CN108414487A - 一种针对固体出射荧光的光学收集方法及系统 - Google Patents

一种针对固体出射荧光的光学收集方法及系统 Download PDF

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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence

Abstract

本发明涉及一种针对固体出射荧光的光学收集方法及系统，所述光学收集系统包括：光学聚集单元、光电敏感单元、信号处理单元和数据采集单元，光学聚集单元外形由多个二次曲面和圆柱面(或圆台面)拼合而成。该方法过程为：待测量固体设置在光学聚集单元前方凹陷处，光电敏感单元、信号处理单元和数据采集单元设置在光学聚集单元后方。光学聚集单元会高效率收集待测量固体出射的荧光，并将荧光汇聚到光电敏感单元上；光电敏感单元将光信号转变为电信号传输到信号处理单元；信号处理单元将电信号进行放大、滤波、去噪处理后，传输到数据采集单元；数据采集单元将模拟信号抽样、量化变为数字信号得到固体出射荧光的强度。本发明能极大提高荧光收集效率。

Description

一种针对固体出射荧光的光学收集方法及系统
技术领域
本发明涉及量子传感的技术领域，可以推广到需要光收集的各种领域，尤其涉及一种针对固体出射荧光的光学收集方法及系统。
背景技术
固体受激辐射，产生的出射荧光中包含所需要的测量信息，荧光收集效率直接影响到信息获取的精确程度。现有的荧光收集设计思路包括两种：一种是将激光与荧光光路分离开，提升信号中荧光的比例；另一种是改变待测量固体的外形，提高荧光出射率。
然而利用上述方法，都需要对待测量固体本身进行处理，第一种方法需要在待测量固体表面粘合直角棱镜、光刻微镜或者制作纳米线，第二种方法则是将待测量固体设计成半球形或椭球型。这些方法的问题在于，待测量固体硬度大时，不便于改变其外形，当样品体积较小时，不便于对待测量固体直接操作，而且处理待测量固体表面可能会引入其他的干扰，导致收集到的信号中存在其他不需要的成分。因此上述收集荧光方法存在缺点，有改进的空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种针对固体出射荧光的光学收集系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种针对固体出射荧光的光学聚集单元，该光学聚集单元外形由多个二次曲面和圆柱面或圆台面拼合而成，多个二次曲面包括第一二次曲面、第二二次曲面、第三二次曲面和第四二次曲面；第一二次曲面、圆柱面或圆台面、第二二次曲面、第三二次曲面、第四二次曲面依次相接，第一二次曲面起到汇聚小孔径角光束的作用；第二二次曲面要保证从待测量固体出射的荧光中透过圆柱面或圆台面的光线满足全反射条件，起到汇聚大孔径角光束的作用；第三二次曲面用于使光线汇聚到光轴上一点；第四二次曲面用于使光线汇聚到光轴同一点。
其中，该光学聚集单元由光学成型材料利用注塑工艺制成。
其中，第一二次曲面可采用球面，第二二次曲面可采用椭球面，第三二次曲面可采用椭球面，第四二次曲面可采用椭球面。
一种针对固体出射荧光的光学收集系统，包括：所述的光学聚集单元、光电敏感单元、信号处理单元和数据采集单元，其中，
待测量固体设置在所述光学聚集单元前方的凹陷处，所述待测量固体会出射荧光；
所述光电敏感单元、所述信号处理单元和所述数据采集单元设置在所述光学聚集单元后方；
所述光学聚集单元会收集所述待测量固体出射的荧光，并将光汇聚到所述光电敏感单元、上；
所述光电敏感单元将光信号转变为电信号传输到所述信号处理单元；
所述信号处理单元将电信号进行放大、滤波、去噪处理后，传输到所述数据采集单元；
所述数据采集单元将模拟信号抽样、量化变为数字信号得到固体出射荧光的强度。
其中，所述电信号对应的值包括电压值和电流值。
其中，所述数据采集单元包括NI板卡。
一种针对固体出射荧光的测量方法，利用所述的针对固体出射荧光的光学收集系统，包括如下步骤：
