CN101871878A

CN101871878A - 一种生化分析仪用分光光度计的光学系统

Info

Publication number: CN101871878A
Application number: CN 201010198404
Authority: CN
Inventors: 刘国栋; 任重; 何翠群; 黄振
Original assignee: Jiangxi Technology Normal College
Current assignee: Jiangxi Technology Normal College; Jiangxi Science and Technology Normal University
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: CN101871878B

Abstract

本发明提供一种全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，包括照明光路部分和分光光路部分，沿光线传播的方向，照明光路依次包括：光源、第一准直透镜、比色杯、第一聚焦透镜；所述照明光路与所述分光光路通过光纤连接；分光光路依次包括：第二准直透镜、体全息透射式光栅、第二聚焦透镜、硅光二极管阵列；所述硅光二极管阵列将接收的光转换成相应的电信号，并将该电信号输出进行数据分析。所述体全息透射式光栅为高折射率调制光致聚合物合成的单重体全息透射式光栅。本发明提供的光学系统结构简单、高稳定性、高效率和波长重复性好。

Description

一种生化分析仪用分光光度计的光学系统

技术领域

本发明涉及生物医学测量和医疗器械技术领域，具体涉及一种全自动生化分析仪用光学测量系统。

背景技术

全自动生化分析仪是一种用于检测人体液(血液、尿液等)中各种生化指标的医疗分析仪器，它可以快速、准确地为医生和生化检测人员提供相关数据，在临床医学诊断和生化指标检测中具有很重要的作用。而分光光度计是全自动生化分析仪中至关重要的部件，其分光系统的性能好坏直接影响到生化分析仪的性能。在众多分光系统中，按照分光先后顺序不同，可以有前分光和后分光系统。按照使用的色散器件的不同，可以有棱镜、光栅和滤波片式的分光系统；而滤波片式分光系统，对于一种滤波片只能对某个特定的波长具有滤波的效果，难以做到多波长的特性光谱检测，故限制了其使用范围。而传统的光栅分光系统中，常用到的是平面光栅和全息凹面光栅，用一块光栅即可得到多个波长的光谱。但是这种传统的光栅在制作时，是在光栅的表面采用高毁坏性的机械刻画或化学腐蚀方式，使得光栅表面形成浮雕式凹槽结构，使得这种浮雕凹槽结构对光具有一定的衍射效应。但是这种机械刻画会使得光栅凹槽中产生一些细小的裂纹，而这些裂纹的存在会导致分光光路中产生杂散光，最终降低生化分析仪的精度、分辨率等性能指标。

相对的，体全息透射式光栅是利用凝胶或聚合物，在强度周期性变化的曝光光束下进行曝光处理，该凝胶层的折射率受光影响而发生改变。经过曝光处理后，把该凝胶层夹在两层透明介质中，它们结合在一起，就形成了一个衍射光栅。这种体全息透射式光栅不存在由于表面裂缝导致的杂散光问题，它的衍射光束是在与入射光成一定角度传输的，能以最佳的工作状态进行分光。因此，可以充分高效地利用入射光，并且几乎没有杂散光影响。由于体全息透射式光栅的优越性，故这种光学系统可以被使用于高性能拉曼光谱仪、多通道光谱仪、成像光谱仪等仪器。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中生化分析仪用分光光度计的分光系统中杂散光的存在导致的仪器性能的降低和提高仪器入射光通量效率等问题提供一种结构简单、高稳定性、高效率和波长重复性好的基于体全息透射式光栅的光学系统。

