CN110031458A - 基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其技术方案要点是包括白光平行光源和依次叠层设置的化敏传感层、滤光片层、光阑层和传感器层，化敏传感层包括有化敏材料菲涅尔波带片，白光平行光源依次通过化敏传感层中的化敏材料菲涅尔波带片后，经过滤光片层的光学滤波和光阑层的空间滤波，最终在传感器层上聚焦，获得各个通道的阵列传感输出信号。本发明灵敏度高、体积小、批量生产成本低、批产方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种化敏传感器，更具体的说，它涉及一种基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统。
背景技术
现代材料科学的发展，越来越多的敏感材料被科学家们研制出来，他们被用于制作各种传感器的核心敏感部分。目前的主要的气体传感器的探测主要利用化敏材料与气体化学反应后，反应过程的热效应、反应前后电学特性差异、反应前后光学特性差异、反应前后质量变化等效应，来实现对气体浓度的检测。目前，利用反应前后电学特性差异的传感器主要利用的是化敏材料反应前后的颜色变化，例如各种试纸、比色皿类检测等，其应用广泛，使用方便，但是这仅仅是一种光学检测的简单应用，而用较为复杂的高灵敏度的光学系统对痕量气体浓度进行检测的报道和文献资料非常罕见。本专利依据不同化敏材料反应前后对某种光波的透过率变化，制作对应波长的波带片，从而实现不同反应程度与波带片强度的相互关联，并用以调节平行光汇聚效能，实现光电探测输出与反应程度相关联，从而达到检测反应程度即待检测气体浓度的功能，本专利技术能实现多种气体组分的探测阵列化、且批量生产方便、具备广泛的应用前景。
目前主要的化敏传感光学检测的相关专利如下：
基于菲涅尔衍射透镜的光学加速度传感器(200510096065.1)，该发明在菲涅尔透镜焦点处放置光纤，光纤发射光经透镜后变成平行光出射，利用带有质量块的金属反射膜对该平行光进行反射，当有加速度时，反射膜变形导致反射光不在平行，因此再经过菲涅尔透镜汇聚后的光强会发生变化，这种变化与膜的形变(加速度导致)的相关联，因此可以用来对加速度进行测量。
倏逝波光纤生物传感器及其应用(200810051392.9)，该发明利用光线倏逝波对表面光学特性改变的超灵敏特性，在其表面植被敏感材料层，从而实现对敏感材料层的高灵敏度检测。
基于多模干涉的声光转换方法及光学麦克风(200910311675.7)，该发明利用多模光纤在振动中不同波长的激光的传输损耗特性会随着振动发生改变的特性，通过后端单模光纤的耦合，自动实现对工作波长的筛选，从而实现对空气中声信号的高灵敏度检测。
有机磷毒剂检测用分子印迹光子晶体(201110053611.9)，该发明利用胶体小球在盖玻片上自组装出三维光子晶体模片，并将分子印迹聚合至光子晶体模片中，从而形成分子印迹三维光子晶体结构，当目标化合物与分子印迹材料相互吸附后，光子晶体模片的光学吸收曲线会随之而改变，因此该系统可以对目标化合物进行高灵敏测量。
用于紫罗兰酮检测的纳米杯阵列生物传感器件的制备方法(201310335882.2)，该发明采用纳米印压技术构造纳米尺寸的杯状结构并在其侧壁沉积纳米金颗粒，用以吸附固定气味结合蛋白，当分子紫罗兰酮与气味结合蛋白发生结合时，会引起纳米杯侧壁的光学折射率改变，从而对透射光光谱造成改变，最终实现对紫罗兰酮的浓度检测。
布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调方法及装置(201410283384.2)，该发明利用泵浦光与另一波长的信号光的高阶四波混频，并利用闲频光的波长分析实现原始激光的波长漂移和相应应变的高灵敏度检测，是一种用于应力应变测量的高灵敏度检测方法。
基于单光束差分检测的光学微流控芯片传感器及测试方法(201410145709.0)，该发明把同一光束经透镜扩束后，对称的两部分分别经过槽A和槽B，并在通过后经透镜聚焦的并被光电探测器探测，由于两路通道的强度变化和光程变化不同，该发明可以对这些差异性进行高灵敏的探测。
水下短距离高速无线光信息透明传输装置(201410135972.1)，该发明利用海水的光学窗口波长-蓝绿光，使用蓝绿光LED作为光源，利用扩束镜、滤光片、菲涅尔透镜等多种光学器件，组成发射与接收的开放光通信链路，实现水下短距离的通信。
一种复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置(201410127830.0)，该发明利用微型滴液系统给绝缘子表面滴上液滴，并建立专用的高压升压系统(1KV/s)和保护电路，实现绝缘闪络事故的模拟，从而通过紫外放电特性对绝缘子的老化等性能进行测试。
