24為收集目鏡，25為探測器PD。由于對像差沒有過高的要求，我們認(rèn)為發(fā)散的散射