CN115046926A - 一种基于编组直排光栅的扫描识别方法及扫描识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编组直排光栅的扫描识别方法及扫描识别系统，包括：移动装置、检测板、激发光源、编组直排光栅、光纤及识别装置。将多根光纤的一端按照编组间隔直线排列的方式，形成编组直排光栅；或在单根光纤的一端端面通过光刻或腐蚀的方式，形成编组直排光栅。检测板设置在移动装置上，检测板上有矩阵分布的待检物。利用编组直排光栅与检测板形成的相对运动，对检测板进行扫描；待检物发出或反射的光被编组直排光栅采集，并传送到识别装置进行光电转换，从而实现对检测板进行扫描识别。这种扫描识别方式能够对检测板上的待检物进行动态连续计数，以减少识别时间、提高检测效率、提高检测精度。

Description

一种基于编组直排光栅的扫描识别方法及扫描识别系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域、实现数字化单分子扫描，具体涉及一种基于编组直排光栅的扫描识别方法及扫描识别系统。

背景技术

单分子检测（Single Molecule Detection, SMD）是近年来快速发展起来的一种超灵敏的检测技术，其是指从单分子水平上对目标物进行测定与分析，是一种全新的检测方法，也开辟了一种全新的检测领域。单分子荧光检测是单分子检测最常用的方法，通过标记在生物大分子上各个荧光基团的各种特性的变化反映了有关分子间相互作用、酶活性、反应动力学、分子构象、DNA和RNA的转录、蛋白质折叠等生物学信息。单分子荧光检测在化学分析、生物分析、纳米材料分析、医学诊断、法医分析、单细胞分析、分子动力学机理考察等方面都具有独特的应用价值，对许多学科领域的发展产生了和正在产生着深远的影响。单分子荧光检测形式可分为三种：光子爆发检测、单分子图像记录和单分子光谱测绘。光子爆发检测最为简单，直接测定爆发的光子数。单分子成像可指示分子在图像中的位置和发光强弱，实时跟踪记录单分子。其中美国Quanterix公司研发出一种Simoa（Single-molecule Array）技术为目前最为先进的单分子荧光检测技术，该技术的灵敏度为ELISA技术的1000倍以上，检测下限达到fg/mL，实现了单分子的有效检测和定量。

但现有的Simoa技术是采用成像后在图片中数发光分析物的数量，对成像设备有较高的要求，且检测速度慢，导致Simoa技术的应用推广存在难度。为此本申请是采用编组直排光栅对发光的待检物进行动态连续计数，以实现数字化单分子扫描，从而提高检测精度、减少识别时间、提高检测效率。

经专利检索，与本申请有一定关系的主要有以下专利：

1、申请号为“202110018302.1”、申请日为“2021.01.07”、公开号为“CN112859256A”、公开日为“2021.05.28”、名称为“一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法”、申请人为“天津大学”的中国发明专利，该发明专利公开一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法，具体包括以下步骤：(1)在芯片设计图中定位光栅耦合器的位置坐标；(2)将芯片设计图与测量平台上芯片的尺寸进行映射匹配，从而得到芯片中的光栅耦合器在测量平台上的位置坐标；(3)利用程序控制位移台移动，实现耦合光纤与光栅耦合器位置的微米级定位；(4)使用空间扫描方法实现耦合光纤与光栅耦合器位置的百纳米级以下定位，找出最优的耦合位置进行芯片测量。但该专利是通过移动光纤，对准光栅耦合器上的光信号进行逐点扫描，检测效率低。

2、申请号为“202111571233.3”、申请日为“2021.12.21”、公开号为“CN114240755A”、公开日为“2022.03.25”、名称为“一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法”、申请人为“中国科学院光电技术研究所”的中国发明专利，该发明专利公开了一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，包括准直镜头、光纤束、位移驱动器、光电探测器、高压放大器、位移控制及数据采集装置。物体经准直镜头成像于其像方焦平面并被光纤束接收，位移控制装置产生电压信号，经高压放大器放大后，作用于位移驱动器，从而使光纤束面阵对目标物体所成的像进行微位移扫描，精确调节系统扫描步长，即可实现小于等于光学系统衍射极限的位移。本发明利用光纤束纤芯传像的特征并结合微扫描技术，打破目标探测与识别受探测器像元大小影响的限制，实现亚像素位移，补偿包层缺失的信息；并利用光电探测器阵列快速捕获光纤束输出端的光能量信息，减少信息丢失，可实现大视场超高分辨率成像。但该专利是通过凸透镜成像的方式，将光信号投影到光纤束上，不是采用扫描的方式检测光信号，检测精度较低。

