一种流式细胞分选仪的照明系统和流式细胞分选仪

摘要

本发明公开了一种流式细胞分选仪的照明系统和流式细胞分选仪，其中，所述流式细胞分选仪的照明系统包括光源单元和光束整形单元，所述光束整形单元位于所述光源单元的出射光线的传播路径上；所述光束整形单元包括柱面非球面透镜组，所述柱面非球面透镜组包括第一圆锥面和第二圆锥面；所述第一圆锥面具备第一光焦度所述第二圆锥面具备第二光焦度其中采用上述技术方案，通过设置柱面非球面透镜组包括两个圆锥面，且通过合理设置两个圆锥面的光焦度可以保证光源单元发出的光束经光束整形单元后得到平顶椭圆光束，且平顶椭圆光束的光斑面积较大，保证细胞或微粒检测精确度高；同时可以保证出射激光的能量利用率较高。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及细胞分选技术领域，尤其涉及一种流式细胞分选仪的照明系统和流式细胞分选仪。

背景技术

基于流式细胞术的仪器，包括流式细胞仪、血液分析仪、粒子分析仪等都是通过对靶流中排列成单列的细胞或其他微粒逐个进行快速定量分析和分选的技术平台，其基本原理是利用聚焦的激光束照射单个细胞或微粒，并同时利用光电探测器件对产生的散射光或荧光信号分析从而得到待检测物的各种参数。其中激光光源及其光学系统是流式细胞仪的核心部件之一，聚焦光束的质量和稳定性直接决定了流式细胞仪器的性能指标。由于待分析细胞样品在靶流中高速流动(5000个/秒)，通过激光照射区域的时间仅为微秒量级，其产生的散射光或荧光信号强度与激光照射区域的光功率密度分布密切相关。

为了保证每个通过聚焦光斑的细胞或微粒接受同样强度的激光辐照，保证流式细胞仪的分析准确性，需要保证聚焦光斑尺寸较大。但是现有技术中要么是通过增加入射光束的光斑尺寸，要么是通过调整激光整形装置的结构增大聚焦光斑的尺寸。但是，增加入射光束的光斑尺寸对激光器要求较高，增加激光器成本；调整激光整形装置的结构会造成激光整形装置加工困难，并且整形出来的平顶光束的平顶部分占比少，激光能量利用率低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种流式细胞分选仪的照明系统和流式细胞分选仪，流式细胞分选仪结构简单，且平顶光束尺寸较大。

第一方面，本发明实施例提供了一种流式细胞分选仪的照明系统，包括光源单元和光束整形单元，所述光束整形单元位于所述光源单元的出射光线的传播路径上；

所述光束整形单元包括柱面非球面透镜组，所述柱面非球面透镜组包括第一圆锥面和第二圆锥面；

所述第一圆锥面具备第一光焦度

可选的，所述第一圆锥面的曲率半径为R

所述第二圆锥面的曲率半径为R

可选的，所述第一圆锥面的焦距f1满足0mm

可选的，所述柱面非球面透镜组包括第一柱面非球面透镜和第二柱面非球面透镜，所述第一柱面非球面透镜包括所述第一圆锥面，所述第二柱面非球面透镜包括所述第二圆锥面；

所述第一柱面非球面透镜位于所述光源单元的出射光线的传播路径上，所述第二柱面非球面透镜位于经所述第一柱面非球面透镜透射得到的透射光线的传播路径上；或者，所述第二柱面非球面透镜位于所述光源单元的出射光线的传播路径上，所述第一柱面非球面透镜位于经所述第二柱面非球面透镜透射得到的透射光线的传播路径上。

可选的，所述柱面非球面透镜组包括第三柱面非球面透镜，所述第三柱面非球面透镜包括所述第一圆锥面和所述第二圆锥面；

所述第一圆锥面位于所述光源单元的出射光线的传播路径上，所述第二圆锥面位于经所述第一圆锥面透射得到的透射光线的传播路径上；或者，所述第二圆锥面位于所述光源单元的出射光线的传播路径上，所述第一圆锥面位于经所述第一圆锥面透射得到的透射光线的传播路径上。

