基于共聚焦的基因生物成像系统设计

针对常规基因生物成像系统无法满足快速高分辨率基因成像需求等实际问题,该文设计了一种基于共聚焦的基因生物成像系统。根据基因生物成像的基本原理设计一种基于共聚焦结构、采用落射照明方式的实时荧光生物成像光学结构,通过仿真分析确定光学结构,优化系统参数,采用2路激光作为激发光源搭建试验验测试装置。结果表明,该文设计的基因生物成像系统的分辨率小于或等于10μm/px,最低检出限小于10个荧光分子/μm²,样本检测重复性小于或等于10%,与传统的生物成像系统相比,该系统提高了扫描效率且保证了高分辨率成像,同时更好地实现了光学系统均匀照明的功能。     

硅基液晶投影系统的LED光源照明系统设计

硅基液晶(LCOS)空间光调制器件的特点是反射光成像,要求照明光束发散角小,均匀性好。对此,设计了由抛物型反光碗、复眼透镜、偏振分光棱镜、聚光镜等组成的用于LCOS的照明系统,对抛物反光碗以及复眼透镜各参数的设计原理做了详细分析,具体包括光源出射角度,光源的总体长度,所需均匀照亮的尺寸,抛物反光碗各参数对出射角度的影响,其实现原理主要包括复眼透镜匀光理论。设计要求光源出射角度小于10°,总体长度为220 mm,均匀照明面积为20 mm×20 mm,最后给出聚光透镜组的设计结果,使光线聚焦到LCOS表面,照度值要达到0.35 lx/m2,其不均匀度在15%以内。进一步使用Lighttools软件,对其进行仿真,由照度曲线图和照度栅格图可知,设计结果满足设计要求。     

高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求,设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度,提出了LCOS的光学拼接方法,详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价;为同时满足显示器件的照明条件和-1~7等星的准确模拟,对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法,通过实验测试,动态星模拟器的星间角距误差优于12″,精确模拟-1~7等星,满足当前对高精度星敏感器的检测需要。     

电磁振动式凝血过程动态测试传感器

随着对手术外科、重症监护室(ICU)等科室患者血液凝固情况床旁快速检测(POCT)的需求越来越大,凝血快速检测技术及方法引起学者及商业的广泛关注。采用电磁振动原理,通过动力学建模,建立由弹性支撑和电磁感应器件组成的振动系统微分方程,并进行谐响应分析与振动疲劳耦合分析,优化分析结果并搭建测试装置。利用本装置与凝血试剂配套,建立POCT快速检测血凝的标准曲线,并与进口POCT凝血仪进行方法学比对。结果表明,本研究设计的传感器一阶固有频率为11.368 Hz,其与进口POCT凝血仪测试结果相关性达到0.996,重复性达到0.002。设计的电磁振动式凝血过程动态测试传感器可以满足临床检测精度的要求,本研究可为开发干生化凝血过程动态测试POCT仪器提供核心技术。     

甚高精度星敏感器测试用静态星模拟器设计

为了完成甚高精度星敏感器的地面测试任务,设计高精度静态多星模拟器,实现对星点位置的准确模拟。设计的准直光学系统光谱范围为500~900 nm,在20℃时,系统焦距为150 mm,全视场7.2内畸变小于0.02%,MTF 达到衍射极限。对于-45℃~65℃的工作温度变化,分别使用Zemax 和ANSYS 软件对模拟器光学系统、机械结构进行消热差和有限元分析。分析结果表明:模拟器的光学系统消热良好,机械结构变形及应变很小,其整体抗离焦性能满足设计要求。对模拟器的精度进行理论计算,用徕卡经纬仪测试指定星图,计算结果显示实测的单星位置误差小于3,星对角距误差小于5,均优于对敏感器标定的精度指标要求。     

