CN217981253U - 一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，包括平板型光电成像探测器；滤光片，具有若干滤光区域，覆盖于所述平板型光电成像探测器上；光纤连接器，覆盖于所述滤光片上；所述光纤连接器上分布有若干第一透光孔，以及若干与所述第一透光孔一一匹配的光纤连接头，所述光纤连接头上连接有入射光纤。针对现有的荧光检测方法均无法适应大通量的实时荧光PCR检测系统和等温荧光PCR检测系统的快速准确检测荧光的技术问题，本实用新型提供了一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，它可以大幅提高光电检测部分的速度，同时完全避免了透镜带来的边缘效应和畸变问题，也不需要使用额外的参考试剂，同时还不需要经常做校正。

Description

一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置

技术领域

本实用新型涉及生物检测技术领域，具体涉及一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置。

背景技术

在新冠病毒肆虐的时候，快速核酸检测对控制和战胜疫情非常重要。本专利的主要目的在于让PCR核酸检测设备中的荧光检测部分变得更加快速和高效，能够更快地给出准确的诊断结果，便于大规模的核酸快速检测时使用。

荧光PCR检测系统是目前大规模的核酸检测时使用最多的设备。它们就有检测精度高(灵敏度高和特异性高)的特点。荧光PCR检测系统又分为两大类：实时荧光PCR检测系统和等温荧光PCR检测系统。实时荧光PCR检测系统和等温荧光PCR检测设备中的最核心的部件就是高灵敏度荧光检测装置。为了增加检测的准确度，实时荧光PCR检测系统和等温荧光PCR检测系统一般会采用多个荧光通道的检测，便于检测病毒的多个典型的标志物。目前最常见的PCR检测设备多采用4-6个荧光通道，老式的PCR检测设备则采用单通道或者双通道。一般来说，PCR检测设备中的荧光检测通道越多，它能够使用的试剂种类就对越多，检测效率也会更高。

目前的大通量的实时荧光PCR检测系统和等温荧光PCR检测系统有以下的两种常见的荧光检测方法：1、采用单个多通道的荧光检测头，通过机械移动的方式对每一个检测的试管做逐一扫描，这种方式检测周期长，结构寿命短；2、采用透镜的制冷型CCD成像技术同时做多个试管的荧光检测，这种成像技术会有边缘效应和透镜的畸变问题，在CCD成像中心的试管的检测更加灵敏，而在边缘的试管的检测的灵敏度会有所下降，常需要使用额外的参考试剂，校正比较费时。

实用新型内容

1、实用新型要解决的技术问题

针对现有的荧光检测方法均无法适应大通量的实时荧光PCR检测系统和等温荧光PCR检测系统技术问题，本实用新型提供了一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，它可以大幅提高光电检测部分的速度，同时完全避免了透镜带来的边缘效应和畸变问题，也不需要使用额外的参考试剂，同时还不需要经常做校正。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型提供的技术方案为：

一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，包括平板型光电成像探测器；滤光片，具有若干滤光区域，覆盖于所述平板型光电成像探测器上；光纤连接器，覆盖于所述滤光片上；所述光纤连接器上分布有若干第一透光孔，以及若干与所述第一透光孔一一匹配的光纤连接头，所述光纤连接头上连接有入射光纤。

可选地，还包括设于所述平板型光电成像探测器和所述滤光片之间的遮光片，所述遮光片上分布有若干与所述第一透光孔一一匹配的第二透光孔。

可选地，所述平板型光电成像探测器为非晶硅薄膜晶体管阵列结构、金属氧化物薄膜晶体管阵列结构或CMOS晶体管阵列结构中的一种。

可选地，所述光纤连接头包括固连于所述光纤连接器上的光纤连接座，以及用于将所述入射光纤固定于所述光纤连接座上的光纤头。

可选地，所述光纤头包括固定于所述入射光纤端部，且与所述光纤连接座插接配合的第一光纤头。

可选地，所述光纤头包括固定于所述光纤连接座内的第二光纤头，且所述光纤头内具有用于固定所述入射光纤的固定孔。

可选地，所述光纤头包括固定于所述光纤连接座内的第二光纤头，且所述光纤头内具有用于固定所述第一光纤头的固定孔。

可选地，所述光纤连接器内还设有用于将光线转换成平行光的透镜。

可选地，所述光纤连接头安装于所述光纤连接器表面。

可选地，所述光纤连接头嵌入式安装于所述光纤连接器内。

3、有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本基于平板型光电成像探测器的光电检测装置避免使用任何机械移动部件，不再需要对每个试管依次轮流进行扫描检测，可有效地缩短了总体的检测时间；

