本公开涉及生物测量技术领域，具体涉及一种生物测量装置。
背景技术：
在传统生物测量采用普通成像透镜对生物样本进行成像，成像原理主要是向生物芯片上的生物样本照射激发光，生物样本受到激发产生发生光，发射光经由成像透镜到达摄像机，摄像机捕捉图像信息并提供给计算机，计算机基于单体透镜成像原理来产生生物样本的图像。但是传统成像透镜通常由于镜头直径的限制，无法实现通大口径近距离微距成像，限制了测量灵敏度。
技术实现要素：
有鉴于此，本公开提供了一种生物测量装置，采用阵列透镜来作为成像透镜，并基于阵列透镜成像原理来进行成像，缩短了成像距离的同时，提高了图像质量，从而提高测量灵敏度。
根据本公开的第一方面，提供了一种生物测量装置，包括：生物芯片，用于承载生物样本；光源，用于利用激发光照射生物芯片上的生物样本，使得生物样本产生发射光；第一阵列透镜模组，设置在所述发射光的传输路径上；第一图像传感器，所述第一阵列透镜模组和所述第一图像传感器设置成使得生物样本产生的发射光经过第一阵列透镜模组到达第一图像传感器，使得第一图像传感器产生第一图像信号；计算设备，与所述第一图像传感器相连，用于根据来自第一图像传感器的第一图像信号来进行阵列透镜成像处理，以生成所述生物样本的图像。
优选地，所述第一阵列透镜模组包括：第一阵列透镜，包括布置成阵列的多个透镜单元，所述第一阵列透镜设置在所述发射光的第一传输路径上；第一遮光片，设置在所述第一阵列透镜一侧。
优选地，所述生物测量装置还包括第一光谱测量模块，所述第一光谱测量模块包括：第二阵列透镜模组，设置在所述发射光的传输路径上；以及第二图像传感器，所述第二阵列透镜模组和所述第二图像传感器设置成使得生物样本产生的发射光经过第二阵列透镜模组到达第二图像传感器，使得第二图像传感器产生第一图像信号；所述第二图像传感器与所述计算设备相连，所述计算设备还用于根据来自第二图像传感器的第二图像信号来进行光谱测量，以获得所述发射光的光谱信息。
优选地，所述第二阵列透镜模组包括：第二阵列透镜，包括布置成阵列的多个透镜单元，所述第二阵列透镜设置在所述发射光的第二传输路径上。
优选地，还包括第二光谱测量模块，所述第二光谱测量模块包括：棱镜模组，设置在所述发射光的传输路径上；以及第三图像传感器，单透镜模组和所述第三图像传感器设置成使得生物样本产生的发射光经过单透镜模组到达第三图像传感器，使得第三图像传感器产生第三图像信号；所述第三图像传感器与所述计算设备相连，所述计算设备还用于根据来自第三图像传感器的第三图像信号来进行光谱测量，以获得所述发射光的光谱信息。
优选地，所述单透镜模组包括：棱镜，设置在所述发射光的第三传输路径上；以及光栅，所述光栅和棱镜设置成使得发射光被棱镜反射后到达光栅，经过光栅反射之后回到棱镜，并经过棱镜再次反射后到达第三图像传感器。
优选地，所述第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器中的至少一个经由锁相放大模块连接至计算设备。
优选地，所述生物测量装置还包括：电光调制器EOM，所述电光调制器设置在所述光源发出的激发光的传输路径上，用于进行电光调制；所述锁相放大模块包括：第一输入通道，与所述第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器之一相连，用于对来自所述第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器之一的图像信号进行放大和滤波，以产生第一通道信号；第二输入通道，与所述电光调制器相连，用于对来自电光调制器的信号进行触发、移相和功率放大，以产生第二通道信号；混合单元，用于将所述第一通道信号和第二通道信号叠加后进行积分，以生成积分信号；直流放大器，用于将来自叠加单元的积分信号进行直流放大后输出。
优选地，所述生物测量装置还包括接口模块，所述接口模块包括：模数转换器，用于将来自直流放大器的模拟信号转换成数字信号；数字信号处理器，用于将来自模数转换器的数字信号进行预处理后提供给计算设备；接口，用于与计算设备通信连接。
优选地，所述第一阵列透的透镜单元布置成面阵。
优选地，所述第一阵列透镜的透镜单元布置成线阵；所述生物测量装置还包括传动机构，与所述第一阵列透镜相连；所述计算设备还用于在进行阵列透镜成像处理过程中控制所述传动机构带动所述第一阵列透镜移动。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了根据本公开实施例的生物测量装置的示意框图。
图2示出了根据本公开一实施例的生物测量装置的光路结构示意图。
图3示出了根据本公开另一实施例的生物测量装置的光路结构示意图。
图4示出了根据本公开实施例的生物测量装置中的样本成像光路结构示意图。
