CN104297155A - 一种多通道并行光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

一种多通道并行光谱探测系统属于光谱分析仪器领域，该系统包括：光源模块和样品池，还包括：聚焦微透镜、编码模块、分光色散模块和数据处理模块；所述光源模块发出多道光束，分别进入各个样品池进行反应，反应后的光信号由聚焦微透镜聚集，被编码模块收集，并进行空间编码，形成二进制编码矩阵；经过编码后的光信号经过分光色散模块实现色散组合测量后，投射到数据处理模块中进行解码去噪处理，即可获得各通道的光谱数据，根据光谱数据进行分析处理。本发明无需可动部件，可大幅度提高探测效率。

Description

一种多通道并行光谱探测系统

技术领域

本发明属于光谱分析仪器领域，具体涉及一种可以实现多通道同时、并行检测的光谱探测系统。

背景技术

光谱分析系统主要通过色散器件将入射光信号按照波长依次分散开来，从而获得待测信号的光谱分布，经常用来作为多通道微流控芯片、分光光度计等光学分析仪器的信号接收、探测模块。局限于传统光谱分析系统的设计思想，通常一套光谱分析系统仅含有一个探测通道，一次仅能对一种光信号进行探测，这就在很大程度上限制了上述光学分析仪器的探测效率。

目前，光学检测在多通道微流控芯片的信号检测中应用最为广泛，它是通过检测光的各种参量来确定生化样品的各种指标，通常需要获得光信号在多个波长处的信息，例如吸光度法。受到传统单一探测通道的光谱探测系统限制，目前多通道微流控芯片主要通过机械结构转动芯片来实现不同探测通道之间的切换，因此芯片通常被设计成圆形。它并不能实现真正意义上的多通道同时探测，只能对各通道依次进行测量。现行的分时测量方案耗时长，测量速度慢，为了提高测量速度，需要减少单个通道测量的积分时间，测量系统的信噪比随之下降，这就导致了信噪比与测量速度之间的矛盾；而且各通道样品反应时间不一致，很难实现灵活高效的通道切换。为了高效地实现微流控检测功能，检测单元多通道化、阵列化已经成为目前微流控芯片检测器的主要发展趋势。

阿达玛编码技术是统计学中的组合测量原理在光谱学中的实际应用。组合测量是指当对多个物体进行测量时，分别取其中几个进行分组组合测量，比一个一个单独进行称量所得的重量要准确，而阿达玛编码是目前公认的最优的二进制编码方式，是目前常用的组合测量编码方式。目前应用于光谱仪器中实现阿达玛编码的典型器件是数字阵列微镜，它是将色散后各波长的光进行有选择的叠加编码，但它一次只能对一种物质进行测量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多通道并行光谱探测系统，通过对编码信号解码获得各道探测信号光信息，同时对多种信号进行并行测量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多通道并行光谱探测系统，该系统包括：光源模块和样品池，还包括：聚焦微透镜、编码模块、分光色散模块和数据处理模块；所述光源模块发出多道光束，分别进入各个样品池进行反应，反应后的光信号由聚焦微透镜聚集，被编码模块收集，并进行空间编码，形成二进制编码矩阵；经过编码后的光信号经过分光色散模块实现色散组合测量后，投射到数据处理模块中进行解码去噪处理，即可获得各通道的光谱数据，根据光谱数据进行分析处理。

本发明的有益效果是：本发明可以仅使用一套光谱色散系统与一块面阵CCD探测器，通过编码解码技术同时对多种样品进行光谱分析，且可以灵活协调光谱探测速度与探测质量之间的矛盾。在实际探测时，可以在系统各探测通道中加入不同样品，可以实现不同样品的同时探测，大幅提高探测效率的同时，通过阿达玛编码技术提高单个通道探测结果的信噪比，以此来补偿多样品同时探测对系统探测信噪比造成的不利影响；也可以在系统各通道中加入相同的样品，相当于对同种样品同时进行了多次探测，相对于传统的光谱探测系统，可以大幅增加系统的信噪比,提高测量的准确度。同时，本发明中不含有任何可动部件，结构简单紧凑，便于集成，结合MOEMS(微光机电系统)技术，可大幅度减少探测仪器的体积，有利于实现光谱探测系统的微型化与小型化，为微流控芯片等系统提供有效的光探测手段。

