專利名稱：光學檢驗流體特別是血液分析用的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣流或液流中粒子的光學檢驗，更具體地說涉及粒子計數(shù)器所用光束的形成，特別是當用在流通量血細胞計數(shù)、血液學和醫(yī)學診斷中。
某些現(xiàn)行的裝置能夠按照粒子所屬的族，并且在某些情況下，能夠按照它們所屬族的亞類自動區(qū)分流體中的粒子。這種區(qū)分需要使用多個各能進行部分所需分析的不同裝置，或者使用一個設有多個順序排列的分析區(qū)(或室)的裝置。
在本申請人擁有的法國專利8914120號中，曾描述過一種能夠部分進行這種分析的裝置。它包括一個具有流體約束通道的測量空間(或罐)、適宜用來收集發(fā)自光源的光并按所選的幾何和光譜特征將所說收集的光送到約束通道水平上的上游光學裝置、以及第一傳感器裝置，該裝置適宜用來將信號(“第一信號”)發(fā)送給一個分析單元，而該信號代表具有所選幾何和光譜特征的光所傳輸并在通過約束通道后被第一下游光學裝置收集的數(shù)據(jù)(“第一數(shù)據(jù)”)。
“光譜特征”應理解為來自光源的光或在約束通道的水平上與流體相互作用后所得的光的強度和波長，而“幾何特征”應理解為相關傳感器的被照射區(qū)或測量區(qū)的一般形狀和集成電路元件的布局。
另外，“光學裝置”應理解為在約束通道的上游或下游用來收集光的光學系統(tǒng)(例如顯微鏡物鏡)，而“傳感器裝置”應理解為二極管、光電倍增器或其他類似傳感器型式的電子檢測元件。
這種測量操作的難點之一在于，在照射下通過約束通道而被檢驗的流體的粒子必須在相同的時間間隔內接受相同的光強。換言之，在約束通道所限定的整個表面上光的分布必須是均勻的。這樣，從光源發(fā)出并用來照射所說約束通道的光束就必需預先成形。
另外，由于在流體和來自光源的光相互作用后所得光的幾何和光譜特征的需要，經(jīng)常需要采用為數(shù)眾多且龐大的光學裝置。
總之，現(xiàn)行裝置具有一系列缺點，例如龐大、復雜、具有能使測量操作結果失效的較大的不確定性，以及不能細分一個給定族中的亞類。這些缺點在以后還要詳細述及。
因此本發(fā)明的一個目的是要獲得一種屬于原先所述型式、用來對流體中的粒子進行光學檢驗的裝置，該裝置克服了現(xiàn)有技術裝置所有的那些缺點，特別是在輸出、龐大性、復雜性和費用方面。
按照本發(fā)明，在上游光學裝置和第一下游光學裝置中至少應有一個裝置具有至少一個第一衍射光學元件，該元件按照其相對于約束通道的位置，用來對發(fā)自光源的光束，或流體和源光相互作用后所得到的光進行幾何及/或光譜的成形。
該元件具有至少一個與它所收集的光相互作用的表面，并有一個第一預定的三維圖案，該圖案適宜用來在它所收集的光和它所發(fā)出的光之間進行預定的相互作用而把這兩種光各自的特征考慮進去。
“衍射光學元件”應理解為一個元件，其中至少一個面有一圖案由此產(chǎn)生一個結構能夠按照衍射光學的定律，使具有己知特征的光源所發(fā)射的光子以相長的方式進行干涉。
這樣，成形就會對用來使流體和源光相互作用的空間上游的光束及/或所說空間下游的光束產(chǎn)生影響。
按照本發(fā)明的一個方面，需選擇幾何和光譜特征，以便對約束通道進行照射，包括以所選的波長，在一具有給定幾何形狀、基本上為平面封閉的表面上進行均勻的照射。
曾經(jīng)觀察到，在現(xiàn)有技術中，如將用來使光源發(fā)出的光成形的光學裝置至少部分取消掉，代之以單一的衍射元件，由于該元件具有極小的體積，并可特定地適應于光源及所要分析流體在被照射時所需幾何和光譜特征，裝置的體積可大為減小，特別是測量操作的精確度和分辨力可十分顯著地得到改進。
沒有一種體積小而費用適度的、傳統(tǒng)的幾何光學系統(tǒng)能夠得到實現(xiàn)這些特征的照射。
同樣，沒有一種體積小而費用適度的、傳統(tǒng)的幾何光學系統(tǒng)能夠如此高效地收集從流體和源光的相互作用中發(fā)出的光，同時還能對這收集的光進行幾何的及/或光譜的濾波。
按照本發(fā)明的另一個特征，光源為基本上輻射單色光的光源，其輻射波長可選擇為使擇它能在通過約束通道的流體中至少部分引發(fā)熒光。另外，設有第二傳感器裝置以便用來收集至少部分由流體發(fā)出的熒光，并將這個收集來的熒光所傳輸數(shù)據(jù)(第二數(shù)據(jù))的代表信號(第二信號)發(fā)送給分析單元。
