一种用于流式荧光点阵仪的激光器及控制方法与流程

本发明涉及医疗设备技术领域，具体地说是一种用于流式荧光点阵仪的激光器及控制方法。

背景技术：

流式荧光技术是基于编码微球和流式技术的一种临床应用型的高通量发光检测技术，又被称为液态芯片、悬浮阵列等。该项技术是继生物芯片技术、化学发光技术之后的新一代高通量分子诊断技术平台，是临床诊断领域及生命科学研究中的一大热点。

以目前f4k流式荧光为例，仪器检测平台中包含一种直径5.6μm的聚苯乙烯微球，其被两种光谱特性不同的荧光染料染色。通过精确控制两种荧光染料的浓度配比(10×10)，可以获得一个100种荧光编码的微球阵列，由于微球可通过其编码荧光被识别，因而可以实现在一个混合反应体系中同时进行100项反应的检测。微球上另一种荧光物质与报告分子交联，用于测定微球表面生物反应的量，该平台综合了有色微球、应用流体学、激光技术及高速数字信号处理技术的技术优势，目前已被广泛应用于免疫分析、核酸检测、酶学分析、受体和配体识别分析等研究领域。微球在高速通过的流体束中，逐颗被两束激光进行分析。一束635nm的红色激光激发微球自身的荧光物质，而另一束532nm的绿色激光激发结合在微球表面的报告荧光物质(藻红蛋白、alexa532或cy3)。通过对荧光信号的高速读取处理后分类微球编码，同时读取每种编码微球上的检测物的信号值，报告检测结果。

所以激光器的稳定性对检测平台极为重要，本发明着重于对635nm激光器研制，结合国外激光器的特点与f4k仪器的要求，提出一个适合于f4k的635nm自研激光器，摆脱此前完全受制于外国激光器不利，从而优化了产品的生产成本及充实了技术积累。

技术实现要素：

本发明提供一种结构简单、精确控制，具有光功率输出稳定，环境温度适应能力强的用于流式荧光点阵仪的激光器，提供了一种高精度恒流驱动和温控电路半导体激光控制器的方法，该控制方法利用负反馈电路对激光器驱动电流进行精密的恒流控制，同时采用集成双向tec控制芯片max1968控制半导体制冷片的工作电流，实现对激光器工作温度的精确控制，结合半导体激光器内部pd光强反馈电路实现恒定输出光功率的控制。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种用于流式荧光点阵仪的激光器，包括壳体、准直组件、pcb板和制冷机构，所述准直组件、pcb板和制冷机构均设于壳体内，制冷机构位于准直组件下方，所述准直组件包括准直筒、激光源和透镜，所述准直筒在轴向上设有阶梯通孔，所述阶梯通孔上设有第一台阶和第二台阶，所述激光源卡于第一台阶上，并通过激光源锁紧环固定，所述透镜设于透镜调节套内，透镜调节套卡于第二台阶上，并通过透镜锁紧环固定，壳体上表面设有上盖，壳体其中一个侧面设有后盖，所述壳体的其中一个侧面上设有第一透光孔，所述第一透光孔与激光源位于同一轴线上。

所述激光器还包括遮光机构，用于遮挡第一透光孔，遮光机构包括遮光板和固定螺丝，所述遮光板呈扇形，并设有一个操作杆，所述壳体设有第一透光孔的外侧面上设有凹陷，遮光板设于凹陷内，操作杆露出凹陷之外，并通过固定螺丝和螺母固定，扳动操作杆实现遮住或者打开第一透光孔。

穿过所述遮光板和壳体的固定螺丝上套设有垫片和弹性垫圈。

所述制冷机构包括制冷片，所述制冷片与pcb板电连接，制冷片上方设有准直固定座，准直固定座上设有固定通孔，所述准直筒卡于固定通孔内。

所述准直固定座上设有温度传感器，所述温度传感器与pcb板相连接。

所述透镜通过透镜固定套卡于透镜调节套内，所述透镜固定套上设有第二透光孔和第三台阶，所述透镜卡于第三台阶上，透镜和透镜固定套一起通过螺纹固定的方式设于透镜调节套内。

所述准组件还包括弹簧，所述透镜锁紧环上设有第三透光孔和一圈凹槽，所述弹簧一端卡入所述凹槽内，另一端与透镜调节套相抵触，并且所述透镜锁紧环通过螺纹固定的方式设于准直筒内。