一种无标记导模共振布儒斯特传感器检测装置(201410447434.6)，该发明利用入射光以布儒斯特角入射到导模共振型光栅(亚波长光栅)后发生的衍射光对基底、光栅等高度敏感的特性，利用CCD线阵进行检测，从而获得高灵敏的光学检测。
用于检测DNA杂交的可重复使用的长周期微光纤光栅(201510305724.1)，该发明利用长周期微光纤光栅衍射光对其表面折射率变化的高灵敏特性，实现光栅表面涂覆的DNA杂交化学反应的高灵敏检测。
基于溶出伏安的多种重金属离子纳米光学检测装置及方法(201610115180.7)，该发明利用电化学反应过程中纳米杯阵列传感器的透射率变化，通过检测透射光强的变化来对反应浓度进行检测，该发明可以对三种重金属离子浓度进行同时检测。
目前化敏传感材料的光检测技术较为少见，目前检索到的包括：利用倏逝波光纤传感器探测化学反应的“倏逝波光纤生物传感器及其应用(200810051392.9)”、利用分子印迹光子晶体特性检测目标物质的“有机磷毒剂检测用分子印迹光子晶体(201110053611.9)”、双光路差分检测微流量的“基于单光束差分检测的光学微流控芯片传感器及测试方法(201410145709.0)”、导模共振高灵敏度检测化学反应的“一种无标记导模共振布儒斯特传感器检测装置(201410447434.6)”、利用长周期微光纤光栅衍射光检测DNA杂交反应的“用于检测DNA杂交的可重复使用的长周期微光纤光栅(201510305724.1)”、基于折射率改变的“基于溶出伏安的多种重金属离子纳米光学检测装置及方法(201610115180.7)”等。这些专利均利用了生化反应的光学性质改变的特性，实现高灵敏的检测能力。他们与本发明存在明显的不同：第一，不能实现对多化敏材料的集成，即不能实现阵列化检查；第二，不能同时利用多波长检测，即在同时检测中不能采用不同的波长工作；第三，未能使用菲涅尔波带片的强度与聚焦特性的相互关系，因此本发明具备创新的结构、光学系统及检测性能。
在光学检测的参考专利中：(1)菲涅尔光学检测技术：用于加速度检测的“基于菲涅尔衍射透镜的光学加速度传感器(200510096065.1)”、用于水下光通信的“水下短距离高速无线光信息透明传输装置(201410135972.1)”；(2)多模光干涉技术用于空气振动，例如检测“基于多模干涉的声光转换方法及光学麦克风(200910311675.7)”；(3)布拉格光栅检测应力应变的“布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调方法及装置(201410283384.2)”；(4)模拟闪络事故的紫外检测的“一种复合绝缘子憎水性检测及老化评估装置(201410127830.0)”。这些技术均为光学检测的物理检测应用，未能与化敏传感器材料交叉联用，因此与本发明的技术路径与目标存在很大差异。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种通过白光和滤波片的组合，实现多种工作波长的选择，同时利用不同的化敏材料制作的菲涅尔透镜及配套的空间光阑阵列，可以实现多种化敏材料反应程度的检查，从而实现多气体组分的多通道同时检测的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，包括白光平行光源和依次叠层设置的化敏传感层、滤光片层、光阑层和传感器层，化敏传感层包括有化敏材料菲涅尔波带片，白光平行光源依次通过化敏传感层中的化敏材料菲涅尔波带片后，经过滤光片层的光学滤波和光阑层的空间滤波，最终在传感器层上聚焦，获得各个通道的阵列传感输出信号。
本发明进一步设置为：所述的白光平行光源为白光和近红外光。
本发明进一步设置为：所述的化敏传感层由传感层基板、以及设置在传感层基板上的若干化敏材料菲涅尔波带片组成。
本发明进一步设置为：若干化敏材料菲涅尔波带片为分布排列设置的化敏材料菲涅尔波带片M11、化敏材料菲涅尔波带片M12、…、化敏材料菲涅尔波带片M1n、化敏材料菲涅尔波带片M21、化敏材料菲涅尔波带片M22、…、化敏材料菲涅尔波带片M2n、…、化敏材料菲涅尔波带片Mm1、化敏材料菲涅尔波带片Mm2、…、化敏材料菲涅尔波带片Mmn。
本发明进一步设置为：所述的滤光片层由滤光层基板、以及设置在滤光层基板上的若干滤光片单元组成。
本发明进一步设置为：若干滤光片单元为分布排列的滤光片单元F11、滤光片单元F12、…、滤光片单元F1n、滤光片单元F21、滤光片单元F22、…、滤光片单元F2n、…、滤光片单元Fm1、滤光片单元Fm2、…、滤光片单元Fmn。
本发明进一步设置为：所述的光阑层由光阑层基板、以及设置在光阑层基板上的若干光阑单元组成。
本发明进一步设置为：若干光阑单元为分布排列的光阑单元G11、光阑单元G12、…、光阑单元G1n、光阑单元G21光阑单元G22、…、光阑单元G2n、…、光阑单元Gm1、光阑单元Gm2、…、光阑单元Gmn。