3、申请号为“200810201668.7”、申请日为“2008.10.23”、公开号为“CN101387527B”、公开日为“2010.12.15”、名称为“光纤光栅传感解调仪及其应用”、申请人为“曹春耕”的中国发明专利，该发明专利涉及光纤光栅传感解调仪，该解调仪包括大功率ASE 宽谱光源、微光机械扫描滤波系统、光耦合器、光探测器、对数放大电路、信号采集放大与模数转换电路、数字信号处理系统，所述的大功率ASE 宽谱光源与微光机械扫描滤波系统连接，所述的微光机械扫描滤波系统与光耦合器连接，所述的光耦合器与光探测器连接，所述的光探测器与对数放大电路、信号采集放大与模数转换电路、数字信号处理系统依次连接。本发明的的精度有了很大提高，该装置基于微光机械扫描滤波技术和DSP 信号采集与处理技术，性能稳定可靠，测量精度高；可以通过远程读取光纤光栅中心反射波长，实现解调仪的远程实时读取，对于传感系统网状布设，工程实现简单易行。但该专利是通过光纤布拉格光栅传感器进行检测，与本申请采用编组直排光栅的扫描识别方法不同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种基于编组直排光栅的扫描识别方法及扫描识别系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于编组直排光栅的扫描识别方法，所述编组直排光栅是由多个采光点按照编组间隔直线排列的方式组成，所述采光点包括透光点或反光点。检测板上平铺有待检物，利用编组直排光栅与检测板形成的相对运动，对检测板进行扫描；待检物发出或反射的光被采光点采集，并传送到识别装置进行光电转换，从而实现对检测板进行扫描识别。利用编组直排光栅对发光的待检物进行动态连续计数，以减少识别时间、提高检测效率、提高检测精度。所述采光点为方形、圆形或椭圆形。

进一步地，待检物按照矩阵分布的方式平铺在检测板上，编组直排光栅的相邻采光点间距与待检物矩阵间距相同。使得采光点能够对准待检物，减少因采光点不能对准待检物所造成的干扰，能够大幅度提高扫描识别准确率。

进一步地，多个采光点沿光栅方向X间隔排列，组成编组直排光栅。编组直排光栅中的采光点对应检测板上矩阵中的一排待检物。在编组直排光栅与检测板的相对运动过程中，编组直排光栅依次对检测板上矩阵中的每排待检物进行扫描。

进一步地，相邻采光点在垂直于光栅方向错位排列。编组直排光栅中的采光点对应检测板上矩阵中相邻的两排待检物，以增加相邻采光点之间的距离，减小或避免采光点所对准的待检物相邻的待检物的光干扰，提高检测精度。

进一步地，相邻采光点错位距离与相邻采光点间距相等。与待检物矩阵间距相同，使得编组直排光栅错位排列的采光点与待检物位置对应。

进一步地，编组直排光栅与检测板相对运动方向与光栅方向垂直。

进一步地，待检物发出或反射的光，在通过编组直排光栅采集后，经过光纤传送到识别装置。编组直排光栅设置在光纤的一端，识别装置设置在光纤的另一端。利用光纤来传输光信号，能够灵活布置识别装置的位置，使得扫描识别系统结构更为紧凑。

进一步地，多根光纤的一端沿光栅方向X间隔排列，形成编组间隔直线排列的采光点，形成多光纤直排光栅，或多光纤错位光栅。利用多根光纤一端作为采光点，既能够简化扫描识别系统的结构，又能够降低成本。

进一步地，在单根光纤的一端端面通过光刻、腐蚀或镀膜的方式，形成编组间隔直线排列的采光点，形成单光纤直排光栅，或单光纤错位光栅。利用单根光纤的一端制作编组直排光栅，以减少光纤数量，进一步降低成本。

本发明还涉及一种实现上所述的扫描识别方法的扫描识别系统，包括检测板及激发光源，激发光源照射在检测板上。还包括编组直排光栅、光纤、移动装置及识别装置，编组直排光栅设置在光纤一端，识别装置设置在光纤另一端，移动装置带动检测板或编组直排光栅移动，使得编组直排光栅与检测板形成相对运动，编组直排光栅对检测板进行扫描，扫描获得的光信号通过光纤传送到识别装置，识别装置将光信号转换为电信号，从而实现对检测板进行扫描识别。利用编组直排光栅对发光的待检物进行动态连续计数，以减少识别时间、提高检测效率、提高检测精度。