本发明所述的基于体全息透射式光栅的生化分析仪用分光光度计的光学系统，包括照明光路部分和分光光路部分，具体包括：照明光路部分、分光光路部分、连接光纤部分和信号处理部分，沿光线传播的方向，照明光路依次包括：光源、第一准直透镜、比色杯、第一聚焦透镜；分光光路依次包括：第二准直透镜、体全息透射式光栅、第二聚焦透镜、硅光二极管阵列；所述照明光路与所述分光光路通过所述连接光纤部分连接；所述分光光路与所述信号处理部分电气连接。所述体全息透射式光栅为高折射率调制光致聚合物合成的单重体全息透射式光栅，光栅两面夹表面镀增透膜的石英玻璃，整个光栅厚度约10mm，光栅栅格数为1200线，入射角度18.2度，闪耀波长为550nm，在波长为340nm和750nm的时候其一级衍射效率约为13％。所述第一准直透镜的曲率半径为26.33mm；第一聚焦透镜的曲率半径为6.24mm；所述第一准直透镜和第一聚焦透镜的中心厚度均为5.4mm，材质为表面镀紫外增强膜的熔融石英；第一准直透镜光轴、第一聚焦透镜光轴与所述比色杯中心在同一光轴上，并且比色杯与第一准直透镜和第一聚焦透镜之间的距离相等，均为12.5-20mm；第一聚焦透镜距离连接光纤接收头约为8-12mm。所述连接光纤出光头与第二准直透镜的光轴以及体全息透射式光栅的中心在同一个光轴上，并且光纤出光头与第二准直透镜之间的距离为12.5-20mm，第二准直透镜与体全息透射式光栅之间的距离为20-25mm，体全息透射式光栅的入射角为19.2°；第二聚焦透镜的光轴和硅光二极管阵列的中心在同一直线上，体全息透射式光栅与第二聚焦透镜之间的距离约为40mm，并且第二聚焦透镜的入射角为5°-35°，第二聚焦透镜与硅光二极管阵列之间的距离为70-80mm。所述第二聚焦透镜为F-θ镜，其成像角度约为31.5°。所述硅光二极管阵列的有效像素为18个，每个像元大小为1mm×5mm，谱面宽度约为45mm。所述光纤采用三线集束式光纤，接收头采用品字型捆绑式结构，出光头采用排线式结构，每根光纤的芯径为100μm，集束式光纤的接收头一端的芯径约为2-3mm；光纤长度约30cm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)提高了生化分析仪的光通效率和光谱成像质量。由于本发明使用的体全息透射式光栅是由凝胶或聚合物在强度周期性变化的曝光光束下利用全息技术进行曝光处理得到的，可以充分高效地利用入射光在最佳的工作状态下进行分光，光通效率几乎达到了100％。

(2)提高了生化分析仪的稳定性。体全息透射式光栅的使用，使得生化分析仪能够在同一时间测量整个光谱而不用移动部件。同时，本发明使用光纤将照明光路部分和分光光路部分通过光纤连接器进行连接，这样对两部分光路调试时，可以方便的进行拆卸组装，这样大大提高了系统的稳定性。

(3)提高了生化分析仪的测量精度。由于本发明使用的体全息透射式光栅，克服了传统的平面或凹面光栅表面浮雕式刻画结构产生的细小裂缝导致的光路杂散光问题，大大降低了光路中的杂散光，改善光谱成像质量，最终提高仪器的测量精度。

附图说明

图1是本发明提供的生化分析仪用分光光度计的光学系统的原理示意图。

图2是本发明提供的生化分析仪用分光光度计的光学系统的照明光路剖面图。

图3是本发明提供的生化分析仪用分光光度计的光学系统的体全息透射式光栅的入射光波长λ与射出角θ之间的线性关系。

图4是本发明提供的生化分析仪用分光光度计的光学系统的硅光二极管阵列的结构示意图。

图5是本发明提供的生化分析仪用分光光度计的光学系统的光纤接收头的横截面图；

图6是本发明提供的生化分析仪用分光光度计的光学系统的光纤出光头的横截面图。

具体实施方式

下面结合说明附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所述的光学系统原理示意图如图1所示，分为照明光路部分100、连接部分300、分光光路部分200以及信号处理部分400，照明光路部分100与分光光路部分200通过连接部分300连接，分光光路部分200最终将光学转换成电信号传输给信号处理部分400。

沿光传播的方向，照明光路部分100依次为光源101、第一准直透镜102、比色杯103和聚焦透镜104；光纤300连接照明光路部分100和分光光路部分200；分光光路部分200依次包括第二准直透镜202、体全息透射式光栅203、第二聚焦透镜204以及硅光二极管阵列205；硅光二极管阵列205将接收的光转换成相应的电信号，然后输入给信号处理部分400，依次通过信号放大电路401、A/D转换电路402，在A/D转换电路402中，将光学信号转换成数字信号，之后交由计算机403进行后续的数据分析处理。

