专利名称：多路复用光探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及多路复用光探测系统。
背景技术：
在表面等离子体共振(SPR)检测和其他光学测量应用中探测光信号。在SPR检测中，通过在对光束波长进行扫描时探测光束的强度，建立与一束或多束接收到的光束相关的强度分布。然后，强度分布可以被用来探测并测量折射率的位移，折射率的位移可以指示在SPR传感器试样中是否出现生物分析物或生物分子相互作用。
在SPR检测中所使用的某些类型的光学系统中，可以测量出的折射率位移的分辨率随着对强度进行探测的速率的增加而增加。当对强度进行探测的速率相对于对扫描光束波长的速率而言较高时，在这些系统中可以获得高测量分辨率。
可以使用以视频帧频(例如60赫兹)获取图像的摄像机来探测光束强度。不过，当高速扫描光速波长时，对于SPR检测来说，摄像机的帧频就太低了，以至于无法获得足够的测量分辨率。因为图像获取涉及在摄像机内对来自大量光传感器的探测信号进行处理，所以难以增加图像获取速率，使其远远超过视频帧频。一些类型的摄像机通过减少用来获取图像的光传感器的数量，来提供更高的帧频。这些摄像机一般将图像窗口限制为光传感器的单个矩形排列，从而限制了摄像机适应该摄像机所接收到的光束的空间排列的能力。因此，为了在SPR检测和其他光学测量应用中达到足够的测量分辨率，需要以与当前可用摄像机的帧频相比足够高的速率来探测光束的强度。
发明内容
根据本发明实施例的多路复用光探测器包括耦合至多路复用器的一组光传感器。多路复用器将光传感器的子集映射至由该多路复用器提供的至少一个多路复用输出。光传感器的子集可以根据提供给多路复用器的地址来配置。通过处理出现在多路复用输出处的多路复用信号，可以探测出照亮多路复用光探测器的光束的强度分布。
图1A-1B示出了根据本发明实施例的多路复用光探测器的立体图，其中光束入射在一组光传感器上。
图2A-2B示出了根据本发明实施例适于包含在多路复用光探测器中的可选的光传感器组。
图3示出了根据本发明实施例的多路复用光探测器的框图。
图4A-4B示出了根据本发明实施例的与多路复用光探测器相关的示例性的多路复用信号和解复用信号。
图5示出了根据本发明实施例由多路复用光探测器截取的光束的强度分布。
图6示出了根据本发明实施例适于在多路复用光探测器中使用的预选方法的流程图。
图7示出了根据本发明替换实施例的光探测方法的流程图。
具体实施例方式
图1A-1B示出了根据本发明实施例的多路复用光探测器D的立体图。每个多路复用光探测器D包括耦合至多路复用器10的一组光传感器S。多路复用器10一般是使用BiCMOS半导体工艺和结构实现的，尽管多路复用器10也可选用任何合适的衬底或工艺来实现。
多路复用光探测器D中的一组光传感器S排列成如图2A所示的一维阵列或如图2B所示的二维阵列。在用于图释本发明实施例的一个例子中，一组光传感器S包括16000个光传感器的二维阵列，这些传感器具有大约60微米的物理间距或栅距P。不过，多路复用光探测器D可以包括其他数量或排列的光传感器。当在表面等离子体共振(SPR)检测中使用多路复用光探测器D时，从SPR传感器2偏转的一束或多束光束B照亮多路复用光探测器D内的某些光传感器S。被照亮的光传感器S的子集可以被关联到SPR传感器2中的试样T1-TN，然后用于建立针对试样T1-TN的强度分布。
图1A示出了被多路复用光探测器D截取的光束B。光束B内的特定空间位置(由光传感器S的子集S1-SN所界定)与SPR传感器2内的特定试样T1-TN(其被映像到多路复用探测器D上)相关。子集S1-SN探测在与特定试样T1-TN相关的特定空间位置处光束B的强度。通过在对光束B的波长进行扫描时用光传感器的子集S1-SN有选择地探测光束B的强度，可以使用多路复用光探测器D建立针对试样T1-TN的强度分布。
