專利名稱：一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)及方法
一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜分光和成像技術(shù)，特別涉及一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)及一種多樣本光譜影像檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
光譜分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)活動(dòng)，特別是在生命科學(xué)、生物工程、化學(xué)制藥等多個(gè)領(lǐng)域的研究中，各類樣本的待檢測(cè)信號(hào)具有弱信號(hào)的特性。光譜分析技術(shù)以其靈敏、準(zhǔn)確、迅速等技術(shù)特點(diǎn)，在這些領(lǐng)域發(fā)揮了其獨(dú)特和重要的作用。
對(duì)各類樣本的采樣檢測(cè)，往往需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)才能得到令人滿意的結(jié)果。目前，對(duì)于多個(gè)樣本的光譜展開和檢測(cè)分析，通常采用精密點(diǎn)掃描技術(shù)與光譜分析技術(shù)相結(jié)合的方式，或者采用不同樣本分別多次進(jìn)樣、多次分析的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管機(jī)械點(diǎn)掃描技術(shù)已經(jīng)比較成熟，定位精度很高；多次進(jìn)樣分析檢測(cè)方法準(zhǔn)確性高，無(wú)樣品間串?dāng)_等問(wèn)題，但是這兩種方法由于都需要對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行逐個(gè)測(cè)試，耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且線狀樣品需要對(duì)后期數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)擬合，圖像容易失真，存在檢測(cè)效率低的問(wèn)題。
光譜分析技術(shù)是將光學(xué)成像和光譜分光兩種技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)在光學(xué)成像系統(tǒng)中增加光譜分光組件，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物的空間信息及光譜信息的同時(shí)獲取。然而，現(xiàn)有的光譜系統(tǒng)因不特別對(duì)軸外像差進(jìn)行校正，僅能對(duì)處于光軸上的目標(biāo)進(jìn)行成像，致使軸外目標(biāo)經(jīng)過(guò)這種光路成像后會(huì)產(chǎn)生很大像差，同時(shí)光譜展開后各波長(zhǎng)譜線經(jīng)成像鏡頭的成像像質(zhì)亦有很大差異，存在對(duì)軸外目標(biāo)分辨力低、軸外光譜分辨力低的問(wèn)題，所以以往的光譜檢測(cè)系統(tǒng)僅能對(duì)單個(gè)樣本進(jìn)行逐個(gè)測(cè)試，對(duì)待檢測(cè)目標(biāo)以及光譜展開、成像范圍有諸多限制。上述這些問(wèn)題在待檢測(cè)信號(hào)微弱、分析信號(hào)質(zhì)量要求高的生命科學(xué)、生物工程、化學(xué)制藥等領(lǐng)域更為顯者ο
由此可見(jiàn)，現(xiàn)有光譜成像系統(tǒng)對(duì)軸外目標(biāo)的成像效果差，像差問(wèn)題明顯，僅能對(duì)單個(gè)樣本進(jìn)行成像然后再逐一進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)大量樣本，和處理生命科學(xué)、生物工程、化學(xué)制藥等領(lǐng)域的弱信號(hào)樣本時(shí)檢測(cè)效率低，存在諸多缺陷，亟待改進(jìn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服多個(gè)樣本光譜檢測(cè)系統(tǒng)中常存在的檢測(cè)效率低的不足，提供一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)樣本信息同時(shí)、獨(dú)立的進(jìn)行光譜分析的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)及檢測(cè)方法。