要檢驗的流體事先用合適的細胞化學方法進行處理，該方法是用熒光染料將流體中所含粒子的某些亞類進行特定的著色。
把屬于現(xiàn)有技術的燈式光源用單色光源例如激光二極管替代，便可使本裝置適應所要分析的流體，從而使所說光源發(fā)射的波長能使著色的亞類發(fā)出熒光。
按照本發(fā)明，可以設想本發(fā)明的實施例的多種形式。第一種形式是在約束通道的上游采用單一的衍射光學元件以便使源光成形，從流體和源光的相互作用發(fā)出的光是以傳統(tǒng)的方式用折射的光學裝置來收集的。第二種形式只是用一個或多個衍射光學元件來收集從流體和源光的相互作用發(fā)出的光，源光的成形是以傳統(tǒng)的方式用折射的光學裝置來進行的。第三種形式是用在約束通道上游的衍射光學元件來使源光成形，并用一個或多個衍射光學元件來收集從流體和源光的相互作用發(fā)出的光。
在第一種形式的實施例中，衍射光學元件設在約束通道的上游并被設計成可與特定光源一起工作，這時單色光源和衍射光學元件的合作可顯著提高照射的質量，這可從所照射表面的限定看到，尤其值得一提的是照射強度在所說表面整個面積上分布的均勻性。
在第二種形式的實施例中，本裝置可與多種不同的無損分析技術結合起來，特別是那些涉及熒光分析、用透射分析及以不同角度進行衍射分析的技術，可用比現(xiàn)有技術裝置更為縮小的體積來進行。另外，這些分析可以用單一的試樣同時進行。
還可能設想把輸入光束中所含各種波長分離開來，以便形成多個不在同一直線上的單色光束，并將每一光束聚焦在一預定的、具有特定幾何形狀的給定地點上。但光譜的及/或幾何的濾波還可同時進行。
在第三種形式的實施例中，有可能在今后免除所有或其中幾個顯微鏡物鏡或聚光鏡式的傳統(tǒng)光學元件。
如果第一和第二三維圖案為以源光波長及/或熒光波長蝕刻在透明基片上的第一和第二衍射網(wǎng)絡圖，這將是非常有利的。
可以設想用經(jīng)典的全息攝影術把干涉條紋凝聚在感光乳膠上而形成衍射網(wǎng)絡圖。但這種網(wǎng)絡圖并不總是具有所需的暫時穩(wěn)定性，因此其工業(yè)制造比蝕刻衍射網(wǎng)絡圖更為困難。
這種蝕刻的衍射網(wǎng)絡圖可用微細平板印刷術例如用電子束或激光燒蝕來生產(chǎn)。基片可根據(jù)發(fā)射波長和熒光波長來選擇使它盡可能是不吸收的，這樣就使它有可能提高衍射光學元件的衍射效率。
按照本發(fā)明的另一個方面，第一和第二衍射網(wǎng)絡圖為具有凸紋調制的數(shù)字式網(wǎng)絡圖，所說調制代表一個預先確定的函數(shù)，該函數(shù)能對光源發(fā)出的光和在通過約束通道后得到的光的相位及/或波幅分別起到相干的衍射作用。
每一個函數(shù)都是借助于計算機確定的，其時考慮到被收集的光(光源、或透射光束和熒光)和被照射的表面(流體、一個或多個檢測器的檢測表面)的特征，然后數(shù)字地把它們轉化為形成衍射網(wǎng)絡圖的基本元素。每一元素都有一個給定的位置和一給定的高度，這說明稱為“具有凸紋調制的衍射網(wǎng)絡圖”是恰當?shù)摹?br> 按照本發(fā)明的另一特征，每一衍射網(wǎng)絡圖具有至少為兩級電平的凸紋調制，而十六級電平是比較好的。
由于調制是用數(shù)字方式進行的，每一元素的高度都以二進位的方式編碼。因此可能將一個電平與各高度結合起來。調制的電平數(shù)隨2的冪而變。原則上這個數(shù)只能具有下列數(shù)值2、4、8、16……。
每一網(wǎng)絡圖的衍射效率將取決于在所計算的衍射函數(shù)和所蝕刻的三維圖案之間相似性的程度。這個相似性的程度又取決于接續(xù)電平之間的級距，或者換句話說，取決于限定衍射函數(shù)最大幅度的電平的數(shù)目。
電平數(shù)越高，衍射效率也越高。但是可以指出的是，當函數(shù)的最大強度被轉化為16級電平時，上述效率迅速地增加到約為95％，然后它十分緩慢地趨向相應于100％效率的一條漸近線。但具有凸紋調制的網(wǎng)絡圖的制造費用是以基本上為指數(shù)的方式隨著電平數(shù)而增加的。因此，在超過16級電平而進行調制時會帶來十分高的添加費用而在效率上只能有十分小的獲得。
衍射光學元件可屬于所謂“Fourier”式或屬于所謂“Fresnel”式。當然，一個元件可以是Fresnel式的，而另一個元件可以是Fourier式的，反之亦然。
