光学检测器制造技术

一种专用集成电路(ASIC)上的光学检测器(1)，包括：至少一个光电二极管(5)，用于接收入射光和被配置为提供至少一个二极管信号；调制器(2)，被配置为提供AC驱动信号和提供与AC驱动信号相关联的参考信号；以及锁定放大器(6)，被配置为从所述至少一个光电二极管(5)接收所述至少一个二极管信号和从调制器(2)接收参考信号，以及使用参考信号确定所述至少一个二极管信号的相位和幅度中的至少一个。管信号的相位和幅度中的至少一个。管信号的相位和幅度中的至少一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学检测器


[0001]本公开涉及光学检测器。

技术介绍

[0002]荧光光谱法是定量分子的最灵敏的检测技术之一。这是因为测量是在暗背景中完成的，并且光源以离轴角度入射。此外，荧光强度不依赖于样本的路径长度，其是吸收光谱法的限制。有两种进行荧光光谱法的方法，时间分辨和相位调制。
[0003]在常规相位调制系统中，用调制光源照射样本，其中基于样本中荧光团的寿命来选择频率。通过光电倍增管(PMT)检测来自样本的光，并将输出信号的相位和幅度与光调制信号的相位和幅度进行比较。
[0004]荧光寿命是最稳健的荧光参数之一，并且用于例如需要从生物样本中区分高背景荧光的应用中。荧光寿命是荧光分子通过发射光子而从其激发态到基态的平均衰减时间。从图1中可以看出，荧光团群在t＝0时被强度＝I0激发。荧光团将在一段时间内从其激发态衰减到基态。遵循等式：
[0005][0006]其中I0是激发态的原始值，τ是寿命。寿命定义为激发强度衰减至其原始值的1/e或36.79％的时间。

