Fluorescence spectrometer based on SiPM single photon detector
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摘要:
为了解决激光诱导荧光检测系统存在的光学结构复杂、体积大、成本高以及灵敏度不足等主要问题，研制了一种高灵敏、小型化的荧光光谱仪。该光谱仪以349 nm半导体激光器作为激发光源，采用正交型光路，将4×4窄带滤光片阵列与具有单光子灵敏度的硅光电倍增器（SiPM）阵列耦合，可实现光谱信息的多通道探测，具备结构紧凑、成本较低以及稳定性好等优点。以荧光素钠为测试样品，对光谱仪性能进行了评估。实验结果表明，光谱仪的检测限优于5×10−11 mol·L−1，在5×10−11 mol·L−1到1×10−9 mol·L−1的溶液浓度范围内，被测溶液浓度与检测所得荧光强度满足良好的线性关系，线性相关系数为0.998 39。此外，光谱仪还具备良好的重复性，荧光峰值强度的相对标准偏差小于10%。因此，该光谱仪兼具灵敏度高、线性度好、重复性与可靠性强等优点，可以满足现场实时检测的需求。
Abstract:In order to solve the main problems of the laser-induced fluorescence detection system, such as complex optical structure, large volume, high cost and insufficient sensitivity, a sensitive and miniaturized fluorescence spectrometer was proposed. The spectrometer used a 349 nm semiconductor laser as the excitation light source, adopted an orthogonal optical path, coupled a 4×4 narrowband filter array and a silicon photomultiplier (SiPM) array with single photon sensitivity, which could realize multi-channel detection of spectral information. It had the advantages of compact structure, low cost and good stability. Sodium fluorescein was used for performance evaluation of the spectrometer. The experimental results show that the detection limit of the spectrometer is better than 5×10−11 mol·L−1. The linear correlation coefficient of the fluorescence intensity is 0.998 39 with the concentration from 5×10−11 mol·L−1 to 1×10−9 mol·L−1. In addition, the spectrometer also has good repeatability, and the relative standard deviation of the fluorescence peak intensity is less than 10%. Therefore, the spectrometer has the advantages of high sensitivity, good linearity, strong repeatability and reliability, and can meet the needs of on-site real-time detection.
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引言
鱼眼和复眼是自然界两种典型的广角成像系统。仿生鱼眼镜头是利用鱼眼广角成像原理设计的短焦距镜头，视场可超过180°[1]，缺点是镜组复杂，畸变大且分辨率不高，特别是边缘视场的变形非常明显，多用于视频监控。与高等动物的单眼不一样，昆虫的视觉由复眼产生。复眼系统由许多小眼构成，例如蜻蜓每只复眼有28 000个小眼。这些小眼排列成球面上的阵列，以获得接近240°的大视场。但是小眼直径一般为15 μm~50 μm，其承担的局部视场仅有几度，分辨能力比人眼低，视力仅1 m左右[2]。
事实上，大视场和高分辨率是成像系统设计的一对根本矛盾[3-6]，究其根本在于系统的空间带宽积(space-bandwidth product，SBP)受限，SBP可解释为像平面上能够解析的点数[7-8]。提高SBP意味着随着成像系统尺度的增大，系统复杂性也迅速增加，以平衡几何像差的影响，达到或接近衍射受限条件。成像系统设计遵循基本的比例缩放规律，即焦距、口径及其他长度量纲的参数增大M倍，横轴像差与波像差随之同比例增大，而所有角度、曲率参数保持不变。多尺度成像原理正是根据比例缩放规律，采用两级或多级成像，在大视场与小像差之间取得平衡。美国杜克大学Brady研究小组首先提出多尺度设计的概念[8]，将成像系统分为物镜透镜组和后端小相机阵列两部分，并先后公开了系列十亿像素级相机的多尺度设计结果[3, 10-14]。