(2)本基于平板型光电成像探测器的光电检测装置避免使用任何机械移动部件，有效地避免了机械移动装置容易出现问题和故障的情况，提高了整个设备的抗出错冗余。

(3)本基于平板型光电成像探测器的光电检测装置无需采用带透镜的制冷型CCD成像技术来做多个试管的荧光检测，有效地避免了带透镜的制冷型CCD成像技术会产生的边缘效应；也避免了因为制冷导致的透镜和成像芯片表面容易结雾导致的问题。

(4)本基于平板型光电成像探测器的光电检测装置无需采用制冷型CCD成像技术做多个试管的荧光检测，让设备的校正变得更加简单，而且也不再需要经常做费时费力的校正。

附图说明

图1为本实用新型实施例提出的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置的结构示意图(光纤连接头设于所述光纤连接器表面)；

图2为本实用新型实施例提出的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置的结构示意图(所述光纤连接头嵌入式安装于所述光纤连接器内)；

图3为本实用新型实施例提出的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置的剖面示意图(光纤连接头设于所述光纤连接器表面)；

图4为本实用新型实施例提出的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置的剖面示意图(所述光纤连接头嵌入式安装于所述光纤连接器内)；

图5为本实用新型实施例提出的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置的剖面示意图(所述光纤连接头嵌入式安装于所述光纤连接器内，所述光纤连接器内安装有透镜)；

1、平板型光电成像探测器；2、滤光片；3、光纤连接器；4、光纤连接头；5、入射光纤；6、遮光片；7、光纤连接座；8、第一光纤头；9、第二光纤头；10、透镜。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”、“固设于”或“安设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。进一步地，当一个元件被认为是“固定连接”另一个元件，二者可以是可拆卸连接方式的固定，也可以不可拆卸连接的固定，如套接、卡接、一体成型固定、焊接等，在现有技术中可以实现，在此不再累赘。当元件与另一个元件相互垂直或近似垂直是指二者的理想状态是垂直，但是因制造及装配的影响，可以存在一定的垂直误差。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型中涉及的“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

结合附图1-5，本实施例的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，包括平板型光电成像探测器1，所述平板型光电成像探测器1能够直接将入射的非常微弱的光信号转换成电信号后再变成图像，平板型光电成像探测器1检测到的图像在所有的试管都没有荧光时总的图像基本均匀，没有任何的亮点；当部分试管中含有检测的目标病毒的核酸片段时，这些试管的某些荧光信号会被平板型光电成像探测器1检测到，在一些试管所对应的光纤的光斑处会呈现不同的亮点，这些光斑的光强会明显高于没有病毒的试管对应的光斑的光强，人们一般只需要根据实验结果设定一个阈值，就能够找出没有病毒的试管位置和有病毒的试管位置，进而获得检测的诊断结果；滤光片2，具有若干滤光区域，覆盖于所述平板型光电成像探测器1上，所述滤光区域的数量需要大于或者等于实时荧光PCR设备中的使用的试剂的荧光通道数，如果使用的试剂的荧光通道数为4，那么本实施例中的滤光片2必须含有4个或以上的不同的滤光区域，不同的滤光区域可通过设置不同带通波长和中心波长的滤光片来实现；光纤连接器3，覆盖于所述滤光片2上，所述光纤连接器3上分布有若干第一透光孔，以及若干与所述第一透光孔一一匹配的光纤连接头4，所述光纤连接头4上连接有入射光纤5，所述第一透光孔的数量等于实时荧光PCR设备中的试管数和荧光通道数的乘积，实时荧光PCR设备中需要检测的每一个试管中的荧光通过对应的入射光纤5导出，然后将所述入射光纤5依次接入到所述光纤连接头4中，以将所有试管中的荧光通过入射光纤5导入到所述平板型光电成像探测器1中，就可以同时快速完成多个试管的荧光的检测。