其中，照明光路部分100的各个组成部件，即光源101、第一准直透镜102、比色杯103、第一聚焦透镜104的光轴都在同一条直线上。在测试时，将测试样品放入比色杯103中，光源101发射光线经过第一准直透镜102准直后，平行射入比色杯中103；光线透过比色杯中的样品后，又平行射入第一聚焦透镜104，平行光束被聚焦成点光源后，作为光信号照射至连接光纤300的接收头301，经过光纤300传输至分光光路部分200。

分光光路部分200包括第二准直透镜202、体全息透射式光栅203、第二聚焦透镜204、硅光二极管阵列205。光纤300的出光头302、第二准直透镜202的光轴以及体全息透射式光栅203的中心在同一个光轴上。光纤的出光头302发出的光作为分光光路200的光源，通过第二准直透镜202准直后，平行光照射在体全息透射式光栅203上，经过体全息透射式光栅203衍射后的光被第二聚焦透镜204聚焦在硅光二极管阵列205上，第二聚焦透镜204的光轴和硅光二极管阵列205的中心在同一直线上。

作为优选实施方式，采用带灯罩的卤素灯作为照明光路100的灯光源101，其波长范围为300-1000nm。采用表面镀紫外增强膜的熔融石英做成第一准直透镜102和第一聚焦透镜104，第一准直透镜102的曲率半径约为26mm，本实施例中采用26.33mm，第一聚焦透镜104的曲率半径约为6mm，本事示例中采用6.24mm为例；第一准直透镜102和第一聚焦透镜104的中心厚度均约为5mm，具体地以5.4mm为例。比色杯103的中心点与准直透镜102和第一聚焦透镜104距离相同，均为12.5-20mm；为了使光纤接收头301能更好的接收到光线，第一聚焦透镜104距离光纤的接收头301约为8-12mm，优选的为10mm。

如图2所示，为上述优选实施方式中采用的照明光路100的示意图。这里采用带杯罩的卤素灯作为光源101。将第一准直透镜102和第一聚焦透镜104垂直于圆筒的轴线方向，分别镶嵌在两个圆筒的径向平面上。再将上述两个圆筒分别焊接固定安装在托架的两端，使第一准直透镜102和第一聚焦透镜104的光轴在同一直线上，并且与卤素灯光源101在同一直线上。比色杯103悬置在托架的中部，比色杯103的中心距离第一准直透镜102的距离与距离第一聚焦透镜104的距离相同，都是12.5mm。

分光光路200中的第二准直透镜202和第二聚焦透镜204分别与照明光路100中的第一准直透镜102和第一聚焦透镜104相同，曲率半径分别约为26mm和6mm，中心厚度均为约5mm。光纤出光头302与第二准直透镜202之间距离12.5-20mm，优选的为12.5mm；第二准直透镜202与体全息透射式光栅203之间的距离为20-25mm，优选的为20mm；经过第二准直透镜202的光线与体全息透射式光栅203成19.2°角度射入体全息投射光栅203。波长为340nm-850nm之间的光线与第二聚焦透镜204表面法线成5°-35°的角度射入第二聚焦透镜204。体全息透射式光栅203与第二聚焦透镜204之间的距离约为40mm。

上述结构中，体全息透射式光栅203为高折射率调制光致聚合物合成的单重体全息透射式光栅，光栅两面夹表面镀增透膜的石英玻璃，闪耀波长为550nm。在采用厚度为10mm、栅格数为1200线的光栅，19.2°入射角，且波长为340nm和750nm的时候其一级衍射效率约为13％。射入体全息透射式光栅203的光线波长λ与光线射出角，也就是射出光线与体全息透射式光栅203表面法线之间形成的夹角θ之间成线性关系，如图3所示，也就是λ/θ＝常数，其中常数可以为任意正数。

上述分光光路部分200中的第二聚焦透镜204采用F-θ镜(F-theta Lens，平场聚焦透镜)，其成像角度约为31.5°，与硅光二极管阵列205之间相距约70-80mm，优选的距离为80mm。