本發(fā)明提供的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，包括依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡頭、濾光片、 分光器件、成像鏡頭和光譜影像探測(cè)器，其中，所述多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)還包括能夠承載線狀樣品陣列并能夠?qū)⑺鼍€狀樣品陣列調(diào)整到所述準(zhǔn)直鏡頭的焦平面上的線狀樣品陣列承載裝置，所述探測(cè)器為能夠調(diào)整傾斜角度的面陣探測(cè)器。
較佳地，所述準(zhǔn)直鏡頭與所述成像鏡頭口徑相同，準(zhǔn)直鏡頭與濾光片之間設(shè)置有貓眼光闌。
較佳地，所述準(zhǔn)直鏡頭與所述成像鏡頭為相對(duì)孔徑D/f’ > 1 1.4的組合透鏡。
較佳地，所述準(zhǔn)直鏡頭與所述成像鏡頭為焦距為20 80mm的4 7片組合式透^Mi ο
較佳地，所述濾光片為能夠截止激發(fā)光譜透過(guò)檢測(cè)光譜的長(zhǎng)波通濾光片或帶通濾光片。
較佳地，所述分光器件為閃耀光柵或棱鏡或棱柵。
較佳地，所述探測(cè)器為面陣CXD探測(cè)器。
本發(fā)明提供的多樣本光譜影像檢測(cè)方法利用所述任一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)進(jìn)行多樣本光譜影像檢測(cè)，所述多樣本為線狀樣本陣列，具體包括以下步驟通過(guò)所述線狀樣品承載裝置將線狀樣品陣列置于準(zhǔn)直透鏡的焦平面上，且線狀樣品陣列中心在準(zhǔn)直鏡頭光軸上；將所述探測(cè)器的像面置于成像鏡頭的焦平面處，并調(diào)整像面傾斜的角度，降低成像系統(tǒng)色差；發(fā)射用以激發(fā)所述線狀樣本陣列的激發(fā)激光，最終在探測(cè)器上形成多樣本光譜影像。
較佳地，所述線狀樣本陣列的陣列的寬度小于經(jīng)過(guò)檢測(cè)光路成像后一個(gè)象素對(duì)應(yīng)的寬度；陣列總長(zhǎng)度小于檢測(cè)光路可以于空間方向清晰成像的長(zhǎng)度。
線狀樣品陣列可以為采用激光激發(fā)待檢物品產(chǎn)生檢測(cè)光譜的樣品陣列，此時(shí)照射到待檢物品上的激發(fā)光寬度須滿足產(chǎn)生線狀樣品陣列所要求的寬度。
本發(fā)明使用能夠承載線狀樣品陣列并能夠?qū)⑺鼍€狀樣品陣列調(diào)整到所述準(zhǔn)直鏡頭的焦平面上的線狀樣品陣列承載裝置、校正空間方向軸外像差的準(zhǔn)直透鏡、校正空間方向及光譜方向軸外像差的成像透鏡、一個(gè)控制整個(gè)光路系統(tǒng)漸暈的貓眼光闌，以及可以適當(dāng)傾斜從而減少系統(tǒng)色差的光譜像接受面來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足多樣本測(cè)試要求的空間分辨力和光譜分辨力。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)樣本信息同時(shí)、獨(dú)立的進(jìn)行準(zhǔn)確高效的光譜分析。


圖1為本發(fā)明的一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)的檢測(cè)光路示意圖加為中心樣本經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭示意圖，圖2b為上邊緣樣本經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭示意圖， 圖2c為上邊緣樣本經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭示意圖3為提高像面照度均勻性的貓眼光闌示意圖4為復(fù)合光譜光束經(jīng)光柵后按照光譜展開示意圖5為經(jīng)像差校正的檢測(cè)光路系統(tǒng)在空間方向及光譜方向光線點(diǎn)列分布圖6a說(shuō)明了光路檢測(cè)系統(tǒng)色差的產(chǎn)生；圖6b說(shuō)明了通過(guò)傾斜像面使檢測(cè)系統(tǒng)的色差得到適當(dāng)校正；
圖7為本發(fā)明用于毛細(xì)管陣列熒光光譜檢測(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明用于檢測(cè)被激光激發(fā)熒光染色的16組DNA片段所得到的光譜圖像。
圖中1-線狀樣品陣列，2-準(zhǔn)直鏡頭，3-濾光片，4-分光器件，5-成像鏡頭，6_面陣接收器，7-貓眼光闌。
具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明的一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)的檢測(cè)光路示意圖，檢測(cè)光路由被照明的線狀樣品陣列1，準(zhǔn)直鏡頭2，濾光片3，分光器件4，成像鏡頭5以及面陣接收器 6組成。圖中未表示能夠承載線狀樣品陣列1并能夠?qū)⑺鼍€狀樣品陣列1調(diào)整到所述準(zhǔn)直鏡頭的焦平面上的線狀樣品陣列承載裝置。