本发明进一步设置为：所述的传感器层由传感器层基板、以及设置在传感器层基板上的若干传感器单元组成。
本发明进一步设置为：若干传感器单元为分布排列的传感器单元S11、传感器单元S12、…、传感器单元S1n、传感器单元S21、传感器单元S22、…、传感器单元S2n、…、传感器单元Sm1、传感器单元Sm2、…、传感器单元Smn。
本发明具有下述优点：通过白光和滤波片的组合，实现多种工作波长的选择，同时利用不同的化敏材料制作的菲涅尔透镜及配套的空间光阑阵列，可以实现多种化敏材料反应程度的检查，从而实现多气体组分的多通道同时检测。
本发明有效利用化敏材料与探测气体化学反应后光学性能发生改变的特性，不同浓度的气体发生化学反应的多少不同因而改变化敏传感层上各个菲涅尔透镜的强度，并影响到各透镜的聚光能力，并在传感器层各个对应的探测单元得到不同的信号输出，从而实现了不同化敏材料对不同气体浓度探测的目标，本发明的结构和方法便于批量生产、具有很高的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的阵列结构图；
图3为本发明的具体使用参考图。
图中：(1)是白光平行光源；(2)是化敏传感层；(21)是传感层基板；(221)是化敏材料菲涅尔波带片M11；(222)是化敏材料菲涅尔波带片M12；(223)是化敏材料菲涅尔波带片M21；(224)是化敏材料菲涅尔波带片M22；(225)是化敏材料菲涅尔波带片Mm1；(226)是化敏材料菲涅尔波带片Mm2；(227)是化敏材料菲涅尔波带片M1n；(228)是化敏材料菲涅尔波带片M2n；(229)是化敏材料菲涅尔波带片Mmn；(3)是滤光片层；(31)是滤光片层基板；(321)是滤光片单元F11；(322)是滤光片单元F12；(323)是滤光片单元F21；(324)是滤光片单元F22；(325)是滤光片单元Fm1；(326)是滤光片单元Fm2；(327)是滤光片单元F1n；(328)是滤光片单元F2n；(328)是滤光片单元Fmn；(4)是光阑层；(41)是光阑层基底；(421)是光阑单元G11；(422)是光阑单元G12；(423)是光阑单元G21；(424)是光阑单元G22；(425)是光阑单元Gm1；(426)是光阑单元Gm2；(427)是光阑单元G1n；(428)是光阑单元G2n；(429)是光阑单元Gmn；(5)是传感器层；(51)是传感器层基板；(521)是传感器单元S11；(522)是传感器单元S12；(523)是传感器单元S21；(524)是传感器单元S22；(525)是传感器单元Sm1；(526)是传感器单元Sm2；(527)是传感器单元S1n；(528)是传感器单元S2n；(529)是传感器单元Smn；(6)是阵列传感输出信号。
具体实施方式
参照图1至2所示，本实施例的一种基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，白光平行光源(1)中不同波长光波通过化敏传感层(2)中的化敏材料菲涅尔波带片后，经过滤光片层(3)的光学滤波和光阑层(4)的空间滤波，最终在传感器层(5)上聚焦，获得各个通道的阵列传感输出信号(6)，从而实现使用一个阵列检测多种气体的功能。
白光平行光源(1)发出的平行光为白光和近红外光，其发射光线的平行度较好。
所述的化敏传感层(2)由传感层基板(21)及其上的化敏材料菲涅尔波带片M11(221)、化敏材料菲涅尔波带片M12(222)、…、化敏材料菲涅尔波带片M1n(227)、化敏材料菲涅尔波带片M21(223)、化敏材料菲涅尔波带片M22(224)、…、化敏材料菲涅尔波带片M2n(228)、…、化敏材料菲涅尔波带片Mm1(225)、化敏材料菲涅尔波带片Mm2(226)、…、化敏材料菲涅尔波带片Mmn(229)组成；不同的化敏材料菲涅尔波带片可以由不同的化敏材料制作而成，从而形成对不同气体组分的检测；根据不同的化敏材料与探测气体化学反应后光学性能的变化特点，不同的化敏材料菲涅尔波带片在不同波长的光线下工作，其菲涅尔波带片的光学参数各有不同，但各波带片的焦距均为F0。
所述的滤光片层(3)由滤光层基板(31)及其上的滤光片单元F11(321)、滤光片单元F12(322)、…、滤光片单元F1n(327)、滤光片单元F21(323)、滤光片单元F22(324)、…、滤光片单元F2n(328)、…、滤光片单元Fm1(325)、滤光片单元Fm2(326)、…、滤光片单元Fmn(329)组成；各个滤光片均工作在其对于的各个化敏材料菲涅尔波带片的工作波长上，即选择性通过在工作波长的光。