本发明的有益效果为：利用编组直排光栅对发光的待检物进行动态连续计数，以减少识别时间、提高检测效率、提高检测精度。同时利用光纤制作编组直排光栅，既能够简化扫描识别系统的结构，又能够降低成本。

附图说明

图1为扫描识别系统实施例1的立体结构示意图，

图2为扫描识别系统实施例1的正视示意图，

图3为扫描识别系统实施例2的立体结构示意图，

图4为扫描识别系统实施例2的正视示意图，

图5为检测板示意图，

图6为编组直排光栅实施例1的单光纤直排光栅立体结构示意图，

图7为编组直排光栅实施例2的单光纤错位光栅立体结构示意图，

图8为编组直排光栅实施例3的多光纤直排光栅立体结构示意图，

图9为编组直排光栅实施例3的多光纤直排光栅正视示意图，

图10为编组直排光栅实施例4的多光纤错位光栅立体结构示意图，

图11为编组直排光栅实施例4的多光纤错位光栅正视示意图，

图12为扫描识别过程1示意图，

图13为扫描识别过程2示意图，

图14为扫描识别过程3示意图，

图15为扫描识别过程4示意图。

图中：1—移动装置、2—检测板、3—激发光源、4—编组直排光栅、41—多光纤直排光栅、42—多光纤错位光栅、43—单光纤直排光栅、44—单光纤错位光栅、401—采光点、5—光纤、6—识别装置、d—待检物最大尺寸、K—待检物矩阵间距、L—相邻采光点间距、M—相邻采光点错位距离、P—采光点最大尺寸、Q—光纤直径、X—光栅方向、Y—检测板移动方向。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：

本申请的扫描识别系统实施例1如图1和图2所示，包括：移动装置1、检测板2、激发光源3、编组直排光栅4、光纤5及识别装置6。

准待检物201稀释在溶液中，然后分散平铺在检测板2或检测带上。编组直排光栅4是由多个采光点401沿光栅方向X间隔排列的方式组成。所述采光点401为方形、圆形或椭圆形。

激发光源3和编组直排光栅4设置在检测板2的同一侧。检测板2设置在移动装置1上，也可以将编组直排光栅4设置在移动装置1上，使得检测板2或检测带与编组直排光栅4之间形成相对运动。激发光源3发出的光照射在检测板2上，激发部分结合了荧光标记物的待检物201发光。当采光点401贴近并对准待检物201时，采集待检物201发出的光信号，并经过光纤5传到识别装置6，识别装置6中的光敏管将编组直排光栅4采集的光信号转换成电信号，进行运算或远传显示。

为了简化检测部件结构，可以将编组直排光栅4与光纤5的一端结合在一起。可以将多根光纤5的一端按照编组间隔直线排列的方式，形成编组间隔直线排列的采光点401，形成多光纤直排光栅41，或多光纤错位光栅42；光纤直径Q应在待检物最大尺寸d的0.5～1.5倍范围内。也可以在单根光纤5的一端端面通过光刻、腐蚀或镀膜的方式，形成编组间隔直线排列的采光点401，形成单光纤直排光栅43，或单光纤错位光栅44；采光点最大尺寸P在待检物最大尺寸d的0.5～1.5倍范围内。

本申请的扫描识别系统实施例2如图3和图4所示，包括：移动装置1、检测板2、激发光源3、编组直排光栅4、光纤5及识别装置6。

为了使采光点401能够对准待检物201，减少因采光点401不能对准待检物201所造成的干扰，提高扫描识别准确率。预先将待检物201按照矩阵排列的方式排布在检测板2或检测带上。编组直排光栅4的采光点401数量大于或等于检测板2上待检物201矩阵中列数，使得每排中的每个待检物201都有一个采光点401对应。采光点401的最大尺寸应在待检物最大尺寸d的0.5～1.5倍范围内，使得采光点401的大小与待检物201大小相当。当采光点401贴近并对准待检物201时，保证采光点401所采集的光信号是所对准的待检物201发出的光信号，避免周边待检物201所发出的光信号的干扰，提高扫描识别的准确度和检测精度。所以编组直排光栅4不能采用条形光栅，而是采用方形、圆形或椭圆形，以避免采光点401所对准的待检物201周边的待检物201发出的光进入采光点401，干扰检测精度。

