CN102507510A - 一种多样本光谱影像检测光路系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多样本光谱影像检测光路系统及检测方法。本发明提供的一种多样本光谱影像检测光路系统，包括依次设置的准直镜头、滤光片、分光器件、成像镜头和光谱影像探测器，所述多样本光谱影像检测光路系统还包括能够承载线状样品阵列并能够将所述线状样品阵列调整到所述准直镜头的焦平面上的线状样品阵列承载装置，所述探测器为能够调整倾斜角度的面阵探测器。利用上述多样本光谱影像检测光路系统可以进行线状样本阵列的光谱影像检测。本发明可以对多个样本信息同时、独立的进行准确高效的光谱分析。可以广泛用于生命科学、化学、制药等领域。

Description

一种多样本光谱影像检测光路系统及方法

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，涉及一种光谱分光和成像技术，特别涉及一种多样本光谱影像检测光路系统及一种多样本光谱影像检测方法。

背景技术

光谱分析技术广泛应用于各种领域的科研和生产活动，特别是在生命科学、生物工程、化学制药等多个领域的研究中，各类样本的待检测信号具有弱信号的特性。光谱分析技术以其灵敏、准确、迅速等技术特点，在这些领域发挥了其独特和重要的作用。

对各类样本的采样检测，往往需要通过大量实验数据的总结才能得到令人满意的结果。目前，对于多个样本的光谱展开和检测分析，通常采用精密点扫描技术与光谱分析技术相结合的方式，或者采用不同样本分别多次进样、多次分析的方式来实现。尽管机械点扫描技术已经比较成熟，定位精度很高；多次进样分析检测方法准确性高，无样品间串扰等问题，但是这两种方法由于都需要对多个样本进行逐个测试，耗费时间过长，且线状样品需要对后期数据进行逐点拟合，图像容易失真，存在检测效率低的问题。

光谱分析技术是将光学成像和光谱分光两种技术相结合，通过在光学成像系统中增加光谱分光组件，实现被测物的空间信息及光谱信息的同时获取。然而，现有的光谱系统因不特别对轴外像差进行校正，仅能对处于光轴上的目标进行成像，致使轴外目标经过这种光路成像后会产生很大像差，同时光谱展开后各波长谱线经成像镜头的成像像质亦有很大差异，存在对轴外目标分辨力低、轴外光谱分辨力低的问题，所以以往的光谱检测系统仅能对单个样本进行逐个测试，对待检测目标以及光谱展开、成像范围有诸多限制。上述这些问题在待检测信号微弱、分析信号质量要求高的生命科学、生物工程、化学制药等领域更为显著。

由此可见，现有光谱成像系统对轴外目标的成像效果差，像差问题明显，仅能对单个样本进行成像然后再逐一进行检测，在检测大量样本，和处理生命科学、生物工程、化学制药等领域的弱信号样本时检测效率低，存在诸多缺陷，亟待改进。

发明内容

本发明的目的在于克服多个样本光谱检测系统中常存在的检测效率低的不足，提供一种可以实现对多个样本信息同时、独立的进行光谱分析的多样本光谱影像检测光路系统及检测方法。

本发明提供的多样本光谱影像检测光路系统，包括依次设置的准直镜头、滤光片、分光器件、成像镜头和光谱影像探测器，其中，所述多样本光谱影像检测光路系统还包括能够承载线状样品阵列并能够将所述线状样品阵列调整到所述准直镜头的焦平面上的线状样品阵列承载装置，所述探测器为能够调整倾斜角度的面阵探测器。