該多樣本光譜像檢測(cè)光路可以獨(dú)立檢測(cè)被照明的生物樣本，該光路僅用于樣本信號(hào)的檢測(cè)而不同時(shí)用于對(duì)樣本的照明。
如圖1所示，檢測(cè)時(shí)，將線狀樣品陣列1置于準(zhǔn)直鏡頭2的焦平面處，將線狀樣品陣列1發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭2準(zhǔn)直后形成一系列平行光。圖加為中心樣本經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭示意圖，圖2b為上邊緣樣本經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭示意圖，圖2c為上邊緣樣本經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭示意圖。經(jīng)濾光片3消除瑞利散射光等雜散光。濾光后的平行光系列經(jīng)過(guò)分光器件4后按照光譜分布分別展開。使用成像透鏡5將一系列按照光譜展開的平行光束成像到面陣探測(cè)器 6上，從而得到包含樣品陣列空間信息以及光譜信息的光譜圖，實(shí)現(xiàn)一個(gè)樣品陣列的同時(shí)檢測(cè)。
通常，在空間方向，可以根據(jù)待檢線狀樣品陣列1的長(zhǎng)度和空間像在面陣探測(cè)器6 上的像高來(lái)確定光路系統(tǒng)的垂軸放大率。而光路系統(tǒng)的垂軸放大率又由準(zhǔn)直鏡頭2、成像鏡頭5的焦距比決定。例如，當(dāng)線狀樣品陣列1的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，空間像在面陣探測(cè)器6上的像高為L(zhǎng)' 則，準(zhǔn)直鏡頭2的焦距f'工、成像鏡頭5的焦距f' 2應(yīng)滿足L /;
- = ^r A J2
線狀樣品陣列1的長(zhǎng)度L決定了準(zhǔn)直鏡頭2在空間方向應(yīng)該校正像差的最小線視場(chǎng)范圍；空間像在面陣探測(cè)器6上的像高L'工決定成像鏡頭5在空間方向應(yīng)該校正像差的最小線視場(chǎng)范圍。
根據(jù)面陣探測(cè)器6在空間方向象素的尺寸來(lái)優(yōu)化準(zhǔn)直、成像鏡頭在空間成像方向上的像差，使得鏡頭的空間分辨力高于探測(cè)器的空間分辨力，以保證整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的最優(yōu)空間分辨力。
此外，在應(yīng)用最為廣泛的生物、醫(yī)藥等樣本光譜檢測(cè)系統(tǒng)中，目標(biāo)檢測(cè)信號(hào)為弱信號(hào)，而根據(jù)光路系統(tǒng)像面照度與系統(tǒng)相對(duì)孔徑的平方成正比的關(guān)系，本發(fā)明中光路要在條件允許的情況下盡量選擇大孔徑。綜合像面照度及系統(tǒng)成本等多方面因素，準(zhǔn)直、成像鏡頭可選擇1 1彡D/f’彡1 1.4的較大相對(duì)孔徑組合透鏡。通常，4 7片的組合式透鏡可以滿足上述像差、相對(duì)孔徑等使用要求。
根據(jù)生物樣本分析儀器通常的總體尺寸，準(zhǔn)直、成像鏡頭的焦距可以選擇在 20mm 80mm之間，尤以50mm左右的中等尺寸最為常用。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際儀器的設(shè)計(jì)要求， 并不拘泥于該尺寸范圍。鏡頭的焦距選擇適中的尺寸將有利于降低制造成本。另外，可以將準(zhǔn)直鏡頭2和成像鏡頭5設(shè)計(jì)為完全相同，這對(duì)簡(jiǎn)化加工裝調(diào)、節(jié)約成本和提高系統(tǒng)部件的通用性有益。當(dāng)選擇相同鏡頭時(shí)，光路檢測(cè)系統(tǒng)的放大率為1。
在光譜展開方向，通常需要首先確定待檢樣本出射光譜信號(hào)的有效光譜范圍。例如，在熒光光譜檢測(cè)系統(tǒng)中，常用的有效光譜檢測(cè)范圍為400nm 700nm，則面陣探測(cè)器6 在光譜展開方向的接收范圍應(yīng)包含400nm 700nm的光譜信號(hào)。再由面陣探測(cè)器6在光譜展開方向的實(shí)際長(zhǎng)度L' 2，可以大致確定分光器件4的線色散以及使用的色散范圍。另，= ，則可知角色散。若選擇分光器件4為如圖4所示的光柵，則根據(jù)光柵方程確定 αλ αλ光柵周期。
