CN103998906B - 光学系统中的光源寿命的延长 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括含有多个发光元件11的光源10的光学系统100，所述发光元件被彼此热接触地安装在同一衬底或芯片板上使得实现在LEE之间的热传导和热传递，其中所述系统可以在光源模式之间切换，在所述光源模式中不同的发光元件或不同数量的发光元件分别被切换为接通模式或下调模式。特别在所有的光源模式中，优选那些具有更长的期望寿命的一个或多个发光元件被保持接通模式，与此同时优选那些具有更短的期望寿命的一个或多个发光元件可以被保持下调模式。

Description

光学系统中的光源寿命的延长

技术领域

本发明涉及用于样品的光度测量的光学系统的领域，其中所述系统包括含有多个发光元件的光源，还涉及一种控制光源的方法。

背景技术

涉及到患者诊断和治疗的各种类型的测试可以通过患者液体样品的分析来执行。此类样品典型地被放置在样品管中。为了分析，它们被从管中提取，与多种试剂化合，培养，和分析。在典型的临床化学和免疫化学的分析中，一种或多种化验试剂被添加到液体样品中，样品-试剂-化合物被混合和在光学比色皿中培养。在反应的过程中发生光学属性的变化，例如样品的吸收、散射或荧光性的变化。通常光学系统被用于在反应之前，之中或之后执行光度测量，例如通过使用一束由光源生成的光来测量穿过比色皿的光学透射率和照亮在这种光学比色皿中的样品-试剂-化合物。其结果被用于生成消光数据，所述数据是输入光强和穿过样品之后的输出光强之间的比率。以这种办法，样品中的可能指示了诊断条件的分析物的存在和/或浓度，可以通过用探测器测量典型具有特定波长的响应信号来确定。此类光度测量的示例包括浊度的，荧光的和吸收的测量等。

根据特殊的应用，不同类型的光源可以被使用。这些可以包括一种或多种发光元件。典型使用的发光元件的示例是电动辐射源例如白炽灯、电致发光灯、气体放电灯、高强度放电灯、发光二极管(LED)。不同类型的发光元件，但是也包括同样类型的例如不同LED的发光元件，可以发射出不同波长的光。特别是，有一些发光元件发出具有宽波谱或分别不同的波长或波长带的光。已知光源中的温度变化可以导致发射强度的变化和频谱发射的偏移。例如，LED的运行温度，更精确地说是结温度，对于它的光的波长，光的强度和由所施加的电流引起的功率有直接的影响。结温通过由于电功率的损耗引起的发热而上升，并且也被周围温度(ambient temperature)影响。另一方面，为了执行可靠的和可再现的光学分析，维持辐射强度恒定和预防光谱偏移是很重要的。为此原因光源温度的控制一般是必要的。由于结温一般无法被直接测量，可以将底座温度用于LED的温度控制，因为其与结温密切相关。一种温度控制的方法例如由US2005/0279949描述。

一般而言，光源的寿命还取决于发光元件在运行条件下、即在发光时的温度。延长光源的寿命是很重要的，因为替换光源可以是一个费用很大的过程，包括管理间接费和人工。此外其导致系统的停歇时间，在此时间之内系统无法被使用。由此总共的成本可能是光源采购成本自身的好几倍。包括LED的光源的寿命，例如取决于在运行条件下的结温。更低的结温度和更小的温度变化(更小的热应力)增加了整个LED的寿命。而且，不同的发光元件可以有不同的寿命，也即是说对于运行条件的变化的抵抗力。这也是适用于不同LED的情况。特别的是，发射不同波长的光的LED可以有不同的寿命。控制光源的温度，尤其是冷却光源，由此是对于延长发光元件的寿命很重要的。

另一种延长光源的寿命的方法可以是在不需要时关断光源。然而，关断光源和再次接通会导致温度不稳定，因为每一次需要耗时去达到稳定和可再现的运行温度。温度不稳定又引起发射强度的变化和上述的光谱不稳定。为了防止温度不稳定，一种可能性是在接通和关断之间迅速脉冲，例如在数微秒之内。然而，在测量期间的脉动导致发射强度的损失，意味着在测量期间更少的光可用于测量，这是一个不利因素。另一种可能性在再一次接通光源之前对其预热。这然而需要温度测量和精确的温度控制，其可能是复杂和难以获得的，尤其是在高吞吐量(high-throughput)的系统中。

在这里提供的光学系统和方法，其中光源的寿命可以随着温度稳定性的增长而延长。这是通过包括含有多个发光元件的光源的系统，和用于在光源模式中切换的控制单元来实现的，在所述模式中不同的发光元件或不同数量的发光元件分别被在接通模式和下调模式之间切换。特别在所有光源模式中，一个或多个优选具有更长的期望寿命的发光元件，保持接通模式，与此同时一个或多个优选具有更短的期望寿命的发光元件，可以被切换到下调模式。

以此方法，光源的热平衡可以通过维持在接通模式的发光元件的加热被保持，也即是说由于保持在光源自身以内的热量，在光源模式之间切换时稳定的运行温度可以更迅速和更可靠地获得。

通过提供总量等同于从处于下调模式的发光元件移除的能量的能量给光源，诸如生成热量的总量等同于由同样的发光元件通过在接通模式下的功率耗散生成的热量，可以实现甚至更大的热平衡，而不需要温度测量和精确的温度控制。