步骤110、待测量固体受到激光照射，发生受激辐射出射荧光，荧光光线从待测量固体中心出射，小孔径角部分光线通过第一二次曲面进行一次汇聚，进入光学聚集单元，再经过第四二次曲面二次汇聚，汇聚于光学聚集单元光轴上一点处；大孔径角光线通过圆柱面或圆台面，在第二二次曲面处发生全反射，通过第三二次曲面进行汇聚，亦汇聚于光学聚集单元光轴上同一点处；
步骤120、将光电敏感单元中心放置于所述光线汇聚的光轴处，光电敏感单元在光强作用下会产生电信号，包括电流信号或者电压信号，通过两引脚传输至信号处理单元；
步骤130、信号处理单元将信号处理后输出至数据采集单元；
步骤140、数据采集单元在上位机控制下，将模拟信号抽样、量化成数字信号，并获得荧光出射强度。
本发明的有益效果是：通过对光学聚集单元的设计，大大提高了荧光收集效率，便于更加精确的获得荧光信号中所包含的信息；通过整个荧光收集系统的设计，使信号实现最终处理。利用该发明测量固体出射荧光时，操作简单，易于实现，且能极大提高荧光收集效率。另外，该测量系统易于小型化，适用于集成应用检测领域。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的一种针对固体出射荧光的收集系统结构示意图(其中光学聚集单元采用剖面结构示意图，图形尺寸不代表实际比例)；
图2为本发明的一个实施例提供的一种针对固体出射荧光的收集系统的示意性流程图；
图中附图标记含义为：1为待测量固体，2为光学聚集单元，3为光电敏感单元，4为信号处理单元，5为数据采集单元，21为第一二次曲面，22为圆柱面或圆台面，23为第二二次曲面，24为第三二次曲面，25为第四二次曲面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种针对固体出射荧光的收集系统，包括：光学聚集单元2、光电敏感单元3、信号处理单元4和数据采集单元5。其中，
待测量固体1设置在光学聚集单元2前方凹陷处，光电敏感单元3、信号处理单元4和数据采集单元5设置在光学聚集单元2后方。
光学聚集单元2会高效率收集待测量固体1出射的荧光，并将光汇聚到光电敏感单元3 上；光电敏感单元3将光信号转变为电信号传输到信号处理单元4；信号处理单元4将电信号进行放大、滤波、去噪处理后，传输到数据采集单元5；数据采集单元5将模拟信号抽样、量化变为数字信号得到固体出射荧光的强度。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，光学聚集单元2外形由多个二次曲面和一个圆柱面或圆台面拼合而成，优选的包括：设计时第一二次曲面21可采用但不限于球面，起到汇聚小孔径角光束的作用；圆柱面或圆台面22采用普通圆柱面或圆台面设计；第二二次曲面23可采用但不限于椭球面，应保证到达第二二次曲面23上的光线满足全反射条件，即荧光光线从待测量固体中心出射到达相交点可以视为荧光光线从椭球一个焦点出射到达椭球面，因而全反射光线会汇聚到椭球另一个焦点上，如此起到汇聚大孔径角光束的作用；第三二次曲面24可采用但不限于椭球面，通过设计使光线汇聚到光轴上一点；第四二次曲面25 可采用但不限于椭球面，通过设计是使光线汇聚到光轴上同一点。
需要说明的是，在该实施例中，光学聚集单元2的多个二次曲面给出了具体的形式，但本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例，每个二次曲面可以有不同的设计方式，这些都不应认为超出本发明的范围，即本发明实施例对此不做任何限定。
下面结合图2对本发明的技术方案进行详细的描述，需要说明的是，这仅仅是举例说明，并不对本发明实施例构成任何限定。
如图2所示，一种针对固体出射荧光的测量方法100，包括：
110、待测量固体1受到激光照射，发生受激辐射出射荧光，荧光光线从待测量固体1 中心出射，小孔径角部分光线通过第一二次曲面21进行一次汇聚，进入光学聚集单元2，再经过第四二次曲面25二次汇聚，汇聚于光学聚集单元2光轴上一点处；大孔径角光线通过圆柱面或圆台面22，在第二二次曲面23处发生全反射，通过第三二次曲面24进行汇聚，亦汇聚于光学聚集单元光轴上同一点处。
120、将光电敏感单元3中心放置于前述光线汇聚的光轴处，光电敏感单元3在光强作用下会产生电信号，包括电流信号或者电压信号，通过两引脚传输至信号处理单元4。
130、信号处理单元4采用但不限于PCB板设计，包括但不限于去噪部分、滤波部分、放大部分，将信号处理后输出至数据采集单元5。