可选的，所述光源单元的出射光线经所述光束整形单元后得到平顶椭圆光束；

沿所述平顶椭圆光束的长轴方向，所述平顶椭圆光束的光强均匀分布；沿所述平顶椭圆光束的短轴方向，所述平顶椭圆光束的光强高斯分布；

所述平顶椭圆光束在所述长轴方向上的光斑尺寸为第一光斑尺寸，其中，所述第一光斑尺寸Wx为光强I

第二光斑尺寸Wt为光强均匀性满足预设值时对应的光束直径，其中，所述预设值a满足95％≤a≤100％，Wt/Wx>75％。

可选的，所述光源单元包括多波长光源单元。

可选的，所述多波长光源单元包括多个单模光纤耦合激光器；

所述照明系统还包括多个准直镜头和多个光束转折装置，所述准直镜头与所述单模光纤耦合激光器一一对应，所述光束转折装置与所述准直镜头一一对应；

所述准直镜头位于所述单模光纤耦合激光器的出射激光的传播路径上，用于对所述出射激光进行准直，得到准直激光光束；

所述光束转折装置位于所述准直激光光束的传播路径上，用于将所述准直激光光束反射至所述柱面非球面透镜组的几何中心上。

可选的，所述照明系统还包括消色差双胶合透镜，所述消色差双胶合透镜位于经所述柱面非球面透镜组透射得到的透射光线的传播路径上；

所述消色差双胶合透镜的焦距f3满足20mm

第二方面，本发明实施例还提供了一种流式细胞分选仪，包括第一方面所述的流式细胞分选仪的照明系统。

本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统和流式细胞分选仪，通过设置流式细胞分选仪的照明系统包括光源单元和光束整形单元，同时设置光束整形单元包括柱面非球面透镜组，柱面非球面透镜组包括第一圆锥面和第二圆锥面，第一圆锥面具备第一光焦度

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例提供的一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的出射光束的截面示意图以及光强分布示意图；

图3是本发明实施例提供的平顶椭圆光束的截面示意图以及光强分部示意图；

图4是图3中A区域的放大示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种多个平顶椭圆光束的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

图1是本发明实施例提供的一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统包括光源单元10和光束整形单元20，光束整形单元20位于光源单元10的出射光线的传播路径上；光束整形单元20包括柱面非球面透镜组201，柱面非球面透镜组201包括第一圆锥面201a和第二圆锥面201b；第一圆锥面201a具备第一光焦度

示例性的，如图1所述，光源单元10的出射光束101经过光束整形单元20后照射到流动室40上，并且汇聚在流动室40的中心位置。其中，出射光束101可以为准直的高斯光斑，其截面示意图以及光强分布示意图如图2所示。其中I

柱面非球面透镜组201包括第一圆锥面201a和第二圆锥面201b，且第一圆锥面201a具备正的光焦度，第二圆锥面201b具备负的光焦度，即第一圆锥面201a的第一光焦度

可选的，柱面非球面透镜组201可以包括一个或者多个柱面非球面透镜，本发明实施例对此不进行限定，只需保证柱面非球面透镜组201包括光焦度相反的两个圆锥面即可。进一步的，柱面非球面透镜可以为鲍威尔棱镜，也可以为其他形式的整形透镜，本发明实施例对此不进行限定。

综上所述，本发明实施例提供的流式细胞分选的照明系统中，设置光束整形单元包括两个圆锥面，且设置两个圆锥面的光焦度相反，保证经光束整形单元后得到的平顶椭圆光束的光斑较大，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高；同时可以保证出射激光的能量利用率较高；并且，本发明实施例提供的照明系统结构简单，仅通过设置光束整形单元包括光焦度相反的两个圆锥面即可保证等到较大光斑平顶椭圆光束，光束整形单元的制备工艺简单，提高光束整形单元的制备良率，降低光束整形单元的制备成本。