发明内容

本发明涉及到一种用于样品的光度测量的光学系统。所述系统包括含有多个发光元件(LEE)的光源，所述发光元件被彼此热接触地安装在同一衬底或芯片板上使得实现在LEE之间的热传导和热传递。根据一个实施例，所述LEE有不同的期望寿命。这意味着有至少一个具有更短的期望寿命(S-LEE)的发光元件和至少一个具有更长的期望寿命(L-LEE)的发光元件。所述系统还包括用于在至少两种光源模式之间切换系统的控制单元，所述两种光源模式是从至少一种光源-寿命-延长模式(LEM)和至少一种光源-寿命-非延长模式(non-LEM)中所选择的。尤其，在所述至少一种LEM中至少一个S-LEE处于下调模式，在所述至少一种non-LEM中所有S-LEE处于接通模式，和在所有光源模式中至少一个L-LEE处于接通模式。

一种“光学系统”要么是自独立仪器要么是分析仪内的集成部件或分析系统内的模块，适用于样品中出现的分析物的光学分析和特别适用于测量穿过样品的透射率或来自被照明的样品的发射光。

光学系统特别适合于分析生物样品。样品优选是液体溶液，在其中可能发现一种或多种感兴趣的分析物，例如体液如血液、血清、血浆、尿液、奶、唾液、脑脊液等。样品可以原样地或以其它溶液稀释后或与其它试剂混合后被分析以便例如执行一种或多种诊断化验如临床化学化验、免疫分析、分子诊断化验如核酸化验。因此光学系统可以具有优势地用于探测化学或生物反应的结果或监测化学或生物反应的进程，例如用在凝聚(coagulation)化验、凝集(agglutination)化验、浊度化验、核酸化验中。

“光源”是光学系统内包括的多个、也即是说至少两个能够发射典型地具有所选波长或波长带的光的发光元件的单元。

“发光元件”是电动辐射源例如是白炽灯、电致发光灯、气体放电灯、高强度放电灯、激光。

根据一个实施例发光元件是发光二极管。术语“发光二极管”或“LED”在此用于指代传统的发光二极管，也即是说，将所施加的电能转换为光的无机半导体二极管。此类传统的LED包括，例如，一般产生红光和红外光的砷化铝镓(AlGaAs)，一般产生绿光的磷化铝镓，一般产生红色、桔红、桔色和黄色光的砷化/磷化镓(GaAsP)，一般产生绿色、纯绿(或翡翠绿)和蓝色光的氮化镓，一般产生红色、黄色和绿色光的磷化镓(GaP)，一般产生蓝色光的硒化锌(ZnSe)，一般产生蓝绿和蓝色光的氮化铟镓(InGaN)，一般产生桔红、桔色、黄色和绿色光的磷化铝镓，一般产生蓝光的碳化硅(SiC)，一般产生紫外光的金刚钻，和开发中的硅(Si)。LED并不局限于窄带或单色光LED；LED也可以包括宽带、多带和一般的白光LED。

术语LED在此也用于指代有机发光二极管(OLED)，其可以是基于聚合物的或基于小分子(有机或无机)，边发射二极管(ELED)，薄膜电致发光器件(TFELD)，基于量子点的无机“有机LED”，和磷光性的OLED(PHOLED)。

因此，根据特定实施例，LED可以是标准半导体器件，有机LED，或无机LED。有机LED的示例是基于QDOT的LED和基于纳米管的LED。所述LED可以是LED的堆叠例如是有机LED的堆叠或有机LED层的堆叠。

根据一个实施例，光源包括多个，也即是数量大于等于2，带有分别不同波长或波长带的LED。例如，光源可以包括两个、三个或更多LED的组合，例如，具有第一相对短波长光谱(例如UV-蓝)LED，第二更长波长光谱LED，第三甚至更长波长光谱LED和如此直至最终取决于所需要的波长的红外波长。也可以有白光LED或能够发射带有宽光谱的光的LED。当然，对于每种波长或波长带光源可以包括超过一个LED。不同波长带也可以至少部分重叠。

根据一个实施例，LEE有“不同的期望寿命”。这意味着，当在同样光源的LEE之间比较时，分别一个有更短期望寿命和一个有更长的期望寿命。在相对名词中，更长的期望寿命意味着至少比带有最短期望寿命的LEE的期望寿命长两倍。“寿命”，一般而言，打算作为运行条件下的寿命，也即是说发光元件从同一光源能够发射光或以某发射强度发射光的期望小时数。一般而言，L-LEE被与times-LEE(时间发光元件)相比期望持续更长或发射光线更多小时数。应该理解“LEE的寿命”指代的是所期望的寿命并且LEE的实际的寿命可能与所期望的寿命不同。作为示例，相同的LEE有同样的期望的寿命，但不太可能的是其持续精确相同的时间，即使处于同一运行条件。由此，即使如果它们是相同的，它们也可能有不同的实际寿命。一般而言，然而，期望的寿命越高，平均实际寿命越高。期望的寿命也可以根据LEE的物理化学特征计算出来和/或从测量的实际寿命的均值中得出，例如按照这样的时间，在此时间之前给定类型的LEE的总数的某百分比被期望已经故障。特别的是，“平均期望寿命”是当同一类型的LEE的给定总数的50％被期望已经故障时的时间。

通常，白热的LEE在发射强度方面显示极小的变化直至灯泡近似突然故障。另一方面，诸如LED的LEE并不倾向于突然故障。替代地，发射强度逐渐随着时间而退化。典型的寿命，也即是说期望的寿命，被引述为25000到100000小时之间但是热量和电流设置可以显著延长或缩短这一时间。最常见的LED故障的症状和二极管激光器故障是逐渐降低发射强度和效率的损失。突发故障，尽管稀少，也会发生。如同已经提及的，为了执行可靠的和可再现的光学分析，维持辐射强度恒定和预防光谱偏移是很重要的。当光的级别跌落于规定的最小值之后，发光元件或整个光源的替换就是需要的了。换句话说，当在运行条件下至少一个发光元件的光的级别跌落于规定的阈值时，所述光源被称为故障。这一阈值相比于原始的发射强度可以被设定为高达例如90％或更高。

