五分类血液细胞关键技术光学系统Word格式.docx
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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.
●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。
●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。
●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ToshibaTOLD9225M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
AbsoluteMaximumRatings（Tc=25°
C）
CHARACTERISTIC
SYMBOL
RATING
OpticalOutputPower（CW）
Po
10mW
LDReverseVoltage
VR（LD）
2V
PDReverseVoltage
VR（PD）
30V
OperationCasetemperature
Tc
-10to50°
C
Storagetemperature
Tstg
—40to85°
表2ToshibaTOLD9225M的光学特性
OpticalElectricalCharacteristics（Tc=25°
C,P=10mW）
MIN。
TYP.
MAX。
ThresholdCurrent
lth
—
45mA
65mA
OperationCurrent
lop
-
70mA
90mA
OperationVoltage
Vop
2.4V
3.0V
LasingWavelength
λp
660nm
670nm
680nm
BeamDivergence（FWHM）
θ||
5°
8°
11°
θ⊥
15°
18°
23°
MonitorCurrent
lm
0。
5mA
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：
∙DesignWavelength（nm）：
780
∙NumericalAperture：
0.40
∙DiffractionLimitedRange（nm）:
510—1550
∙ClearAperture（mm）：
5。
0
∙EffectiveFocalLength（mm）：
6。
24
∙Magnification：
Infinite
∙LaserWindowThickness（mm）：
0.275
∙LaserWindowMaterial/Index:
BK7/1。
51
∙RMSWFE（Axial@632.8nmAveragedOverFullAperture）：
≤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，ThorlabsLAC110-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8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10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80％）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：
26
（2）
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1~5°
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8~15°
光阑和聚焦透镜收集到另外一个光电二极管上探测出来。
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（condenser）和准直镜（collimator），选用NewPort公司的非球面聚光镜KPA010—C来实现,聚焦透镜用Thorlabs公司的双凸透镜LB1406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（NA）。
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，这个非球面镜的数值孔径比正向光收集镜更大，选用Newport的另外一款AsphericCondernserLens，结构尺寸如下：
Diameter
（mm）
EFL
AsphereDia.d
f/d
BFL
P2
Tc1
Te
S2Shape
R2
12。
8.0
12.0
0.67
4。
13
—3。
87
5。
9
1.65
convex
18
从f/d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。
20为非球面的聚光镜，21为会聚透镜，22为一个场镜，23为孔径光阑,24为收集目镜，25为探测器PD。
由于对像差没有过高的要求，我们认为发散的散射光被20良好准直，21将散射光会聚在后焦面上,这样即21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24将21后焦面上的像准直，为了减少目镜的尺寸,在21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3侧向散射光收集系统光学元件结构尺寸
Lens
Item＃
DIA（mm）
f（mm）
fb（mm）
tc（mm）
20
NewPort
8。
13
5.9
21
LA1074
12.7
20。
17。
4
4.0
22
LC4573
6.0
-10。
-11.4
2。
24
LB1157
6。
10。
9.2
附录A图、表目录
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