CN111682042A - 一种窄带光源阵列及光学检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄带光源阵列及光学检测设备，所述窄带光源阵列包括衬底、设于衬底一侧的凹坑阵列和设于衬底另一侧的激发光阵列，激发光阵列包括若干呈阵列分布的单色发光元件；凹坑阵列中的凹坑与单色发光元件一一对应设置；凹坑底面为弧形曲面，凹坑内填充有可透光填充物，填充物的折射率与衬底的折射率不同；至少部分凹坑内的填充物包裹有光致发光量子点。所述光学检测设备包括前述的窄带光源阵列、样品池和彩色光学信号传感器，样品池设于窄带光源阵列与彩色光学信号传感器之间。本发明利用衬底和凹坑内的填充物形成双体透镜，能够使发射光光束汇聚，形成能量均匀、稳定的光信号，克服了现有技术中连续光谱光源能量分布不均的技术问题。

Description

一种窄带光源阵列及光学检测设备

技术领域

本发明涉及一种窄带光源阵列及光学检测设备，属于光学检测技术领域。

背景技术

在生物医学检测领域，光学检测是最为常用的技术，大致分为紫外-可见吸光光度法和荧光法。前者如利用农药对酶活性抑制效果来检测农药残留浓度的酶活性法，基于辣根过氧化物酶显色的酶联免疫反应；后者如荧光定量PCR或基于荧光标记抗体的酶联免疫反应等等。不论是吸收法还是荧光法，其原理都是依据样品浓度与射入光的吸收(或激发)强度成正比(朗伯-比尔定律)进行计算。

实际上，只有在单色光(即窄带纯色光)的条件下上述关系才能较完美的成立。除此之外，为更准确的获得待测样品的浓度，还需要增设与待测波段差异较大的背景检测光来消除背景的非特异性吸收，以及检测受到激发后待检物质释放的发射光。因此，在实际检测设备中通常设置多个不同的单色波段来完成一个特定目的的检测。为了达到此目的，目前的光学检测设备使用连续光谱光源发光，通过分光光栅或滤镜等手段生成不同波段的窄光带光谱的近似单色光，再通过透镜系统，光线准直系统，狭缝及光电倍增系统等实现多个通道的单色光的产生和检测。而为了保证最终分离的单色光的稳定和强度，还需要设置复杂的供电系统来满足高亮度光源(除检测波长外的光线均浪费)的明亮稳定。这种结构的光路系统零件众多，体积庞大，无法满足光学检测设备微型化的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有多个检测波段高度集成的检测用光源，能够满足微型光学检测设备所需体积小，能耗低，输出光信号稳定性好的需求。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种窄带光源阵列，包括衬底、设于衬底一侧的凹坑阵列和设于衬底另一侧的激发光阵列，所述激发光阵列包括若干呈阵列分布的单色发光元件；所述凹坑阵列中的凹坑与单色发光元件一一对应设置；所述凹坑底面为弧形曲面，凹坑内填充有可透光填充物，所述填充物的折射率与衬底的折射率不同；至少部分凹坑内的填充物包裹有光致发光量子点。

进一步地，所述单色发光元件采用Mini LED或Micro LED，用于产生单一且波长位于200～405nm的窄带紫外单色光。

进一步地，所述衬底由氧化铝，或氮化镓，或氮化镓铝，或上述三者材料组合构成。

进一步地，所述凹坑的底面曲率根据衬底折光率和填充物的折光率计算获取，满足：

r＝f*(n1+n2-2)；

其中：r为凹坑底面曲率半径，f为凹坑填充填充物后形成的透镜焦距，n1 为衬底折射率，n2为填充物的折射率，n2>2-n1。

进一步地，所述填充物为封埋有光致发光量子点的，或仅含环氧树脂溶剂、PAnMMA-N二嵌段共聚物或polyTPD类发光高分子聚合物有机共聚物。

进一步地，各所述凹坑内填充物所包含光致发光量子点的发射波长不同。

进一步地，所述凹坑上覆盖有封口膜。

第二方面，本发明提供了一种光学检测设备，包括彩色光学信号传感器、样品池和前述任一项所述的窄带光源阵列，所述样品池设于窄带光源阵列与彩色光学信号传感器之间，所述窄带光源阵列发出的光能够透过装有待检测样品的样品池，以使彩色光学信号传感器能够采集到相应的光信号。

