專利名稱：基于衰減全反射的光傳感器系統和感測方法
技術領域：
本發明涉及基于衰減全反射(ATR)的光傳感器系統，并且更具體地說，涉及基于表面等離子共振的光傳感器系統和用于感測的方法。
背景技術：
基于表面等離子共振(SPR)的傳感器可在市場上購得以用于研究和開發。例如， SI3R傳感器可從瑞典烏普薩拉的GE Healthcare的BIAC0RE 儀器產品線購得。這些市場上可購得的儀器使用傳感器玻璃芯片，其覆蓋有承載固定化化學傳感器層的薄金膜，以及用于讓樣本流體和其他流體在傳感器芯片上通過的集成流體盒。經由棱鏡和可重復使用的光學接ロ將楔形光束耦合到傳感器芯片，以使某個角度范圍的入射光在玻璃/金膜介面處沿著直線在內部反射，從而在玻璃/金介面處產生全內反射(TIR)漸逝場(evanescent field)。在特定波長的唯一性窄角度范圍處，此TIR漸逝場將來自入射光線的能量經由金膜傳遞，并在金膜/傳感器層介面處產生表面等離子波共振。表面等離子波生成增強的漸逝電場，其具有進入金表面的樣本側的特征穿透深度，從而樣本的折射率決定了 sra角度。 光檢測器2D陣列對照沿著照射線的一行傳感器光點(spot)的入射角度檢測反射的光強度分布，以同時產生每個傳感器光點的SHU普。當在光檢測器上對這些多個SHU普成像吋，圖像具有明帶和暗帶。傳感器測量通過反射光的共振耦合以及作為表面等離子能量進入金膜而在檢測器表面上生成的暗帶的角度位置。表面等離子共振的角度位置取決于由SI^R漸逝場穿透的樣本的折射率。反射能量的量也將取決于漸逝場能量的吸收程度，正如樣本在選定波長下具有復值折射率的情況。sra光譜法的高靈敏度和高分辨率是期望的，尤其是在動力學研究的情況中。在高呑吐量生物分子篩檢的領域中，對于SI^R光譜和其他ATR光譜方法，高靈敏度也是所期望的。sra反射曲線的凹陷或峰(或在一些情況下為多個凹陷或峰)或質心(質量中心) 處可檢測到的角度(或波長)變化中的靈敏度或分辨率主要受限于全內反射曲線OlR曲線)的背景光強度的恒定性、漂移和噪聲的程度。理想情況下，IlR曲線相對于入射角度是恒定的。但是，實際中，由于反射隨入射角度變化以及由于來自光源的輻射分布的原因，發射的光束橫跨強度輪廓(profile)，并由此TIR曲線也常常是具有至少ー個最大值的高斯型曲線。反射可能因多種原因而變化，例如棱鏡(或光柵)與等離子支持金屬之間的光耦合中的反射損耗。可以通過適合的軟件算法將恒定的背景強度模式歸一化。但是，變化的背景圖像和/或大大的校正將引入“歸ー化誤差”。無論用于計算凹陷、峰、質心(質量中心)等的算法的類型，ATR譜曲率特征，在高分辨率ATR傳感器儀器中都必須將這種“歸ー 化誤差”減到最小。對整個檢測器陣列上的強度大變化使用歸ー化導致檢測器陣列邊緣上較低強度區域中信噪比降低。一般地，檢測到的高斯型光源強度分布與數學創建并測量的歸ー化強度分布之間的差太大。對于高靈敏度或高分辨率的ATR傳感器裝置以及尤其是sra傳感器，期望盡可能均勻地照射傳感器表面上的某個關注區域，從而提供具有平頂強度輪廓的TIR曲線。常規的表面等離子共振(SPR)測量系統通常包括在IlR處照射表面等離子傳感器裝置的ー個或多個發光二極管(LED)。LED具有相干長度，其足夠長以使SI^R測量系統能夠檢測到SI^R共振中的小位移。能夠檢測到SI^R共振中的小位移使得該系統能夠是高度精確以及高度靈敏的，或者否則改進分辨率。通常，來自LED的光是朗伯的(Lambertian)(發射到半球中的漫射光，其強度具有余弦下降)，并且具有低光功率。LED的這些屬性可能降低入射到ATR傳感器裝置上的光量并降低信噪比(s·)，這可能相應地降低sra測量系統的精確度和靈敏度或分辨率。