“Fourier光學系統(tǒng)”應當理解為一個發(fā)出一條波束的元件，其+1和-1階均為實的，可以有兩個變型。第一變型即所謂“居中”變型(或者在英語中為“在軸線”變型)，其中+1和-1兩階疊合在元件的光學軸線上。第二變型即所謂“非居中”變型(或者在英語中為“離軸線”變型)，其中+1和-1兩階對稱地分布在元件光學軸線的兩側，沒有疊合。當然，第二變型有可能得到一個更為適合的形式，因為在選擇兩個離軸線階+1或-1中的一個時，可從余下的中心階0得到自由度，但衍射輸出要除以2因為每一階所提供的能量不再相加。這種元件將物體的圖象發(fā)放到遙遠的區(qū)域，那就是說物體的圖象在無窮遠處是清晰的。
“Fresnel光學系統(tǒng)”應當理解為一個發(fā)出一條波束的元件，其中+1階是實的而-1階是虛的，只可以有一個可能性。這種光學系統(tǒng)因此相當于傳統(tǒng)幾何光學中的一個透鏡。這種元件將物體的圖象發(fā)放到鄰近的區(qū)域。
專門用來使約束通道上游的光束成形的衍射光學元件最好包括一個具有Fresnel式衍射圖案的單一表面和十六級電平。
這個方案通常是較好的，因為如上所述，F(xiàn)resnel光學系統(tǒng)能將物體的圖象發(fā)放到鄰近的區(qū)域。因此，衍射元件本身就能在將投入光束內含能量均勻分布的同時，將這個能量聚焦到一個給定的地點上，例如物鏡的前透鏡上，或者直接送到約束通道的水平上，而不需象使用Fourier光學系統(tǒng)時必需在中間插入一聚焦透鏡，因此有可能使它繼續(xù)少量地減少檢驗裝置的體積。
同樣較好的是，專門用來使約束通道下游的光成形的衍射光學元件應包括一個具有Fourier式衍射圖案的單一表面和十六級電平。
這個方案通常也是較好的，因為如上所述，F(xiàn)ourier光學系統(tǒng)能將物體的圖象發(fā)放到遙遠的區(qū)域，并且能夠在居中的形式上發(fā)揮其功能，這樣就有可能將透射光束及/或熒光的清晰圖象發(fā)送到一個比較遙遠的檢測表面上，而不必求助于其他光學元件，從而損失掉的光信號可達到極小。
下面結合附圖用實例來進行說明，其中

圖1為示出按照本發(fā)明第一實施形式的裝置的示意圖；圖2為在圖1的裝置中校準的分析光束和流體的相互作用區(qū)域的中心部的放大圖；圖3A和3B分別示出用來在2級電平(A)和16級電平(B)上進行調制的衍射光學元件的零件的橫向截面的視圖；圖4為一具有兩級相位電平的Fresnel式衍射網(wǎng)絡圖的例子；圖5為示出按照本發(fā)明第二實施形式的裝置的示意圖；圖6為一具有兩級相位電平的Fourier式衍射網(wǎng)絡圖的例子；圖7為示出圖5中裝置的一個部分的和簡化的變型的示意圖；圖8為示出按照本發(fā)明的第三實施形式的裝置的示意圖。
附圖中含有眾多別具一格的元件，這里不能一一介紹。它們形成本說明的一個完整部分，可能有助于了解本發(fā)明。
為了說明按照本發(fā)明的裝置的第一實施形式，首先請參閱圖1和2。
本裝置包括一個耗電極少的單色光源，其發(fā)射波長經(jīng)過選擇使它能在光譜波段內激發(fā)一種熒光染料，而該染料是選用來使所要分析的流體的某些亞類粒子染色的。這個光源最好是激光二極管，但也可是激光器，更一般地說，只要該光源的波長和發(fā)射功率能使要分析的著色亞類粒子發(fā)生熒光即可。
激光二極管31發(fā)出一條橫截面基本上為橢圓形的光束F1，其能量在衍射光學元件32的方向上作Gauss分布，這一點后面還要述及。元件32有一與作用二極管相對的前表面33，它作用在所說激光二極管31發(fā)出的光束F1上，使它選擇在測量空間8內約束通道15的水平上的幾何和光譜特征，測量空間在本例中為一罐。經(jīng)過衍射光學元件32處理的光束用FC表示。
幾何特征對光束FC的形狀及其在約束通道15內的尺寸有影響，該尺寸必須基本上等于通量的橫向尺寸。在所說明的例子中，光束為長方形，其尺寸例如為100μm×30μm。當然，在其他用途中，或者測量空間并非一罐時，光束FC在約束通道上的形狀可以不是長方形。尺寸也是這樣。幾乎所有各種形狀的光束都可出現(xiàn)，因為衍射元件是根據(jù)光源的特征和光束在測量空間8內的約束通道15的水平上必須具有的特征來生產(chǎn)的。
