CN1989403A - 检测和分析光学感应探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过测量与信号强度和信号调制相移有关的信息来检测光学传感器。所提出的方法采用CMOS和/或CCD图像仪和具有不同波长的发光源。该系统能够实现对相移的非接触测量，从而实现对气体浓度的远距离测量。

Description

检测和分析光学感应探针
技术领域
本发明涉及通过测量与信号强度和信号调制相移有关的信息来检测光学传感器。
背景技术
廉价、灵巧并且一次性的智能标签，RFID和聪明标签的市场迅速增长。由这种装置所检测的最需要的参数为温度、压力、湿度、PH值、气体浓度(CO2，CO，NH4，以及其他)以及特定化学离子(氨等)的浓度。今天基本的挑战在于，在传感器和检测装置侧都得到很好的市场解决方案。在最一般的方法中，检测构件需要以这样的方式包括到检测区域中，即，能够检测感兴趣的参数(气体、PH...)，同时仍然能够被较远的测量单元远距离地激发和询问。
该技术的将来用户之一为包装工业，其中，几种货物根据其性质需要在很好确定和控制的条件下包装。因此，化学、制药以及电子工业频繁地要面对暴露到像温度、氧气或湿度的因素中的问题，这些因素的过量导致所包装货物过早地变质。食物包装工业典型地需要努力避免太高浓度的氧气和太高的温度。
存在几个其他的应用，其中，为了一般安全或产品保存期限的原因，需要对一氧化碳、二氧化碳、氨或特定化学离子进行远距离、光学的评价。如今工业需要的较好例子是食物包装工业的氧气检测，其现在采用MAP(改进的大气包装(Modified Atmosphere Packaging))包装箔来保证所包装货物的恒定和较低的氧气浓度。这里，解决方案在于，将氧气感应元件放置在该包装的内部或将其直接放置在包装箔上，该氧气感应元件能够检测O2的浓度并且光学地或通过RF将该信息传送给检测器单元。
很强的价格压力、较小的尺寸需要以及一次性传感器的真正需要淘汰了通过RF与检测或分析单元远距离通信的多种“聪明标签”。
该情况的解决方案在于，在包装的内部设置化学化合物，该化合物的发光(emission)性能直接地取决于氧气浓度。如果使用几种可能容易、光学可激发的有机金属复合体(过渡金属有机复合体，优选地为高芳香族化合物，例如卟啉等，氧粒子是这些化合物的荧光抑制剂)，则上述方案可容易地实现。因此，检测化合物或发光探针在其被具有特定波长的远端的照明激发之后，会发出光学信号(荧光)，该信号随时间衰减，直接地指示温度和氧气浓度。该抑制剂(这里：氧)与信号衰减的关系通过SternVolmer关系来描述。
该测量可能依赖发光强度或发光(荧光)寿命。在第一种情况中，对发光探针对浓度以及其纯度的依赖具有很大的缺点。基于荧光信号衰减、荧光调制相移或极化类型的测量以及发光的变化都不依赖于此。不幸的是，几乎所有的关注化合物的荧光强度和寿命不仅依赖于特定荧光抑制剂的浓度，而且也依赖于温度。
然而，存在使用另一种光学激发的化合物的可能性，该化合物的荧光强度或衰减时间仅取决于温度。该化合物仅单独使用时就为一次性和远距离的温度传感器给出了优秀的解决方案，同时在与抑制剂相关的化合物一起使用时提供了Stern-Volmer关系的内部温度的校准，该Stern-Volmer关系将抑制剂浓度、温度和荧光衰减联系起来。Oregon Green-488荧光染料与几个公知的氧感应化合物之一，例如RU(II)[dpp(SO3Na)2]3)CI2，RU(II)(dpp)，PdTCPPP，PtOEP或其他Cr、Mn或过渡金属有机复合体一起可以用于该目的。采用荧光探针的重要特征在于，这些探针在非常短的时间期间内是可逆的，从而涵盖迅速的温度或大气变化。
激发/分析单元的现有技术采用锁定分析仪、调制信号发生器以及光电倍增器。这些装置非常复杂并且具有非常大的尺寸。从技术和商业(高价值)两者的观点来看，不可能将这些设备的尺寸减小到几个应用中所需要的手握式装置的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的远距离传感器和检测装置。
为了克服上述问题，本发明提出一种用于询问光学感应探针的装置，其包括检测单元，该检测单元用于检测从所述光学感应探针所发出的光波。根据本发明，所述检测单元包括至少一个CMOS和/或CCD图像仪或至少一个CMOS和/或CCD传感器矩阵。
所述检测装置优选地包括至少一个与所述图像仪或传感器矩阵相关的闸门构件，所述至少一个闸门构件用于解调从所述光学感应探针发射出的光波。该闸门构件可包括机械闸门或电闸门，其在所述CMOS和/或CCD传感器的硅结构(silicon structure)(锁定像素结构)中执行。
在优选实施例中，所述装置还包括发光源，该发光源的波长与所述光学感应探针的吸收波长相应。可替代地，所述装置可包括具有不同波长的多个发光源，所述各波长与不同光学感应探针的吸收波长相应。
本发明因而提出了一种手持的并且相对低廉的装置，这通过采用光学传感器技术与波长相应于光学感应化合物吸收波长的发光(LED)源一起来实现(在RullDPP和类似复合体的情况中，以及在Oregon Green-488染料的情况中，吸收波段位于420nm附近)。CMOS传感器矩阵必须覆盖发射带宽，在所列举的化合物的情况下位于500和750nm之间。需要对信号强度和信号调制相移进行测量，以使检测电子装置真正地能够通用和具有多种目的。
测量装置的实现基于光学矩阵传感器，其能够以使相移能够被提取的方式解调反射的调制光。感应部分必须通过电子闸门或机械闸门来实现，以分离调制。该测量的基础原理是公知的，这是因为利用相移测量飞行时间(TOF)测量原理描述在T.Spirig等人的“The multitap lock-in CCD with offsetsubtraction”，IEEE Transactions on electron devices，Vol.44，No.10，1643-1647，October 1997或者R.Lange，P.Seitz的“Solid State Time-Of-Flight RangeCamera”，IEEE Journal of Quantum Electronics，37(2001)390中。
利用该技术进行距离测量的不同在于，该测量必须在特定范围的波长中来完成。
根据本发明的装置可以用于许多不同的应用中，例如用于检测感应区域中的气体浓度，其中，所述光学感应探针响应于待确定的气体浓度，或用于检测轿车或任何禁闭或敞开空间内部的空气质量(CO2和O2浓度。湿度和温度)。此外，所述装置可用于远距离温度检测，其中，所述光学探针包括温度敏感的发光染料。
附图说明
参照附图，通过对几个非限制性实施例的以下说明，本发明将变得更加显而易见，其中：
图1概略性地示出了光学测量的原理；以及
图2概略性地表示将电子闸门执行为在不同图像传感器中的光学锁定像素结构。
具体实施方式
检测单元必须配置成，目标的反射以如下的形式来测量。如果发光源以S(t)＝sin(2fmt)发射，则传感器上的反射光将具有相应于r(t)＝sin(2fmt-Φ)的形式。
接收器侧上的解调根据发射的波阵面S(t)对传来的波阵面r(t)具有解调的可能性。
所称混频器的实现取决于所采用的传感器结构。采用标准矩阵传感器，解调可以例如通过机械闸门来实现。实现解调更为有效的方法是在CCD传感器的硅结构中执行电闸门。在该实施例中，可以在一个敏感区域上提供两个门，其通过调制信号来控制。结果是，在各门处的信号具有用于相移计算的直接信息。
在与最大的一半调制期间相应的闸门打开的时间中，每个敏感区域在其两个门处收集两个信号，从而能够计算相移。
由于相移也取决于光源和感应探针之间的距离以及感应探针和摄像机之间的距离，所以这需要进行修正。观察不到感应探针的各像素或感应区域(the pixels or sensing areas，which do not seen the sensing probe)用来进行距离测量。
基于该传感器原理，检测系统可以实现为具有观察到较大视场(FOV)可能性的矩阵。为了扩大应用的领域，用于不同类型气体的不同光学滤波器的用途可以适用于光学有效区域。