所述激光源锁紧环上设有连接通孔，所述激光源的连接线穿过所述连接通孔，所述激光源锁紧环通过螺纹固定的方式设于准直筒内。

所述上盖的下表面上设有一条凸筋，凸筋卡入所述壳体上端面内，所述壳体其中相互对称的两侧面的内侧设有凸台，所述凸筋的下端面与凸台的上端面相抵触。

所述后盖上设有接线孔，pcb板的接线头位于所述接线孔内，所述后盖的内侧面的上部设有两个凸块，所述凸块卡于pcb板的上表面上，每个凸块的下部各设有一条凸条，所述凸条卡于壳体内侧面上。

一种用于流式荧光点阵仪的激光器的控制方法，包括激光恒流控制模块和温度控制模块，激光恒流控制模块采用半导体激光管进行直接整形输出，采用半导体激光管内部pd进行反馈光功率，激光器采用电流闭环设计，使得激光管上的电流线性可控、结合内部pd的光功率反馈，通过光功率软件控制电流闭环，温度控制模块包括制冷片和温度传感器，采用半导体制冷片进行双向温度控制；外部接口将输入的12v电源通过两个开关电源转换成两路5v，一路供电温度控制模块，另一路供电激光恒流控制模块，激光输出功率通过激光管内部pd获得。

激光恒流控制模块采用采样电阻运放反馈控制晶体管恒定电流，采用两级电路，第一级使得dac输出电压翻转以解决上电开启及dac电压输出不匹配，提供给第二级电路参考电压；pd电流检测电路，采用运放跨阻放大，采用两级放大电路以适应pd功率反馈电流的差异性。

温度控制模块采用max1968专用芯片，可提供双向3a的电路输出，内部包括横流控制电路，单片通过dac输出电压设定max1968目标电流，通过外部电阻配置电压设定最大和最小电流，芯片带有输出电流反馈脚，通过单片采用电压检测tec输出是否有异常。

温度传感器采用ntc温度传感器。

本发明所带来的有益效果是：

本发明中，所述用于流式荧光点阵仪的激光器壳体、准直组件、pcb板和制冷机构，准直筒是准直组件的基体，支撑其他零件，激光源和激光源锁紧环位于准直筒的一端，激发出激光光束，透镜调节套、透镜固定套、弹簧、透镜锁紧环位于准直筒的另一端，起光束准直的作用；遮光板可手动控制是否出光；内部的制冷片通过导热胶连接准直固定座上，所述温度传感器可以实时感知温度的变化，并进行实时反馈；所述上盖的下表面上设有一条凸筋，凸筋起到有效遮光的作用，所述后盖的内侧面的上部设有两个凸块，凸块用于给pcb板上表面限位。

激光器光路部分采用半导体激光管进行直接整形输出，对比外国激光器无需额外增加椭圆光斑圆化技术，使得激光器光路更为简单可靠，同时更符合f4k仪器的应用要求。同时优化了与国外激光器不同的光功率反馈方式，采用半导体激光管内部pd进行反馈光功率，使得光功率不易受环境温度影响。激光器采用电流闭环设计，使得激光管上的电流线性可控、结合内部pd的光功率反馈，设计光功率软件控制环，从而确保输出光功率稳定。激光器温控采用半导体制冷片tec进行双向温度控制，可以较大环境温度范围内使得激光管稳定在25℃，温度传感器采用高精度ntc负温度系数电阻，控制环采用软件pid的方式，以确保温度准确。实现了驱动电流0ma～100ma可调或光功率从0mw～20mw可调，光功率稳定度为±1％，温度控制的最大误差为0.02℃。该设计实现了对光功率、电流和温度的有效控制，保证了输出光的稳定性。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所述激光器的结构示意图。