具体的，图3是本发明实施例提供的平顶椭圆光束的截面示意图以及光强分部示意图，图4是图3中A区域的放大示意图，如图3和图4所示，光源单元10的出射光线101经光束整形单元20后得到平顶椭圆光束；沿平顶椭圆光束的长轴方向，如图中所示的X方向，平顶椭圆光束的光强均匀分布；沿平顶椭圆光束的短轴方向，如图中所示的Y方向，平顶椭圆光束的光强高斯分布；平顶椭圆光束在长轴方向上的光斑尺寸为第一光斑尺寸，其中，第一光斑尺寸W

I

示例性的，如图3和图4所示，出射光束101经光束整形单元20后得到平顶椭圆光束，该平顶椭圆光束在长轴方向，即图中所示的X方向上均匀分布，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高。

进一步的，本发明实施例中，第二光斑尺寸Wt为光强均匀性满足预设值时对应的光束直径，其中，预设值a可以满足95％≤a≤100％，即均匀性大于95％对应的光束直径Wt与平顶椭圆光束在长轴方向上的光束直径Wx的比值大于75％，如图3和图4所示，充分保证平顶椭圆光束在长轴方向上具备良好的均匀性，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高。进一步的，本发明实施例中的预设值甚至可以达到98％，充分保证平顶椭圆光束在长轴方向上具备良好的均匀性。

示例性的，本发明实施例中，平顶椭圆光束在长轴方向上的光束直径Wx可以为60μm，Wt可以大于45μm。进一步的，平顶椭圆光束在短轴方向上的光束直径Wy可以为6～13μm。进一步的，均匀性满足预设值时对应的光束直径Wt可以是20～60μm之间的任意值，本发明实施例对此不进行限定，仅以Wt可以大于45μm举例说明。

可选的，第一圆锥面201a的面型函数可以满足：

其中，

第二圆锥面201b的面型函数可以满足：

其中，

可以理解的是，根据第一圆锥面201a的面型函数和第二圆锥面201b的面型函数可以知道，第一圆锥面201a和第二圆锥面201b的面型函数仅与单一方向(y方向)上的变量有关，因此第一圆锥面201a和第二圆锥面201b的面型函数简单，第一圆锥面201a和第二圆锥面201b结构简单，制备工艺简单，可以保证201a和第二圆锥面201b的制备效率和制备良率较高。

需要说明的是，上述实施例仅以第一圆锥面201a和第二圆锥面201b的一种可行的面形函数为例进行了说明，可以理解的是，第一圆锥面201a的面型函数还可以满足其他函数表达式，示例性地如：

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7和a8中的至少一个不为零。

第二圆锥面201b的面型函数还可以满足其他函数表达式，示例性地如：

其中，a1’、a2’、a3’、a4’、a5’、a6’、a7’和a8’中的至少一个不为零。

如此，第一圆锥面201a和第二圆锥面201b的面型函数同样仅与单一方向(y方向)上的变量有关，因此第一圆锥面201a和第二圆锥面201b的面型函数简单，同样可以保证第一圆锥面201a和第二圆锥面201b结构简单，制备工艺简单，可以保证201a和第二圆锥面201b的制备效率和制备良率较高。进一步的，合理设置第一圆锥面201a的曲率半径和圆锥系数以及第二圆锥面201b的曲率半径和圆锥系数，可以保证经光束整形单元20后得到的平顶椭圆光束的光斑较大，保证细胞或微粒检测精确度高以及出射激光的能量利用率较高。

可选的，第一圆锥面201a的焦距f1可以满足0mm

可选的，柱面非球面透镜组201可以包括一个或者多个柱面非球面透镜，第一圆锥面201a和第二圆锥面201b可以分别设置在同一个柱面非球面透镜上，或者设置在不同的柱面非球面透镜，下面将针对不同的情况进行详细说明。