另外，光譜特征對在約束通道水平上的能量分布有影響，在上述整個長方形上，該分布必須在實際上是均勻的(最好偏差低于5％)，并對光源所直接保證的光束的單色性有影響。
在所示的實施形式中，衍射元件32實際發(fā)出的光束FC具有均勻的和長方形的能量分布，但具有的尺寸卻大于上面所說的，在第一顯微鏡物鏡6(×20)的前透鏡的水平上，長方形光束的尺寸被減小到等于在約束通道15的水平上所需的尺寸(在本例中為100μm×30μm)。因此為了在測量室16的水平上發(fā)出光束FC，在衍射元件和第一物鏡6之間有合作關系。但顯然也可不要這種合作關系，而將衍射元件設計為其所發(fā)出的光束在罐8內約束通道15的水平上直接具有所選的特征。
另外，在所示例子中，從二極管31發(fā)出的光束31取向為垂直于分析的光軸。因此，為了到達第一物鏡6，光束F1要在分析的光軸上居中設置的二向片34上經(jīng)過90°的反射。
越過第一物鏡后，光束FC通過測量罐8內的約束通道15，在那里與流體相互作用而轉變成為透射光束FT，然后進入一個與第一物鏡8完全相同的第二顯微鏡物鏡18(×20)，該物鏡使光束成形并將它引向分離器塊19，該塊將它反射使它垂直地投射到一個收集的光二極管20上。該光二極管所在位置離開約束通道15的距離等于衍射元件32與同一約束通道隔開的距離。這樣，在光二極管20水平上的透射光束FT的尺寸基本上等于光束通過衍射元件出來時的尺寸。第二物鏡18、分離器塊19和光二極管20構成第一光電子裝置。
光二極管測量透射光束FT的強度，該光束在與流體相互作用時多少被流體內不同亞類的粒子吸收。這種使我們有可能在不同亞類的粒子間作出區(qū)分的吸收量上的波動不僅是由于它們不同的體積，而且還由于它們內在的特性。測量結果被轉變成信號而送到一個分析單元24上。在那里，如果需要，還可以與從另一個目的在于對亞類粒子計數(shù)的通道23發(fā)出的其他信號聯(lián)系起來。這種使我們有可能用電阻和用透射來測量的最新技術和其他技術是本行業(yè)的行家所通曉的并曾在上述法國專利中詳細地述及。
還有可能提供一個通道以便用來調節(jié)物鏡使它基本上處在透射光束FT的軸線上。包括設置一個聚焦屏幕21以便使我們有可能將在約束通道15水平上的光束FC和流體的疊加圖象形成在其上。還設有一個插置在聚焦屏幕21和分離器塊19之間的發(fā)散透鏡，目的是要放大上述疊加的圖象。
該裝置還建議包括第二光電子裝置(光學裝置和傳感器)以便用來收集在罐中的其他數(shù)據(jù)。
事實上，激光二極管31的發(fā)射波長的選定是為了要在某些亞類粒子中引起熒光，這些粒子含在要分析的流體中并在事先用一適當?shù)臒晒馊玖现?。當受到給定的投入光的輻射時，包含在著色粒子中的染料便吸收這個輻射，并且實際上在一瞬間(10-8秒)以各向同性的方式重新發(fā)射一個波長比入射輻射大的輻射。這種再發(fā)射叫做“熒光”。因此有可能回收部分熒光，既可在與分析的光軸成90°的方向上，也可在平行于所說軸線的方向上(表熒光)。圖1中的裝置示出在0℃上測量表熒光的情況(熒光是在本行于光軸而與從二極管31發(fā)射的光束F1相反的方向上檢取的)。
被收集的熒光通過第一物鏡6，然后通過二向片34，并被引向一個干涉濾波器35，該濾波器只選擇發(fā)熒光粒子的熒光波長，從而可以摒棄所有其他雜散波長，例如由激光二極管發(fā)出的。接著一旦被過濾，熒光就被一個與分析單元24連通的光電倍增管36收集起來。通過給定的時間間隔，由倍增管36測出的強度就被與其他由透射和由電阻測出的結果聯(lián)系起來，這樣便可能從中推算出關于某些亞類粒子的數(shù)據(jù)，特別是關于它們各自的數(shù)目。
顯然，光電倍增管及與衍射元件耦合的激光二極管各自的位置是可以完全倒換過來的。同樣，按照本發(fā)明生產(chǎn)的裝置可使與衍射元件耦合的激光二極管適宜地平行于分析的光軸，并將用來收集熒光的第二光電子裝置(光電倍增管和干涉濾波器)定位在測量空間8的對面以便在與分析的光學軸線成90°的方向上收集熒光。
衍射光學元件32(見圖3A、3B和4)在其與激光二極管31相對的前面33上有一三維的圖案，該圖案是由基本上為正方形并具有可變高度的基本元件37并列組成的。這種并列形成一個具有凸紋調制的衍射網(wǎng)絡圖38。每一基本元件的高度是由一個函數(shù)的數(shù)字化而得到的，該函數(shù)能對光源發(fā)射的光的相位及/或波幅進行相干的衍射。