高精度星敏感器测试设备的设计

针对现有动态星模拟器在高精度星敏感器测试中无法满足星点位置和照度均匀性的高精度模拟等实际问题,设计了一种高精度动态星模拟器。分析了星模拟器光学系统与调整机构的任务需求。为保证星点的投射精度,提出了LCOS 的光学拼接方法,优化设计了大视场、大相对孔径的准直光学系统并进行了像质评价;为满足显示器件照明条件和星点照度均匀性的要求,对照明光学系统进行了仿真设计并给出了照度分布;为减小对接误差提高对模拟器的测试精度,确定了高分辨力五维调整架的机械结构,应用CATIA 软件对调整机构的设计进行了三维建模,理论计算结果显示调整机构位移分辨力为18 nm,角度分辨力为0.05。通过实际检测,微调整机构稳定性好,出射星点照度不均匀性优于10%,模拟星点的单星位置误差小于7,星间角距误差优于12,满足当前对高精度星敏感器测试的技术指标要求。     

标定型星模拟器设计与关键参数测试

为了完成高精度星敏感器关键参数的地面标定,研制单星指向误差优于3″、星间角距误差优于5″的标定型星模拟器。根据标定型星模拟器的工作原理,设计高精度的准直光学系统,从设计结果分析,光学系统有效视场为37°,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.1%,MTF达到衍射极限,可以实现对星点位置的准确模拟。提出单星指向、星间角距等关键参数的误差计算方法并进行测试,实验结果表明:设计的标定型星模拟器的成像精度符合设计指标要求,整个设备可以满足高精度星敏感器地面测试的使用需要。     

姿态敏感器地面标定精密调整机构设计

为了满足光学姿态敏感器地面标定更高精度的应用需求,针对当前敏感器地面测试设备的标定精度与设计值不一致的实际问题,提出了一种分辨率高、稳定性好的五自由度精密调整机构设计方案。分析了光轴一致性误差对星点位置误差的影响,结合姿态敏感器技术指标,采用搭积的调整层结构形式及合理的消隙方法,设计符合敏感器标定要求的调整架机械结构并进行力学分析。仿真结果与测试数据表明:调整机构的实测位移分辨率优于0.1μm,角分辨达到0.1″,在对星图的反复测试中,降低了光轴一致性误差对测试结果的影响,星点位置误差比使用常规调整机构时提高了5″以上,达到了敏感器地面标定的精度要求。     

磁悬浮式体外凝血功能动态检测传感器

针对传统体外凝血动态检测传感器弹性支撑易疲劳而引起传感器精度降低的关键问题,设计一种基于磁悬浮方式的体外凝血检测新型传感器。根据体外凝血检测传感器工作原理及结构特点,建立传感器内部磁悬浮空间状态数学模型,通过不同相位角的排布对传感器内部结构进行电磁结构仿真,采用有限元数值分析法对相位角与磁感应强度的关系进行分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对传感器进行参数标定,验证传感器磁悬浮排布结构设计结果,并通过与标准粘度溶液配套测试与进口仪器进行数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式体外凝血功能动态检测传感器相位角在20°时产生的内部磁感应强度为1.46e·10;Wb/m,与仿真数据基本吻合,此时传感器的振幅为2.03μm,振动频率为150 Hz,测试数据重复性与相关性分别为0.003、0.994,经过计算传感器精度为0.002 MPa·s。本文设计的凝血功能动态检测传感器精度可以满足体外凝血检测的要求,为改善产品性能方面提供核心技术保障,在提升临床凝血快速检测技术中发挥重要的作用。     

基于磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构设计

针对常规基因生物芯片成像系统由于基因芯片位姿调整频繁而引起的调整机构机械磨损的关键问题,设计一种基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪。根据基因生物芯片成像扫描仪的工作原理及磁悬浮技术的结构特点,建立由电磁参数与成像分辨率组成的系统微分阵列,通过理论优化确定电磁结构参数,采用有限元分析法对系统进行电磁热结构耦合分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对基因生物芯片成像扫描仪进行参数标定,验证扫描仪磁悬浮系统结构设计结果,并与进口PCR仪进行实验测试数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构匝数为340 N时产生的有效电磁面积为180 mm~2,此时磁悬浮系统精度误差小于0.15 mm,与仿真数据基本吻合,与美国Bio-Rad数字PCR系统做T790M突变检测的数据对比实验所测得结果CV<5%。本文设计的基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪精度可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为提升调整装置使用寿命方面提供核心技术保障,在提升临床肿瘤筛查、基因诊断技术中发挥重要的作用。