首先以柱面非球面透镜组201包括两个柱面非球面透镜为例进行说明。

可选的，继续参考图1所示，柱面非球面透镜组201包括第一柱面非球面透镜2011和第二柱面非球面透镜2012，第一柱面非球面透镜2011包括第一圆锥面201a，第二柱面非球面透镜2012包括第二圆锥面201b；第一柱面非球面透镜2011位于光源单元10的出射光线101的传播路径上，第二柱面非球面透镜2012位于经第一柱面非球面透镜2011透射得到的透射光线的传播路径上。如此出射光束101依次经过第一柱面非球面透镜2011和第二柱面非球面透镜2012后得到平顶椭圆光束，且平顶椭圆光束的光斑较大，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高；同时可以保证出射激光的能量利用率较高。

可选的，图5是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图，如图5所示，柱面非球面透镜组201包括第一柱面非球面透镜2011和第二柱面非球面透镜2012，第一柱面非球面透镜2011包括第一圆锥面201a，第二柱面非球面透镜2012包括第二圆锥面201b；第二柱面非球面透镜2012位于光源单元10的出射光线的传播路径上，第一柱面非球面透镜2011位于经第二柱面非球面透镜2012透射得到的透射光线的传播路径上。如此出射光束101依次经过第二柱面非球面透镜2012和第一柱面非球面透镜2011后得到平顶椭圆光束，且平顶椭圆光束的光斑较大，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高；同时可以保证出射激光的能量利用率较高。

以上对柱面非球面透镜组201包括两个柱面非球面透镜的情况进行说明，接下来对柱面非球面透镜组201包括一个柱面非球面透镜的情况进行说明。

可选的，图6是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图，如图6所示，柱面非球面透镜组201包括第三柱面非球面透镜2013，第三柱面非球面透镜2013包括第一圆锥面201a和第二圆锥面201b；第一圆锥面201a位于光源单元10的出射光线的传播路径上，第二圆锥面201b位于经第一圆锥面201a透射得到的透射光线的传播路径上。如此，出射光束101依次经过第一圆锥面201a和第二圆锥面201b后得到平顶椭圆光束，且平顶椭圆光束的光斑较大，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高；同时可以保证出射激光的能量利用率较高。

可选的，图7是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图，如图所示，柱面非球面透镜组201包括第三柱面非球面透镜2013，第三柱面非球面透镜2013包括第一圆锥面201a和第二圆锥面201b；第二圆锥面201b位于光源单元10的出射光线的传播路径上，第一圆锥面201a位于经第二圆锥面201b透射得到的透射光线的传播路径上。如此，出射光束101依次经过第二圆锥面201b和第一圆锥面201a后得到平顶椭圆光束，且平顶椭圆光束的光斑较大，保证流动室内的细胞或微粒在该较大的平顶椭圆光束的辐照下产生的散射光或荧光信号强度相同，保证细胞或微粒检测精确度高；同时可以保证出射激光的能量利用率较高。

上述实施例以柱面非球面透镜组201的不同组成方式进行了详细说明，可以理解的是，本发明实施例对柱面非球面透镜组201的具体组成方式不进行限定，柱面非球面透镜组201可以包括两个柱面非球面透镜，如图1和图5所示，如此可以保证每个柱面非球面透镜结构简单，制备工艺简单；或者，柱面非球面透镜组201也可以包括一个柱面非球面透镜，如图6和图7所示，如此可以保证柱面非球面透镜组201整体结构简单小巧，集成度高。进一步的，本发明实施例中，出射光束101可以首先通过第一圆锥面201a然后通过第二圆锥面201b，如图1和图6所示；或者，出射光束101也可以首先通过第二圆锥面201b然后通过第一圆锥面201a，如图5和图7所示，本发明实施例对此不进行限定，只需保证出射光束101可以通过第一圆锥面201a和第二圆锥面201b，经第一圆锥面201a和第二圆锥面201b整形后可以得到光斑较大的平顶椭圆光束即可。