衍射函數(shù)的計算可由研究機構如設在Strasbourg的國立物理學院的光子系統(tǒng)實驗室來進行。該機構同樣將這函數(shù)數(shù)字化，使它能引導機械的運行，而該機械被設計用來產(chǎn)生相應于所說函數(shù)的衍射圖案。
計算是借助于光學系統(tǒng)計算機輔助設計的軟件包來進行的。當激光二極管31發(fā)出的光束F1的波特征以及光束在物鏡前透鏡的水平上所必須具有波特征都已知道時，有可能將衍射光學元件32比作一個轉移矩陣，并用一個能解Maxwell方程的反復迭代的算法來計算一個能將二極管發(fā)出的光束轉換為分析光束的衍射函數(shù)。雖然這種算法要反復迭代，但為了確定衍射函數(shù)，連續(xù)進行逼近也許是必需的。
有多個算法可用于這種計算，例如以下列名稱而著稱的算法“模擬的退火算法”、“在鄰近區(qū)域內的Gerehberg-Saxton算法”、“用于復雜誤差擴散的算法”或“以Darwin的進化論為根據(jù)的遣傳學算法”。這些算法還考慮到在其中生產(chǎn)出衍射元件的基片的特征、用來在這元件上制造出衍射網(wǎng)絡圖的技術以及所說網(wǎng)絡圖的型式(Fourier式或Fresnel式)。Fresnel式網(wǎng)絡圖是較好的，因為能在鄰近的區(qū)域內提供圖象，不需采用發(fā)散透鏡。
一旦衍射函數(shù)被計算出來，必須加以數(shù)化，使它能轉變成為一個代表形成衍射網(wǎng)絡圖的數(shù)字圖案的計算機文件。這種文件的形式通常為1024×1024元素的矩陣，每一元素都編碼成為圖案的一部分。
為了該目的，將一個二進制的值(或一個電平)與函數(shù)在一給定點上的值結合起來。編碼是二進制的，因此其精確度取決于兩個連續(xù)值之間存在的級距。為了得到非常小的級距，必須使函數(shù)的最大幅度與最大可能的電平數(shù)適應。
為了物質上的原因，這里不可能詳盡地描述，例如Fresnel式的、具有兩級相位電平的、在1024×1024點陣上的衍射網(wǎng)絡圖。但在沒有這種描述的情況下，在圖4中仍然示出一個從這種衍射網(wǎng)絡圖的例子中選出的具有兩級電平(黑和白)的圖象。
如同在前言中說明過的，超過16級電平時，光學元件的衍射輸出上升非常緩慢，而制造費用卻增加得非?？臁Ｒ虼?，一個具有16級電平、能夠給出大約95％衍射輸出的衍射光學元件已經(jīng)足夠使用了，它可使我們有可能得到一個具有一致性而變化在5％以內的分析光束。
在圖3A和3B中可以看到通過衍射元件32的橫向截面，其中其衍射網(wǎng)絡圖的基本元件37分別具有2級電平(A)或16級電平(B)。
由于衍射元件32的作用是受衍射定律管制的，每一基本元件37的尺寸應基本上等于或小于二極管31的發(fā)射波長。因此，為了生產(chǎn)這些基本元件，有必要采用一種分辨率約為10納米(1納米＝10-9m)數(shù)量級的技術。當前，最佳的技術為微細平板印刷術，更具體點說，為采用具有“雙態(tài)灰度級”的鉻掩模的微細平板印刷術。
鉻掩模以雙態(tài)編碼的方式被制成灰度級，其情況正象激光式打印機所制成的灰度陰影那樣。掩模被沉積在一層保護膜之上，而該保護膜本身則被沉積在一基片上。當掩模被紫外光照射時，紫外光就會在所說掩模的不同電平的作用下用變化的照射劑量印刷在保護膜上。含有待轉移的凸紋圖象的保護膜然后被顯影，顯示出所說凸紋。在顯影保護膜上的凸紋然后用可供選擇的離子作用的加工(在英語中用縮寫詞RIBE更為人知曉)轉移到基片上。
每一基片元件37就這樣蝕刻在基片上，該基片對激光二極管31的發(fā)射波長是透明的。這種基片是以石英材料制出的或稱為BK7型基片。
當然，還可提供多種其他型式的基片。同樣，制造方法也不僅限于上面所說的一種。任何其他的方法只要能生產(chǎn)出上述型式的衍射網(wǎng)絡圖都可設想。因此有可能采用一種壓紋技術，如同在聲頻壓縮磁盤領域中的情況那樣。
為了說明本發(fā)明的一種較好的實施形式，現(xiàn)在請參閱圖5，這種形式包括圖1中裝置的所有元件，只是顯微鏡物鏡18已被一第二衍射光學元件42替代，該元件在其輸入面43上接受從罐8中發(fā)出的透射光束FT，并將它轉變成為一個處理過的透射光束FTT和一個處理過的衍射光束FDT。