较佳地，所述准直镜头与所述成像镜头口径相同，准直镜头与滤光片之间设置有猫眼光阑。

较佳地，所述准直镜头与所述成像镜头为相对孔径D/f’≥1∶1.4的组合透镜。

较佳地，所述准直镜头与所述成像镜头为焦距为20～80mm的4～7片组合式透镜。

较佳地，所述滤光片为能够截止激发光谱透过检测光谱的长波通滤光片或带通滤光片。

较佳地，所述分光器件为闪耀光栅或棱镜或棱栅。

较佳地，所述探测器为面阵CCD探测器。

本发明提供的多样本光谱影像检测方法利用所述任一种多样本光谱影像检测光路系统进行多样本光谱影像检测，所述多样本为线状样本阵列，具体包括以下步骤：通过所述线状样品承载装置将线状样品阵列置于准直透镜的焦平面上，且线状样品阵列中心在准直镜头光轴上；将所述探测器的像面置于成像镜头的焦平面处，并调整像面倾斜的角度，降低成像系统色差；发射用以激发所述线状样本阵列的激发激光，最终在探测器上形成多样本光谱影像。

较佳地，所述线状样本阵列的阵列的宽度小于经过检测光路成像后一个象素对应的宽度；阵列总长度小于检测光路可以于空间方向清晰成像的长度。

线状样品阵列可以为采用激光激发待检物品产生检测光谱的样品阵列，此时照射到待检物品上的激发光宽度须满足产生线状样品阵列所要求的宽度。

本发明使用能够承载线状样品阵列并能够将所述线状样品阵列调整到所述准直镜头的焦平面上的线状样品阵列承载装置、校正空间方向轴外像差的准直透镜、校正空间方向及光谱方向轴外像差的成像透镜、一个控制整个光路系统渐晕的猫眼光阑，以及可以适当倾斜从而减少系统色差的光谱像接受面来实现满足多样本测试要求的空间分辨力和光谱分辨力。从而实现对多个样本信息同时、独立的进行准确高效的光谱分析。

附图说明

图1为本发明的一种多样本光谱影像检测光路系统的检测光路示意图；

图2a为中心样本经过准直镜头示意图，图2b为上边缘样本经过准直镜头示意图，图2c为上边缘样本经过准直镜头示意图；

图3为提高像面照度均匀性的猫眼光阑示意图；

图4为复合光谱光束经光栅后按照光谱展开示意图；

图5为经像差校正的检测光路系统在空间方向及光谱方向光线点列分布图；

图6a说明了光路检测系统色差的产生；图6b说明了通过倾斜像面使检测系统的色差得到适当校正；

图7为本发明用于毛细管阵列荧光光谱检测的结构示意图；

图8为本发明用于检测被激光激发荧光染色的16组DNA片段所得到的光谱图像。

图中：1-线状样品阵列，2-准直镜头，3-滤光片，4-分光器件，5-成像镜头，6-面阵接收器，7-猫眼光阑。

具体实施方式

图1为本发明的一种多样本光谱影像检测光路系统的检测光路示意图，检测光路由被照明的线状样品阵列1，准直镜头2，滤光片3，分光器件4，成像镜头5以及面阵接收器6组成。图中未表示能够承载线状样品阵列1并能够将所述线状样品阵列1调整到所述准直镜头的焦平面上的线状样品阵列承载装置。

该多样本光谱像检测光路可以独立检测被照明的生物样本，该光路仅用于样本信号的检测而不同时用于对样本的照明。

如图1所示，检测时，将线状样品阵列1置于准直镜头2的焦平面处，将线状样品阵列1发出的光信号经准直镜头2准直后形成一系列平行光。图2a为中心样本经过准直镜头示意图，图2b为上边缘样本经过准直镜头示意图，图2c为上边缘样本经过准直镜头示意图。经滤光片3消除瑞利散射光等杂散光。滤光后的平行光系列经过分光器件4后按照光谱分布分别展开。使用成像透镜5将一系列按照光谱展开的平行光束成像到面阵探测器6上，从而得到包含样品阵列空间信息以及光谱信息的光谱图，实现一个样品阵列的同时检测。

通常，在空间方向，可以根据待检线状样品阵列1的长度和空间像在面阵探测器6上的像高来确定光路系统的垂轴放大率。而光路系统的垂轴放大率又由准直镜头2、成像镜头5的焦距比决定。例如，当线状样品阵列1的长度为L，空间像在面阵探测器6上的像高为L′₁，则，准直镜头2的焦距f′₁、成像镜头5的焦距f′₂应满足：