进一步的，光源单元10可以包括多波长光源单元11，保证光源单元10的波长范围较大，例如覆盖整个可见光范围，保证整个照明系统可以得到不同波长范围的平顶光，适用于对不同类型的细胞进行分选。

进一步的，图8是本发明实施例提供的另一种流式细胞分选仪的照明系统的结构示意图，如图8所示，多波长光源单元11包括多个单模光纤耦合激光器102，本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统还可以包括多个准直镜头50和多个光束转折装置60，准直镜头50与单模光纤耦合激光器102一一对应，光束转折装置60与准直镜头50一一对应；准直镜头50位于单模光纤耦合激光器102的出射激光的传播路径上，用于对出射激光进行准直，得到准直激光光束；光束转折装置60位于准直激光50光束的传播路径上，用于将准直激光光束反射至柱面非球面透镜组201的几何中心上。

可以理解的是，本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统可以应用于多个不同激光光源的情况。示例性的，如图8所示，多个单模光纤耦合激光器102可以分别为102a、102b和102c，多个准直镜头50可以分别为50a、50b和50c，多个光束转折装置60可以分别为60a、60b和60c。其中，准直镜头50a与单模光纤耦合激光器102a对应，光束转折装置60a与准直镜头50a对应；准直镜头50b与单模光纤耦合激光器102b对应，光束转折装置60b与准直镜头50b对应；准直镜头50c与单模光纤耦合激光器102c对应，光束转折装置60c与准直镜头50c对应。

具体的，准直镜头50a、50b和50c将单模光纤耦合激光器102出射的发散的激光束准直成为发散角更小的特定口径的光束。准直镜头50可以是定焦镜头，也可以是变焦镜头，本发明实施例对此不仅限定，经准直镜头50准直后出射的光束仍为高斯光束，且光束质量因子小于1.2。

进一步的，光束转折装置60a、60b和60c用于将准直后的不同波长的激光束整合到一起，以特定的角度和位置入射到光束整形单元20中，最后入射到流动室40中心位置。如图8所示，光束转折装置60a、60b和60c用于将准直后的不同波长的激光束整合到一起入射至光束整形单元20中的同一位置，因此需要合理设置各个光束转折装置60的位置以及偏转角度，保证经光束转折装置60后不同波长的激光束可以整合到一起。

进一步的，单模光纤耦合激光器102的纤芯直径d可以满足0

示例性的，设置单模光纤耦合激光器102的纤芯直径d满足0

进一步的，图9是本发明实施例提供的一种多个平顶椭圆光束的示意图，如图9所示，不同波长的激光束在光束整形单元20的同一位置入射至光束整形单元20，经光束整形单元20后分开入射至流动室40的不同位置。其中，三个激光束对应的光斑可以等间隔排布，任意相邻两个光斑之间的距离d满足120μm≤d≤250μm。

进一步的，当光源单元10可以包括多波长光源单元11，对应多个不同波长的激光束时，本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统还可以包括消色差透镜，消除因不同波长激光束造成的色差问题。参考图1、图5、图6、图7和图8所示，本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统还可以包括消色差双胶合透镜30，消色差双胶合透镜30位于经柱面非球面透镜组201透射得到的透射光线的传播路径上；消色差双胶合透镜30的焦距f3可以满足20mm

示例性的，为了消除因不同波长激光束造成的色差问题，本发明实施例提供的流式细胞分选仪的照明系统还可以包括消色差透镜，本发明实施例仅以消色差双胶合透镜30为例进行说明，如此在消除因不同波长激光束造成的色差的同时还可以保证消色差透镜结构简单。进一步的，消色差双胶合透镜30的焦距f3可以满足20mm

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种流式细胞分选仪，包括本发明实施例所述的流式细胞分选仪的照明系统，该流式细胞分选仪与上述流式细胞分选仪的照明系统具备相同的有益效果，这里不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。