因此該裝置包括有裝在罐8和第二衍射光學元件42下游的第一光電子裝置19，為的是要利用處理過的透射光束FTT進行透射分析，還有用來進行熒光分析的第二光電子裝置34-36，所說第二裝置同樣裝在約束通道15的上游，為的是要收集表熒光。
在這種實施形式中，在約束通道15和第二衍射光學元件42的下游還設有第三光電子裝置，為的是要在處理過的衍射光束FDT上以不同的角度進行衍射分析。這種本行業(yè)的行家熟知的分析技術使我們有可能獲得有關表面狀態(tài)、形態(tài)(形狀)和某些粒子含量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為衍射角度的函數(shù)，是由來自光源的部分光束F1及與流體相互作用而發(fā)出的衍射光束FD展示出來的。
這種第三光電子裝置包括一個檢測器40，使我們有可能將代表處理過的衍射光束FDT所傳輸數(shù)據(jù)的模擬信號(也可用數(shù)字信號)發(fā)送給與該檢測器連通的分析單元24。該檢測器40則含有例如一個或多個微通道晶片或多個微型光電管，這樣就有可能精確地檢出到達的衍射光子的平面座標。
在接受檢測器40所發(fā)出的信號時，處理單元24就從其中精確地推算出衍射角度。這個信號可與來自其他分析通道(20、36、23)的其他信號聯(lián)系起來，以便從中推算出引起所說衍射的亞類粒子的數(shù)據(jù)。
為了說明第二衍射光學元件，現(xiàn)在請參閱圖3A、3B和6。該元件可用與第一衍射光學元件相同的方式生產(chǎn)，例如用蝕刻。只是其三維衍射圖案，從而其具有凸紋調制的衍射網(wǎng)絡圖38與第一元件完全不同。由此，這些不同部分雖然與第一元件一樣都以相同的參考材料為依據(jù)，但信息量卻增大到10倍。
盡管如此，在一與后者不同的實施形式中，其中熒光是在罐的下游以0°檢取的，這時其基片也許同樣不會與第一元件完全相同，因為該基片不僅在光源所發(fā)光的波長上，而且在熒光的波長上都必須是透明的。
其三維圖案是由基本上為方形并具有可變高度的基本元件47并列組成的，所說并列形成具有凸紋調制的衍射網(wǎng)絡圖48，而該衍射圖被蝕刻在與約束通道15相對的前面43上。
三維圖案的計算也是借助于光學系統(tǒng)計算機輔助設計用的軟件進行的。光學元件可比作分別從罐8中發(fā)出的透射光束FT和衍射光束FD所構成的兩個輸入及由透射分析通道和衍射分析通道所構成的兩個輸出之間的轉移函數(shù)。在實際運用時，該轉移函數(shù)必須能起聚焦作用而不能漏失數(shù)據(jù)，既不能漏失在光二極管20的檢測表面上的有關透射光束的數(shù)據(jù)，也不能漏失在檢測器40的檢測表面上的有關衍射光束的數(shù)據(jù)，其時在所說檢測器40上的檢測元件對應于罐8輸出處的一個給定的衍射角度。
這種計算的參數(shù)因此為在輸入方面，包括源光的波長(或頻率)、透射光束FT的幾何形狀和衍射光束FD的幾何形狀；而在輸出方面，包括在二極管20的檢測表面的電平上的處理過的透射光束的幾何形狀和在檢測器40的檢測表面的電平上的透射的衍射光束FDT的幾何形狀。
當然，如果第二衍射光學元件也要用來處理熒光，那么其轉移函數(shù)也應考慮進去，在輸入方面，要知道熒光的波長及其幾何分布；而在輸出方面，要知道在干涉濾波器35的電平上透射的熒光光束的幾何形狀。
對這個第二衍射光學元件42來說，F(xiàn)ourier網(wǎng)絡圖是比較好的，因為一方面，當它處在居中的形式時，有可能最大程度地限制數(shù)據(jù)的漏失；而在另一方面，由于圖象被提供在遙遠的區(qū)域，因此有可能直接將光束聚焦在遙遠的檢測器上而可不需聚光透鏡。當然，也可設想蝕刻Fresnel同絡圖，但那樣就必需把第二元件耦合到一個聚光透鏡上。
第二網(wǎng)絡圖的凸紋調制最好用具有16級電平的形式，這樣就有可能得到大約95％的衍射輸出。當例如衍射的光子數(shù)目很少時，這樣的輸出是必不可少的。
為了物質上的原因，這里不可能詳盡地描述，例如Fourier式的、具有兩級相位電平的、在1024×1024點陣上的衍射網(wǎng)絡圖。但在沒有這種描述的情況下，在圖6中仍然示出一個從這種衍射網(wǎng)絡圖中選出的具有兩級電平(黑和白)的圖象。
雖然本發(fā)明是結合一個血液分析用的裝置進行說明的，但它也可用于其他類似的用途，不管是帶熒光的或不帶的，只要符合下面所述權利要求的范圍即可。