检测板2或检测带如图5所示，待检物201以矩阵的方式排布在检测板2上，待检物矩阵间距为K。待检物201包括化学分析、蛋白分析、核酸分析、细胞分析、外泌体分析、循环肿瘤细胞分析、纳米材料分析等各种被检测分析物质分子，可用于精准医疗、法医鉴定、食品安全以及环境保护领域。部分待检物201结合有荧光标记物，激发光源3发出的光照射待检物201上后，待检物201上的荧光标记物会被激发发出荧光。

编组直排光栅实施例1的单光纤直排光栅如图6所示，编组直排光栅4采用单光纤直排光栅43，是在单根光纤5的一端通过光刻、腐蚀或镀膜的方式，形成沿光栅方向X间隔直线排列的采光点401，相邻采光点间距L与待检物矩阵间距K相同，或是待检物矩阵间距K的√2倍。

编组直排光栅实施例2的单光纤错位光栅如图7所示，编组直排光栅4采用单光纤错位光栅44，是在单根光纤5的一端通过光刻、腐蚀或镀膜的方式，形成沿光栅方向X间隔错位排列的采光点401。相邻采光点间距L与待检物矩阵间距K相同，相邻采光点错位距离M与待检物矩阵间距K相同、或是待检物矩阵间距K的整数倍。使单光纤错位光栅44的采光点401对应检测板2上的两排待检物201。

编组直排光栅实施例3的多光纤直排光栅如图8和图9所示，编组直排光栅4采用多光纤直排光栅41，是将光纤5的一端作为采光点401，多根光纤5的一端按照间距为L、沿光栅方向X间隔直线排列。相邻采光点间距L与待检物矩阵间距K相同，或是待检物矩阵间距K的√2倍。待检物201上的荧光被光纤5的一端采集，经过光纤5传送到光纤5的另一端，经识别装置6中的光敏管转换成电信号。

编组直排光栅实施例4的多光纤错位光栅如图10和图11所示，编组直排光栅4采用多光纤错位光栅42，是将多根光纤5的一端沿光栅方向X间隔排列，同时相邻光纤5的一端在垂直于光栅方向X错位排列。相邻采光点间距L与待检物矩阵间距K相同，相邻采光点错位距离M与待检物矩阵间距K相同、或是待检物矩阵间距K的整数倍。使多光纤错位光栅42的光纤5的一端、也就是多光纤错位光栅42的采光点401对应检测板2上的两排待检物201。这种错位排列方式能够加大相邻采光点401之间的距离，以减小或避免采光点401所对准的待检物201相邻的待检物201的光干扰，提高检测精度。

本申请的编组直排光栅的扫描识别方法扫描识别过程1如图12所示，待检物201稀释在溶液中，然后分散平铺在检测板2上。移动装置1带动检测板2相对于编组直排光栅4形成相对运动。同时激发光源3发出的光照射在检测板2或检测带上，激发部分结合了荧光标记物的待检物201发光。多光纤直排光栅41或单光纤直排光栅43上的采光点401对平铺在检测板2上的待检物201进行扫描，采光点401将采集待检物201发出的光信号，并经过光纤5传送到识别装置6，识别装置6中的光敏管将编组直排光栅4采集的光信号转换成电信号，进行计数。

本申请的编组直排光栅的扫描识别方法扫描识别过程2如图13所示，移动装置1带动检测板2相对于编组直排光栅4形成相对运动。多光纤直排光栅41或单光纤直排光栅43上的采光点401与检测板2上呈矩阵分布的待检物201位置对应。同时激发光源3发出的光照射在检测板2上，激发部分结合了荧光标记物的待检物201发光。当采光点401对准第一排待检物201时，将采集第一排中发光的待检物201发出的光信号，并经过光纤5传送到识别装置6，识别装置6中的光敏管将编组直排光栅4采集的光信号转换成电信号，进行计数。在检测板2与编组直排光栅4的相对运动过程中，多光纤直排光栅41或单光纤直排光栅43上的采光点401依次采集检测板2上的每排待检物201发出的光信号，统计出检测板2中发光的待检物201数量，从而实现对待检物201进行动态连续的计数，以提高检测精度、减少识别时间、提高检测效率。