“光源期望寿命”因此被定义为带有最短期望寿命的LEE的寿命，也即是说所期望的寿命或直至其发射强度被期望跌落于可接受的最小值以下的时间。实际的寿命然而取决于带有最短实际寿命的LEE的实际寿命，其可以是不同于带有最短期望寿命的S-LEE。延长光源寿命由此意味着增加一个或多个S-LEE的期望寿命。

根据一个实施例，系统可以在从至少一种LEM和至少一种non-LEM中所选择的至少两个光源模式之间切换。这意味着，可以在LEM和non-LEM之间切换和/或反之，和/或可以在一个LEM和至少一个另外的LEM之间切换。一种“光源模式”是光源可以位于其中的多种、至少两种可能模式中的一个，每一种光源模式是由于光源的每个LEE可以位于其中的发光元件模式的特殊组合引起的，其中LEE可以有两种可能的发光元件模式中的一种，分别要么是“接通模式”要么是“下调模式”。这意味着，对于不同的光源模式，不同的LEE和/或不同数量的LEE分别处于接通模式和处于下调模式。术语“下调模式”在这里用于指示一种模式，在其之中当与“接通模式”相比较时有更少的电流或根本没有电流在LEE中流动。术语“下调模式”由此可以同时指的是“关断模式(无电流)”和“降低电流模式”。“光源模式”，因此是一种模式，在其之中光源不是完整地关断。清楚的是，另外，光源也可以被如此彻底关断使得所有LEE都是关断的，如同在例如光学系统关断的情况下。然而，对于本发明的目的，“在至少两种光源模式中可以切换”意味着可以在至少两种光源模式之间切换，其中最每一个模式中至少一个LEE处于接通模式。

特别的是，在一种“光源寿命延长模式(LEM)”中至少一个S-LEE处于下调模式，并且在一种“光源寿命非延长模式(non-LEM)”中所有的S-LEE都处于接通模式，但是在所有光源模式中至少一个L-LEE处于接通模式。由此，这些光源模式可以包括一种non-LEM(在其之中所有LEE都处于“接通模式”)以及一种LEM(在其之中仅仅有一个S-LEE处于“下调模式”模式)。

根据一个实施例，光源仅仅包括一个S-LEE。因此，有一种LEM(在其之中这一S-LEE处于下调模式)，并且有一种non-LEM(在其之中该S-LEE处于接通模式)。

根据特定实施例，光源包括多个(也即是说数量n大于等于2)S-LEE。根据一些LEM，当需要时一次仅仅有一个所述S-LEE或数量小于n个的S-LEE处于接通模式，同时剩下的处于下调模式。根据另一种LEM，当不需要时所有的S-LEE都处于下调模式。

根据特定实施例，光源包括相同类型的多个(也即是说数量n大于等于2)S-LEE。“相同类型”在此意味着发射相同波长或波长带的光并且具有相同的期望寿命。根据一些LEM，在需要时数量小于n的所述LEE或仅一次有一个所述LEE处于接通模式中，而剩余的处于下调模式中。根据另一LEM，在不需要时所有S-LEE处于下调模式中。

在以上任意实施例的组合中，光源可以包括一个或多个L-LEE，其中每种光源模式中至少有所述L-LEE中的一个处于接通模式。由于延长期望的L-LEE的期望寿命并没有像延长S-LEE的期望寿命那样有助于延长光源的期望寿命，即使当一个或多个L-LEE处于下调模式其被称为non-LEM。

光学系统包括在至少两种光源模式之间切换光学系统的控制单元，所述两种光源模式是从至少一种LEM和至少一种non-LEM中所选择的。这意味着，光源可以在LEM和non-LEM之间切换和/或反之，和/或可以在一个LEM和至少一个另外的LEM之间切换。

“可切换”意味着所述光源，特别是多个LEE中的至少一个LEE，可能是光源的超过一个或所有LEE可以单独地电控制。在下调模式中，这意味着中断电连接或降低分别的单独LEE的供电。在接通模式中，这意味着建立电连接或增加分别的单独LEE的供电。因此，在光源模式间切换意味着在光源之内如此改变功率分布使得不同的LEE被供电或分别以不同的光源模式被不同地供电。

一般而言，在光源模式间切换优选切换到接通或保留接通尽可能多的LEE，至少尽可能多的L-LEE，优选在多个L-LEE的情况下时所有的L-LEE。以此方法，由在接通模式中的LEE或多个LEE生成的热量有助于维持光源的热平衡，从而，相比较于其中所有发光元件都处于下调模式的光源模式，在特别的光源模式中处于下调模式中的LEE或多个LEE的温度保持更接近于同样的LEE或多个LEE在当其处于接通模式时的光源模式中的温度。根据本发明，光源的特征因此是实现热传导，也即是说在LEE之间的热传递。特别的是，所述LEE安装在同一衬底或芯片板上，或否则彼此接近地安装，并且有热接触。光源的温度由此保持更接近于不同的光源模式间的平均运行温度。这使得当从不同的光源模式切换到所选择的光源模式时，更快速和更可靠地达到所选择的光源模式的运行温度是可能的，与此同时增加温度稳定性，和因此最小化发射强度的变化和光谱偏移。

光源的“运行温度”被定义为在光源模式中的光源的实际温度。不同的光源模式可以有不同的运行温度。

根据特定实施例，所述系统包括用于维持光源在光源模式温度范围之内的温度调节器。所述光源模式温度范围可以是对于不同光源模式是一样的或可以是对于不同光源模式是不一样的。所述“温度调节器”是一种带有至少以下功能之一、可能是所有两种的器件，也即是说以受控的方式从光源处移走热量和/或提供热量给光源。这一温度调节器可以是传输热和/或从光源移走热量的基于流体的流经设备(flow-through device)。它也可以是一个组合利用电阻加热(resistive heating)和耗散冷却(dissipative cooling)的设备。