可以使用邊緣發射光源(如邊緣發射ニ極管、超發光二極管和激光器ニ極管)來輸送入射到ATR 傳感器上的所需的高光功率，因為它們具有窄照射角度中高強度的高度定向束。高功率固態光源(如，邊緣發射ニ極管、超發光二極管和激光器ニ極管)產生高度定向光束。再有當這些光源耦合到光波導或光纖時，來自波導或光纖的輸出光束也是高度定向的。但是，大多數高功率源具有極其不均質的光強度。確切地說，高功率束的光強度遵循高斯分布。當這些光源直接用于sra感測或后接聚焦光學器件吋，入射到檢測器上的束的非均勻強度分布或高斯型強度分布限制了 ATR光譜儀的靈敏度和分辨率。光功率的不均質性限制ATR傳感器，因為對于生物相互作用來說，分辨率太低。例如，多光點陣列的同時高分辨率和精確檢測在制藥開發的高呑吐量篩檢領域中是必不可少的。因此，需要具有均勻光強度的高功率(定向)束。
發明內容
在一個實施例中，本發明的光檢測系統用于生成和檢測具有強度的電磁輻射的束，其包括用于產生電磁輻射的束的源；以及本體，該本體是至少部分透明的并且包括本體的至少一部分上的ATR傳感器層，該本體具有電磁輻射的束的入口表面、反射經入口表面透射的束的內反射表面或外反射表面、以及從第二表面反射的束離開透明本體所經過的出 ロ表面。光檢測系統還可以包括束源與本體之間的分布裝置；其中該分布裝置將束的強度從非均勻強度分布重新分布成基本均勻的強度分布；以及檢測離開本體的電磁輻射的束的檢測器。本發明的系統的另一個實施例可以用作sra檢測系統中使用的光學子系統，并且包括適于產生在單個平面上具有強度分布的束的電磁輻射源、流體流槽(flow cell)、和與流體流槽關聯的sra檢測器。該光學子系統包括準直束的透鏡、修改束以使束強度具有平頂分布的非球面透鏡、準直修改的束的第二非球面透鏡、和將準直的修改的束轉換成變形束并經棱鏡將該束聚焦在等離子發生金屬膜與流體流槽的介面上的柱面透鏡。
當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其他特征、方面和優點，在所有附圖中，相似的符號表示相似部件，其中
圖1是本發明的分布裝置的示例的示意剖面圖，其中示出電磁(光)束通過分布裝置； 圖2是本發明的凹非球面透鏡的示例的示圖； 圖3是本發明的凸非球面透鏡的示例的示圖；圖4是示出平頂強度分布的示例的曲線圖； 圖5是本發明的光檢測系統的示例的示意圖6是本發明的包括放大透鏡子系統的光檢測系統的示例的示意圖；以及圖7是具有平頂強度輪廓的總內反射圖像。
具體實施例方式本發明涉及用于生成并檢測電磁輻射的束的光檢測系統。在這些實施例其中之一中，該光檢測系統包括用于產生電磁輻射的束的源和至少部分透明的本體。將ATR傳感器層設在本體的至少一部分上。該本體具有電磁輻射的束的入口表面、反射經入口表面透射的束的內反射表面、以及從第二表面反射的束離開透明本體所經過的出口表面。該本體可以對于來自光源的光完全透明或至少部分透明。例如，該本體是完全透明的。該本體可以是棱鏡。該光檢測系統還包括設在束源與本體之間的分布裝置，其中該分布裝置將束的強度從非均勻強度分布重新分布成基本均勻的強度分布。該光檢測系統還包括檢測離開本體的電磁輻射的束的檢測器。該光檢測系統在本文中也稱為SI^R系統。正如本文所使用的，術語“電磁輻射”表示紫外線區域(從約10 nm到約400 nm)、 可見光區域(從約400 nm到約750 nm)以及紅外線區域(從約750 nm到約20 μ m)中， 即從約0.4 μ m到約20 μ m的波長范圍中的輻射。為了簡明，將它也稱為“光”。