技术实现思路

[0007]专利技术人已经意识到，通过在专用集成电路(ASIC)芯片上使用锁定检测，可以克服与已知的光谱方法相关联的至少一些问题。锁定检测是一种能够在非常嘈杂的环境中提取信号幅度和相位的方法。锁定测量的工作原理是通过提取与参考调制频率相同的限定频率处的信号并消除所有其他频率分量。该方法利用零差检测和带通过滤来测量信号相对于参考频率的幅度和相位。通过这样做，可以准确地测量感兴趣的信号，并且可以实现高SNR。图2示出了如何使用锁定放大器通过使用参考信号V
r
(t)来提取噪声信号V
s
(t)的幅度和相位。
[0008]锁定检测可以增加光谱测量中的SNR并用于执行荧光寿命测量。现有锁定检测的缺点是庞大的电子器件。现有系统具有庞大的台式设备，其具有昂贵的分立组件。
[0009]根据本专利技术的第一方面，提供了一种专用集成电路(ASIC)上的光学检测器，包括：至少一个光电二极管，用于接收入射光和被配置为提供相应的二极管信号；调制器，被配置为提供AC驱动信号和提供与AC驱动信号相关联的参考信号；以及锁定放大器，被配置为从至少一个光电二极管接收二极管信号和从调制器接收参考信号，以及使用参考信号确定二极管信号的相位和/或幅度。调制器通常是被配置为利用AC驱动信号驱动光源的光源调制器。对于一些应用，调制器可以被配置为驱动耦合到样本的加热元件(例如加热线圈)或直接在样本上施加电压，以便激发样本和使其发光。
[0010]光学检测器可以被包括作为单个集成系统，以使用具有改善的SNR的锁定检测和相位调制荧光来获得荧光寿命。对于光谱测量，与DC光学检测器(即，没有频率调制或锁定
检测的光学检测器)相比，SNR可以提高几个数量级。与现有的锁定检测系统相比，光学检测器具有更少的独立或单独组件(诸如PMT)的优点，这允许光学检测器被制造得更紧凑，提高对准鲁棒性，并且可以尤其降低噪声。例如，包括光学检测器的ASIC芯片的产品封装可以具有以下范围内的尺寸：宽度＝2mm至5mm；长度＝2mm至5mm；以及高度＝0.2mm至2mm。产品封装可以包括诸如LED的光源，或者光源可以分开提供。
[0011]光学检测器通常是光谱仪。至少一个光电二极管中的一个或多个通常包括滤色器，以对特定颜色(即频率范围)敏感。例如，可以使用具有约5nm至40nm的FWHM的二向色过滤器。至少一个光电二极管可以包括过滤光电二极管和透明(clear)(非过滤)光电二极管的混合。两个或更多个光电二极管可以包括相同的滤色器。ASIC芯片可以经由纳米光学沉积干涉过滤器技术将过滤器集成到标准CMOS硅中。使用具有特定二向色过滤器的光学检测器可以允许系统区分荧光发射的特定波长的测量，同时拒绝来自激发光源的任何杂散光。
[0012]光学检测器通常包括光电二极管的阵列。也就是说，至少一个光电二极管通常是以阵列布置的多个光电二极管。光学检测器的放大器可以包括多路复用器，该多路复用器被配置为多路复用来自多个光电二极管的二极管信号。例如，多个光电二极管可以是8
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8阵列，提供64个单独的信号，而ASIC可以仅包括例如16个物理通道来处理信号。然后，多路复用器可以将64个信号多路复用为16个信号，然后可以在16个通道上并行处理该16个信号。每个光电二极管可以被单独地锁定检测以确定其信号强度(幅度)和相位。可替代地，来自类似光电二极管(例如，具有相同滤色器)的群组的信号可以被处理为一个信号，其中假设来自该群组内的光电二极管的信号的相位基本上相同。
[0013]光学检测器可以使用像素二极管信号与驱动器参考的模拟混合(即，模拟信号的混合)，从而经由正常锁定检测来确定(每个)像素二极管信号的幅度和相位。锁定放大器可以包括：混合器，其被配置为将参考信号与来自多路复用器的输出混合以提供解调信号；第二多路复用器，其耦合到第一多路复用器和被配置为多路复用该解调信号；以及一个或多个模数转换器(ADC)，其被配置为将解调信号转换为数字信号。放大器通过在来自二极管的模拟信号被ADC数字化之前对它们进行解调来提供模拟混合和锁定检测。
[0014]可替代地，光学检测器可以被配置为使用光电二极管信号与驱动器参考的数字混合(即，数字信号的混合)，以经由数字锁定检测来确定(每个)像素二极管信号的幅度和相位。在这种情况下，放大器可以包括一个或多个模数转换器(ADC)，其被配置为将来自多路复用器的输出转换为数字信号；混合器，其被配置为将数字信号与参考信号混合以提供解调信号；以及第二多路复用器，其耦合到第一多路复用器和被配置为多路复用该解调信号。锁定放大器由此提供数字解调和数字锁定检测。
[0015]第一和第二多路复用器可以被耦合以选择每个光电二极管信号(或每个光电二极管信号的群组/集合)用于由混合器解调，然后将解调信号带到数据缓冲器或MCU。光学检测器可以包括一个或多个另外的锁定放大器，其并联连接和被配置为使用参考信号来确定信号的相位和/或幅度。MUX、MIX、MUX和ADC的集合可以大量(双路、三路、
……
多路)并行地制作在ASIC上，以提高测量和数据分析的速度。
[0016]光源可以包括发光二极管(LED)、灯(例如灯泡)和/或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)中的至少一个。光源调制器可以包括可编程最大占空比和频率振荡器，或者可以包括模拟电流/幅度调制器。光源调制器可以被配置为执行脉冲宽度调制(PWM)。光源调制器
可以向光源提供AC驱动信号，以便提供调制光。AC可以可选地具有DC偏移。AC驱动信号可以是正弦波、方波和三角波中的一种。原则上，具有来自零最大值的AC输出，并且可以具有偏移。也可以使用包括随机、伪随机和准随机驱动信号的其他波，因为锁定放大器被提供有使得能够进行解调的相关联的参考信号。AC驱动信号可以具有通常在2Hz至10MHz的范围内的频率，参考信号具有与驱动信号相同的频率。由光源调制器提供的大频率范围对于各本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种专用集成电路(ASIC)上的光学检测器，包括：至少一个光电二极管，其用于接收入射光和被配置为提供至少一个二极管信号；调制器，其被配置为提供AC驱动信号和提供与所述AC驱动信号相关联的参考信号；以及锁定放大器，其被配置为从所述至少一个光电二极管接收所述至少一个二极管信号和从所述调制器接收所述参考信号，以及使用所述参考信号确定所述至少一个二极管信号的相位和幅度中的至少一个。2.根据权利要求1所述的光学检测器，其中所述调制器是被配置为利用所述AC驱动信号驱动光源的光源调制器。3.根据权利要求1或2所述的光学检测器，其中当所述至少一个光电二极管形成多个光电二极管并且所述至少一个二极管信号形成多个二极管信号时，每个二极管信号由相应的光电二极管提供，所述放大器包括多路复用器，所述多路复用器被配置为将来自所述多个光电二极管的所述多个二极管信号多路复用到一个或多个群组中，其中所述锁定放大器被配置为针对所述群组或每个组确定所述相位和所述幅度中的所述至少一个。4.根据权利要求3所述的光学检测器，其中所述放大器还包括：混合器，其被配置为将所述参考信号与来自所述多路复用器的输出混合以提供解调信号；第二多路复用器，其耦合到所述第一多路复用器和被配置为多路复用所述解调信号；以及一个或多个模数转换器(ADC)，其被配置为将所述解调信号转换为数字信号。5.根据权利要求3所述的光学检测器，其中所述放大器还包括：一个或多个模数转换器(ADC)，其被配置为将来自所述多路复用器的输出转换为数字信号；混合器，其被配置为将所述数字信号与所述参考信号混合以提供解调信号；以及第二多路复用器，其耦合到所述第一多路复用器和被配置为多路复用所述解调信号。6.根据权利要求4或5所述的光学检测器，其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置为选择每个光电二极管信号和/或光电二极管信号的群组。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，包括一个或多个另外的锁定放大器，其并联连接和被配置为使用所述参考信号确定信号的所述相位和/或所述幅度。8.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述光源包括发光二极管(LED)、灯和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)中的至少一个。9.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述光源调制器包括可编程最大占空比和频率振荡器。10.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述光源调制器被配置为执行脉冲宽度调制(PWM)。11.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述AC驱动信号是正弦波、方波和三角波中的一种。12.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述AC驱动信号具有DC偏移。13.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述AC驱动信号具有在2Hz至
10MHz的范围内的频率，所述参考信号具有与所述驱动信号相同的频率。14.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器，其中所述ASIC被配置为由...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢文忠，A沃克，D甘佩尔，M马斯科托，EJ洛斯，
申请(专利权)人：艾迈斯欧司朗股份有限公司，
类型：发明
国别省市：