进一步地，所述彩色光学信号传感器包括带有RGB,RYYB,RGGB不同形式滤光片的CCD或CMOS阵列。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果至少包括：

1、衬底的一侧设置凹坑阵列，该凹坑阵列中的凹坑一方面用于承载填充物，另一方面与所承载的填充物形成双体透镜，单色发光元件产生的激发光通常情况下是发散的，这样会导致进入检测光路的光线仅占发射光的一小部分，在衬底凹坑与凹坑内填充的材料构成双体透镜的情况下，所有进入双体透镜区域内的光线都会被汇聚，从而使激发光或量子点受激产生的发射光光线汇聚于检测光路内，从而最大限度地利用发光元件所产生的光；整个系统没有移动零件，发光元件及双体透镜可以做的很小，整个光源阵列体积可以相应的缩减到很小 (面积小于1平方毫米)，而且输出的照明更稳定，能量更集中；

2、对于凹坑中包含光致发光量子点的填充物，透过凹坑的激发光能够被凹坑中的光致发光量子点所吸收，从而产生与激发光不同波段的窄带光，当采用不同发射波长的光致发光量子点时，便能够组合产生多波段光源，不再需要复杂的光栅及分光元件；对于凹坑中不包含光致发光量子点的填充物，激发光经双体透镜折射后射出，与从包含光致发光量子点的填充物射出的窄带光共同形成多波段窄带光；

3、采用Mini LED或Micro LED作为激单色发光元件，光电转换效率高，亮度高，体积紧凑，无活动部件，加之Mini LED或Micro LED的每个单色发光元件可分别控制，可激发不同发射波长的量子点形成不同波长的检测光，整个部件可以微型化，能够满足微型检测设备需要；

3、本发明提供的光学检测设备由于采用了前述的窄带光源阵列，也同样能够产生前述窄带光源阵列所产生的技术效果；此外，彩色光学信号传感器采用 CCD及CMOS，相比传统的光电倍增管，其可以有效的区分不同波长的信号，并可以通过算法处理背景噪声，提高检测灵敏度。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种窄带光源阵列的局部结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的另一种窄带光源阵列的局部结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的一种光学检测设备的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的两个不同波段窄带光源的分布结构示意图；

图5是根据本发明实施例提供的四个不同波段窄带光源的分布结构示意图；

图中：1、封口膜；2、衬底；3、N型GaN限制层；4、多量子阱；5、P型 GaN限制层；6、反射层；7、N电极；8、驱动电路板；9、填充物；10、P电极； 11、样品池；12、彩色光学信号传感器；101、102、103、104、窄带光源阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

如图1所示，是本发明实施例提供的一种窄带光源阵列的局部结构示意图，应当理解，图1中仅示出了一个凹坑和一个单色发光元件，用于更加清楚地说明衬底2、单色发光元件、凹坑等结构件的位置及连接关系，但不代表本发明实施例提供的窄带光源仅具有一个单色发光元件和一个凹坑，不能以此来限制本发明的保护范围。本发明实施例所提供的窄带光源阵列主要包括衬底2、凹坑阵列和对应凹坑阵列中每个凹坑设置的单色发光元件，多个单色发光元件共同形成了与凹坑阵列对应的激发光阵列。

如图1所示，单色发光元件生长于衬底2的下表面，凹坑阵列蚀刻于衬底2 的上表面，凹坑阵列中的每个凹坑均对应有一个单色发光元件。单色发光元件的光源出射点应与凹坑相对应，以使单色发光元件发射光线能够射向所述凹坑。

凹坑的底面为弧形曲面，深度从中间向四周逐渐变浅，从而在衬底2上形成平凹透镜，能够使单色发光元件发出的激发光发散，形成发散光；凹坑内填充有包含光致发光量子点的填充物9，应当明白该填充物9必然具有透光性，从而在凹坑内形成平凸透镜，发散光能够被光致发光量子点吸收，从而产生与激发光波长不同的光信号，且该光信号经平凸透镜的汇聚，能够形成能量更加均匀、稳定的光信号。