图5示出了根据本公开实施例的生物测量装置的系统连接示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开提供了一种生物测量装置。
图1示出了根据本公开实施例的生物测量装置的示意框图。如图1 所示，生物测量装置包括光源1、生物芯片2、样本成像模块3、光谱测量模块以及计算设备。
光源1能够发出激发光。生物芯片2上承载有生物样本。样本成像模块3可以包括第一阵列透镜模组31和第一图像传感器32。光谱测量模块4可以包括第二阵列透镜模组41和第二图像传感器42。
光源1产生的激发光照射生物芯片2上的生物样本，生物样本受到激发产生的发射光一方面经由第一阵列透镜模组31到达第一图像传感器32，使得第一图像传感器32生成第一图像信号并提供给计算设备 5，另一方面经由第二阵列透镜模组41到达第二图像传感器42，使得第二图像传感器生成第二图像信号并提供给计算设备5。计算设备5 根据第一图像信号，基于阵列透镜成像原理来生成生物样本的图像信息，而基于第二图像信号进行光谱测量，从而产生发射光的光谱信息。优选地，计算设备5可以参考光谱信息来分析生物样本的图像信息，从而进一步提高生物测量的准确性。
图2示出了根据本公开一实施例的生物测量装置的光路结构示意图。图中白色箭头示出了激发光的传播方向，黑色箭头示出了发射光的传播方向。
如图2所示，泵浦光源S1产生的光与白光光源S2产生的经过准直器T2、光栅G1、反射镜R2、准直器T3、反射镜R1之后的光共同经过分光镜L1，然后经过准直器T1、反射镜R3、R4、分光镜L2、L3、反射镜R5、分光镜L4以及聚焦透镜LEN1之后到达生物芯片2。电光调制器(EOM，Electro-Optic Modulators)设置在泵浦光源S1的光传输路径上，在本实施例中，位于准直器T3与反射镜R1之间，用于相干检测，以达到提高检测灵敏度的目的。
生物芯片2上的生物样本收到激发后产生发射光，发射光经由第一光路被提供给摄像机C1以用于生物样本的成像，经由第二光路被提供给摄像机C2以用于基于阵列透镜的光谱测量，经由第三光路被提供给摄像机C3以用于基于棱镜的光谱测量。具体地，如图2所示，第一光路包括聚焦透镜LEN1、分光镜L4、阵列透镜A1、遮光片B1；第二光路包括聚焦透镜LEN1、分光镜L4、反射镜R5、分光镜L3、瑞丽滤光片F2、光栅G3、阵列透镜A2、遮光片B2；第三光路包括聚焦透镜LEN1、分光镜L4、反射镜R5、分光镜L3、分光镜L2、瑞丽滤光片F1、准直器T4、遮光片B3、透镜LEN2、光栅G2。
摄像机C1、C2、C3包括但不限于CCD摄像机。分光镜L1、L2、 L3、L4用于将不同波长的入射光分离，一部分反射，一部分透射。光栅G1、G2和G3用于将入射光衍射成为单色光。反射镜R1、R2、 R3、R4、R5可以为反光棱镜。棱镜LEN2可以为具有一定角度的反光棱镜，与光栅G2配合向摄像机C3提供发射光。遮光片B1、B2、B3可以设置成格栅结构，用于滤除杂散光。在本实施例中，基于阵列透镜来进行生物样本的成像，相比于传统技术，能够减小成像距离，并且通过叠加各个透镜单元的子图像，起到了曝光迭代的作用，能够提高样本图像的质量。
在本实施例中，在进行生物样本成像的同时还针对生物样本受激发而产生的发射光进行光谱测量，在获得生物样本成像的同时还能够获得光谱测量结果来帮助分析和计算，甚至于还可以在生物样本成像的过程中参考光谱测量的结果来进行成像处理。
在本实施例中，不仅可以基于阵列透镜来进行光谱测量，还可以基于棱镜来进行光谱测量。基于阵列透镜的光谱测量相比于基于棱镜的光谱测量能够提供更高强度的光学信号，可以根据需要选择两种测量方式之一，也可以同时采用两种测量方式，以其中一种测量结果作为另一种测量结果的参考。
图3示出了根据本公开另一实施例的生物测量装置的光路结构示意图。图3的光路结构与图2类似，区别至少在于去除了第三光路，即，未采用基于棱镜的光谱测量，并且去除了摄像机C2之前的遮光片B2。与成像不同，光谱测量所需的光信号可以不必去除杂散光，通过去除摄像机C2之前的遮光片，减少了光信号损耗，能够为摄像机C2提供更完整、全面的光学信息，有助于光谱测量准确度的提高，而用于成像的摄像机C1之前仍然保留遮光片B1，以滤除杂散光，确保成像质量。另外，通过去除了摄像机C3这一光路，能够提供一个结构更简单、准确度更高的生物测量装置。
图4示出了根据本公开实施例的生物样本成像光路的结构示意图。图中实线箭头表示激发光的传播方向，白色箭头表示发射光的传播方向。如图4所示，生物芯片201上设有生物样本202，LED光源LED1和 LED2发出的激发光分别经由透镜组从两侧用激发光照射生物芯片 201，使得生物芯片201上的生物样本202产生发射光。优选地，在LED 光源LED1和LED2侧面分别设置U形反射槽U1和U2，以增强激发光的强度。生物样本202受到激发后产生的发射光经由遮光片B1和阵列透镜A1到达摄像机C1。