在某些實施例中，該波長范圍在約600 nm至約900 nm的范圍中。在一個實施例中，該電磁輻射具有約785 nm的波長。寬范圍的波長使得成像能夠在寬范圍的生物有關的波長上進行，并且使表面等離子漸逝波能夠穿進生物樣本。電磁輻射源包括邊緣發射ニ極管、超發光二極管或激光源的至少其中之一。在備選實施例中，該電磁輻射源可以連接到光纖，其中光纖輸出端適于產生具有非均勻強度分布的束。邊緣發射光源或將光源與小發射區域耦合的光纖一般促成太小的聚焦線寬，其結合變形成像，且由于光缺陷性導致了含斑紋的ATR圖像。因此，需要使用具有較大發射區域的表面發射ニ極管或通過使用封裝球面和/或非球面表面的透鏡或透鏡系統將邊緣發射 ニ極管的發射區域放大。在一個實施例中，該變形束是楔形束。在一個實施例中，該ATR傳感器層包括等離子發生金屬膜。該ATR傳感器層是漸逝波發生層。該等離子發生膜(通常為，類自由電子金屬)包括金屬化合物、金屬膜層結構、 金屬層表面構造或適當摻雜的半導體膜。等離子發生金屬膜包括金、銀或任何其他等離子發生金屬的其中一種或多種或其混合物或合金。ATR傳感器層設在透明本體上，并且定位在足夠靠近入射光以能夠在金屬膜中實現等離子發生。本體的內反射表面支撐等離子發生金屬膜。由全內反射(如在ATR中)引發的漸逝波探測該金屬膜。內反射表面連同金屬膜在本文中常稱為傳感器表面。在一個實施例中，金屬膜與入射光之間的距離使漸逝波能夠與表面中的等離子體電子相互作用并激發等離子。入射到棱鏡底部上的光穿過等離子波漸逝場探測樣本。可以將ー個或多個固化層設在等離子發生金屬膜表面上。該固化層有助于將相互作用基團固化在傳感器表面上。等離子發生金屬膜上存在相互作用基團有助于傳感器表面環境的參數的改變。例如，存在相互作用基團可能導致傳感器表面環境的折射率的改變。 當光束按特定(共振)角度落在金屬膜上吋，金屬表面電子被設為與激發等離子的光共振。該共振導致光的吸收，并因此在ATR譜強度曲線中產生凹陷。出于此描述的目的，本體中具有包含等離子發生膜和/或ー個或多個固化層的ATR傳感器層的部分也可以稱為傳感器表將光耦合到傳感器表面以用于產生漸逝波有兩種通用方式，通過棱鏡或光柵。在棱鏡耦合的情況中，傳感器表面可以是棱鏡的表面或如經由折射率匹配的介質與棱鏡光耦合接觸的単獨傳感器元件(如玻璃或塑料板)的表面。在后一種示例中，“內反射表面”將是此單獨傳感器元件的表面。在光柵耦合的情況中，傳感器表面可以與光柵元件成為一體 (例如，具有在一面上形成的光柵的玻璃或塑料板的反面，或它實際是光柵的一部分)。與棱鏡的情況中一祥，傳感器元件也可以是與光柵元件光接觸的単獨元件。用于產生電磁輻射的束的源也稱為“光源”。光源可以選自自然源、直接化學源、基于燃燒的源、電動源、激光器、激光器ニ極管或超發光二極管(SLED)。在一個實施例中，該源是固態光源，例如，表面發射ニ極管或邊緣發射ニ極管形狀的發光二極管(LED)、超發光 ニ極管(SLED)或激光器ニ極管。由于該源的固態光子發射特性，在聚焦線照明度上的強度變化(也稱為束形狀或束輪廓)是高斯輪廓。在一些實施例中，用于產生電磁輻射的束的源可以稱為高斯源。術語“光源”和“高斯源”在本文中可互換地使用。在一個實施例中， 光源可以是高能量源。在此實施例中，該能量源對于ー個光子可以具有介于600 nm與900 nm之間的波長。有利地，該高功率光源具有高定向特性。定向光源具有在沿指定矢量的一個方向中行進的平行光線。定向光可以貢獻漫射和鏡面反射，這又取決于物體表面的朝向而非其位置。定向光可以不貢獻環境反射。高功率光源的高定向特性能夠使得更高強度的光入射到目標上，從而增加信噪比(s·)。