附图说明

图1本发明一种多通道并行光谱探测系统实施例示意图；

图2本发明光纤束编码器件两个端面光纤排布示意图；

图3本发明成像装置与二维阵列狭缝配合实现编码过程的示意简图。

图中：11、光源，12、光纤束，13、扩束微透镜，14、样品池，15、聚焦微透镜，16、光纤束编码器件，17、准直镜，18、光栅，19、汇聚镜，20、面阵探测器件和21、数据处理系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种多通道并行光谱探测系统，该系统包括：光源11、光纤束12、扩束微透镜13、微流控芯片等分析仪器的样品池14、聚焦微透镜15、光纤束编码器件16、准直镜17、光栅18、汇聚镜19、面阵探测器件20和数据处理系统21。其中，光源11、光纤束12和扩束微透镜13为光源模块；光纤束编码器件16和常规透镜成像装置和二维阵列狭缝为编码模块；准直镜17、光栅18和汇聚镜19为分光色散模块；面阵探测器件20和数据处理系统21为数据处理模块。

光源11发出的光束经光纤束12耦合后分成多道光束，经过扩束微透镜13扩束后分别进入各个样品池14进行反应。可以在各样品池中添加不同的样品，也可以添加相同的样品：添加不同的样品可以同时完成对多种物质的测量，提高测量效率，添加同种样品相当于对该物质进行多次测量，可以极大地提高测量准确度，同样也可以选择某些样品池作为参比，以去除背景光的影响。总之，在实际的探测中，可以根据需求灵活地选择探测方案。

反应后的光信号被光纤束编码器件16收集并在其中进行空间编码。如图2所示在该器件中，对应于微流控芯片各个样品池通道的光纤排成一列，置于扩束微透镜13后收集经过通道后的光信号，并将该束光信号分成多份，分别与其他各道信号的分量进行组合测量；该器件的一端是一个正方形端面，组成器件的各光纤在其上的位置按照阿达玛矩阵进行严格排布。阿达玛矩阵是由元素“1”和“0”构成的N阶方阵，对于该器件，其中元素“1”表示在端面上该位置处存在光纤并有光信号输入，元素“0”表示在端面上该位置处不存在光纤即无光信号输入。阵列中同行光纤束在端面上沿光谱维方向排布，同列光纤沿垂直于光谱维方向排布，这是由于在光谱维方向上处于相同位置的光纤在探测器上产生的光谱分布相同，同列光纤的光信号来自于同一个待测通道，作为一个待测量。同行各光纤的光信号即来自于不同通道的探测信号经过分光系统后叠加在探测器同一个像元上，可以看成是一次组合测量，对于N个待测信号，有选择地将其进行N次不同组合测量构造一个N阶线性方程组，解该方程组即可获得待测量，并可以抑制测量过程中与待测量无关的随机噪声的影响。光纤束编码器件16将位于空间不同位置处的信号收集起来,将每一道信号又细分成相同的多份信号,份数与待测通道数相同，然后将这些信号集中到分光色散系统入射端面上一个微小的矩形区域内，通过设置各信号是否传输进入分光色散模块来实现二进制“0”和“1”编码，即将N通道信号有选择地传输进入分光色散系统进行N组测量，完成空间编码过程。

分光色散模块结构主要由准直镜17、光栅18、汇聚镜19组成。经过编码后的光信号经分光色散模块后，被面阵探测器探测20收集，然后传输至数据处理系统21得到编码后的数据矩阵，其中探测器上的每一列数据都是对各个通道在该像元处色散后光谱信号的一组组合测量，使用编码矩阵的逆矩阵去乘该列数据即可解出各通道在该像元处的光谱强度，完成整个解码过程。来自同一探测通道的相同信号在分光色散系统入射端面上必须沿垂直于光谱维方向分布，这样才能保证这些信号经分光色散系统色散后在探测器上的光谱分布相同，而经过选择后需要进行组合测量的同组光信号在入射端面上必须沿光谱维方向排布，这样其经色散后的光谱信号才能叠加在探测器的相同像元上，从而完成一组组合测量。编码器件收集各通道的光信号在色散系统入射端面上组成一个二进制的二维矩阵，光纤束编码器件16将光信号输入到分光色散系统对应于编码“1”，意味着在该次组合测量中选择该道信号；未将光信号输入进分光色散系统对应于编码“0”，意味着在该次组合测量中不选择该道信号，N个探测通道对应于N阶编码矩阵，意味着需要进行N组组合测量。