例如在圖7中部分示出的這樣一種裝置，它是圖5所示裝置的一種簡化的變型。在這變型中，再一次用到圖5中說明的那些元件，只是少了那些構成用來收集熒光的通道的元件(34-36)、對焦的物鏡和用來收集衍射光的檢測器40。
衍射元件42將處在約束通道15的水平上的光的圖象聚焦到鄰近區(qū)域的光電檢測器20的檢測面上。為了做到這一點，衍射元件42在其收集面43上設有Fresnel式的衍射圖案。另外，由于取消了用來收集熒光的通道，光源(二極管)便可裝在分析通道的軸線上。
兩個衍射元件32和42都可膠合在罐8的壁上。在這種情況下，較好的做法是，衍射元件32的衍射圖案也應采用Fresnel式。這樣，便可制出一種體積極小、構造特別簡單和費用較低的裝置。
另外，在己說明的實施形式中，本裝置或者包括一個單一的衍射光學元件以便用來使源光成形，或者除了一個這樣的衍射光學元件以外，還包括一個衍射光學元件以便用來收集流體和源光相互作用所發(fā)出的光。但其他實施形式當然也可設想，例如在一種形式中可以只采用一個(或多個)衍射光學元件，目的只是為了收集流體和源光相互作用所發(fā)出的光。
這種實施形式在圖8中示出。其中再一次采用圖5中示出的各種元件，只是衍射光學元件32沒有被采用，它被一個用來校準光源所發(fā)出光束的組合件50和一個最好具有長方形截面的膜片51所替代。
光源31例如為一激光二極管，它所發(fā)出的光束F1具有一個橢圓形的發(fā)散的截面和Gauss式的分布。膜片51選用Gauss分布的中心部分為的是保證在約束通道15水平上發(fā)出的光能有一均勻的分布。
因此這種裝置可將用來使光束成形的折射式的光學系統(tǒng)與用來收集流體和源光相互作用所發(fā)出的光的衍射式的光學系統(tǒng)結合起來。
還可以設想其他實施形式，例如在一種形式中，采用一個衍射光學元件以便用來使源光成形，還采用多個衍射光學元件，目的是為了收集流體和源光相互作用所發(fā)出的光。
當需要，特別是要將具有不同波長的光束分離開來時便可用這種實施形式。為了達到這個目的，可將分別用來處理一個給定波長的各個不同的衍射元件平行地放置在一個分散網(wǎng)絡或一個分散棱柱的出口處，而該棱柱本身被放置在測量空間(可以是一個實際上封閉的空腔如同例中所述，也可以是一開放區(qū)帶)的出口處。每一衍射光學元件都有一獨特的三維圖案，因此能夠保證相關光的波長及/或幾何分布的過濾，然后將這樣過濾的光發(fā)送到相關的傳感器裝置上，所說傳感器裝置是按照所選出的幾何和光譜特征來起作用的。
本發(fā)明一般可用于氣流或液流中粒子光學檢驗的裝置，特別是用在通量血細胞計數(shù)、血液學和醫(yī)學診斷諸領域。
權利要求
1.一種用于流體光學檢驗的裝置，它包括一個具有流體約束通道(15)的測量空間(8)；一個光源(31)；上游光學裝置(6、32、34)，該裝置適宜用來收集從光源(31)發(fā)出的光(F1)并能將所收集的光(F1)在約束通道(15)的水平上以具有選定的幾何和光譜特征的上游發(fā)送光(FC)的形式發(fā)送出去；第一傳感器裝置(20)，該裝置適宜用來將代表收集光(FT)所傳輸?shù)牡谝粩?shù)據(jù)的第一信號發(fā)送到分析單元(24)上；第一下游光學裝置(18、19、42)，該裝置適宜用來將通過約束通道(15)后得到的光(FT)至少部分收集起來并將所說收集的光(FT)以具有選定的幾何和光譜特征的下游發(fā)送光(FTT、FTD)的形式發(fā)送出去，其中，在上游光學裝置(32)和第一下游光學裝置(42)中至少應有一個裝置具有至少一個第一衍射光學元件(32、42)，其中至少有一個與所收集的光相互作用的表面(33、43)具有一個第一預定的三維圖案，該圖案適宜用來在所收集的光(F1、FT)和所發(fā)出的光(FC、FTT、FD)之間進行一個預定的相互作用而把這兩種光各自的特征考慮進去。
2.按照權利要求1的裝置，其特征為，光源(31)為基本上輻射單色光的光源，其發(fā)射波長被選定為使它能在通過約束通道(15)的流體中至少部分引發(fā)熒光。
3.按照權利要求2的裝置，其特征為，還包括用來將第二信號發(fā)送給分析單元(24)的第二傳感器裝置(36)，該信號代表著流體在與光(FC)相互作用時在約束通道(15)的水平上發(fā)出的熒光所傳輸?shù)牡诙?shù)據(jù)。