高SNR増加sra測量系統的精確度和靈敏度。如果使用的話，非均勻分布強度的光可能導致在相關ATR譜強度輪廓中的凹陷時的困難。如果將高斯輪廓強度的光束用于檢測目的，則反射的束的強度輪廓中的凹陷將位于高斯輪廓內的某處。由于反射的束的強度輪廓中的凹陷，當反射束落在檢測器上時形成暗的SI^R衰減帯。檢測器表面上暗帶的位置的精確度將取決于暗帶出現在檢測器的哪一行上。如果此帶出現在強度分布的亮峰上，則信號將是高的，并且SNR也將是高的，但是如果暗帶出現在較暗邊緣上，則SNR將是低的。本發明的系統能夠使SNR在全測量范圍上為高。光檢測系統中的高功率源可以包括超發光二極管(SLED)、激光器ニ極管、固態激光器、氣體激光器、具有外部腔體的半導體激光器或具有足夠高功率和足夠定向光量以照射目標并為光檢測系統提供適合的SNR的任何其他類型的激光器。本發明使得高功率高斯源能夠在傳感器平面處需要均勻的強度分布的應用中使用。在某些實施例中，可以采用激光器和光纖耦合的源作為sra折射率測量中的照明輸入。 例如，可以采用蛋白質濃度分析設備中使用的激光器和光纖耦合的源，而不會導致傳感器視場(被成像的給定場景的角度范圍)上的信噪比性能的變化。高斯源可以是(但不一定限于)邊緣發射激光器ニ極管、氣體激光器、固態激光器或耦合到光纖線纜的光源。本發明的光檢測系統的實施例包括ATR傳感器，該ATR傳感器實現以改善的角度或波長分辨率對多個特定相互作用進行同時檢測。該系統還可以適用于基于柱面聚焦的 ATR反射、多角度臨界角反射測量法、內多角度布魯斯特角反射測量法、多角度漸逝橢圓測量法和可變角度全內反射熒光的檢測技木。SPR系統的性能取決于檢測器陣列上達到的信噪比。該系統噪聲水平與投射到樣本上的照明度的強度的平方根成比例。該系統能夠實現入射到樣本上的光強度比利用LED或白熾燈源所達到的光強度增加10到100倍，而不會使單元消耗的電功率大大增加或導致樣本上信噪比(SNR)的成問題的變化。該系統還能夠在即使利用高輻射度激光器和光纖耦合的源的情況下保持檢測器陣列的整個區域上的SNR。在某些實施例中，可以改變入射的電磁輻射的強度輪廓以提供具有基本均勻的強度分布的輪廓。正如本文所使用的，術語“基本”定義為落在業界共識的制造容限內以及工藝中正常且期望的尺寸變化內，以及可以涵蓋約-5%至約+5%的范圍中的變化。強度輪廓的基本均勻分布防止高斯強度分布的中間部分中形成凹陷/峰。在某些實施例中，在入射到樣本上之前，使來自源的光束入射到分布裝置上。該分布裝置包括一個或多個非球面透鏡。一個或多個非球面透鏡形成該強度或光功率，從而保存系統的非球面束整形光學器件。該分布裝置將光功率保存到遠遠較高的程度，并且同時使非均勻強度輪廓變平。該分布裝置可以包括至少一對非球面透鏡，也稱為非球面束強度轉換透鏡。該非球面束強度轉換透鏡包括至少一對不同的透鏡。這些透鏡的其中之一是凹形(凹非球面透鏡)，其將光束的高強度中心部分向束邊緣重新分布。另一個透鏡是凸形(凸非球面透鏡)，其將光束匯聚在均勻強度分布的光束中。該分布裝置可以設在束源與本體或傳感器表面之間。該分布裝置中設在束源與本體或傳感器表面之間的部分的位置可以取決于光源的高斯強度輪廓。該光學系統還可以包括位于束源與分布裝置之間的第一準直器和位于分布裝置與本體之間的第二準直器。這些非球面透鏡具有從約10 mm至約20 mm的圖像平面直徑。這些非球面透鏡可以使用kmax非球面符號規則并通過移除容積來制作。非球面透鏡可以包括但不一定限于任何可鑄模或精磨拋光的透明材料，如光學塑料(例如，聚苯乙烯、丙烯酸、環烯烴共聚合物(COC)、聚碳酸酯)或玻璃。在另一個實施方案中，該光檢測系統還包括放大透鏡子系統，用于放大電磁輻射的發射區域。