图1B示出了从SPR传感器2偏转的多束光束B1-BN，这些光束照亮了该组光传感器S内的某些光传感器。光束B1-BN中的每束光束与光传感器2内的试样T1-TN中的一个对应的试样相关联。由光束B1-BN照亮的光传感器界定探测光束B1-BN强度的光传感器子集S1-SN。通过在对光束B1-BN的波长进行扫描时用光传感器S的子集S1-SN有选择地探测光束B1-BN的强度，可以使用多路复用光探测器D建立针对试样T1-TN的强度分布IP1-IPN。
使用多路复用光探测器D建立的强度分布IP1-IPN(图5的示例性曲线图所示)可以用来标识用于测量折射率位移的共振波长R1-RN，其中折射率位移指示在SPR传感器2内的试样T1-TN中是否出现生物分析物或生物分子相互作用。SPR检测中使用的光学系统在各种参考文献中描述过，包括Surface Plasmon Resonance Biosensor，Jiri Homola，Sinclair S.Yee，David Myszka，(Elsevier Science B.V.，2002)，第7章，207-247页。为了示例，在SPR检测的上下文中描述多路复用光探测器D，其中光束B照亮包括在多路复用光探测器D中的一组光传感器S。不过，下面的描述也适用于在图1B的配置中使用的多路复用光探测器D，或者在一束或多束光束照亮一组光传感器S的其他光学测量系统中使用的多路复用光探测器D。
图3示出了根据本发明实施例的多路复用光探测器的框图。包括在多路复用光探测器D中的光传感器S一般是InGaAs器件、硅光电二极管、电荷耦合器件或CMOS光探测器。光传感器S可选地是任何其他适于将光信号(例如截取的光束B)转换为对应的电信号(例如电流I)的转换器。一组光传感器S中的每个光传感器12都具有光学接收部分14和输出16。为了清楚起见，只用元件标号标出了一个光传感器12的光学接收部分14和输出16。
输出16是电极、导电盘、球形焊头、焊接凸起或其他类型的电触头。传感器输出16被统一排列成网格、阵列或其他配置，以向具有多个输入触头的多路复用器10的输入部分18提供合适的接口。在一个实施例中，输入触头组在输入部分18中硬连线到一起，以界定光传感器簇Cx。在多路复用光探测器D包括16000个光传感器的例子中，硬连线的输入触头组界定了有4个光传感器12的簇Cx，以在多路复用探测器D的空间分辨率和多路复用器10的电路系统复杂度之间提供合适折衷。不过，本发明的替换实施例包括这样的输入触头硬连线组，其界定有一个或多个光传感器12的簇。
多路复用器10的输入部分18以并行配置将光传感器S的簇耦合至多个放大器A。一般来说，放大器A是互阻放大器(transimpedanceamplifier)，这些放大器将由光传感器12的簇Cx提供的电流Ix或其他探测信号转换为对应的探测信号，例如电压Vx。元件标号的下标“x”是整数变量，用于指代该组光传感器S中的光传感器12的簇Cx中的任何特定的一簇、由该簇Cx提供的电路Ix、以及放大器Ax中的任何特定一个放大器和由该特定的放大器Ax提供的电压Vx。因此，簇Cx代表光传感器12的簇中的任何一簇，而放大器Ax代表放大器A中耦合至该簇Cx的那个放大器。在多路复用光探测器D包括16000个光传感器并且簇Cx包括4个光传感器的例子中，该多路复用器包括4000个放大器A。每个放大器Ax提供的电压Vx是这样的探测信号，该探测信号表示照亮光传感器12的簇Cx的光束B的强度。
在多路复用光探测器D包括4000个放大器A的例子中，多路复用器10包括4000个采样保持电路SH。采样保持电路SH由定时信号13选通，该定时信号13一般由时钟20或其他合适的定时源提供。采样保持电路SH以并行的配置耦合至对应的模拟保持电路AH。在有4000个采样保持电路SH的例子中，多路复用器10包括4000个模拟保持电路AH。模拟保持电路AH由定时信号13选通，该定时信号13被延时元件22时来形成延迟定时信号17。