凹坑的底面曲率可以根据衬底2折射率和填充物的折射率计算获取，满足：

r＝f*(n1+n2-2)；

其中：r为凹坑底面曲率半径，f为凹坑填充填充物9后形成的透镜焦距，n1为蓝宝石折射率，一般选1.4；n2为填充物9的折射率，本发明实施例中填充物9选取溶解有光致发光量子点的环氧树脂，折光率可以选定为1.5，n2>2-n1。

本发明实施例提供的窄带光源阵列将单色发光元件作为光致发光量子点的激发光源，由带有凹坑的衬底2和填充于凹坑内的含有光致发光量子点的填充物9构成的双体透镜获取所需波段的光信号，结构简单、能耗低，不存在复杂的活动结构(如：光栅或分光系统)，克服了现有技术中连续光谱光源能量分布不均的技术问题，有助于实现窄带光源体积的微型化；将含有光致发光量子点的填充物9作为凹坑填充物，具有激发光谱宽、半峰宽较窄、波长可调的优势，发射波长半波峰可实现小于15nm，能够满足常规光学检测所用单色光对带宽的要求。

需要说明的是，并非所有凹坑内填充的填充物都必须包含光致发光量子点，当填充物中不包含光致发光量子点时，单色发光元件发射的激发光经通过前述的双体透镜折射后射出，其波长与激发光相同，其能够与从包含光致发光量子点的填充物射出的窄带光共同形成多波段窄带光。各凹坑内可以填充不同发射波长的光致发光量子点，采用同一波长激发光源，也可以产生不同发射波长的光谱；当然，为获取相同发射波长的光谱，各凹坑内也可以填充相同波长的光致发光量子点。各单色发光元件可以分布于同一驱动电路板8上，对于发射波长不同的光致发光量子点所对应的单色发光元件能够被分时驱动，以根据需要产生所需波段的光源。

作为本发明的一种实施例，单色发光元件可以采用Micro LED。Micro LED 可以发射出较为集中的窄带光谱光源、光电转换效率高，且鉴于Micro LED体积较小，将其应用于窄带光源中将有助于进一步实现窄带光源的微型化。但不限于此，单色发光元件还可以是MiniLED。

Micro LED可以包括N型GaN限制层3、多量子阱4、P型GaN限制层5、反射层6、P电极10和N电极7。沿远离衬底2的方向，N型GaN限制层3上依次生长多量子阱4、P型GaN限制层5和反射层6。在生长过程中，按未来切割的位置在N型GaN限制层3上预留电极，用于加装N电极7；反射层6上加装P电极10。将N电极7和P电极10连接于驱动电路板8相应接线端，即可实现Micro LED的驱动。多量子阱4的激发波长必须是短波长，本发明实施例中多量子阱4可以选用激发波长为200～405nm的紫光或蓝光多量子阱。

需要说明的是，前述Micro LED的结构仅是本发明提供的一种实施例，作为光致发光量子点的激发光源，Micro LED还可以采用其他结构，例如：针对前述结构进行改进：在N型GaN限制层3与衬底2之间生长GaN缓冲层；再如： P型GaN限制层5和P电极10之间省略反射层6。但相比较而言，未生长GaN 缓冲层的Micro LED具有更小的体积、更有助于实现微型化；而具有反射层6 的Micro LED具有更大的前向光强度。

凹坑内所填充的填充物9可以是环氧树脂溶剂，也可以是固态环氧树脂。除环氧树脂外，填充物还可以是PAnMMA类二嵌段共聚物材料，如： PAnMMA-PEG或PAnMMA-PtBuA或polyTPD-FA(Poly([N,N'-diphenyl-N, N'-bis(4-tert-butylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine]-alt-formaldehyde))等有机化合物中。

如图2所示，当填充物9为液态溶剂时(如：环氧树脂溶剂)，为对溶剂进行密封定位，凹坑上还应当覆盖封口膜1，以便于对填充物进行定位密封。应当明白，该封口膜1应当选用具有较高透光率的材料制成，比如：可以选用PET 封口膜1。当填充物9呈现固态时，则不必须采用封口膜1对凹坑进行密封，能够获取更好的透光性。

在本发明实施例中凹坑可以设于衬底2的非生长侧，避免影响在生长侧的发光量子阱的形成，更容易实现精确的加工。衬底2可以由氧化铝，或氮化镓，或氮化镓铝，或上述三者材料组合构成。