$\frac{L}{L_1^{\′}}=\frac{f_1^{\′}}{f_2^{\′}}$

线状样品阵列1的长度L决定了准直镜头2在空间方向应该校正像差的最小线视场范围；空间像在面阵探测器6上的像高L′₁决定成像镜头5在空间方向应该校正像差的最小线视场范围。

根据面阵探测器6在空间方向象素的尺寸来优化准直、成像镜头在空间成像方向上的像差，使得镜头的空间分辨力高于探测器的空间分辨力，以保证整个测试系统的最优空间分辨力。

此外，在应用最为广泛的生物、医药等样本光谱检测系统中，目标检测信号为弱信号，而根据光路系统像面照度与系统相对孔径的平方成正比的关系，本发明中光路要在条件允许的情况下尽量选择大孔径。综合像面照度及系统成本等多方面因素，准直、成像镜头可选择1∶1≥D/f’≥1∶1.4的较大相对孔径组合透镜。通常，4～7片的组合式透镜可以满足上述像差、相对孔径等使用要求。

根据生物样本分析仪器通常的总体尺寸，准直、成像镜头的焦距可以选择在20mm～80mm之间，尤以50mm左右的中等尺寸最为常用。当然，根据实际仪器的设计要求，并不拘泥于该尺寸范围。镜头的焦距选择适中的尺寸将有利于降低制造成本。另外，可以将准直镜头2和成像镜头5设计为完全相同，这对简化加工装调、节约成本和提高系统部件的通用性有益。当选择相同镜头时，光路检测系统的放大率为1。

在光谱展开方向，通常需要首先确定待检样本出射光谱信号的有效光谱范围。例如，在荧光光谱检测系统中，常用的有效光谱检测范围为400nm～700nm，则面阵探测器6在光谱展开方向的接收范围应包含400nm～700nm的光谱信号。再由面阵探测器6在光谱展开方向的实际长度L′₂，可以大致确定分光器件4的线色散以及使用的色散范围。另，

则可知角色散。若选择分光器件4为如图4所示的光栅，则根据光栅方程确定光栅周期。

系统的光谱分辨力由分光器件4的光谱分辨力，准直镜头2、成像镜头5在光谱方向的像差以及面阵探测器6在光谱方向的象素尺寸来决定。如果选择光栅作为分光器件，则光栅的光谱分辨力

其中，N为光栅的刻线数，可见，在已确定周期时，可以通过增加光栅的尺寸来提高光栅分辨力。同校正空间方向的像差类似，面阵探测器6在光谱方向的长度L′₂，为光学镜头在该方向需要校正像差的视场范围。校正系统像差后，系统各有效视场范围内的点经系统分光并成像后的点列图小于面阵探测器6一个象素的大小，此时，系统的空间分辨力、光谱分辨力均由面阵探测器6决定。

图5给出了本发明一个应用例的成像点列图。由图可见，经过光谱像检测系统，各个视场样品发出的信号在各个有效谱段均能够在像面上汇聚在一个象素以内，空间和光谱两个方向的分辨力均由探测器的分辨力决定。

滤光片3可以起到消除系统杂散光的作用。其选择需要根据实际检测时的照明光源光谱和检测光谱来进行选择。例如，在激光诱导荧光光谱检测的光路中，滤光片3的作用是将激光分布的谱段全部滤掉而透过荧光光谱，出射的荧光光谱较激发的激光谱波长长，可以使用合适的长波通滤光片滤掉激光。

系统中使用制冷型CCD以提高系统对弱信号的检测灵敏度。

在多个样本同时进行检测时，需要保证测试系统对各个样本传递效率的均匀性。而通常，由多个元器件组成的光路系统是存在渐晕的。如图2所示，在准直镜头2与成像镜头5口径相同时，边缘视场光线受切割产生渐晕。为了解决这种问题，可以通过在光路系统中增加猫眼光阑7，如图3所示，来消除各个视场能量传递效率的不均匀性。