Claims (10)

1、一种用于询问光学感应探针的装置，其包括：检测单元，该检测单元用于检测从所述光学感应探针所发出的光波，其特征在于，所述检测单元包括至少一个CMOS和/或CCD图像仪。
2、一种用于询问光学感应探针的装置，其包括检测单元，该检测单元用于检测从所述光学感应探针所发出的光波，其特征在于，所述检测单元包括至少一个CMOS和/或CCD传感器矩阵。
3、如权利要求1或2所述的装置，还包括与所述图像仪或传感器矩阵相关联的至少一个闸门构件，所述的至少一个闸门构件用于解调从所述光学感应探针发射出的光波。
4、如权利要求3所述的装置，其中所述闸门构件包括机械闸门。
5、如权利要求3所述的装置，其中所述闸门构件包括电闸门，该电闸门在所述CMOS和/或CCD传感器的硅结构中实现。
6、如权利要求1至5中任一项所述的装置，还包括至少一个发光源，该发光源的波长与所述光学感应探针的吸收波长相应。
7、如上述权利要求中任一项所述的装置，还包括具有不同波长的多个发光源，所述各波长与不同光学感应探针的吸收波长相应。
8、一种将如上述权利要求中任一项所述的装置用于检测感应区域中的气体浓度的用途，其中，所述光学感应探针响应于待确定的气体浓度。
9、一种将如上述权利要求中任一项所述的装置用于检测轿车或任何禁闭或敞开空间内部的空气质量的用途。
10、一种将如上述权利要求中任一项所述的装置用于远距离温度检测的用途，其中，所述光学探针包括温度敏感的发光染料。
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