本发明实施例提供的窄带光源阵列的制备方法包括如下步骤：

于衬底2的一侧制作凹坑阵列；

于衬底2的另一侧对应凹坑阵列的每个凹坑各布设一个单色发光元件；

将包含有光致发光量子点的填充物9填充于所述凹坑中。

本发明实施例提供的窄带光源的制备方法操作简便、易行。

其中，所述单色发光元件的布设方法包括如下步骤：

于衬底2上布设N型GaN限制层3；

在N型GaN限制层3上预留电极，用于加装N电极7；

沿远离所述衬底2的方向，于N型GaN限制层3上依次布设蓝光多量子阱 4、P型GaN限制层5和反射层6；

于反射层6上安装P电极10。

实施例二：

在解析中，彩色光学信号传感器的不同独立通道可以获得不同强度的光电信号，不同发射波长的光线在彩色传感器不同通道上的信号强度分布不同，因此经分析可判别其属于哪种波长的发射光，光线经过样品前后的强度不同，可通过计算相应的样品吸收强度，结合检测波长可推断待检样品的浓度。基于该技术构思，本发明实施例还提供了一种光学检测设备，如图3所示，包括样品池11、彩色光学信号传感器12和实施例一中任一项所述的窄带光源阵列。样品池11设于窄带光源阵列和彩色光学信号传感器12之间，窄带光源阵列发出的光信号能够透过装有待检测样品的样品池11，以使彩色光学信号传感器12能够采集到相应的光信号。

本发明实施例提供的光学检测设备使用时，单色发光元件激发光致发光量子点输出特定波长的光信号，带有凹坑的衬底2形成平凹透镜，位于凹坑内的含有光致发光量子点的填充物9形成平凸透镜，平凹透镜和平凸透镜相配合促使单色发光元件发出的光信号形成近似汇聚的照明光源照射至装有待检测样品的样品池11。彩色光学信号传感器12能够检测到通过样品池11的光信号，不同的色彩通道上会检测到不同的数值。当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，而与透光度T成反相关，在此原理上，根据现有算法即可计算出样品吸收了多少背景光，或样品被激发产生多少发射光，同时也可以通过不同通道的信号强度采用已知算法排除背景干扰，进而通过相关公式计算出样品的浓度或含量。

下面结合具体算法对样品浓度的计算原理进行解释说明：

如下式所示，是比尔—朗伯定律数学表达式：

A＝lg(1/T)＝Kbc

A为吸光度；T为透射比(透光度)，是出射光强度(I)比入射光强度(I₀)；K 为摩尔吸光系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；c为吸光物质的浓度，单位为mol/L；b为吸收层厚度，单位为cm，b也常用L替换，含义一致。

由于本发明实施例提供的光学检测设备采用了如实施例一所述的窄带光源阵列，其必然也能够产生如实施例一所述的技术效果；此外，本发明实施例提供的光学检测设备只需要检测窄带光源阵列发出的光信号(包括光色和光强)，不需要考虑背景干扰，能够简化计算方法、提高计算精度。

已知的紫外-可见光学检测方法大多数集中在几个主要的波长光信号，例如：常用的ELISA检测方法只要405nm，450nm，492nm，532nm，630nm等几个波长光信号；检测农残的酶抑制率法需要405nm，492nm两个波长的光信号。为产生不同发射波长的光谱，本发明实施例可以在凹坑阵列中的各凹坑内填充不同发射波长的光致发光量子点，与凹坑阵列对应设置的多个单色发光元件可以设置于同一驱动电路板8上，驱动电路板8能够独立驱动任一单色发光元件发光，当采用同一波长激发光源，便可以产生不同发射波长的光谱。需要说明的是，并非所有凹坑内填充的填充物都必须包含光致发光量子点，当填充物中不包含光致发光量子点时，单色发光元件发射的激发光经通过前述的双体透镜折射后射出，其波长与激发光相同，其能够与从包含光致发光量子点的填充物射出的窄带光共同形成多波段窄带光。