此外，如图4所示，为上述分光光路部分200中硅光二极管阵列205的结构示意图。硅光二极管阵列205的有效像素P为18个，每个像素P的大小为1mm×5mm，谱面宽度B约为45mm。

如图5所示，是连接光纤300采用的三线集束式光纤，图5-a所示为光纤接收头301，采用品字型捆绑式结构；图5-b为光纤的出光头302，采用排线式结构。在光纤的接收端，每根光纤的芯径r为100μm。整根集束式光纤的芯径R在光纤接收头301处的半径约为2-3mm，光纤长度约30cm。光线通过第一聚焦透镜后耦合进入光纤的接收头301，经过光纤的传递射出光纤的出光头302，这里采用的耦合及发射技术是为本领域技术人员公知的，所以不用赘述。

本发明可以测出的波长为：340nm，380nm，405nm，420nm，450nm，460nm，480nm，505nm，520nm.546nm，578nm，600nm，620nm，650nm，700nm，750nm，800nm 850nm等18个波长，其中心波长为520nm。本发明的生化分析用分光光度计的分光系统的光谱分辨率可以达到10nm，OD(Oplical Density光密度)值大于3，整体尺寸约为200mm×200mm。采用体全息光栅做为散光原件可以极大的降低光路杂散光，理论光通效率可以达到100％。

Claims

1.一种全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，包括照明光路部分、分光光路部分、连接光纤部分和信号处理部分，其特征在于：沿光线传播的方向，照明光路依次包括：光源、第一准直透镜、比色杯、第一聚焦透镜；分光光路依次包括：第二准直透镜、体全息透射式光栅、第二聚焦透镜、硅光二极管阵列；所述照明光路与所述分光光路通过所述连接光纤部分连接；所述分光光路与所述信号处理部分电气连接。

2.根据权利要求1所述的全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，其特征在于：所述体全息透射式光栅为高折射率调制光致聚合物合成的单重体全息透射式光栅，光栅两面夹表面镀增透膜的石英玻璃，整个光栅厚度约10mm，光栅栅格数为1200线，入射角度19.2°，闪耀波长为550nm，在波长为340nm和750nm的时候其一级衍射效率为13％。

3.根据权利要求2所述的全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，其特征在于：所述第一准直透镜的曲率半径为26.33mm；第一聚焦透镜的曲率半径为6.24mm；所述第一准直透镜和第一聚焦透镜的中心厚度均为5.4mm，材质为表面镀紫外增强膜的熔融石英；第一准直透镜光轴、第一聚焦透镜光轴与所述比色杯中心在同一光轴上，并且比色杯与第一准直透镜和第一聚焦透镜之间的距离相等，均为12.5-20mm；第一聚焦透镜距离连接光纤接收头为8-12mm。

4.根据权利要求2所述的全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，其特征在于：所述连接光纤出光头与第二准直透镜的光轴以及体全息透射式光栅的中心在同一个光轴上，并且光纤出光头与第二准直透镜之间的距离为12.5-20mm，第二准直透镜与体全息透射式光栅之间的距离为20-25mm，体全息透射式光栅的入射角为19.2°；第二聚焦透镜的光轴和硅光二极管阵列的中心在同一直线上，体全息透射式光栅与第二聚焦透镜之间的距离约为40mm，并且第二聚焦透镜的入射角为5°-35°，第二聚焦透镜与硅光二极管阵列之间的距离为70-80mm。

5.根据权利要求4所述的全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，其特征在于：所述第二聚焦透镜为F-θ镜，其成像角度为31.5°。

6.根据权利要求4所述的全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，其特征在于：所述硅光二极管阵列的有效像素为18个，每个像元大小为1mm×5mm，谱面宽度为45mm。

7.根据权利要求4所述的全自动生化分析仪用分光光度计的光学系统，其特征在于：所述光纤采用三线集束式光纤，接收头采用品字型捆绑式结构，出光头采用排线式结构，每根光纤的芯径为100μm，集束式光纤的接收头一端的芯径为2-3mm；光纤长度30cm。