由于光学透镜对不同波长的光线折射率不同，光学检测系统会出现色差。如图6a所示。如果像普通成像系统一样将像面6垂直置于成像镜头5的焦平面处，那么轴外成像的光谱将存在较大像差。若将像面6适当倾斜，如图6b所示，可以减小检测系统色差。

图7为本发明用于毛细管阵列荧光光谱检测的结构示意图，激光依次激发毛细管阵列内被荧光染色的样品形成线状样品阵列1，经过检测光路得到光谱图像。此线状样本阵列的阵列的宽度小于经过检测光路成像后一个象素对应的宽度，以保证光谱分辨力；阵列总长度小于检测光路可以于空间方向清晰成像的长度，以保证所有样品展开光谱都能清晰成像在面阵探测器上。图7中投射到线状样本阵列上的激光线位置为线状样品阵列的位置(线状样品阵列由激光依次激发放在毛细管阵列中的样品产生)。该激发激光的宽度经过整个检测光路成像后应该与探测器一个象素的宽度相当或更小。例如，检测光路的放大率为1∶1，探测器一个象素宽度为24微米，则，激发激光激发毛细管的宽度应为24微米左右或者更小。经过激光激发后的样品即为待检测的线状样本阵列。该阵列会出射包括一定光谱范围的荧光光谱。该荧光光谱带经过后续检测光路，分光成像在面阵探测器上。图8为用于检测被激光激发荧光染色的16组DNA片段所得到的光谱图像。

Claims (10)

1.一种多样本光谱影像检测光路系统，包括依次设置的准直镜头、滤光片、分光器件、成像镜头和光谱影像探测器，其特征在于，所述多样本光谱影像检测光路系统还包括能够承载线状样品阵列并能够将所述线状样品阵列调整到所述准直镜头的焦平面上的线状样品阵列承载装置，所述探测器为能够调整倾斜角度的面阵探测器。

2.根据权利要求1所述的多样本光谱影像检测光路系统，其特征在于，所述准直镜头与所述成像镜头口径相同，准直镜头与滤光片之间设置有猫眼光阑。

3.根据权利要求1所述的多样本光谱影像检测光路系统，其特征在于，所述准直镜头与所述成像镜头为相对孔径D/f’≥1∶1.4的组合透镜。

4.根据权利要求1所述的多样本光谱影像检测光路系统，其特征在于，所述准直镜头与所述成像镜头为焦距为20～80mm的4～7片组合式透镜。

5.根据权利要求1所述的多样本光谱影像检测光路系统，其特征在于，所述滤光片为截止检测系统激发光谱、透过待检光谱的长波通滤光片或带通滤光片。

6.根据权利要求1所述的多样本光谱影像检测光路系统，其特征在于，所述分光器件为闪耀光栅或棱镜或棱栅。

7.根据权利要求1所述的多样本光谱影像检测光路系统，其特征在于，所述探测器为面阵CCD探测器。

8.一种多样本光谱影像检测方法，其特征在于，利用权利要求1～7任一项所述的多样本光谱影像检测光路系统进行多样本光谱影像检测，所述多样本为线状样本阵列，具体包括以下步骤：通过所述线状样品承载装置将线状样品阵列置于准直透镜的焦平面上，且线状样品阵列中心在准直镜头光轴上；将所述探测器的像面置于成像镜头的焦平面处，并调整像面倾斜的角度，降低成像系统色差。

9.根据权利要求8所述的多样本光谱影像检测方法，其特征在于，所述线状样本阵列的阵列的宽度小于经过检测光路成像后一个象素对应的宽度；阵列总长度小于检测光路可以于空间方向清晰成像的长度。

10.根据权利要求9所述的多样本光谱影像检测方法，其特征在于，线状样品阵列为采用激光激发待检物品产生检测光谱的样品阵列，照射到待检物品上的激发光宽度满足产生线状样品阵列所要求的宽度。

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