特别的是，温度调节器可以包括一个冷却设备例如散热器或风扇来防止光源过热。所述温度调节器可以包括至少一个加热元件。根据一个实施例，所述至少一个加热元件是带有特定加热光源功能的LEE。根据一个实施例，所述加热元件是带有加热元件(例如L-LEE)的专用功能的LEE，所述LEE当S-LEE处于接通模式时其处于下调模式，而当S-LEE处于下调模式时其处于接通模式。特别的是，可以出于特定加热的目的给LEE加热元件供电而不导致发光。根据一个实施例，所述至少一个加热元件是光源中的电阻元件，例如在芯片板上，在其之上可以安装有一个或多个LEE。特别可以有对应于每一个LEE的加热元件。根据一个实施例，加热元件被如此控制来提供用于生成热量的电能给LEM中的光源，所述热量等同于在non-LEM中的功率耗散，其中所述功率耗散是提供给LEE的电能减去作为光发射的功率之差，这就是作为热量耗散的功率。以此方法，生成总量为如此的热量，即等同于通过处于接通模式的一个LEE或多个LEE生成的热量，而同一LEE或多个LEE没有发光。这使得实现甚至更大的热平衡是可能的，而不需要温度测量和精确的温度控制。这是可行的因为LEE的寿命受LEE处于接通模式时(也即是说当其发光时)的温度的影响，与此同时LEE的寿命不受到或仅仅最低限度地受到当其不发光或处于下调模式时温度的影响。所述加热元件然而也可以是热电元件，也被称为珀尔帖元件(Peltier element)，其与光源要么直接要么通过散热器热接触。所述热电元件可以被定位于散热器的表面或处于散热器的内部，例如在光源和散热器之间。取决于电流部分(current verse)，所述热电元件也可以运行既作为冷却器又作为加热器。从此意义上说，一个“加热元件”也可以包含冷却元件的意义，也即是说至少用作加热，但是也可能用于冷却。所述温度调节器可以包括至少一个温度传感器，通过测量例如周围温度和/或例如为加热元件或散热器的热量调节器的温度和/或光源的温度(例如发光元件的底座或芯片板的温度)，并将所测量的值用于光源的更精确的温度控制。

根据一个实施例，加热元件可以在用于系统位于LEM中的时间段的、其中加热元件处于接通模式(发热模式)以便维持光源在光源模式温度范围之内的加热元件运行模式和用于其中系统位于non-LEM的时间段的加热元件下调模式之间切换。考虑到“下调模式”，也给出类似上述关于发光元件模式含义的含义。因此加热元件下调模式可以既包括加热元件关断模式(无电流)又包括加热元件电流降低模式。“光源模式温度范围”是一个包括典型的光源模式运行温度的温度范围。根据一个实施例，所述范围包括在光源模式的运行温度的90％到运行温度的105％之间。

根据特定实施例，所述系统包括含有多个不必须有不同的期望寿命的LEE的光源，和用于在至少两种LEM之间切换系统的控制单元。所述系统进一步包括用于维持光源在光源模式温度范围之内的温度调节器，其中在不同的LEM中分别有不同的LEE或不同数量的LEE处于下调模式和其中至少一个LEE处于接通模式。特别的是，所述温度调节器可以被控制用于维持光源在同样的光源模式温度范围之内。

根据特定实施例所述光源包括至少一个发白光或带有大于450nm波长的光的L-LEE和至少一个带有更短期望寿命发射带有小于等于450nm的波长的发光元件。

所述光学系统可以包括光学探测器和和比色皿架(cuvette holder)，该比色皿架用于保持一个或更多光学比色皿(optical cuvette)的并且被如此布置使得光可以在从光源通过保持在比色皿架上的比色皿到达探测器的光路中被引导，以对用于容纳在比色皿之内的样品的光度测量。所述比色皿架可以被实施为一个框，包括例如多个用于容纳相应数量的比色皿的空洞或凹槽。它可以被实施为例如可平移和可旋转的阵列，在其之中比色皿可以以规则的间距布置。它可以例如是可围绕对称轴线旋转的转动体或插入在转动体上的框的形式。

根据一个实施例，所述比色皿架在垂直于光路的方向上是可移动的，从而一次可以引入一个比色皿到光路用于光度测量。特别的是，光度测量可以在比色皿架的移动期间发生，以连续循环的方式一次引入一个比色皿到光路。所述光学系统可以由此被设立以高吞吐量运行，其中测量每数毫秒进行一次。

根据一个实施例，所述系统包括光学探测器和多井板架(multi-well-plateholder)，该多井板架用于保持至少一个多井板并且被如此布置使得激发光可以在从光源到多井板的至少一个井的光路中被引导，并且发射光可以被从该至少一个井引导到探测器以便用于对容纳在井内的样品的光度测量。

所述光路可以包括光路部件，所述部件使得可以按受控方式引导光至或穿过一个样品或并行地至或穿过多个样品，和测量光学透射率，例如吸收率和/或散射率或反射率，或发射光如发射荧光是可能的。所述光学系统然而可以被配置用于执行光谱测量。它也可以承担时间上静态的测量，时间分辨的测量，或所有二者。

所述光路部件可以是例如透镜、反射镜、光圈(aperture)、滤光镜、快门、光导纤维或其它波导元件、色散元件等。色散元件可以是透射或反射衍射光栅，和可以是扫描单色仪或多色仪，其被配置用于接收所传输的光和分散到多个光谱部件。色散元件还可以是折射元件，例如棱镜。