模拟保持电路AH耦合至一系列可编程开关24的输入。在一个示例中，这一系列可编程开关24包括并行布置的第一串模拟多路复用器M1。第一串中的每个模拟多路复用器M1提供八对一的多路复用。这一系列可编程开关24也包括并行布置的第二串模拟多路复用器M2。第二串中的每个模拟多路复用器M2提供八对一的多路复用。这一系列可编程开关24还包括并行布置的第三串模拟多路复用器M3。第三串中的每个模拟多路复用器M3提供八对一的多路复用。在多路复用器10包括4000个采样保持电路SH的例子中，第一串模拟多路复用器M1包括500个模拟多路复用器M1，第二串模拟多路复用器M2包括63个模拟多路复用器M2，而第三串模拟多路复用器M3包括1个模拟多路复用器M3。在图3中示出的多路复用器10中，这一系列可编程开关24提供1个多路复用输出26。根据本发明的替换实施例，多路复用器10包括提供不同于八对一多路复用的、其他配置方式的、或者提供一个或多个多路复用输出26的模拟多路复用器或其他可编程开关。
这一系列可编程开关24提供在该组光传感器S中的指定物理位置处的光传感器12的簇Cx和多路复用输出26之间的映射，可以根据由处理器28提供给该系列可编程开关24的可选地址15来配置该映射。在本发明的实施例中(在该实施例中，该系列可编程开关24包括第一串模拟多路复用器M1、第二串模拟多路复用器M2和第三串模拟多路复用器M3)，由处理器28提供的每个地址15包括地址15a，用来选择第一串模拟多路复用器M1中的一个模拟多路复用器M1的输入；地址15b，用来选择第二串模拟多路复用器M2中这样的模拟多路复用器M2的输入，该模拟多路复用器M2耦合到第一串中被寻址的模拟多路复用器M1的输出；以及地址15c，用来选择第三串模拟多路复用器M3中这样的模拟多路复用器M3的输入，该模拟多路复用器M3耦合到第二串中被寻址的模拟多路复用器M2的输出。
由这一系列可编程开关24提供的映射是从模拟保持电路AH中指定的一个到多路复用输出26的选择耦合，该指定是根据由处理器28提供给该系列可编程开关24的地址15而做出的。例如，向该系列可编程开关24提供对应于簇Cx的地址，就将存储在模拟保持电路AHx中的电压Vx导向多路复用器10的多路复用输出26。选择到该系列可编程开关24的对应于簇Cy(未示出)的地址，就将存储在模拟保持电路AHy(未示出)中的电压Vy(未示出)导向多路复用器10的多路复用输出26，依此类推。
多路复用输出26一般耦合至数据获取系统、信号数字转换器、或其他类型的模数转换器ADC。在图3中示出的本发明的实施例中，该系列可编程开关24提供了一个多路复用输出26，并且示出了耦合至该多路复用输出26的一个模数转化器ADC。在多路复用器10包括提供多个多路复用输出(未示出)的模拟多路复用器M1、M2、M3的布置的实施例中，多个模数转换器ADC一般以并行配置耦合至多路复用输出，用于数字化出现在每个多路复用输出处的多路复用信号。
多路复用光探测器D适于在各种光学系统中探测光束B的强度。探测光强度一般包括将由光传感器12提供的探测信号(例如来自采样保持电路SH的电压)转移到模拟保持电路AH中，然后根据由处理器28提供的地址15，有选择地将模拟保持电路AH中被指定的那些模拟保持电路AH耦合至多路复用输出26。随时间的推移在多路复用输出26处提供的电压就形成了多路复用信号19。在多路复用光探测器D的一般应用中，多路复用信号19被数字化，并被进一步处理。
可以修整多路复用光探测器D的操作以适合于使用了多路复用光探测器D的光学系统。为了示例，在SPR检测的上下文中描述多路复用光探测器D的操作。在SPR检测中，以指定的时间间隔，在指定的波长范围内对照亮SPR传感器10的一束或多束光束的波长进行扫描。例如，可以以1.5秒的时间间隔，在从1500nm到1600nm的波长范围内扫描光束B的波长。在对光束B的波长进行扫描时，由多路复用光探测器D探测照亮光传感器的光束B的强度。在此例中，为了达到100皮米的测量分辨率，要在100nm的波长范围内获取沿波长平均分布的一千次测量。