系統(tǒng)的光譜分辨力由分光器件4的光譜分辨力，準(zhǔn)直鏡頭2、成像鏡頭5在光譜方向的像差以及面陣探測(cè)器6在光譜方向的象素尺寸來(lái)決定。如果選擇光柵作為分光器件，則光柵的光譜分辨力^^= +，其中，N為光柵的刻線數(shù)，可見(jiàn)，在已確定周期時(shí)，可以通過(guò)mN增加光柵的尺寸來(lái)提高光柵分辨力。同校正空間方向的像差類似，面陣探測(cè)器6在光譜方向的長(zhǎng)度L' 2，為光學(xué)鏡頭在該方向需要校正像差的視場(chǎng)范圍。校正系統(tǒng)像差后，系統(tǒng)各有效視場(chǎng)范圍內(nèi)的點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)分光并成像后的點(diǎn)列圖小于面陣探測(cè)器6 —個(gè)象素的大小，此時(shí)，系統(tǒng)的空間分辨力、光譜分辨力均由面陣探測(cè)器6決定。
圖5給出了本發(fā)明一個(gè)應(yīng)用例的成像點(diǎn)列圖。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)光譜像檢測(cè)系統(tǒng)，各個(gè)視場(chǎng)樣品發(fā)出的信號(hào)在各個(gè)有效譜段均能夠在像面上匯聚在一個(gè)象素以內(nèi)，空間和光譜兩個(gè)方向的分辨力均由探測(cè)器的分辨力決定。
濾光片3可以起到消除系統(tǒng)雜散光的作用。其選擇需要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)時(shí)的照明光源光譜和檢測(cè)光譜來(lái)進(jìn)行選擇。例如，在激光誘導(dǎo)熒光光譜檢測(cè)的光路中，濾光片3的作用是將激光分布的譜段全部濾掉而透過(guò)熒光光譜，出射的熒光光譜較激發(fā)的激光譜波長(zhǎng)長(zhǎng)， 可以使用合適的長(zhǎng)波通濾光片濾掉激光。
系統(tǒng)中使用制冷型CCD以提高系統(tǒng)對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)靈敏度。
在多個(gè)樣本同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要保證測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各個(gè)樣本傳遞效率的均勻性。 而通常，由多個(gè)元器件組成的光路系統(tǒng)是存在漸暈的。如圖2所示，在準(zhǔn)直鏡頭2與成像鏡頭5 口徑相同時(shí)，邊緣視場(chǎng)光線受切割產(chǎn)生漸暈。為了解決這種問(wèn)題，可以通過(guò)在光路系統(tǒng)中增加貓眼光闌7，如圖3所示，來(lái)消除各個(gè)視場(chǎng)能量傳遞效率的不均勻性。
由于光學(xué)透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光線折射率不同，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)色差。如圖6a 所示。如果像普通成像系統(tǒng)一樣將像面6垂直置于成像鏡頭5的焦平面處，那么軸外成像的光譜將存在較大像差。若將像面6適當(dāng)傾斜，如圖6b所示，可以減小檢測(cè)系統(tǒng)色差。
圖7為本發(fā)明用于毛細(xì)管陣列熒光光譜檢測(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖，激光依次激發(fā)毛細(xì)管陣列內(nèi)被熒光染色的樣品形成線狀樣品陣列1，經(jīng)過(guò)檢測(cè)光路得到光譜圖像。此線狀樣本陣列的陣列的寬度小于經(jīng)過(guò)檢測(cè)光路成像后一個(gè)象素對(duì)應(yīng)的寬度，以保證光譜分辨力；陣列總長(zhǎng)度小于檢測(cè)光路可以于空間方向清晰成像的長(zhǎng)度，以保證所有樣品展開光譜都能清晰成像在面陣探測(cè)器上。圖7中投射到線狀樣本陣列上的激光線位置為線狀樣品陣列的位置 (線狀樣品陣列由激光依次激發(fā)放在毛細(xì)管陣列中的樣品產(chǎn)生)。該激發(fā)激光的寬度經(jīng)過(guò)整個(gè)檢測(cè)光路成像后應(yīng)該與探測(cè)器一個(gè)象素的寬度相當(dāng)或更小。例如，檢測(cè)光路的放大率為1 1，探測(cè)器一個(gè)象素寬度為對(duì)微米，則，激發(fā)激光激發(fā)毛細(xì)管的寬度應(yīng)為對(duì)微米左右或者更小。經(jīng)過(guò)激光激發(fā)后的樣品即為待檢測(cè)的線狀樣本陣列。該陣列會(huì)出射包括一定光譜范圍的熒光光譜。該熒光光譜帶經(jīng)過(guò)后續(xù)檢測(cè)光路，分光成像在面陣探測(cè)器上。圖8為用于檢測(cè)被激光激發(fā)熒光染色的16組DNA片段所得到的光譜圖像。
權(quán)利要求