阵列透镜A1具有布置成阵列的多个透镜单元203。可以设置透镜单元203的结构、排列方式以及与生物芯片之间的距离，使得每个透镜单元203提供整个生物芯片202的图像，或者生物芯片202的一部分的图像。这些图像被摄像机C1捕获之后提供给计算设备5，计算设备 5对它们进行图像移位、边缘切割、曝光迭代和拼接，最终获得结果图像。在本实施例中，假设阵列透镜A1的透镜单元202布置成面阵的形式，其能够提供完整生物芯片201的图像信息。然而本公开的实施例不限于此，其也可以布置成线阵的形式，这里所谓线阵不限于一行，其可以是多行，其不能提供完整生物芯片201的图像信息。在这种情况下，可以相应地设置传动机构(图中未示出)，例如机械位移平台，计算设备5在成像处理过程中，可以在处理完阵列透镜A1当前位置获得的图像数据之后，控制传动机构将阵列透镜A1平移到下一个位置，然后对下一个位置获得的图像数据进行处理，以此类推，当获得了全部位置的图像数据之后再进行拼接，从而获得整个生物芯片201的图像。当然，计算设备5也可以先控制位移平台扫描所有位置的图像数据，在获得所有位置的图像数据之后再统一对这些图像数据进行处理，以获得最终的结果图像。
与图2和图3的实施例不同，在本实施例中，滤光片B1设置在阵列透镜A1与生物样本202之间，然而本领域技术人员可以根据需要将滤光片B1设置在阵列透镜A1的任意一侧。另外，与图2和图3的实施例不同，本实施例中光源LED1和LED2从两侧照射生物芯片，而不是利用泵浦光源和白光光源从正面照射生物芯片，本领域技术人员可以根据需要选择合适的光源和照射方式。
图5示出了根据本公开实施例的生物测量装置的系统连接示意图。
如图5所示，图2至图4中摄像机C1、C2、C3连接到计算设备5以向其提供图像信号，其中摄像机C1、C2、C3中的一个或多个可以经由锁相放大模块连接到计算设备5。以摄像机C1为例，其输出端接入锁相放大模块6的第一输入通道，电光调制器EOM的输出端连接到锁相放大模块的第二输入通道，来自第一输入通道和第二输入通道的信号经过混合之后放大输出。在图5的实施例中，第一输入通道包括串联的前置放大器61、低通滤波器62和交流放大器63，第二输入通道包括串联的触发器64、移相器65和功率放大器66，混合模块包括乘法器 67和积分器68，来自摄像机C1的图像信号经过前置放大器61、低通滤波器62和交流放大器63之后提供给乘法器67的第一输入端，来自电光调制器EOM的承载有激发光信息的电信号经过触发器64、移相器 65和功率放大器66之后被提供给乘法器67的第二输入端，乘法器67 的输出信号经过积分器68积分之后被提供给直流放大器69的输入端，直流放大器69的输出端作为锁相放大模块6的输出端将经过锁相放大的信号提供给接口模块7。通电光调制器EOM的信号与激发光同频，从而实现对图像信号的锁相放大。
锁相放大模块6的输出信号通过接口模块7提供给计算设备5。在本实施例中，接口模块7包括模数转换器71、数字信号处理器72和接口73，其中接口73用于与计算设备5通信连接。例如，可以采用USB 接口来实现与诸如计算机、服务器、移动电子设备等计算设备5的连接。
在上述实施例中仅以摄像机C1为例进行了描述，在实际应用中本领域技术人员可以根据需要选择摄像机C1、C2、C3中的任意一个或多个进行锁相放大之后再连接到计算设备5。例如，可以针对摄像机C1和C2分别设置两个锁相放大模块，分别进行锁相放大之后再经由相应的接口模块提供给计算设备5，在此不再赘述。
通过利用锁相放大模块对图像信号进行处理，能够放大期望频率的图像信号，抑制噪声，从而提高图像信号的质量。
本公开的实施例通过利用阵列透镜来进行生物芯片的成像，能够大大减小成像距离，提高成像准确度。
本公开的实施例通过利用阵列透镜来进行光谱测量，近距离光谱测量能够提供更准确的光谱测量结果，甚至无需遮光片，节省成本的同时进一步提高了测量准确度。通过设置两条光谱测量通道，能够提供不同精度的光谱测量结果，可以将两者的数据互相参考，也可以根据需要选择不同精度的测量通道，提高测量准确度的同时改善了用户体验。
本公开的实施例通过对摄像机输出的图像信号进行锁相放大，能够放大期望频率的信号，抑制噪声，进一步提高成像和光谱测量的质量。
本公开的实施例通过在成像过程中识别子图像之间的重叠边缘并进行切割和拼接，能够进一步提高成像质量。本公开的实施例提供了面阵和线阵两种成像方案，提供了更灵活的成像方式。
以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域技术人员而言，本公开可以有各种改动和变化。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。