在一般的测量获取中，定时信号13以由定时信号13的周期界定的1.5ms的时间间隔来选通采样保持电路SH。延迟定时信号17也以由延迟定时信号17的周期界定的1.5ms的时间间隔来选通模拟保持电路AH。根据定时信号13的每次选通或周期，采样保持电路SH中的开关闭合，以对该采样保持电路SH内的电容充电，同时模拟保持电路AH中的开关断开。一旦完成对采样保持电路SH内的电容的充电，采样保持电路SH内的开关就被断开，而延迟定时信号17使模拟保持电路AH内的开关闭合来给模拟保持电路AH内的电容充电。一旦完成对模拟保持电路AH内的电容的充电，模拟保持电路AH内的开关被断开，以隔离采样保持电路SH和模拟保持电路AH。这种开关序列提供了采样保持电路和该系列可编程开关24之间的隔离，并且使采样保持电路SH上的电压转移到模拟保持电路AH上。在定时信号13的每个周期内重复该开关序列(本例中为每1.5毫秒)。
在定时信号的每个周期内，或者本例中每个1.5ms的时间间隔中，处理器28向该系列可编程开关24顺序提供预定的一组地址15。根据该组地址15，模拟保持电路AH中被指定的那些被顺序耦合至多路复用输出26。这使得指定的模拟保持电路AH上的电压可以被有选择地提供在多路复用输出26处。通过改变包含在预定的一组地址15中的地址，可以指定选择耦合至多路复用输出26的模拟保持电路AH中的不同的模拟电路AH。
在图4A的示例性曲线图中，示出了在多路复用输出26处提供的多路复用信号19。在多路复用信号19中，时间间隔t1、t2...tx内的电压V1、V2...Vx等代表入射到通过地址15选择耦合至多路复用输出26的光传感器12的对应簇上的光束B的强度。例如，在时间间隔t1内的电压V1代表入射到第一簇(例如簇C1)的光束的强度，在时间间隔t2内的电压V2代表入射到第二簇(例如簇C2)的光束的强度，在时间间隔tx内的电压Vx代表入射到簇Cx的光束的强度，依此类推。多路复用信号19中时间间隔序列t1、t2...tx等也在定时信号13的每个周期(或者此例中的每个1.5ms)中重复，尽管每个时间间隔t1、t2...tx内的电压V1、V2...Vx一般都随定时信号13的周期变化。
在SPR检测中，根据预定的一组地址15而选择耦合至多路复用输出26的光传感器12的簇Cx一般包括占多路复用光探测器D中光传感器S的总数的很小百分比的光传感器。这使得能够对被多路复用光探测器D截取的光束的强度进行高速探测，例如通过增加时钟20的频率。此外，由于光传感器S的簇C1、C2...Cx根据提供给多路复用器10中的该系列可编程开关24的地址15而被选择耦合至多路复用输出26的选择耦合，所以在该组光传感器S中，可以随意对光传感器S的子集S1-SN进行排序或排列。这样，因为光传感器12的子集S1-SN可以根据由处理器28提供的地址而单独寻址，所以子集S1-SN可以形成任何空间排列，包括适应该组光传感器S接收到的光束的空间排列，以及子集S1-SN不连续的空间排列。
取决于包括了多路复用光探测器D的光学系统的类型，耦合至多路复用输出26的系统或组件可以进一步处理多路复用信号19。在一个例子中，多路复用信号19被数字化，然后被解复用，以提供解复用信号21，如图4B的示例性曲线图所示。将多路复用信号19数字化一般包括把电压V1、V2...Vx等转换为对应的电压值。解复用一般包括在定时信号13的每个周期中将对应于每个时间间隔的数字化电压的电压值存储在缓存或其他存储器30中。存储器30中的指定存储器位置包含电压值，并且对应于多路复用信号19内的时间间隔。该时间间隔又对应于由处理器28所选择的该组地址15所确定的特定物理位置处的光传感器12的簇。以对多路复用信号19解复用的顺序从存储器位置处读取电压值，以形成解复用信号21。由于电压值代表探测到的光强度，并且存储器位置代表在该组光传感器S中特定物理位置处的光传感器，所以解复用信号21可用来将由光传感器12的预先指定的簇探测到的光束强度建立为时间的函数。当在指定的时间间隔内对光束的波长进行扫描时，由于其是在SPR检测中，所以可以将在多路复用探测器D中的预定位置处的光传感器的簇所探测到的光束强度建立为波长的函数。当诸如光束在SPR传感器2上的入射角之类的其他属性作为时间的函数变化，或者在指定的时间间隔内变化时，可以建立与SPR传感器2的试样T1-TN相关的其他类型的强度分布。