4.按照權利要求1至3中任一項的裝置，其特征為，還包括用來將第三信號發(fā)送給分析單元(24)的第三傳感器裝置(40)，該信號代表著流體在和光(FC)相互作用時在約束通道的水平上衍射的光(FTD)所傳輸?shù)牡谌龜?shù)據(jù)。
5.按照權利要求1至4中任一項的裝置，其特征為，上游光學裝置包括第一衍射光學元件(32)，其中至少有一個與光源發(fā)出的光(F1)相互作用的表面(33)具有第一三維圖案，該圖案是作為光源的特征和FC照射約束通道(15)時所需選定特征的函數(shù)而預先確定的。
6.按照權利要求4或5的裝置，其特征為，第一下游光學裝置包括至少一個第二衍射光學元件(42)，其中至少有一個與通過約束通道(15)后得到的光(FT)相互作用的表面(43)具有第二三維圖案，該圖案是作為第一(20)和第三(40)傳感器裝置中至少一個裝置的頻率和幾何轉移函數(shù)而預先確定的。
7.按照權利要求5或6的裝置，其特征為，第一和第二三維圖案分別為蝕刻在對光源的發(fā)射波長及/或熒光波長透明的基片(39、49)上的第一(38)和第二(48)衍射網(wǎng)絡圖。
8.按照權利要求1至4中任一項的裝置，其特征為，下游光學裝置包括第一衍射光學元件(42)，其中至少有一個與光源發(fā)出光(F1)相互作用的表面(43)具有第一三維圖案，該圖案是作為第一(20)和第三(40)傳感器裝置中至少一個裝置的頻率和幾何轉移函數(shù)而預先確定的。
9.按照權利要求8的裝置，其特征為，第一三維圖案為蝕刻在對光源發(fā)射波長和熒光波長透明的基片(49)上的第一衍射網(wǎng)絡圖。
10.按照權利要求7至9中任一項的裝置，其特征為，第一和第二衍射網(wǎng)絡圖(38、48)為數(shù)字式并具有凸紋調制，所說調制代表一個預定的函數(shù)，它能分別對光源(31)發(fā)出的光(F1)和通過約束通道(15)后得到的光(FT)的相位及/或波幅進行相干的衍射。
11.按照權利要求10的裝置，其特征為，第一和第二衍射網(wǎng)絡圖都各具有至少為兩級電平并且最好為十六級電平的凸紋調制。
12.按照權利要求1至11中任一項的裝置，其特征為，所選的幾何和光譜特征應為照射約束通道(15)所需要，包括以所選的波長在一具有給定幾何形狀、基本上為平面而封閉的表面上進行均勻的照射。
13.按照權利要求12的裝置，其特征為，被照射的表面為一長方形。
14.按照權利要求1至13中任一項的裝置，其特征為，第一衍射光學元件(32)屬于所謂“Fresnel”式。
15.按照權利要求6至14中任一項的裝置，其特征為，第二衍射光學元件(42)屬于所謂“Fourier”式。
16.按照權利要求1至13中任一項的裝置，其特征為，第一衍射光學元件(32)屬于所謂“Fourier”式。
17.按照權利要求6至13及16中任一項的裝置，其特征為，第二衍射光學元件(42)屬于所謂“Fresnel”式。
18.按照權利要求5至7中之一和10至14中之一結合的裝置，其特征為，第一衍射光學元件(32)包括一個具有一個“Fresnel”式的衍射圖案和16級電平的單一表面(33)。
19.按照權利要求6或7與10至15中之一結合的權利要求，其特征為，第二衍射光學元件包括一個具有一個“Fourier”式衍射圖案和16級電平的單一表面(43)。
20.按照權利要求6至19中任一項的裝置，其特征為，至少有一個具有預定三維圖案的衍射光學元件適宜用來確保預定波長在空間上的分離。
21.按照權利要求3至20中任一項的裝置，其特征為，至少有一個具有預定三維圖案的衍射光學元件適宜用來確保熒光的波長和幾何分布的過濾，以及用來將具有所選幾何和光譜特征的熒光發(fā)送給第二傳感器裝置(36)。
全文摘要
本裝置包括具有流體約束通道的測量空間、將光束(F1)發(fā)送給光學裝置的單色光源，光學裝置包括具有衍射網(wǎng)絡圖的第一衍射光學元件，該網(wǎng)絡圖作為光源特征及用來照射約束通道所選幾何和光譜特征的函數(shù)而被預先確定并用來從至少部分流體中引發(fā)熒光，還包括分別收集透射光束、熒光和衍射光束的第一、第二和第三光電子裝置，這些裝置用來將有關所說光束內含的信號發(fā)送給分析單元(24)。
文檔編號G01N15/14GK1153300SQ9610788
公開日1997年7月2日 申請日期1996年5月24日 優(yōu)先權日1995年5月24日
發(fā)明者迪迪爾·勒菲弗爾, 貝爾納·克雷斯 申請人:Abx公司