流式细胞仪系统的光束成形光学器件及其相关方法
【专利说明】流式细胞仪系统的光束成形光学器件及其相关方法
[0001]交叉引用
[0002]本申请主张2013年3月14日申请的美国临时专利申请号为61/785，922的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。
[0003]概述
[0004]在本公开的一些方面，提供了流式细胞仪系统。流式细胞仪系统包括:流动池，其用于使液体动态聚焦的核心流流动通过询问区域；和光束成形光学器件，其被定位成接收并操纵第一光束并产生在流动池的询问区域处照射所述核心流的所得光束。光束成形光学器件包括:非柱面透镜，其被定位成接收光并将其聚焦在正交于光传播方向的第一轴方向上；和柱面透镜，其被定位成从非柱面透镜接收光输出，并将来自非柱面透镜的光输出聚焦在正交于第一轴和光传播方向的第二轴方向上。来自光束成形光学器件的所得光束输出具有沿第一轴的平顶形强度分布，和沿第二轴的高斯形强度分布。
[0005]在本公开的一些方面，提供在流动池的询问区域处使光束成形的方法。方法包括:使液体动态聚焦的核心流流动通过流动池中的询问区域；以及利用光束成形光学器件接收并操纵第一光束，以便产生在流动池的询问区域处照射所述核心流的所得光束。利用光束成形光学器件接收并操纵第一光束包括:利用非柱面透镜接收光并将其聚焦在正交于光传播方向的第一轴方向上；以及利用柱面透镜接收并聚焦来自非柱面透镜的光输出。柱面透镜将来自非柱面透镜的光输出聚焦在正交于第一轴和光传播方向的第二轴方向上。来自光束成形光学器件的所得光束输出具有沿第一轴的平顶形强度分布，和沿第二轴的高斯形强度分布。
【附图说明】
[0006]并入本文的附图形成说明书的一部分。附图连同本书面描述一起进一步用来解释所呈现的系统和方法的原理，并且使得相关领域技术人员能够制造和使用所呈现的系统和方法。在附图中，相同参考数字指示相同或功能上类似的元件。
[0007]图1示出根据一个实施方案的流式细胞仪系统；
[0008]图2示出根据一个实施方案的示例性光束成形光学器件和流动池的近距离透视图；
[0009]图3示出用于图2中准直光的示例性强度分布；
[0010]图4示出为穿过图2中非柱面透镜的光产生的示例性强度分布；
[0011]图5示出为穿过图2中非柱面透镜和柱面透镜的光产生的示例性强度分布；
[0012]图6示出根据一个实施方案的由光束成形光学器件101产生的平顶形强度分布；
[0013]图7示出图2中示例性流动池的俯视图；以及
[0014]图8示出根据一个实施方案的用于在图2中的流动池的询问区域处的聚焦光束的强度分布。
【具体实施方式】
[0015]在描述本公开的实施方案之前，应理解，本公开不限于所描述的特定实施方案，因为这些特定实施方案当然可以变化。还应理解，本文所使用的术语只是用于描述特定实施方案的目的，并且不意图是限制性的，因为本公开实施方案的范围将仅受所附权利要求书限制。
[0016]本公开大体上涉及提供均匀强度分布光束的光束成形光学器件。光束成形光学器件可涉及如与血液学仪器或分析结合使用的流式细胞仪。光束成形光学器件也可与多种技术相关，如但不限于:扫描显微术、全息术、光学条形码扫描仪等。
[0017]在本公开的一些方面，提供了利用强度分布提供光束的光束成形光学器件，所述强度分布沿正交于光传播方向的一个轴是高斯形的，而沿正交于高斯形分布的轴和光传播方向的另一个轴是平顶形的。光束成形光学器件包括:非柱面透镜，其被定位成接收光并将其聚焦在正交于光传播方向的第一轴方向上；和柱面透镜，其被定位成从非柱面透镜接收光输出，并将来自非柱面透镜的光输出聚焦在正交于第一轴和光传播方向的第二轴方向上。
[0018]非柱面透镜具有弯曲表面，所述弯曲表面具有不具有恒定半径的曲率。非柱面透镜的曲率的半径会变化。例如，在一个实施方案中，曲率的半径是不恒定的，其中最短的半径在对称轴处并且半径远离对称轴时增加。在一个实施方案中，曲率的半径遵循多项式方程，即偶数阶多项式和二次曲线成分，如，但不限于，偶数阶的第十二阶多项式或更小阶的多项式。例如，多项式方程可由下列方程表示:
[0019]R = ax2+bx4+cx6+dx8+ex10+fx12
[0020]其中R是曲率的半径，而a、b、c、d、e和f是多项式方程的常数。在一个实施方案中，非柱面透镜是平凸非柱面透镜，其在一个侧面上具有平侧面而在相对侧面上具有凸曲率。
[0021]柱面透镜具有弯曲表面，所述弯曲表面具有有不变的恒定半径的曲率。在一个实施方案中，柱面透镜是平凸柱面透镜，其在一个侧面上具有平侧面而在相对侧面上具有凸曲率。柱面透镜被定位成其对称轴正交于非柱面透镜的对称轴。这样，柱面透镜从非柱面透镜接收光束并将其沿轴聚焦，所述轴正交于非柱面透镜的聚焦轴和光的方向。
[0022]虽然实施方案和描述可指“水平的”和“垂直的”轴或强度分布，但应理解，所述术语被用来提供相关轴定向并促进理解。应理解，本公开的基本概念和原理也适用于其它实施方案，其中“垂直的”光束分布是平顶分布，而“水平的”光束分布是高斯曲线-例如，其中核心流水平地流动。
[0023]在本公开的一些方面，提供了流式细胞仪系统。流式细胞仪系统包括:流动池，其用于使液体动态聚焦的核心流流动通过询问区域；和光束成形光学器件，其被定位成接收并操纵第一光束并产生在流动池的询问区域处照射所述核心流的所得光束。所述光束成形光学器件包括:非柱面透镜，其被定位成接收光并将其聚焦在正交于光传播方向的第一轴方向上；和柱面透镜，其被定位成从非柱面透镜接收光输出，并将来自非柱面透镜的光输出聚焦在正交于第一轴和光传播方向的第二轴方向上。来自光束成形光学器件的所得光束输出具有沿第一轴的平顶形强度分布，和沿第二轴的高斯形强度分布。
[0024]平顶形强度分布包括具有一般较平顶部的台阶状形状，所述台阶状形状在较平顶部的每一侧面上都降低至较低的强度值。较平顶部对应于大于较小侧面值的较大强度量值。平顶分布的较平顶部比高斯形分布的对应顶部更平坦(或维持更恒定的量值级别)。平坦程度可由强度分布的顶部变异系数限定。变异系数(CV)可表示为标准偏差除以均值。在不同实施方案中，变异系数可变化。在一个实施方案中，平顶分布的顶部具有小于5%的变异系数。在另一个实施方案中，平顶分布的顶部具有小于3%的变异系数。在又一个实施方案中，平顶分布的顶部具有小于1%的变异系数。具有由小尺寸光束斑点描绘出的均匀强度分布，如平顶强度分布所呈现的，通过在试验中确保各种细胞组分的精确差别为流式细胞仪提供了很多好处。例如，在不浪费激光功率的情况下改进了均值和标准偏差。另夕卜，如在常规方法中使用，可为了相同的激光功率获取更大的散射信号。此外，平顶强度分布维持精确的极化，这可证明对来自细胞的散射光的去极化测量是有益的。此外，如本文描述的非柱面透镜的实施能够更好地控制产生平顶分布。非柱面透镜使整个分布具有宽平的顶部。另外，非柱面透镜使系统更加紧凑，因为两个透镜(例如，非柱面的和柱面的)之间的定位可为较小的。例如，在一个实施方案中，两个透镜之间的距离可在15mm至30mm的范围内。在一个实施方案中，两个透镜之间的距离可在20mm-25mm内，如大约23mm。所述距离是示例性的并且在其它实施方案中可实施其它距离。透镜之间的间距可取决于各种因素，如聚焦点需要多远、斑点尺寸需要多小等。此外，在一个实施方案中，可用平顶范围可为大约0.5mm。应了解，这只是示例性的并且不应解释为限制性的，并且在其它实施方案中可实施其它尺寸的可用平顶范围。
[0025]在一个实施方案中，流式细胞仪系统可包括给光束成形光学器件提供光的光源。例如，光源可包括激光，所述激光耦合至光纤来产生指向定位在光源与流动池之间的光束成形光学器件的激光束。光束成形光学器件可包括，例如准直透镜，所述准直透镜在光被非柱面和柱面透镜操纵之前准直所述光。在一些情况下，准直透镜是非球面准直透镜。
[0026]流动池被定位使得来自光束成形光学器件的光指向流动池中的询问区域。流动池包括核心流，所述核心流流动通过流动池的询问区域，并且在它穿过所述询问区域时被所得的