在SPR检测中，光传感器12的多个簇一般形成为光传感器S的子集S1-SN，这些子集与SPR传感器2的试样T1-TN相关，如图1A-1B所示。当对与每个子集内的光传感器12的簇对应的解复用信号21进行相加、平均或其他处理后，可以建立针对每个试样T1-TN的强度分布IP1-IPN(如图5的示例性曲线图所示)。
以各种方式建立提供给该系列可编程开关24的预定的一组地址15。在一个例子中，根据图6的流程图中示出的预选方法40建立该组地址15。在预选方法40中，该组光传感器S被一束或多束光束照亮，例如从SPR传感器2偏转的光束B(步骤42)。虽然只有该组光传感器S中的某些光传感器12被光束B照亮时，但来自每个光传感器12的探测信号都被施加于采样保持电路SH和模拟保持电路AH。然后，探测信号(例如表现为由放大器A提供的电压)被顺序耦合至多路复用输出26(步骤44)。这些电压被模数转换器ADC数字化，然后，所得到的电压值被存储到存储器30中(步骤46)。
然后，基于由光束B照亮所产生的电压值，界定子集S1-SN(步骤48)。在一个例子中，通过在计算机显示器或其他输出设备(未示出)上显示存储器30的内容，然后基于在该输出设备上观察到的亮度或其他特征，通过用户界面(未示出)选择对应于光传感器12的簇的物理位置，从而界定该组光传感器S的子集S1-SN。软件工具(例如可从美国德州奥斯丁的国家仪器公司获得的LabView Vision Assistant)适于显示存储器30的内容，并且适于选择在该组光传感器S内指定物理位置处的光传感器12的簇。
在另一种例子中，基于存储在存储器30中的电压值的量值，自动选择光传感器S的子集S1-SN。如果应用到SPR传感器2的光束B的波长被设为接近试样T1-TN的共振波长R1-RN(图5中示出)，则被光束B照亮的光传感器S的簇提供的探测信号具有比未被光束B照亮的光传感器12的簇提供的探测信号大的量值。不与样本T1-TN相关的光传感器12的簇具有比由被光束B照亮的相邻光传感器12的簇提供的探测信号低的量值。界定光传感器S的子集S1-SN的该组地址15是基于存储具有在指定范围内量值的电压值的存储器位置确定的。
其他的或替换的标准可以用来建立用于界定光传感器12的子集S1-SN的该组地址15。例如，界定光传感器12的子集S1-SN的该组地址15可以被选择来排除这样的光传感器12，这些光传感器具有规定范围外的暗电流、来自其他光传感器12的过度泄漏、短路的输出16、或者在该组光传感器S或多路复用器10中的其他缺陷。该组地址15也可以被选择来排除由该组光传感器S接收到的光束通过的光路所产生的不期望的特性。
图3所示的框图指示在多路复用光探测器D内的各种元件。此框图的实现可以包括各种层次的集成。例如，该组光传感器S和多路复用器10可以包括集成电路，或者这些元件可以是分离的。类似地，可以用在集成电路上集成的处理器28、存储器30、时钟20、延迟元件22和该系列可编程开关24中的某些或全部来实现多路复用器10。
图7是根据本发明的替换实施例的光探测方法50的流程图。在光探测方法50的步骤52中，一束或多束光束B被该组光传感器S接收到。通过由处理器28提供的预定的一组地址15，该组光传感器S的界定子集S1-SN被选择耦合至多路复用光探测器D的多路复用输出26(步骤54)。在可选包括的步骤56中，在多路复用输出26处输出的多路复用信号19被进一步处理，以建立由该组光传感器S接收到的一束或多束光束B的强度分布IP1-IPN。
虽然已经详细说明了本发明的实施例，但是很清楚本领域技术人员可以想到对这些实施方式作出各种修改和改变，而不脱离在所附权利要求中阐明的本发明的范围。
权利要求
1.一种多路复用光探测器，包括一组光传感器；和耦合至所述一组光传感器的多路复用器，所述多路复用器将由所述光传感器的一个或多个子集提供的探测信号选择耦合至至少一个多路复用输出，所述光传感器的所述一个或多个子集可根据提供给所述多路复用器的预定的一组地址来进行配置。
2.如权利要求1所述的多路复用光探测器，其中，所述多路复用器包括一系列可编程开关，所述一系列可编程开关提供所述至少一个多路复用输出，并接收所述预定的一组地址。