1.一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，包括依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡頭、濾光片、分光器件、 成像鏡頭和光譜影像探測(cè)器，其特征在于，所述多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)還包括能夠承載線狀樣品陣列并能夠?qū)⑺鼍€狀樣品陣列調(diào)整到所述準(zhǔn)直鏡頭的焦平面上的線狀樣品陣列承載裝置，所述探測(cè)器為能夠調(diào)整傾斜角度的面陣探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直鏡頭與所述成像鏡頭口徑相同，準(zhǔn)直鏡頭與濾光片之間設(shè)置有貓眼光闌。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直鏡頭與所述成像鏡頭為相對(duì)孔徑D/f’彡1 1.4的組合透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直鏡頭與所述成像鏡頭為焦距為20 80mm的4 7片組合式透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，其特征在于，所述濾光片為截止檢測(cè)系統(tǒng)激發(fā)光譜、透過(guò)待檢光譜的長(zhǎng)波通濾光片或帶通濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，其特征在于，所述分光器件為閃耀光柵或棱鏡或棱柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)器為面陣CXD探測(cè)器。
8.一種多樣本光譜影像檢測(cè)方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述的多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)進(jìn)行多樣本光譜影像檢測(cè)，所述多樣本為線狀樣本陣列，具體包括以下步驟通過(guò)所述線狀樣品承載裝置將線狀樣品陣列置于準(zhǔn)直透鏡的焦平面上，且線狀樣品陣列中心在準(zhǔn)直鏡頭光軸上；將所述探測(cè)器的像面置于成像鏡頭的焦平面處，并調(diào)整像面傾斜的角度，降低成像系統(tǒng)色差。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多樣本光譜影像檢測(cè)方法，其特征在于，所述線狀樣本陣列的陣列的寬度小于經(jīng)過(guò)檢測(cè)光路成像后一個(gè)象素對(duì)應(yīng)的寬度；陣列總長(zhǎng)度小于檢測(cè)光路可以于空間方向清晰成像的長(zhǎng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多樣本光譜影像檢測(cè)方法，其特征在于，線狀樣品陣列為采用激光激發(fā)待檢物品產(chǎn)生檢測(cè)光譜的樣品陣列，照射到待檢物品上的激發(fā)光寬度滿足產(chǎn)生線狀樣品陣列所要求的寬度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)及檢測(cè)方法。本發(fā)明提供的一種多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)，包括依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡頭、濾光片、分光器件、成像鏡頭和光譜影像探測(cè)器，所述多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)還包括能夠承載線狀樣品陣列并能夠?qū)⑺鼍€狀樣品陣列調(diào)整到所述準(zhǔn)直鏡頭的焦平面上的線狀樣品陣列承載裝置，所述探測(cè)器為能夠調(diào)整傾斜角度的面陣探測(cè)器。利用上述多樣本光譜影像檢測(cè)光路系統(tǒng)可以進(jìn)行線狀樣本陣列的光譜影像檢測(cè)。本發(fā)明可以對(duì)多個(gè)樣本信息同時(shí)、獨(dú)立的進(jìn)行準(zhǔn)確高效的光譜分析。可以廣泛用于生命科學(xué)、化學(xué)、制藥等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B7/00GK102507510SQ201110329310
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者孫丹, 常海龍, 龐曉東, 王守山, 許正光, 陳惠民, 高寧 申請(qǐng)人:公安部第一研究所, 北京中盾安民分析技術(shù)有限公司