根据一个实施例，所述光学系统包括由光整形(shaping)和均匀化(homogenizing)的光学元件组成的混光元件，例如混合棒，用于将由多个发光元件发出的光均匀化和改善在照亮位于光路上的样品之前的照明均匀度。所述样品可以定位于例如位于光路上的比色皿、流经单元(flow-through cell)等。

根据本发明，“探测器”是光学探测器或光电探测器，其是一种转换电磁能为电信号的设备，包括单元件和多元件两者或阵列光学探测器。由此光学探测器是一种能够监视光学电磁信号和提供指示了位于光路上的样品内的分析物的存在和/或浓度的电输出信号或相对基准信号的反应信号。此类设备包括，例如，光电二极管，包括雪崩光电二极管、光电晶体管、光电导探测器、线性传感器阵列、CCD探测器、CMOS光学探测器，包括CMOS阵列探测器、光电倍增管、和光电倍增管阵列。根据特定实施例，光学探测器，例如光电二极管或光电倍增管，可以包含附加的信号调整或处理电子设备。例如，光学探测器可以包括至少一个前置放大器、电子滤光器、或集成电路。合适的前置放大器包括集成、互阻抗、和电流增益(电流反射镜)前置放大器。根据优选实施例，探测器是CCD或CMOS类型。根据另外的实施例探测器是光电二极管或PMT类型。

控制单元可以被实施为运行计算机可读取程序的可编程逻辑控制器，该程序设有指令来执行根据过程操作计划的操作。特别的是其可以被编程来根据在预先定义的测量序列中所需的波长在光源模式之间切换。根据一个实施例，其被编程为在没有测量在某时间段内被规划时切换到LEM和在一个或多个测量被规划时切换到non-LEM。根据一个实施例，其被编程为根据对于给定测量在给定时间的所需波长从一种LEM切换到另一种LEM。根据一个实施例，其被编程，在每一次测量之后或者一系列测量之后切换光源模式。根据一个实施例，其被编程，在预先定义的其中可以进行一次或多次测量的时间之后切换光源模式。

控制单元可以特别被设置来控制一个或多个单独LEE在接通或下调模式之间分别切换和/或协同测量的数量、类型和吞吐量(throughput)来控制发热调节器在加热元件运行模式和加热元件下调模式之间切换。例如，其可以与预先定义的一系列测量的循环时间同步，例如与光路上的比色皿架的移动。

本发明还涉及到一种用于延长含有多个带有不同期望寿命的LEE的光源的期望寿命的方法，所述LEE被彼此热接触地安装在同一衬底或芯片板上使得实现在LEE之间的热传导和热传递。本方法包括在从至少一种LEM和至少一种non-LEM中所选择的光源模式之间切换。在所述至少一种LEM中本方法包括切换至少一个S-LEE到下调模式。在至少一种non-LEM中本方法包括切换所有S-LEE到接通模式。在所有光源模式中本方法包括切换或保留至少一个L-LEE接通。

根据一个实施例本方法包括维持光源在同样的光源模式温度范围之内。

本发明还涉及到一种用于延长含有多个不必须有不同的期望寿命的LEE的光源的期望寿命的方法。此方法包括在至少两种LEM之间切换，其中在不同的LEM中本方法分别包括切换或保留至少一个LEE到接通模式和切换或保留不同的LEE或不同数量的LEE到下调模式。所述方法进一步包括维持光源在光源模式温度范围之内，这对于不同的LEM都是一样的。

根据特定实施例，在至少一种LEM中本方法包括切换到加热元件运行模式和在至少一种non-LEM中本方法包括切换到加热元件下调模式，其中在加热元件运行模式中本方法包括加热光源。

根据一个实施例，本方法包括提供用于生成热的、等同于non-LEM中的功率耗散的功率给LEM中的光源。

本方法可以包括在分别两次或多次光度测量之间，在光源模式间进行切换。

本发明的其它目标、特征和优点借助于附图将从下面的描述和附图中显然，其图解了示例性实施例和用于详细解释本发明的原理。

附图说明

图1示意性示出用于样品的光度测量的光学系统的示例。

图2示意性示出含有多个发光元件的光源的示例。

图3是示出了当根据一个实施例在不同光源模式之间切换时，温度控制关于时间的图表。

图4a是根据一个实施例的用于延长光源的期望寿命的示例方法的流程图。

图4b是根据另外一个实施例的用于延长光源的期望寿命的示例方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性而非按照比例地描述了用于样品的光度测量的光学系统100，例如，用于确定包含在保持在比色皿架21上的光学比色皿20之中的样品内的分析物的存在和/或浓度。比色皿架21在此情况下是携带多个比色皿20的旋转体，和在旋转时每次传输一个比色皿到光路30。系统100包括光路部件例如透镜31、玻璃光纤束32、混合棒33、和可能的其它(未示出)部件例如光圈、反射镜、衍射光栅。所述系统100进一步包括光学探测器40，其包括光学传感器例如CCD传感器，其将来自位于光路30上的比色皿20的光的电磁能转换为电信号。传感器40可以被分成数个(未示出的)部分，其每一个部分专用于一个可用的波长带。所述光学系统100进一步包括含有多个LEE11的光源10，用于发射各自波长的光。发光元件11通过芯片板12上的底座安装并彼此之间以及与例如由铝制成的热沉13之间保持热接触，来耗散来自光源10的热量。在此示例中，来自LEE11的光通过混合棒33被混合和通过玻璃光纤束32引导进入光路30穿过比色皿20到达探测器40而生成指示了比色皿20之中的样品内的分析物的存在和/或浓度的响应信号。根据另一个实施例，比色皿架21被(未示出的)多井板架替代和比色皿20被(未示出的)多井板替代。在那种情况下，光路部件和探测器40一样可以被不同地布置从而来自LEE11的激发光被引导到位于多井板中的井里的一个或多个样品中，而发射光被探测器40所探测。所述光学系统100进一步包括电连接到芯片板12的控制单元15，其被用于通过控制一个或多个单独的发光元件11在接通模式和下调模式之间分别地切换使得光学系统100在光源模式之间切换。