本基于平板型光电成像探测器的光电检测装置用一块大小合适的平板型光电成像探测器1就能够在不使用透镜的条件下，就能够对多个试管和多个荧光通道同时进行检测成像，与依次轮流进行扫描检测的实时荧光PCR设备相比，可以大幅提高光电检测部分的速度(对于常见的96个试管的设备，光电检测速度可以提高几十倍)，与采用带透镜的制冷型CCD成像技术来做多个试管的荧光检测的实时荧光PCR设备相比，完全避免了透镜带来的边缘效应和畸变问题，也不需要使用额外的参考试剂，同时还不需要经常做校正，有利于大规模的推广和使用。

作为本实用新型的可选方案，还包括设于所述平板型光电成像探测器1和所述滤光片2之间的遮光片6，所述遮光片5上分布有若干与所述第一透光孔一一匹配的第二透光孔，述遮光孔片5上除了众多的第二透光孔外，一律不透光，所述遮光孔片5上第二透光孔直径一般在零点几个毫米到数个毫米之间，所述遮光孔片5上第二透光孔直径如果太小，会因为单根光纤的成像面积太小而容易导致荧光检测成像时的感光度不够；所述遮光孔片5上第二透光孔直径如果太大，容易导致荧光检测成像时光纤的成像光斑大而和邻近的光纤的成像光斑之间产生相互的窜扰，影响检测结果；而带有众多第二透光孔的遮光孔片5可以根据实际应用的需求成为选配的部件，所述遮光孔片5的主要任务是确保每一根光纤的成像光斑和邻近的光纤的成像光斑之间没有明显的光的窜扰，在平板型光电成像探测器1的成像面积较大，而需要检测的光纤数量不多而且光纤的光斑本身较小的情况下，非常可能在没有所述遮光孔片5的情况下，每一根光纤的成像光斑和邻近的光纤的成像光斑之间仍然没有明显的光的窜扰，这时就可以选择省略遮光孔片5，在实际应用中，产品的设计者可以通过简单的成像实验来验证是否需要遮光孔片。

作为本实用新型的可选方案，所述平板型光电成像探测器1为非晶硅薄膜晶体管阵列结构、金属氧化物薄膜晶体管阵列结构或CMOS晶体管阵列结构中的一种，所述非晶硅薄膜晶体管阵列，金属氧化物薄膜晶体管阵列，和CMOS晶体管阵列都有以下几个特点：1、能够做较大的像素尺寸：从几十到几百微米的像素尺寸都能够按需生产，在使用几百微米的超大像素尺寸时，平板型光电成像探测器能够获得超高的灵敏度；事实上，在X光成像设备中，人们常用的平板型光电成像探测器的像素尺寸一般在50-250微米之间；安检机中使用的L型光电成像探测器的像素尺寸更大；普通的相机或者手机中使用的CCD或者CMOS成像探测器的像素尺寸一般在0.1-20微米之间(绝大多数相机的成像芯片的像素尺寸在0.1-5微米之间)；因此平板型光电成像探测器的感光度要比普通的相机或者手机中使用的CCD或者CMOS成像探测器的感光度高数百到数万倍；一般来说，在其他条件相同时，传感器的感光度和传感器的像素的面积成正比：假定普通的相机或者手机中使用的CCD或者CMOS成像探测器的像素尺寸是1微米方形，而平板型光电成像探测器的像素尺寸是200微米方形，那么两者的面积比就是200*200除以1*1.等于40000倍，即4万倍；又假定普通的相机或者手机中使用的CCD或者CMOS成像探测器的像素尺寸是10微米方形(一般只在高端的高灵敏度的专业的和特种的相机中使用)，而平板型光电成像探测器的像素尺寸是200微米方形，那么两者的面积比就是200*200除以10*10等于400倍，即4百倍；因此平板型光电成像探测器比普通的相机或者手机中使用的CCD或者CMOS成像探测器的感光度高很多，比高端的高灵敏度的专业的和特种的相机的灵敏度也要高出数百倍，适合做非常微弱的荧光检测；2、能够提供较大的成像区域：成像区域的边长在几个厘米到几十厘米之间，满足在不使用相机透镜时大范围成像的需求；最常见的平板型光电成像探测器的成像区域的边长在5厘米和45厘米之间。平板型光电成像探测器的成像区域可以做到很大，因此不需要再使用透镜来将物体缩小后成像，方便直接成像，既节省了专业透镜的费用，也没有了透镜带来的成像边缘效应以及诸多和透镜畸变相关的等不利影响；3、能够提供非常多的不同的成像区域大小和形状：常见的平板型光电成像探测器的大小和形状种类丰富，让人们可以按照总的大通量实时荧光PCR设备中的试管数和荧光通道数来选择合适的所述平板型光电成像探测器的大小和形状。平板型光电成像探测器可以做成各种大小的方形，长方形，长条形等等，可以较为方便地满足各种成像的需求。