該放大透鏡子系統包括球面透鏡、非球面透鏡、變形透鏡、雙焦點透鏡或其組合。該放大透鏡子系統用于將發射區域放大約2X至5X的原始尺寸，以及用于產生虛發射區域(實像)，來自放大透鏡子系統的光被饋送到分布裝置中。放大特征是可在2X至5X放大范圍上進行調整的。在一個實施例中，該光傳感器系統包括手動控制器、相關的手動控制器、自動光機控制器、電光機控制器或其組合。該光傳感器系統可以編程為使用ATR譜的實際光強度分布，結合選定的聚焦線來手動或自動地控制和/或調整系統的光機或電光機。還可以使用控制器來按需自動調整分布裝置的光元件、放大透鏡子系統或光傳感器系統中的其他光元件。圖1圖示分布裝置10，其具有一對非球面透鏡(非球面束強度轉換透鏡)14和16。該對非球面束強度轉換透鏡包括第一非球面透鏡14，第一非球面透鏡14徑向向外展開地重新映射束(非均勻強度分布束)12的中心的較高強度區域。徑向向外展開的束然后落在第二非球面透鏡16上，第二非球面透鏡16然后將該束準直。準直的束具有均勻或平頂的強度分布12’。如圖2所示，第一非球面透鏡20具有凹表面22。具有非均勻強度分布的光經由表面22進入透鏡20。該光束經由平表面M離開。如圖3所示，第二非球面透鏡30具有平表面32。經透鏡20的平表面M離開的光經由表面32進入透鏡30。該光束經由凸表面34離開。經由凸表面34離開的光束具有均勻的強度分布。如圖4所示，入射電磁輻射的強度輪廓36具有基本均勻的強度分布37。縱坐標38表示強度，以及橫坐標39表示圖像坐標。圖5圖示用于生成并檢測具有強度的電磁輻射的束的光檢測系統40。系統40包括用于產生電磁輻射的束的源42。系統40包括至少部分透明的本體52。本體52包括位于本體52的至少一部分上的等離子發生金屬膜。本體52具有電磁輻射的束的入口表面、反射經入口表面透射的束的內反射表面或外反射表面、以及從第二表面反射的束離開透明本體所經過的出口表面。光檢測系統40包括在束源42與本體52之間的分布裝置(包括非球面透鏡46和第二非球面透鏡48)，其中該分布裝置將束的強度從非均勻強度分布45重新分布成基本均勻的強度分布49。均勻強度分布的光束(重新分布的束)49的功率具有的功率在來自源42的光束的功率的約85%到約100%范圍中。該光檢測系統40包括檢測通過變形成像子系統58之后的、離開本體52的電磁輻射的束的檢測器60。光檢測系統40包括設控制器47，控制器47可以物理上連接到第一準直器(第一束準直器)44、非球面透鏡46、第二非球面透鏡48和柱面透鏡(第二束準直器)50。圖6圖示用于生成并檢測具有強度的電磁輻射的束的光檢測系統41。除了圖5中公開的系統40的組件外，系統41還包括位于源42與第一束準直器44之間的放大透鏡子系統43。該放大透鏡子系統43用于將發射區域放大約2X至5X的放大范圍，以及用于產生虛發射區域(實像)，來自放大透鏡子系統43的光經由第一束準直器44饋送到非球面透鏡46中。圖6的控制器47還可以進一步在物理上連接到放大透鏡子系統43。圖7圖示全內反射圖像(無表面等離子共振或其他光吸收導致的衰減)，其強度是均勻的或平頂強度輪廓70。曲線72是在水平(切線)方向中測量的強度輪廓，以及曲線74是在垂直(矢狀)方向中測量的強度輪廓。用于生成平頂強度輪廓70的系統配置是超發光二極管/光纖/分布裝置/ATR棱鏡/成像系統/圖像檢測器。流系統M與傳感器表面56操作關聯。流系統M是具有多個流槽的微流體流系統。樣本溶液流經流槽。樣本溶液可以具有相互作用基團，該相互作用基團可以被可逆地或不可逆地固化在傳感器表面56上。