根据一个实施例，发光元件11有不同的期望寿命，并且光学系统100可以在从至少一种LEM和至少一种non-LEM中所选择的至少两种光源模式之间切换。特别的是，在至少一种LEM中至少一个带有更短的期望寿命的LEE11处于下调模式，在至少一个寿命-非延长模式中没有带有更短的期望寿命的发光元件11处于下调模式，以及在所有光源模式中至少有一个带有更长的期望寿命的发光元件11处于接通模式。

图1中的光学系统还包括电连接到控制单元15的加热元件14，其中控制单元15被适配于在(用于系统100处于LEM的时间段的)加热元件运行模式和(用于系统100处于non-LEM的时间段的)加热元件下调模式之间切换加热元件。所述光学系统100可以进一步包括至少一个与热沉13热接触的(未示出的)温度传感器和/或电连接控制单元15的芯片板12以便测量温度和提供温度数据给控制单元。

图2示意性示出图1中的光源10的可能的实施例的更多的细节。特别的是，所述光源10包括六个LED11发射各自波长的光。特别的是，光源10包括带有更长的期望寿命(例如50000小时)的发光(例如波长为700nm)的第一LED芯片11，1。所述光源10进一步包括带有更长的期望寿命(例如50000小时)的发光(在波长带例如800-815nm)的第二LED芯片11，2。所述光源10进一步包括带有更长的期望寿命(例如50000小时)的发白光的第三LED芯片11，3。所述光源10进一步包括带有更短的期望寿命(例如2000小时)的发光(例如波长为340nm)的第一LED芯片11，4，所述LED芯片是特别短存活的LED和在此示例中带有最短期望寿命的LED。所述光源10进一步包括带有更短的期望寿命(例如10000小时)的发光(例如波长为375nm)的第二LED芯片11，5。第六发光元件是带有更短的期望寿命(例如20000小时)的发光(在波长带例如415-420nm)的第三LED芯片11，6。所有六个LED芯片11，1-6被安装在同一芯片板12上，使得不同LED之间可以获得热平衡。所述LED11，1-6通过(未在图2示出的)芯片板12电连接到控制单元15。

根据一个实施例，控制单元15被设置根据序列和预定的光度测量的频率在两种光源模式之间切换光源10。特别的是，当其中所有六个LED11，1-6处于接通模式的至少一个光度测量被预定时，控制单元15被设置为切换光源10到non-LEM。所述控制单元15被进一步设置为切换光源10到LEM，其中，对于没有安排光度测量的时间段，仅仅有带有更长的期望寿命的LED11，1-3处于接通模式而带有更短的期望寿命的LED11，4-6处于下调模式。取决于光度测量的频率，切换可以在两次或多次测量之间发生。

带有更长的期望寿命的LED11，1-3在此示例中大于带有更短的期望寿命的LED11，4-6。LED11，1-3在此示例中相较于LED11，4-6也是高功率LED，从而达到运行中更高的结温度和更高的电流密度。带有更长的期望寿命的LED11，1-3对于光源10的温度的贡献因此比带有更短的期望寿命的LED11，4-6的贡献要大。由此，在LEM中，光源10的温度相较于如果整个光源10被切换到关断，保持更接近于在non-LEM中的运行温度。当从LEM切换到non-LEM时，non-LEM中的运行温度的建立由此更加快速地实现。切换也可以如所需要一般频繁地执行。这一效应参考图3可以更好地理解。

图3是示出了当参考图2中的光学系统在不同光源模式间切换时，以摄氏度为单位的温度T如何相对于以毫秒(ms)为单位的时间t进行变化的图表。特别是在0到400ms的时间段内两个光度测量在两个约为80ms的时间段内进行，其分别被连续测量之间的120ms间隔开，其中120ms是在此特别示例中引入新的比色皿到光路30的时间。这是一个高吞吐量光学系统的示例，其中每秒可以发生数次测量，例如在比色皿架21移动来连续不停歇地一个接一个引入比色皿20到光路30期间飞行式(on the fly)进行测量。线D是一条参考线，其指明了由光源10达到的和通过保留光源10始终于接通状态(也即是说所有LED11，1-6接通，也即是说始终处于non-LEM)而维持的运行温度T(op)，与此同时由耗散热量到周围的热沉13来冷却。线A是另外一条参考线，其指明了如果光源10在每一次光度测量M之后被完全切换为关断，则温度T如何变化以便延长期望寿命。在此情况下，运行温度T(op)与当光源完全被关断时的下调温度T之间的温度差是30℃。可以看出光源10消耗了对于测量M可用的80ms中的接近70ms来达到运行温度T(op)。这对应于辐射强度的平均变化为50-60％，也对应于80ms的测量窗口中的第一个70ms期间的4-8nm的平均光谱偏移。线B示出当系统在测量M期间的、其中所有LED11,1-6处于接通模式的non-LEM与在两次连续测量M之间的、其中仅具有更长期望寿命的LED11,1-3处于接通模式而具有更短期望寿命的LED11,4-6处于下调模式的LEM之间进行切换时替代地发生了什么。在此情况下，在non-LEM之中的运行温度T(op)与在LEM中的下调温度T之间的温度差仅仅是大约7.5℃。可以看出当光源模式从LEM切换到non-LEM时需要更短的时间来达到运行温度T(op)。这对应于辐射强度的平均变化为仅仅10-15％，也对应于80ms的测量窗口M中的更短部分的约1-2nm的平均光谱偏移。为了执行可靠和高吞吐量的光学分析这样是可以接受的，将带有更短的期望寿命的LED11，4-6由此通过在引入新比色皿20到光路30期间切换到LEM来延长其期望寿命达约2.5倍。这并未考虑到由于与线A对比减小的热应力导致的寿命的额外增益。由此，通过延长带有更短的期望寿命的LED11，4-6的期望寿命，整个光源10的期望寿命据此被延长，与此同时发射强度和光谱偏移的变化被最小化。光源的期望寿命甚至可以被延长更多，例如10倍或更多，取决于测量M之间或测量M的两个系列之间的时间段多长，在所述时间段内系统处于LEM。在non-LEM之中的运行温度T(op)与在LEM中的下调温度T之间的差也取决于多少LEE在LEM中保持处于接通模式。在此情况下，例如这是足够的，为了将光源10的期望寿命延长相同量，当切换到LEM时仅仅切换带有最短期望寿命的LED11，4进入下调模式。通过由此在LEM中保留5个LED11，1，2，3，5，6接通，温度差由此为最小值和当切换到non-LEM时T(op)被更快达到。