图2为本发明所述激光器的剖视图。

图3为本发明所述准直组件的剖视图。

图4为本发明所述准直组件的爆炸图。

图5为本发明所述准直固定座与制冷片的结构示意图。

图6为本发明所述上盖的结构示意图。

图7为本发明所述后盖的结构示意图。

图8为本发明所述激光器控制的连接图。

图9为本发明所述激光恒流电路图。

图10为本发明所述温度控制电路图。

图11为本发明所述激光恒功率控制图。

图12为本发明所述激光恒温控制图。

图中部件名称对应的标号如下：

1、壳体；2、pcb板；3、准直筒；4、激光源；5、透镜；6、阶梯通孔；7、第一台阶；8、第二台阶；9、激光源锁紧环；10、透镜调节套；11、透镜锁紧环；12、上盖；13、后盖；14、第一透光孔；15、遮光板；16、固定螺丝；17、操作杆；18、凹陷；19、螺母；20、垫片；21、弹性垫圈；22、制冷片；23、准直固定座；24、固定通孔；25、温度传感器；26、透镜固定套；27、第二透光孔；28、第三台阶；29、弹簧；30、第三透光孔；31、凹槽；32、连接通孔；33、凸筋；35、接线孔；36、凸块；37、凸条。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详述：

作为本发明所述用于流式荧光点阵仪的激光器的实施例，如图1至图7所示，包括壳体1、准直组件、pcb板2和制冷机构，所述准直组件、pcb板2和制冷机构均设于壳体1内，制冷机构位于准直组件下方，所述准直组件包括准直筒3、激光源4和透镜5，所述激光源4为半导体激光管，所述准直筒3在轴向上设有阶梯通孔6，所述阶梯通孔6上设有第一台阶7和第二台阶8，所述激光源4卡于第一台阶7上，并通过激光源锁紧环9固定，所述透镜5设于透镜调节套10内，透镜调节套10卡于第二台阶8上，并通过透镜锁紧环11固定，壳体1上表面设有上盖12，壳体1其中一个侧面设有后盖13，所述壳体1的其中一个侧面上设有第一透光孔14，所述第一透光孔14与激光源4位于同一轴线上。所述透镜5通过透镜固定套26卡于透镜调节套10内，所述透镜固定套26上设有第二透光孔27和第三台阶28，所述透镜5卡于第三台阶28上，透镜5和透镜固定套26一起通过螺纹固定的方式设于透镜调节套10内。所述准组件还包括弹簧29，所述透镜锁紧环11上设有第三透光孔30和一圈凹槽31，所述弹簧29一端卡入所述凹槽31内，另一端与透镜调节套10相抵触，并且所述透镜锁紧环11通过螺纹固定的方式设于准直筒3内。准直筒3是准直组件的基体，支撑其他零件，激光源4和激光源锁紧环9位于准直筒3的一端，激发出激光光束，透镜调节套10、透镜固定套26、弹簧29、透镜锁紧环11位于准直筒3的另一端，起光束准直的作用，第一透光孔14、第二透光孔27、第三透光孔30都给激发出的激光提供光路通道的作用，第一台阶7、第二台阶8、第三台阶28起到给激光源4、透镜调节套10、透镜5限位固定的作用。

本实施例中，所述激光器还包括遮光机构，用于遮挡第一透光孔14，遮光机构包括遮光板15和固定螺丝16，所述遮光板15呈扇形，并设有一个操作杆17，所述壳体1设有第一透光孔14的外侧面上设有凹陷18，遮光板15设于凹陷18内，操作杆17露出凹陷18之外，并通过固定螺丝16和螺母19固定，扳动操作杆17实现遮住或者打开第一透光孔14。遮光板15可手动控制是否出光，将遮光板15设计成扇形，一方面方便旋转，另一方面可以给第一透光孔14留出透光的位置，在手动转动操作杆17时，遮光板15可以实现挡住或者打开第一透光孔14。

本实施例中，穿过所述遮光板15和壳体1的固定螺丝16上套设有垫片20和弹性垫圈21。由于遮光板15在操作杆17的作用下是需要绕固定螺丝16转动的，所以固定螺丝16和螺母19不可以拧紧，需要一定的松动空间，但是又需要一定的遮光效果，所以遮光板15与壳体1之间又不能太松动，所以设置了垫片20和弹性垫圈21，使其具有一定的弹性，方便遮光板15转动。

本实施例中，所述制冷机构包括制冷片22，所述制冷片22与pcb板2电连接，制冷片22上方设有准直固定座23，准直固定座23上设有固定通孔24，所述准直筒3卡于固定通孔24内。所述准直固定座23上设有温度传感器25，所述温度传感器25与pcb板2相连接。内部的制冷片22通过导热胶连接准直固定座23上，所述温度传感器25可以实时感知温度的变化，并进行实时反馈。

本实施例中，所述激光源锁紧环9上设有连接通孔32，所述激光源4的连接线穿过所述连接通孔32，并与pcb板2电连接，所述激光源锁紧环9通过螺纹固定的方式设于准直筒3内。