該固化層有助于將相互作用基團固化在傳感器表面56上。該光學子系統還包括準直束的第一束準直器44、修改束以使束強度具有平頂分布的非球面透鏡46、準直修改的束的第二非球面透鏡48以及柱面透鏡50，柱面透鏡50是將準直的修改的束轉換成變形束或楔形束并經由本體52將該束聚焦在電介質或等離子發生金屬膜介面上的第二束準直器。流體流槽可以包括與ATR傳感器層相鄰的一個或超過一個的流體流槽。按全內反射角入射的光能通過SPR以共振方式被吸收，并從透射的束移除。通過SI3R未被吸收的光從樣本反射，并通過成像透鏡系統58成像到檢測器60陣列上。可以將來自切線方向的光執行傅立葉變換(FT)到檢測器60平面上。例如，傅立葉變換可以簡化光的空間分布。扇形束(柱面聚焦的束)產生沿一行傳感器光點的聚焦線照明度。沿傳感器表面的聚焦線寬度確定發生FT成像所沿的傳感器光點的長度。來自矢狀平面的光被準直并投射到檢測器60陣列上。檢測器60是圖像檢測器，并且設在圖像聚焦平面處以檢測主要分布在矢狀平面中的光線，同時設在后焦平面(或衍射平面)處以檢測主要分布在切線平面中的光線。此圖像檢測器60形成雙焦點成像子系統。 在變形成像子系統中，將傳感器光點(如正方形)成像為矩形(帶)，其中該矩形的寬度是傳感器光點的矢狀寬度的實像，而該矩形的長度是反射角范圍的投影。沿圖像的矩形部分的強度變化提供對應傳感器光點的反射曲線。這能夠實現傳感器光點圖像(實像)的同時空間分離，以及通過所述反射曲線中的變化來監視每個個體光點處的樣本相互作用。暗帶的角度位置(暗帶出現在強度曲線中基本為凹陷的檢測器傳感器上)對流體流槽中多種生物分子(例如，蛋白質)的濃度提供非常靈敏的測量。 本實施例的光學子系統包括Sra檢測器60，SPR檢測器60可以選自二極管陣列半導體PIN 二極管(ρ型半導體與η型半導體二極管之間的本征半導體區域)陣列、基于閃爍體的陣列、CCD(電荷耦合的裝置檢測器)陣列、基于TFT(薄膜晶體管)或CMOS(互補金屬氧化物半導體檢測器)的檢測器或PSD (位置靈敏裝置)傳感器檢測器。該光學子系統還包括至少一個樣本流槽。例如，對于流體樣本，流體流槽鄰近ATR傳感器層和等離子發生金屬膜。本發明的系統的一個或多個實施例可以使用如下文非限制性示例中描述的如下FT成像參數
示例1
對于沿著傳感器表面約0. 5 mm的聚焦線寬度，照射的傳感器光點內的完全相同反射角的光線產生平滑的反射曲線。此聚焦線寬度以常規方式由成本有效的設計來提供，該成本有效的設計由常規表面發射LED與準直器透鏡(球面或非球面)和柱面聚焦透鏡一起組成。通常，該表面發射區域的直徑或側邊為0.2 mm。在此情況中，高質量光學器件中的正常缺陷不會干擾反射曲線。低質量光學器件和/或低級表面清潔度可能以較多或較少陰影局部區域的形式干擾反射曲線。由于這些反射曲線中的高度平滑性，所以只需進行較不突出的高斯形狀全反射曲線的(軟件)歸一化。對于由非均勻強度分布束表征的表面發射LED，它與光檢測系統40的組合將提供需要的平頂輪廓。示例 2
對于沿著傳感器表面約0. Imm的聚焦線寬度，照射的傳感器光點內的完全相同反射角的光線產生曲率常常受到尖銳的峰和凹陷(缺口)干擾的反射曲線。此聚焦線寬度由成本有效的設計來提供，該成本有效的設計由常規邊緣發射LED、超發光二極管或激光器二極管與準直器透鏡(球面或非球面)和柱面聚焦透鏡一起組成。通常，該邊緣發射區域的直徑或側邊為0. 004mm。在此情況中，高質量光學器件中的正常缺陷會在反射曲線中產生缺口。由于這些反射曲線中高度缺口，所以需要進行適合的(軟件)曲線數據平滑算法處理，然后才進行高度突出的高斯形狀全反射曲線的歸一化。除了曲線數據處理中的復雜性明顯增加外，因為實際儀器的光機對齊和/或溫度中的變化的原因，通過平滑算法(范圍從常規“移動平均”或“box-car平滑”到高級類快速反傅立葉濾波)減少缺口的代價是對反射曲線中監視的變化的解釋更復雜，這常常減小了例如sra反射曲線中的特征(S卩，反射中的凹陷變得較不突出)。反射曲線的這種“過度平滑”增加了檢測中也獲得被干擾的靈敏度的風險，例如SPR曲線中角度移位。此缺點通過使用光檢測系統40來消除。示例 3