线C示出当系统在(在测量M之内的)non-LEM′与(在两个连续的测量M之间的)LEM′之间切换时发生了什么。所述LEM′与线B的LEM一样，除了差别在于当系统切换到LEM′时加热元件14也被切换到发热模式。所述non-LEM′与线B的non-LEM一样，除了差别在于当系统切换到non-LEM′时加热元件14被切换到下调模式。控制单元15由此控制光源10和加热元件14的切换以便进一步降低切换光源模式时的温度差。通过为光源提供用于生成热的、等同于在non-LEM中的损耗的功率的功率，所述温度差可以原则上被消除(线D)。

图4a是用于延长如图1中的光源10的期望寿命的方法示例的流程图。在开始时，假定光学系统100是关断或处于待机状态，光源关断，因为例如第一次使用，或因为维修，或因为未用于延长的时间。所述光源10由此一旦开始就被切换到接通，例如刚好在测量M发生之前。所述光源10由此被切换到可能的LEM中的一种(LS0)，在其之中至少一个L-LEE11，1-3被切换到接通模式和至少一个S-LEE11，4-6被切换到下调模式，例如在一个模式中所有L-LEE11，1-3处于接通模式和所有S-LEE11，4-6处于下调模式。

容纳样品的比色皿20然后被引入光路30。所述光学系统100然后被切换入另外的更可能的光源模式LS1，所述模式可以是non-LEM或不同的LEM，在其之中，对于期间发生测量M的时间段，将发出位于用于容纳在比色皿20以内的样品的光度测量的波长带之内的光的LEE或多个LEE11被切换到接通。例如，所有LEE11，1-6被切换到接通模式从而光源10的所有波长可以被用于测量M。

在测量M发生之后，系统100被切换回同样或不同的LEM LS0，在其之中至少一个发光元件11处于下调模式，和至少一个LEE11保持接通，例如同样的模式，在其之中所有L-LEE11，1-3处于接通模式和所有S-LEE11，4-6处于下调模式。

系统100保持在此LEM LS0中直至新的比色皿20被引入到光路30中和过程再一次开始。由此可以重复R次，其中在两个连续测量M之间系统在光源模式间切换。

在LEM LS0中，所述方法可以可选地包括发热步骤，在其之中加热元件14处于发热模式。在光源模式LS1中，所述方法可以包括切换加热元件14到下调模式。

本方法在一系列样品被分析后终止，也即是说在一系列测量M发生之后。光学系统100由此保持着LEM LS0直至新的一系列测量M开始或光学系统100被切换为关断。

图4b是用于延长如图1中的光源10的期望寿命的另一方法示例的流程图。图4b中的方法基本与图4a中的方法一样，除了以下不同。当一系列测量M开始时，光学系统100从光源模式LS0，例如从LEM LS0切换到光源模式LS1。所述光源模式LS0是一种LEM，在其之中至少一个L-LEE11，1-3被切换到接通模式和至少一个S-LEE11，4-6被切换到下调模式，例如在一个模式中所有L-LEE11，1-3处于接通模式和所有S-LEE11，4-6处于下调模式。所述光源模式LS1是non-LEM或不同的LEM，在其之中发出位于用于一系列样品的光度测量的波长带之内的光的LEE或多个LEE11被切换到接通模式，例如所有LEE11，1-6被切换到接通模式。所述光学系统100然后当一系列测量M结束时，而不是在每两个连续的测量M之间，被从光源模式LS1切换回LEM LS0。所述光学系统100由此保持处于LEM LS0直至新的一系列测量M开始或光学系统100被切换为关断。

根据特定实施例，光源10可以包括多个LEE11的任意组合，不管它们的相对期望寿命。图4a和图4b的方法然后可以包括在至少两种LEM LS0，LS1之间切换的分别的步骤，其中在不同的LEM LS0，LS1中本方法分别包括切换或保留至少一个LEE11处于接通模式和切换或保留不同的LEE11或不同数量的LEE11处于下调模式，和其中本方法进一步包括当在LEMLS0，LS1之间切换时，维持光源10在同样的光源模式温度范围之内。这可以通过当在LEMLS0，LS1之间切换时，切换加热元件到适当的加热元件模式来实现。

显然根据上述描述本发明的许多修改和变形是可行的。由此应该理解为，在权利要求的范围之内，本发明可以不同于具体设计地被实施。

Claims (11)