从仿生学的角度看，这种多尺度设计是混合了鱼眼-复眼的仿生结构。前级为仿生鱼眼的物镜设计，其尺度与集光率及角分辨率指标匹配，且像面为同心球面，而不必是传统镜头所要求的平面；次级为仿生复眼的小型目镜阵列，排列成球面形状，将物镜成像中继到各个目镜的像平面探测器阵列上。目镜阵列因口径较小，能很好地校正局部小视场的像差，并且制造成本不高，可以适当增加复杂性，实现接近衍射极限的高清成像。
1 物镜采用双层同心球透镜的成像系统
1.1 成像系统设计
参考十亿像素相机设计[15]，物镜结构为同心双胶合球透镜，设计波长为可见光(486.132 7 nm、587.561 8 nm和656.272 5 nm)。中心为整球，材料为成都光明的K9玻璃；与整球胶合的是2个半球窝透镜，外径为129.6 mm，材料为成都光明的F4玻璃。该设计具有球对称性，对于次级小口径目镜来说像差都是相同的，因而可用完全相同的目镜阵列。目镜设计主要平衡球差和色差，基于双高斯镜头结构，材料为成都光明的低成本玻璃，口径约为10 mm，以各面的曲率半径和光学间隙为优化变量进行优化。整个两级成像系统的光学设计如图 1所示，相邻目镜的光轴夹角为5°，全视场大于±50°。
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图 1 双层同心球透镜作为物镜的成像系统设计Figure 1. Imaging system design using concentric double ball lenses as objective系统孔径光阑的直径为4.38 mm，设在目镜组中第2个双胶合透镜前。系统主要参数如下：有效焦距f=52.667 6 mm，总长L=286.062 2 mm，像方光圈数F=3.2，入瞳孔径EPD=16.458 4 mm。在中间波长λ=587.56 nm下按照望远系统计算角分辨率为δ=43.55 μrad(9.0″)。选用MT9J003 CMOS探测器，静态模式像面尺寸为6.119 mm×4.589 mm，像素数3 664×2 748，像素尺寸1.67 μm×1.67 μm，对应CMOS满视场为±(3.32°×2.49°)。
由于目镜阵列是关于物镜球心对称的，每个目镜的成像性能即代表了全视场的成像性能。图 2(a)为单路目镜对无穷远目标成像的0~2.5°视场全色调制传递函数(modulation transfer function，MTF)曲线，±2°视场内在200 lp/mm频率处的MTF均大于或接近0.3，具有很好的像质。因图像拼接要求视场重叠(渐晕)，2.5°视场的子午MTF下降较明显。图 2(b)是畸变，在边缘视场2.5°的畸变小于3%。另一方面，将物距从无穷远依次调整为5 km和300 m，发现无需调焦，MTF和弥散斑变化很小，说明系统具有很大的景深，可同时在300 m至无穷远目标较好成像。进一步，将物距改为20 m，通过像面位置调整(约0.14 mm)，也可以得到很好的MTF，说明系统适当调焦后也可用于近距离目标成像。
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图 2 双层同心球透镜作为物镜的系统成像性能Figure 2. Imaging performance using concentric double ball lenses as objective1.2 成像性能测试
将物镜和单路目镜的两级成像系统组装在一起后，首先采用波面干涉仪测量系统波像差。测量原理如图 3(a)所示，波面干涉仪发出准直光入射到物镜上，在像平面处聚焦于一点；与该点共焦放置一个标准球面反射镜，可将测试光束原路返回并最终回到干涉仪，与干涉仪镜头参考面形成干涉，干涉图反映了系统波前误差的大小。图 3(b)是测量现场照片，图 3(c)是波前误差测量结果，由于中心存在反射鬼像，PV值受噪声点影响较明显，RMS值为0.043λ，满足Maréchal判据，即可认为系统成像接近衍射极限。
图 4(a)是成像系统获取的3 km距离目标图像，其中近处距离约100 m的树枝树叶清晰可见，远处嘉熙中心大楼距离约3 km，局部放大后如图 4(b)所示，大楼顶部“JIAXI CENTER”字样清晰可见(裸眼不可见)，说明相机具有大景深特点。
图 5(a)是获取的距离7.4 km的顺天国际金融中心图像，局部放大图像如图 5(b)，“顺天IFC”、“中国铁建”等字样清晰可见，玻璃窗格、塔吊桁架甚至楼顶避雷针等细长目标也清晰可辨。
图 6(a)、6(b)为距离20 m和40 m的USAF-1951分辨率板所成的像，据此估算系统的角分辨率为8″~10″，与系统对无穷远目标成像的分辨率设计指标相当。
2 物镜采用单个球透镜的成像系统设计
采用双层同心球透镜形式的物镜，要求半球碗与被包覆的中心球的曲率半径相等，2个透镜材料的热膨胀系数以及折射率必须匹配，使得可选材料受限，力学稳定性和热稳定性较差，且制造成本较高，还存在胶合偏心的影响。尽管物镜采用多层同心球的形式确实能够得到更好的中继像质[6]，由于次级目镜系统具有很强的像差校正能力，为了简化物镜系统，完全可用单个球透镜形式，其剩余像差通过优化目镜系统进行校正。因此尝试物镜采用直径129.6 mm单一球透镜结构，玻璃材料选用K9。小口径的目镜组设计仍然基于双高斯镜头结构，包括依次布置的双凸透镜、2个双胶合透镜、调焦镜组以及焦平面探测器。为降低成本，目镜组所有透镜均为平面或球面透镜。通过优化曲率半径、光学间隙等参数，得到设计结果如图 7所示。