本申请的编组直排光栅的扫描识别方法扫描识别过程3如图14所示，光栅方向X与检测板移动方向Y呈45°的斜角。此时相邻采光点间距L＝√2×待检物矩阵间距K，使多光纤直排光栅41或单光纤直排光栅43上的每个采光点401分别对应检测板2上待检物201矩阵中45°方向中的每个待检物201。在检测板2与编组直排光栅4的相对运动过程中，多光纤直排光栅41或单光纤直排光栅43上的采光点401依次采集检测板2上的每列待检物201发出的光信号，统计出检测板2中发光的待检物201数量，从而实现对待检物201进行动态连续的计数。这种检测方式，能够增加相邻采光点401之间的距离，减小或避免采光点401所对准的待检物201相邻的待检物201的光干扰，提高检测精度。

本申请的编组直排光栅的扫描识别方法扫描识别过程4如图15所示，编组直排光栅4采用多光纤错位光栅42或单光纤错位光栅44。多光纤错位光栅42或单光纤错位光栅44中的采光点401与检测板2上呈矩阵分布的两排待检物201位置对应。当位置在前的采光点401跳格对准第一排待检物201中的一半时，将采集第一排待检物201一半中的光信号，并经过光纤5传送到识别装置6；当位置在前的采光点401对准第二排待检物201中的一半时，位置在后的采光点401将对准第一排待检物201中尚未被扫描的另一半待检物201。在检测板2与编组直排光栅4的相对运动过程中，多光纤错位光栅42或单光纤错位光栅44上的采光点401能够依次采集检测板2上的每排待检物201发出的光信号，统计出检测板2中发光的待检物201数量，从而实现对待检物201进行动态连续的计数。多光纤错位光栅42或单光纤错位光栅44中的采光点401对应检测板2上矩阵中相邻的两排待检物201，以增加相邻采光点401之间的距离，减小或避免采光点401所对准的待检物201相邻的待检物201的光干扰，提高检测精度。

综上所述，本发明的有益效果为：利用编组直排光栅对发光的待检物进行动态连续计数，以减少识别时间、提高检测效率、提高检测精度。同时利用光纤制作编组直排光栅，既能够简化扫描识别系统的结构，又能够降低成本。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于编组直排光栅的扫描识别方法，所述编组直排光栅（4）是由多个采光点（401）按照编组间隔直线排列的方式组成，所述采光点（401）包括透光点或反光点；其特征在于：检测板（2）上平铺有待检物（201），利用编组直排光栅（4）与检测板（1）形成的相对运动，对检测板（2）进行扫描；待检物（201）发出或反射的光被采光点（401）采集，并传送到识别装置（6）进行光电转换，从而实现对检测板（1）进行扫描识别。

2.根据权利要求1所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：待检物（201）按照矩阵分布的方式平铺在检测板（1）上，编组直排光栅（4）的相邻采光点间距（L）与待检物矩阵间距（K）相同。

3.根据权利要求2所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：多个采光点（401）沿光栅方向（X）间隔排列，组成编组直排光栅（4）。

4.根据权利要求3所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：相邻采光点（401）在垂直于光栅方向（X）错位排列。

5.根据权利要求4所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：相邻采光点错位距离（M）与相邻采光点间距（L）相等。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：编组直排光栅（4）与检测板（2）相对运动方向（Y）与光栅方向（X）垂直。

7.根据权利要求6所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：待检物（201）发出或反射的光，在通过编组直排光栅（4）采集后，经过光纤（5）传送到识别装置（6）；编组直排光栅（4）设置在光纤（5）的一端，识别装置（6）设置在光纤（5）的另一端。

8.根据权利要求7所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：多根光纤（5）的一端沿光栅方向（X）间隔排列，形成间隔直线排列的采光点（401），形成多光纤直排光栅（41），或多光纤错位光栅（42）。

9.根据权利要求7所述的基于编组直排光栅的扫描识别方法，其特征在于：在单根光纤（5）的一端端面通过光刻、腐蚀或镀膜的方式，形成编组间隔直线排列的采光点（401），形成单光纤直排光栅（43），或单光纤错位光栅（44）。

10.一种实现权利要求1至9任意一项所述的扫描识别方法的扫描识别系统，包括检测板（2）及激发光源（3），激发光源（3）照射在检测板（2）上，其特征在于：还包括编组直排光栅（4）、光纤（5）、移动装置（1）及识别装置（6），编组直排光栅（4）设置在光纤（5）一端，识别装置（6）设置在光纤（5）另一端，移动装置（1）带动检测板（2）或编组直排光栅（4）移动，使得编组直排光栅（4）与检测板（2）形成相对运动，编组直排光栅（4）对检测板（2）进行扫描，扫描获得的光信号通过光纤（5）传送到识别装置（6），识别装置（6）将光信号转换为电信号，从而实现对检测板（2）进行扫描识别。

Images