10對于沿著傳感器表面約0. 4 mm的聚焦線寬度，照射的傳感器光點內的完全相同反射角的光線產生突出的高斯形狀反射曲線，其曲率具有大多數應用中所需的平滑性。通常，該邊緣發射區域的直徑或側邊為0. 004mm。此聚焦線寬度由成本有效的設計來實現，該成本有效的設計包括常規邊緣發射LED、超發光二極管或激光器二極管連同放大透鏡或透鏡子系統(球面、非球面和雙焦點)，該放大透鏡或透鏡子系統將邊緣發射區域放大從約2X至5X的放大范圍。這產生虛邊緣發射區域，然后將束從該虛邊緣發射區域導向到第一束準直器透鏡44和柱面聚焦透鏡中。示例 4
對于沿著傳感器表面約0. 1 mm至0. 4 mm的聚焦線寬度，照射的傳感器光點內的完全相同反射角的光線產生反射曲線，其曲率具有大多數應用中所需的平滑性。通常，該邊緣發射區域的直徑或側邊為0. 004mm。此聚焦線寬度由成本有效的設計來實現，該成本有效的設計包括常規邊緣發射LED、超發光二極管或激光器二極管連同可調(可縮放)放大透鏡或透鏡子系統(球面、非球面和雙焦點)，該可調放大透鏡或透鏡子系統可以手動或自動(例如以電子/數字方式)將邊緣發射區域放大約2X至5X。這產生可調尺寸的虛邊緣發射區域，然后將束從該虛邊緣發射區域導向到第一束準直器透鏡44和柱面聚焦透鏡中。此實施例可能需要對用于放大光源的光學器件以及用于準直、束整形和柱面聚焦的光學器件進行相關調整(縮放)。雖然本文僅圖示并描述本發明的某些特征，但是本領域技術人員將設想到許多修改和更改。因此，要明白，所附權利要求應涵蓋落在本發明范圍內的所有此類修改和更改。
權利要求
1.一種用于生成并檢測具有強度的電磁輻射的束的光檢測系統，包括 用于產生所述電磁輻射的束的源；本體，所述本體是至少部分透明的并且包括所述本體的至少一部分上的ATR傳感器層，所述本體具有所述電磁輻射的束的入口表面、反射經所述入口表面透射的所述束的內反射表面、以及從所述第二表面反射的所述束離開所述透明本體經過的出ロ表面；位于所述束源與所述本體之間的分布裝置；其中所述分布裝置將所述束的強度從非均勻強度分布重新分布成基本均勻的強度分布；檢測離開所述本體的所述電磁輻射的束的檢測器。
2.如權利要求1所述的光傳感器系統，其中，所述分布裝置包括ー個或多個非球面透鏡。
3.如權利要求1所述的光傳感器系統，其中，所述分布裝置包括凹非球面透鏡和凸非球面透鏡。
4.如權利要求1所述的光傳感器系統，還包括位于所述束源與所述分布裝置之間的第一束準直器。
5.如權利要求1所述的光傳感器系統，還包括位于所述分布裝置與所述本體之間的第二束準直器。
6.根據權利要求1所述的光學系統，其中，用于產生所述電磁輻射的束的源包括表面發射ニ極管、邊緣發射ニ極管、超發光二極管或激光源的至少其中之一。
7.根據權利要求1所述的光學系統，其中，用于產生所述電磁輻射的束的源耦合到光纖。
8.如權利要求1所述的光傳感器系統，還包括用于所述分布裝置的控制器，其選自相關手動控制器、自動光機控制器、或電光機控制器的其中ー種或多種。
9.如權利要求1所述的光傳感器系統，還包括放大透鏡子系統，其將所述電磁輻射的發射區域放大。