140、数据采集单元5在上位机控制下，将模拟信号抽样、量化成数字信号，并获得荧光出射强度。
基于上述实施例的固体出射荧光收集系统，通过对光学聚集单元的设计，包括但不限于光学成型材料利用注塑工艺制成；几何尺寸为多段二次曲面拼接，小孔径角光线利用透镜聚光原理设计收集，大孔径角光线利用全反射原理设计收集，且几何尺寸不唯一，大大提高了荧光收集效率，便于更加精确的获得荧光信号中所包含的信息；通过整个荧光收集系统的设计，使信号实现最终处理。利用该发明测量固体出射荧光时，操作简单，易于实现，且能极大提高荧光收集效率。另外，该测量系统易于小型化，适用于集成应用检测领域。经过实际测量，最终的荧光收集效率可以达到70.2％，远远高于其他荧光收集方式。
应理解，在本发明实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种针对固体出射荧光的光学聚集单元(2)，其特征在于，该光学聚集单元(2)外形由多个二次曲面和圆柱面或圆台面拼合而成，多个二次曲面包括第一二次曲面(21)、第二二次曲面(23)、第三二次曲面(24)和第四二次曲面(25)；第一二次曲面(21)、圆柱面或圆台面(22)、第二二次曲面(23)、第三二次曲面(24)、第四二次曲面(25)依次相接，第一二次曲面(21)起到汇聚小孔径角光束的作用；第二二次曲面(23)要保证从待测量固体(1)出射的荧光中透过圆柱面或圆台面(22)的光线满足全反射条件，起到汇聚大孔径角光束的作用；第三二次曲面(24)用于使光线汇聚到光轴上一点；第四二次曲面(25)用于使光线汇聚到光轴上同一点。
2.根据权利要求1所述的一种针对固体出射荧光的光学聚集单元(2)，其特征在于，该光学聚集单元(2)由光学成型材料利用注塑工艺制成。
3.根据权利要求2所述的光学聚集单元，其特征在于，第一二次曲面(21)可采用球面，第二二次曲面(23)可采用椭球面，第三二次曲面(24)可采用椭球面，第四二次曲面(25)可采用椭球面。
4.一种针对固体出射荧光的光学收集系统，其特征在于，包括：权利要求1-3任一项所述的光学聚集单元(2)、光电敏感单元(3)、信号处理单元(4)和数据采集单元(5)，其中，
待测量固体(1)设置在所述光学聚集单元(2)前方的凹陷处，所述待测量固体会出射荧光；
所述光电敏感单元(3)、所述信号处理单元(4)和所述数据采集单元(5)设置在所述光学聚集单元(2)后方；
所述光学聚集单元(2)会收集所述待测量固体(1)出射的荧光，并将光汇聚到所述光电敏感单元(3)上；
所述光电敏感单元(3)将光信号转变为电信号传输到所述信号处理单元(4)；
所述信号处理单元(4)将电信号进行放大、滤波、去噪处理后，传输到所述数据采集单元(5)；
所述数据采集单元(5)将模拟信号抽样、量化变为数字信号得到固体出射荧光的强度。
5.根据权利要求4中所述的针对固体出射荧光的光学测量系统，其特征在于，所述电信号对应的值包括电压值和电流值。
6.根据权利要求4中所述的针对固体出射荧光的光学测量系统，其特征在于，所述数据采集单元(5)包括NI板卡。
7.一种针对固体出射荧光的测量方法(100)，利用权利要求4-6任一项所述的针对固体出射荧光的光学收集系统，其特征在于：包括如下步骤：
步骤110、待测量固体(1)受到激光照射，发生受激辐射出射荧光，荧光光线从待测量固体(1)中心出射，小孔径角部分光线通过第一二次曲面(21)进行一次汇聚，进入光学聚集单元，再经过第四二次曲面(25)二次汇聚，汇聚于光学聚集单元(2)光轴上一点处；大孔径角光线通过圆柱面或圆台面(22)，在第二二次曲面(23)处发生全反射，通过第三二次曲面(24)进行汇聚，亦汇聚于光学聚集单元光轴上同一点处；
步骤120、将光电敏感单元(3)中心放置于所述光线汇聚的光轴处，光电敏感单元(3)在光强作用下会产生电信号，包括电流信号或者电压信号，通过两引脚传输至信号处理单元(4)；
步骤130、信号处理单元(4)将信号处理后输出至数据采集单元(5)；
步骤140、数据采集单元(5)在上位机控制下，将模拟信号抽样、量化成数字信号，并获得荧光出射强度。
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