作为本实用新型的可选方案，所述光纤连接头4包括固连于所述光纤连接器3上的光纤连接座7，以及用于将所述入射光纤5固定于所述光纤连接座6上的光纤头，所述光纤头有以下几种设置方式，如图3-5所示，所述光纤头包括固定于所述入射光纤5端部，且与所述光纤连接座7插接配合的第一光纤头8，通过将所述第一光纤头8插接至所述光纤连接座7内即可实现所述入射光纤5的固定，这也是比较方便的一种方式；在上述结构的基础上，还可以在所述光纤连接座7内设置第二光纤头9，且所述光纤头9内具有用于固定所述入射光纤5或所述第一光纤头8的固定孔，若所述光纤头9的端部未设置所述第一光纤头8，则将所述固定孔的直径设计成与所述入射光纤5的直径相适配即可，若所述光纤头9的端部设置有所述第一光纤头8，则将所述固定孔的直径设计成与所述第一光纤头8的直径相适配即可。；所述第一光纤头8和第二光纤头9均为内部贯穿设有供所述入射光纤5穿过的通孔，具体为筒状结构，所述入射光纤5内的荧光可通过该通孔发出，并不会影响所述入射光纤5的导光效果。

如图5所示，所述光纤连接器3内还设有用于将光线转换成平行光的透镜10，其优点在于，将光纤出射的光线先转换成平行光后，再通过滤光片2，滤光片2的滤光效果会更加精准一些，同时平行光在通过滤光片2后被所述平板型光电成像探测器1接收检测时，发散角度可以很小；但是所述光纤连接器3增加了一个的透镜10也会带来以下的缺点：每个光纤连接头中都需要配一个透镜10会增加一定的生产成本(虽然塑料透镜目前已经成本很低)，安装起来也需要花费额外的时间，同时所述光纤连接器3的总的厚度也会相应增加。

作为本实用新型的可选方案，所述光纤连接头4有以下两种设置方式，如图1和3所示，所述光纤连接头4可安装于所述光纤连接器3表面，此时所述光纤连接头4均外露在表面，方便人们将所述入射光纤5插入每一个外露的光纤连接头4中；如图2、3和5所示，所述光纤连接头4嵌入式安装于所述光纤连接器3内，此时，所述光纤连接座7为开设于所述光纤连接器3表面的沉孔，若干所述光纤连接头4都不再外露，相对比较整洁。

作为本实用新型的可选方案，遮光片6可以选用。事实上，所述平板型光电成像探测器对每一个光纤的出射光斑进行成像。一般来说，人们希望每一个光纤的出射光斑在平板型光电成像探测器成像时都能形成完全独立的光斑(有光纤出射光的地方形成一个亮的光斑，没有出射光的地方完全黑暗，这形成了所述的完全独立的光斑)。如果每一个光纤的出射光斑在平板型光电成像探测器成像时无法形成完全独立的光斑，也就是说每一个光纤的出射光斑会跨过了黑暗的边界和邻近的光纤的出射光斑有所相交或者叠加，这时候，每一个光纤的出射光斑就可能对邻近的光纤的出射光斑有影响，同时也可能被邻近的光纤的出射光影响到，就导致了检测荧光时的光串扰问题。克服这个问题的方案之一就是使用遮光片6，让遮光片上的小孔来限制每一个光纤的出射光斑的大小。遮光片除小孔外的其他地方完全能够遮光，就可以帮助克服检测荧光时的光串扰问题。但是在某些的情况下，人们可以选择不使用遮光片，也不容易产生检测荧光时的光串扰问题，例如：(1)将光纤直接插到滤光片的上方，让光纤基本上贴近滤光片；(2)滤光片本身很薄，让光纤的出射光无法形成一个较大的光斑(假定光纤的出射光的角度基本恒定，那么所述平板型光电成像探测器和光纤的出射端距离越近，光纤的出射光在探测器上形成的光斑就越小；反之光斑就越大)；(3)每一根光纤和邻近的光纤的距离较大(每一根光纤和邻近的光纤的距离大于每一个光斑的直径，自然就没有了邻近的光纤的出射光斑有所相交或者叠加的情况)，每一根光纤和邻近的光纤的距离在以下的情况下会比较大：所述平板型光电成像探测器本身的成像面积较大，或者需要检测的光纤数量较少。总而言之，当人们在不使用遮光片，邻近的光纤也不容易产生检测荧光时的光串扰问题时，就可以不选用遮光片。