1.一种用于样品的光度测量的光学系统(100)，所述系统(100)包括：

光源(10)，所述光源(10)包括多个发光二极管LED(11)，其被彼此热接触地安装在同一衬底或芯片板上使得实现LED之间的热传导和热传递，所述LED具有不同的期望寿命，所述期望寿命能够根据LED的物理化学特征计算出来和/或从测量的实际寿命的均值中得出，

控制单元(15)，其用于在至少两种光源模式之间切换光学系统(100)，所述两种光源模式是从至少一种光源-寿命-延长模式和至少一种光源-寿命-非延长模式中所选择的，

其中，在所述至少一种光源-寿命-延长模式中至少一个具有更短的期望寿命的发光二极管S-LED(11，4-6)处于下调模式，所述下调模式是指当与导通模式相比较时有更少的电流或根本没有电流在LED中流动的模式，而在所述至少一种光源-寿命-非延长模式中所有S-LED(11，4-6)都处于导通模式，并且其中，在所述至少一种光源-寿命-延长模式中与在所述至少一种光源-寿命-非延长模式中至少一个具有更长的期望寿命的发光二极管L-LED(11，1-3)处于导通模式。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源(10)包括多个同类型的S-LED(11)，所述同类型是指发射相同波长或波长带的光并且具有相同的期望寿命。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统(100)在所有LED(11)都处于导通模式的光源-寿命-非延长模式和光源-寿命-延长模式之间或在两种或更多种光源-寿命-延长模式之间切换，其中在不同的光源-寿命-延长模式中分别有不同的S-LED(11，4-6)或不同数量的S-LED(11，4-6)处于下调模式。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统(100)包括用于维持光源在光源模式温度范围之内的温度调节器(13，14)。

5.一种用于样品的光度测量的光学系统(100)，所述系统包括：

-光源(10)，所述光源包括多个发光二极管LED(11)，其被彼此热接触地安装在同一衬底或芯片板上使得实现在LED之间的热传导和热传递，

-控制单元，其用于在至少两种光源模式之间切换光学系统(100)，所述两种光源模式是从至少一种光源-寿命-延长模式和至少一种光源-寿命-非延长模式中所选择的，其中，在所述至少一种光源-寿命-延长模式中至少一个具有更短的期望寿命的发光二极管S-LED(11，4-6)处于下调模式，所述下调模式是指当与导通模式相比较时有更少的电流或根本没有电流在LED中流动的模式，而在所述至少一种光源-寿命-非延长模式中所有S-LED(11，4-6)都处于导通模式，并且其中，在所述至少一种光源-寿命-延长模式中与在所述至少一种光源-寿命-非延长模式中至少一个具有更长的期望寿命的发光二极管L-LED(11，1-3)处于导通模式，

-温度调节器(13，14)，其用于维持光源在光源模式温度范围之内，

其中在不同的光源-寿命-延长模式中分别有不同的LED(11)或不同数量的LED(11)处于下调模式，并且其中至少一个LED(11)处于导通模式，

所述温度调节器(13，14)包括至少一个与光源(10)热接触的加热元件(14)，其中，所述加热元件(14)能够在用于其中系统(100)处于光源-寿命-延长模式中的时间段的加热元件运行模式和用于其中系统(100)处于光源-寿命-非延长模式中的时间段的系统加热元件下调模式之间切换，其中，所述加热元件下调模式是指当与所述加热元件运行模式相比较时有更少的电流或根本没有电流在加热元件(14)中流动的模式。

6.根据权利要求1或5所述的系统，其中，所述光源(10)包括至少一个发射白光或带有大于450nm波长的光的L-LED(11，1-3)和至少一个发射带有等于或小于450nm波长的光的S-LED(11，4-6)。

7.根据权利要求1或5所述的系统，其中，所述系统(100)包括光学探测器(40)和比色皿架(21)，该比色皿架是用于保持一个或更多光学比色皿(20)的并且被布置为使得能够在从光源通过保持在比色皿架中的比色皿至探测器(40)的光路(30)中引导光，以用于对容纳在所述比色皿(20)之内的样品的光度测量。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述比色皿架(21)在垂直于所述光路(30)的方向上是能够移动的，从而能够一次将一个比色皿引入到所述光路(30)中用于光度测量。

9.根据权利要求1或5所述的系统，其中，所述系统包括光学探测器(40)和多井板架，该多井板架是用于保持至少一个多井板的并且被布置为使得激发光能够在从光源(10)到多井板的至少一个井的光路(30)中被引导，并且发射光能够被从所述至少一个井引导至探测器(40)，以用于对容纳在井内的样品的光度测量。

10.一种用于延长包括多个发光二极管LED(11)的光源(10)的期望寿命的方法，所述发光二极管被彼此热接触地安装在同一衬底或芯片板上使得实现在LED之间的热传导和热传递，所述LED具有不同的期望寿命，所述期望寿命能够根据LED的物理化学特征计算出来和/或从测量的实际寿命的均值中得出，其中，该方法包括在从至少一种光源-寿命-延长模式和至少一种光源-寿命-非延长模式中所选择的光源模式之间的切换，其中，在所述至少一个光源-寿命-延长模式中所述方法包括将至少一个具有更短的期望寿命的发光二极管S-LED(11，4-6)切换到下调模式，所述下调模式是指当与导通模式相比较时有更少的电流或根本没有电流在LED中流动的模式，其中在所述至少一个光源-寿命-非延长模式中所述方法包括将所有S-LED(11，4-6)切换到导通模式，并且其中在所有光源模式中所述方法包括将至少一个具有更长的期望寿命的发光二极管L-LED(11，1-3)切换到或保留在导通模式。

11.根据权利要求10所述的方法，包括分别在两个或多个光度测量之间，在光源模式之间进行切换。