本实施例中，所述上盖12的下表面上设有一条凸筋33，凸筋33卡入所述壳体1上端面内，所述壳体1其中相互对称的两侧面的内侧设有凸台，所述凸筋33的下端面与凸台的上端面相抵触。所述后盖13上设有接线孔35，pcb板2的接线头位于所述接线孔35内，所述后盖13的内侧面的上部设有两个凸块36，所述凸块36卡于pcb板2的上表面上，每个凸块36的下部各设有一条凸条37，所述凸条37卡于壳体1内侧面上。所述凸筋33起到有效遮光的作用，所述凸台起到支撑上盖12的作用，并且使上盖12与壳体1尽量平整地接触固定，所述凸块36用于给pcb板上表面限位，所述凸条37可以使后盖13在安装的过程中定位更加准，安装更加到位。

一种用于流式荧光点阵仪的激光器的控制方法，包括激光恒流控制模块和温度控制模块，激光恒流控制模块采用半导体激光管进行直接整形输出，采用半导体激光管内部pd进行反馈光功率，激光器采用电流闭环设计，使得激光管上的电流线性可控、结合内部pd的光功率反馈，通过光功率软件控制电流闭环，温度控制模块包括制冷片和温度传感器，采用半导体制冷片进行双向温度控制；外部接口将输入的12v电源通过两个开关电源转换成两路5v，一路供电温度控制模块，另一路供电激光恒流控制模块，激光输出功率通过激光管内部pd获得。

本实施例中，激光恒流控制模块采用采样电阻运放反馈控制晶体管恒定电流，采用两级电路，第一级使得dac输出电压翻转以解决上电开启及dac电压输出不匹配，提供给第二级电路参考电压；pd电流检测电路，采用运放跨阻放大，采用两级放大电路以适应pd功率反馈电流的差异性。如图8所示。

本实施例中，温度控制模块采用max1968专用芯片，可提供双向3a的电路输出，内部包括横流控制电路，单片通过dac输出电压设定max1968目标电流，通过外部电阻配置电压设定最大和最小电流，芯片带有输出电流反馈脚，通过单片采用电压检测tec输出是否有异常。如图9所示。

本实施例中，激光出光功率为20mw左右，输出波长要求633nm到640nm之间，选型两款激光管：hl6363mg和ql63h5sc，功率和输出波长均能满足使用要求。激光器整体电控方案：外部接口将输入的12v电源通过两个开关电源转换成两路5v，一路供电温度控制模块，温度控制模块的tec双向控制电路采用专用芯片max1968提供双向横流控制，另一路供电激光恒流控制模块，激光恒流控制模块采用恒流电路，激光输出功率通过激光管内部pd获得，温度传感器采用ntc温度传感器，外部通信采用rs485通信，功能框图10所示。

激光器功能主要为激光管恒功率控制，tec恒温控制，信息和错误功能。恒功率控制和恒温控制使用闭环控制，其控制使用的参数保存到eeprom中，该参数可以被上位机读取和修改。恒定功率控制需要对功率的稳定效果进行监测，对稳定时间和电流有限制条件，在达到置信次数次阈值后则判定为异常状态，进入错误处理状态；tec控制主要为温度恒定控制和稳定状态监测功能；对tec稳定状态发生异常的情况需要通过错误指示灯报错和保护器件；信息错误功能记录产品的详细信息和错误信息，这些信息可以通过串口通信被上位机读取和修改。

软件激光恒功率控制设计：恒功率控制中使用积分控制器算法，恒功率控制主要是考虑到激光管在长时间激发后，内部硬件发生衰老，导致其在相同工作电流下输出的光功率出现下降。通过恒功率闭环控制算法，确保激光管在发生老化时，其输出光功率依然能保持恒定，以满足仪器使用需求。积分控制器会对光电二极管反馈的电流进行采集，计算其和标定输出光功率之间的差值，该差值会会输入到积分控制器。积分控制器会累加误差，调整控制器输出值的大小。如图11所示。

软件激光恒温控制设计：恒温控制中使用pi算法进行控温，该算法在温度与设置温度的偏离较大时，比例项起主导作用，当温度和设置温度偏差较小时，积分项起主要作用，起到修正静态稳态误差的作用。pi控制器输出的结果值用于调整tec输出电流大小和方向。如图12所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。