若光信号直接使用光纤阵列传输进入色散系统，由于光纤直径较大，所得光谱分辨率较低，为了获得较高分辨率，可以在光纤阵列矩形端面处加入一个与阵列中各光纤相对应的由细狭缝构成的光阑阵列。在对系统分辨率要求不高的情况下，可以去除分光系统入射端的狭缝阵列。

同样空间编码过程也可以由常规透镜成像系统与二维阵列狭缝配合实现，如图3所示，不过此时需要将微流控芯片的样品池各通道端面设计成矩形，并在芯片上整齐排成一排。光学成像系统可以采用常规透镜成像装置如光学显微系统，微流控芯片位于像方平面上，二维阵列狭缝位于物方平面。反应后的光信号通过成像系统在二维阵列狭缝上成微流控芯片样品池端面缩小的实像，每一通道的像对应于一列狭缝。与光纤束编码器件16相似，阵列狭缝中，狭缝透光代表编码“1”，狭缝不透光代表编码“0”。狭缝阵列位于色散系统入射平面上，同列狭缝沿垂直于光谱维方向分布，透过该列狭缝进入色散系统的光信号均来自于同一探测通道，其在探测器上的光谱分布相同，同行狭缝沿光谱维方向分布，同行中各狭缝的光谱分布叠加在探测器上，从而实现一次组合测量。

其中光栅18可以是平面光栅或者凹面衍射光栅，凹面衍射光栅可以充当光学聚焦镜，同时实现分光和聚焦两种功能。光栅18可以由棱镜替代。面阵探测器20选用电荷耦合器件CCD或者光电二极管面阵探测器或者CMOS面阵探测器，必须采用面阵探测器20以同时获得各次组合测量结果(各行光纤所对应的光谱数据)，从而实现并行同时探测。

Claims (10)

1.一种多通道并行光谱探测系统，该系统包括：光源模块和样品池，其特征在于，还包括：聚焦微透镜、编码模块、分光色散模块和数据处理模块；所述光源模块发出多道光束，分别进入各个样品池进行反应，反应后的光信号由聚焦微透镜聚集，被编码模块收集，并进行空间编码，形成二进制编码矩阵；经过编码后的光信号经过分光色散模块实现色散组合测量后，投射到数据处理模块中进行解码去噪处理，即可获得各通道的光谱数据，根据光谱数据进行分析处理。

2.如权利要求1所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述编码模块为光纤束编码器件或者常规透镜成像装置和二维阵列狭缝配合实现。

3.如权利要求2所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述光纤束编码器件为一端分散为多列竖直排布的光纤，每一列光纤都对应一个样品池，收集相同的光谱信号，作为光谱探测系统的一个探测通道，对应样品池的空间位置可以任意排布；另一端按照二进制编码矩阵进行严格排布，存在光纤处对应于编码矩阵中元素“1”的位置，空缺处对应于元素“0”的位置，光纤束阵列行方向沿色散系统光谱维方向，列方向垂直于色散系统光谱维方向。

4.如权利要求3所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述探测系统还包括阵列狭缝板，光纤束编码器件后增加一个阵列狭缝模板，模板上的阵列狭缝与光纤束编码方式相同，一一对应。

5.如权利要求2所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述常规透镜成像装置和二维阵列狭缝中，排成一行的样品池中每一通道对应一列狭缝通过在二维阵列狭缝上成缩小的实像，进行空间编码；其中狭缝透光代表编码“1”，狭缝不透光代表编码“0”。

6.如权利要求1所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述分光色散模块包括：准直镜、色散元件和汇聚镜组成，编码信号入射到准直反射镜上，经准直反射镜准直后入射到色散元件上，色散元件对光束进行分光，并通过汇聚镜将色散光谱的像投射到面阵探测器上去。

7.如权利要求6所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述色散元件为平面光栅、凹面衍射光栅或者棱镜。

8.如权利要求1所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述二进制编码矩阵为由元素“1”和“0”构成的方阵，矩阵的阶数与探测通道数目相同，矩阵为满秩矩阵。

9.如权利要求1所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述数据处理模块为电荷耦合器件CCD或者光电二极管面阵探测器或者CMOS面阵探测器。

10.如权利要求1所述的一种多通道并行光谱探测系统，其特征在于，所述光源模块包括：光源、光纤束和扩束微透镜；光源发出光线，经过耦合后，分成多道光束，再经过扩束微透镜后分别进入各个样品池进行反应。