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图 7 单个球透镜作为物镜的成像系统设计Figure 7. Imaging system design using single ball lens as objective同样由于球对称性，各目镜完全相同，只需考察单路目镜对局部小视场的像差校正能力。系统主要参数：有效焦距f=50.379 8 mm，总长L=264.725 mm，像方光圈数F=2.974，入瞳孔径EPD=16.939 4 mm。图 8(a)所示为系统在无穷远物距、0~3.5°视场下的单路目镜成像的全色MTF，图 8(b)是畸变，在边缘视场3.5°的畸变约为4.5%。调整物距，发现该系统同样具有大景深特点。
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图 8 单个球透镜作为物镜的系统成像性能Figure 8. Imaging performance using single ball lens as objective图 8与图 2对比可见采用单个球透镜物镜的成像系统通过目镜的像差校正，甚至成像性能比双层同心球透镜物镜的成像系统更优：局部小视场可达到±3.5°，从而可满视场成像且相邻目镜的重叠视场更大，镜筒之间的间隔也可以更大，有利于光机设计；±2°视场内在200 lp/mm频率处的MTF均大于或接近0.3，子午面内的边缘视场±3.5°处MTF仍然大于0.1。
图 9是该系统的光机设计，采用免装调物镜镜筒结构，前端与球透镜配合，后端球冠曲率中心与球透镜中心重合，球冠上布满阵列孔，用于装配目镜阵列。该系统正在进行透镜和镜筒的加工，从光学设计结果对比看，有望获得优于图 4~图 6的成像质量，后续将进行广角目标成像实验，完成阵列图像获取与拼接。
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图 9 单个球透镜作为物镜的成像系统光机设计Figure 9. Optomechanical design of imaging system using single ball lens as objective3 结论
混合仿生的两级成像系统很好地解决了大视场与高分辨率的矛盾，其中物镜采用仿生鱼眼的球透镜结构，增大入瞳孔径收集广角目标光线；目镜采用仿生复眼结构，通过小口径透镜组阵列进行像差校正实现近衍射极限成像。设计结果表明，物镜采用单个球透镜也可以获得与双层同心球透镜相当甚至更优的成像性能，从而避免双胶合球透镜带来的公差控制和力学及热稳定性问题。系统可在100°全视场内达到角分辨率优于10″、畸变小于5%的指标，应用于侦查监控等领域，可实现广角目标的高清成像。
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图 3 罗丹明6G和荧光微球的测量结果。
Figure 3. Measurement results of Rhodamine 6G and fluorescent microsphere
表 1 不同浓度样品对应检测得到的荧光光子计数率值测试结果
Table 1 Test results of fluorescence photon count rate values for samples with different concentrations
kHz 次数 浓度/mol·L−1 1×10−9 5×10−10 2.5×10−10 1×10−10 5×10−11 1 7 272.604 8 3 858.348 4 1 938.724 6 1 112.617 8 477.518 4 2 7 224.852 9 3 853.573 2 1 967.375 7 1 141.268 9 506.169 5 3 7 243.953 7 3 815.371 8 1 991.251 6 1 141.268 9 534.820 6 4 7 282.155 1 3 853.573 2 2 039.003 4 1 193.795 9 587.347 6 5 7 286.930 3 3 858.348 4 2 053.329 0 1 208.121 5 592.122 8 平均值 7 262.099 4 3 847.843 0 1 997.936 9 1 159.414 6 539.595 8 标准差 26.672 7 18.308 3 48.061 2 40.009 1 50.082 5 相对标准差 0.003 7 0.004 8 0.024 1 0.034 5 0.092 8 
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表 2 自研光谱仪与F-2700光谱仪的体积、质量、功率以及灵敏度对比
Table 2 Comparison of volume, weight, power and sensitivity between self-developed spectrometer and F-2700 spectrometer
仪器名称 外形尺寸(L×W×H，mm) 质量/kg 体积/m3 功率/w 荧光素钠检测限/mol·L−1 自研光谱仪 300×250×200 20 0.15 0.02 优于5×10−11 F-2700光谱仪 600×503×343 41 1.04 150 优于5×10−11
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