作为本发明实施例的一种等同替换，本发明实施例也可以配置多个如图1 所示的窄带光源阵列。如图4所示，是本发明实施例给出的两个窄带光源阵列 101、102的分布结构示意图，两个窄带光源阵列101、102的光致发光量子点的发射波长不同。再如图5所示，是本发明实施例给出的四个窄带光源阵列101～104 的分布结构示意图，四个窄带光源阵列101～104的光致发光量子点的发射波长也可以不同。各窄带光源阵列可以共用同一驱动电路板8，也可以采用多个驱动电路板8，由一个或多个处理器进行驱动控制。

为了能够使光信号较好的透过，样品池11优先选用无色透明材料制成。样品池11的壁厚相同，内部充盈待检测样品时，从各处入射的光信号能够以相同的光程通过。

彩色光学信号传感器12可以采用RGB三色彩通道彩色光学信号传感器12，色彩通道的数值表示光色，频率表示光强。三个色彩通道上的滤光片会将接近色彩的光波透过，而阻碍差异明显的光波透过。因此，任何一个窄带光源阵列在最接近的色彩通道的信号最强，在其它两个色彩通道上激发的信号强度较弱，通过不同通道获取数值的组合来判定光色，进而可以推断出哪种是背景发射光，哪种是被标记物的激发光；通过彩色光学信号传感器12发生的频率反推色彩的光强，光色和光强组合即可完整地获取被检测样品的信息。作为本发明实施例的一种等同替换，彩色光学信号传感器12也可以采用带有RGB,RYYB,RGGB 不同形式滤光片的CCD或CMOS阵列。相比传统的光电倍增管，其可以有效的区分不同波长的信号，并可以通过已知算法处理背景噪声，提高检测灵敏度。

综上，本发明实施例提供的光学检测设备，不存在复杂的活动结构(如：光栅或分光系统)，克服了现有技术中连续光谱光源能量分布不均的技术问题，可以通过对单色发光元件进行调节以获得不同波长条件下相同的照明强度，如：通过恒定电流调节电压或恒定电压调节电流的方式调整单色发光元件的光强。本发明实施例提供的光学检测设备可以更好的代替现有分光光度法内用于检测用的光源、分光系统及光源准直系统，实现光学检测设备体积微型化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种窄带光源阵列，其特征在于，包括衬底、设于衬底一侧的凹坑阵列和设于衬底另一侧的激发光阵列，所述激发光阵列包括若干呈阵列分布的单色发光元件；所述凹坑阵列中的凹坑与单色发光元件一一对应设置；所述凹坑底面为弧形曲面，凹坑内填充有可透光填充物，所述填充物的折射率与衬底的折射率不同；至少部分凹坑内的填充物包裹有光致发光量子点。

2.根据权利要求1所述的窄带光源阵列，其特征在于，所述单色发光元件采用Mini LED或Micro LED，用于产生单一且波长位于200～405nm的窄带紫外单色光。

3.根据权利要求1所述的窄带光源阵列，其特征在于，所述衬底由氧化铝，或氮化镓，或氮化镓铝，或上述三者材料组合构成。

4.根据权利要求1所述的窄带光源阵列，其特征在于，所述凹坑的底面曲率根据衬底折光率和填充物的折光率计算获取，满足：

r＝f*(n1+n2-2)；

其中：r为凹坑底面曲率半径，f为凹坑填充填充物后形成的透镜焦距，n1为衬底折射率，n2为填充物的折射率，n2>2-n1。

5.根据权利要求1所述的窄带光源阵列，其特征在于，所述填充物为包裹有光致发光量子点的，或仅含环氧树脂溶剂、PAnMMA-N二嵌段共聚物或polyTPD类发光高分子聚合物有机共聚物。

6.根据权利要求1所述的窄带光源阵列，其特征在于，各所述凹坑内填充物所包含光致发光量子点的发射波长不完全相同。

7.根据权利要求1所述的窄带光源阵列，其特征在于，所述凹坑上覆盖有封口膜。

8.一种光学检测设备，其特征在于，包括彩色光学信号传感器、样品池和权利要求1至7任一项所述的窄带光源阵列，所述样品池设于窄带光源阵列与彩色光学信号传感器之间，所述窄带光源阵列发出的光能够透过装有待检测样品的样品池，以使彩色光学信号传感器能够采集到相应的光信号。

9.根据权利要求8所述的光学检测设备，其特征在于，所述彩色光学信号传感器包括带有RGB,RYYB,RGGB不同形式滤光片的CCD或CMOS阵列。

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