10.如權利要求9所述的光傳感器系統，其中，所述放大透鏡子系統包括球面透鏡、非球面透鏡、變形透鏡或其組合。
11.如權利要求9所述的光傳感器系統，其中，所述放大子系統的放大范圍是2X至5X。
12.如權利要求9所述的光傳感器系統，其包括手動控制器、自動光機控制器、電光機控制器或其組合。
13.如權利要求1所述的光傳感器系統，其中，所述束包括高功率電磁輻射。
14.如權利要求1所述的光傳感器系統，其中，所述ATR傳感器層與流體流槽相鄰。
15.如權利要求14所述的光傳感器系統，其中，所述ATR傳感器層包括等離子發生金屬膜，所述等離子發生金屬膜包括金、銀或其合金。
16.如權利要求1所述的光傳感器系統，其中，所重新分布的束具有的功率在來自所述源的束的功率的約85%到約100%范圍中。
17.如權利要求1所述的光傳感器系統，其中，所述基本均勻的強度分布具有平頂的強度分布。
18.—種在表面等離子共振(SPR)檢測系統中使用的光學子系統，所述表面等離子共振(SPR)檢測系統包括產生具有強度的束的電磁輻射源、流體流槽、和與所述流體流槽關聯的SI^R檢測器，所述光學子系統包括準直所述束的透鏡；非球面透鏡，其修改所述束以使所述束的強度具有平頂分布；第二非球面透鏡，其準直所修改的束；柱面透鏡，其將所準直的修改的束轉換成變形束并經棱鏡將所述變形束聚焦在等離子發生金屬膜與所述流體流槽的介面上。
19.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述變形束是楔形束。
20.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述電磁輻射源包括邊緣發射ニ極管、超發光二極管或激光源的至少其中之一。
21.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述電磁輻射源耦合到光纖，其中所述光纖輸出是具有強度分布的束。
22.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述電磁輻射在從約600nm至900 nm 的范圍中。
23.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述sra檢測器選自ニ極管陣列半導體PIN ニ極管陣列、基于閃爍體的陣列、CXD陣列、基于TFT或CMOS的檢測器或PSD傳感器檢測器。
24.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述非球面透鏡包括凹透鏡、凸透鏡或其組合。
25.根據權利要求18所述的光學子系統，其中，所述流體流槽與所述等離子發生金屬膜相鄰。
全文摘要
本發明名稱為“基于衰減全反射的光傳感器系統和感測方法”。提供一種光檢測系統，用于生成并檢測具有強度的電磁輻射的束。該光檢測系統包括用于產生電磁輻射的束的源；以及本體，該本體是至少部分透明的并且包括本體的至少一部分上的ATR傳感器層，該本體具有電磁輻射的束的入口表面、反射經入口表面透射的束的內反射表面或外反射表面、以及從第二表面反射的束離開透明本體所經過的出口表面。光檢測系統還可以包括束源與本體之間的分布裝置；其中該分布裝置將束的強度從非均勻強度分布重新分布成基本均勻的強度分布；以及檢測離開本體的電磁輻射的束的檢測器。
文檔編號G01N21/55GK102597745SQ201080051283
公開日2012年7月18日 申請日期2010年11月10日 優先權日2009年11月12日
發明者B.伊瓦爾森, M.M.邁耶斯 申請人:通用電氣公司