需要指出的是，虽然平板型光电成像探测器在X光成像领域的应用已经比较普遍，但是它们在可见光领域的应用确非常罕见。主要的原因是在X光成像领域中使用的平板型光电成像探测器都会在探测器的前方增加一块闪烁屏。所述闪烁屏会先将X光转换成可见的荧光，然后在闪烁屏后的平板型光电成像探测器才能够检测到由X光转换出来的可见的荧光。由于一般的闪烁屏都是不透可见光的，所以普通的在X光成像领域中常见的平板型光电成像探测器无法直接在可见光领域中使用。人们需要将平板型光电成像探测器中的闪烁屏去除后，才能够在可见光领域使用。此外，在可见光成像中，一般人们常用镜头来做成像，通过镜头的缩小功能，在相机中放置很小的成像芯片就可以了，根本就不需要使用面积很大的平板型光电成像探测器，这就客观上导致了平板型光电成像探测器很少被使用在可见光的检测应用中。本专利中使用平板型光电成像探测器来检测可见光范围内的试管中的荧光，主要是因为以下两个平板型光电成像探测的主要特点：(1)像素尺寸可以很大，让荧光检测时所需要的很高的检测灵敏度成为可能；(2)成像面积可以很大，因此可以不使用镜头，也就没有了镜头的畸变，同时还可以将众多光纤(数百根)分别直接连接到平板型光电成像探测器的很大的成像表面，能够让众多光纤的各自产生的光斑在成像时可以有效分离，众多光斑之间不混淆不重叠，解决了众多试管的荧光在同时检测时常有的邻近光斑之间的光串扰问题。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：包括

平板型光电成像探测器；

滤光片，具有若干滤光区域，覆盖于所述平板型光电成像探测器上；

光纤连接器，覆盖于所述滤光片上；

所述光纤连接器上分布有若干第一透光孔，以及若干与所述第一透光孔一一匹配的光纤连接头，所述光纤连接头上连接有入射光纤。

2.根据权利要求1所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：还包括设于所述平板型光电成像探测器和所述滤光片之间的遮光片，所述遮光片上分布有若干与所述第一透光孔一一匹配的第二透光孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述平板型光电成像探测器为非晶硅薄膜晶体管阵列结构、金属氧化物薄膜晶体管阵列结构或CMOS晶体管阵列结构中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤连接头包括固连于所述光纤连接器上的光纤连接座，以及用于将所述入射光纤固定于所述光纤连接座上的光纤头。

5.根据权利要求4所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤头包括固定于所述入射光纤端部，且与所述光纤连接座插接配合的第一光纤头。

6.根据权利要求4所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤头包括固定于所述光纤连接座内的第二光纤头，且所述光纤头内具有用于固定所述入射光纤的固定孔。

7.根据权利要求5所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤头包括固定于所述光纤连接座内的第二光纤头，且所述光纤头内具有用于固定所述第一光纤头的固定孔。

8.根据权利要求1所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤连接器内还设有用于将光线转换成平行光的透镜。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤连接头安装于所述光纤连接器表面。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于平板型光电成像探测器的光电检测装置，其特征在于：所述光纤连接头嵌入式安装于所述光纤连接器内。

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