所述的光阑层(4)由光阑层基板(41)和其上的光阑单元C11(421)、光阑单元G12(422)、…、光阑单元G1n(427)、光阑单元G21(423)、光阑单元G22(424)、…、光阑单元G2n(428)、…、光阑单元Gm1(425)、光阑单元Gm2(426)、…、光阑单元Gmn(429)组成；光阑层(4)中的各个单元分别完成对应菲涅尔波带片聚焦光线的空间滤波，从而实现对成像光学孔径的调节功能；光阑层(4)与化敏传感层(2)之间的距离为LG。
所述的传感器层(5)由传感器层基板(51)和其上的传感器单元S11(521)、传感器单元S12(522)、…、传感器单元S1n(527)、传感器单元S21(523)、传感器单元S22(524)、…、传感器单元S2n(528)、…、传感器单元Sm1(525)、传感器单元Sm2(526)、…、传感器单元Smn(529)组成；各个传感器单元分别把接收到的光信号转换成电信号，实现对各个单元光强信号的检测；传感器层(5)与化敏传感层(2)之间的距离为F0，即传感器层(5)安装于化敏传感层(2)的焦平面上。
所述的阵列传感信号输出(6)为传感层(5)各个传感器单元输出信号的集合，其通道数与化敏传感层(2)的菲涅尔波带片数目相同；不同传感器由于其对应的化敏传感层菲涅尔波带片的材料不同，输出信号代表不同气体浓度的大小。
如图3所示，实施方式1，通过采用上述技术方案，LED基板上的白光LED光源发出的白光经过放置距离为F1的光源整形透镜后变成平行光出射，其中光源整形透镜的焦距为F1。平行光经过滤光片基板上的滤光片后变成为需要的单色平行光入射至化敏基板上的化敏材料菲涅尔透镜上，经过光阑基板上的光阑的空间滤波后被传感器基板上的传感器接收，并转换成传感输出信号。化敏材料菲涅尔透镜的强度由化敏材料与空气中的目标气体化学反应的程度相关，因此传感输出信号的大小能直接反应目标气体的浓度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：包括白光平行光源和依次叠层设置的化敏传感层、滤光片层、光阑层和传感器层，化敏传感层包括有化敏材料菲涅尔波带片，白光平行光源依次通过化敏传感层中的化敏材料菲涅尔波带片后，经过滤光片层的光学滤波和光阑层的空间滤波，最终在传感器层上聚焦，获得各个通道的阵列传感输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：所述的白光平行光源为白光和近红外光。
3.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：所述的化敏传感层由传感层基板、以及设置在传感层基板上的若干化敏材料菲涅尔波带片组成。
4.根据权利要求3所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：若干化敏材料菲涅尔波带片为分布排列设置的化敏材料菲涅尔波带片M11、化敏材料菲涅尔波带片M12、…、化敏材料菲涅尔波带片M1n、化敏材料菲涅尔波带片M21、化敏材料菲涅尔波带片M22、…、化敏材料菲涅尔波带片M2n、…、化敏材料菲涅尔波带片Mm1、化敏材料菲涅尔波带片Mm2、…、化敏材料菲涅尔波带片Mmn。
5.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：所述的滤光片层由滤光层基板、以及设置在滤光层基板上的若干滤光片单元组成。
6.根据权利要求5所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：若干滤光片单元为分布排列的滤光片单元F11、滤光片单元F12、…、滤光片单元F1n、滤光片单元F21、滤光片单元F22、…、滤光片单元F2n、…、滤光片单元Fm1、滤光片单元Fm2、…、滤光片单元Fmn。
7.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：所述的光阑层由光阑层基板、以及设置在光阑层基板上的若干光阑单元组成。
8.根据权利要求7所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：若干光阑单元为分布排列的光阑单元G11、光阑单元G12、…、光阑单元G1n、光阑单元G21光阑单元G22、…、光阑单元G2n、…、光阑单元Gm1、光阑单元Gm2、…、光阑单元Gmn。
9.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：所述的传感器层由传感器层基板、以及设置在传感器层基板上的若干传感器单元组成。
10.根据权利要求9所述的基于菲涅尔波带片的光学检测化敏传感阵列系统，其特征在于：若干传感器单元为分布排列的传感器单元S11、传感器单元S12、…、传感器单元S1n、传感器单元S21、传感器单元S22、…、传感器单元S2n、…、传感器单元Sm1、传感器单元Sm2、…、传感器单元Smn。
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