3.如权利要求1所述的多路复用光探测器，其中，所述预定的一组地址是基于用一束或多束光束照亮所述一组光传感器而建立的。
4.如权利要求3所述的多路复用光探测器，其中，所述一束或多束光束具有对应的波长，在预定时间间隔内，所述对应的波长在预定波长范围上被扫描。
5.如权利要求4所述的多路复用光探测器，其中，在所述预定时间间隔中，所述预定的一组地址内的地址被多次顺序提供给所述多路复用器。
6.如权利要求3所述的多路复用光探测器，其中，在照亮所述一组光传感器之前，所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
7.如权利要求4所述的多路复用光探测器，其中，在照亮所述一组光传感器之前，所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
8.如权利要求5所述的多路复用光探测器，其中，在照亮所述一组光传感器之前，所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
9.一种多路复用光探测器，包括一组光传感器，其中所述组内的光传感器响应于一束或多束光束照亮所述一组光传感器来提供对应的探测信号；和耦合至所述一组光传感器的多路复用器，所述多路复用器根据提供给所述多路复用器的预定的一组地址来将所述探测信号中的预定探测信号选择耦合至所述多路复用器的至少一个多路复用输出。
10.如权利要求9所述的多路复用光探测器，其中，提供给所述多路复用器的所述预定的一组地址界定所述一组光传感器内的一个或多个光传感器子集。
11.如权利要求9所述的多路复用光探测器，其中，所述一束或多束光束具有对应的波长，在预定时间间隔内，所述对应的波长在预定波长范围上被扫描。
12.如权利要求11所述的多路复用光探测器，其中，在所述预定时间间隔中，所述预定的一组地址内的地址被多次顺序提供给所述多路复用器。
13.如权利要求9所述的多路复用光探测器，其中，照亮所述一组光传感器的所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
14.如权利要求12所述的多路复用光探测器，其中，照亮所述一组光传感器的所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
15.一种光探测方法，包括用一组光传感器接收一束或多束光束，所述光传感器响应于所述接收到的一束或多束光束来提供对应的探测信号；和根据提供给所述多路复用器的一组地址，将所述探测信号中的指定的探测信号选择耦合至所述多路复用器的至少一个多路复用输出。
16.如权利要求15所述的光探测方法，其中，提供给所述多路复用器的所述一组地址界定所述一组光传感器内的一个或多个光传感器子集。
17.如权利要求15所述的光探测方法，其中，所述一束或多束光束具有对应的波长，在预定时间间隔内，所述对应的波长在预定波长范围上被扫描。
18.如权利要求17所述的光探测方法，其中，在所述预定时间间隔中，所述预定的一组地址内的地址被多次顺序提供给所述多路复用器。
19.如权利要求17所述的光探测方法，其中，照亮所述一组光传感器的所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
20.如权利要求18所述的光探测方法，其中，照亮所述一组光传感器的所述一束或多束光束被从表面等离子体共振传感器偏转。
全文摘要
本发明涉及一种多路复用光探测系统。多路复用光探测器包括耦合至多路复用器的一组光传感器，该多路复用器将光传感器的子集映射至由多路复用器提供的至少一个多路复用输出。光传感器的子集可根据提供给多路复用器的地址来进行配置。
文档编号H04J3/00GK1727876SQ20051008515
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月21日 优先权日2004年7月29日
发明者格雷戈里·D·范维格瑞恩, 道格拉斯·M·巴内, 格雷厄姆·M·弗劳尔, 丹尼尔·B·罗伊特曼 申请人:安捷伦科技有限公司