快速尿液分析仪中的光学系统设计

　　1　引　言

　　尿液分析作为三大常规检验之一,在临床医学检验领域中扮演着重要的角色,其能够通过对病人尿样的成分分析及时有效地反映出病人的各项生理指标。目前的尿液分析仪均使用步进电机带动试纸条运动来对试纸条的各个试剂块逐项测试,测量速度慢是这种尿液分析仪的最突出的缺点。为此现提出了一种应用扩束的线状光源直接照射试纸条[1,2],用线阵电荷耦合器件(couple charged devices,CCD)器件来接收试纸条反射信息然后进行后续处理的新型尿液分析仪的思想[3]。采用这种新方案的一个关键性问题就是信号的产生与接收。文章主要对如何产生激光线状光源进行探讨,并相应介绍信号的采集过程。

　　2　系统的组成及检测原理

　　系统选择CCD结合单片机的方法,主要由线状光源装置,信号采集系统,单片机数据处理系统等部分组成。利用CCD技术,混合信号处理技术,单片机数据采集处理技术等进行工作。原理框图如图1所示。分别将红、绿、蓝三种颜色光源产生的线状光投射到浸入尿液的试剂带上,然后用线列CCD接收试纸条对此入射光的反射光,将此反射光强转化为相应的电信号。由于尿液中各种成分浓度的不同,各试纸块经过反应呈现出不同的颜色变化,因此,各试纸块对入射光的反射光强是不同的,于是,CCD输出的非线性电信号的幅度大小就反映了试纸条上各试纸块的反射光强。通过CCD同时接收标准板和试纸条的反射光,计算CCD输出电信号中标准板的反射光信号的大小和各试纸块的反射光信号大小的比值,可以确定各试纸块对入射光的反射率ρ。据此,得到了试纸块对入射的三种基色光的反射率ρ红,ρ绿,ρ蓝,通过大量的实验,可以建立起ρ红,ρ绿,ρ蓝数据和测试项结果的关系,继而建立数据库。当实际操作时,可以由测试得到的ρ红,ρ绿,ρ蓝数据到建成的数据库中查找相应的结果。

　　3　光源设计

　　所需要的光源是三基色线状激光光源,现有的成品激光器,没有能适合装置所需要的。所以要在现有激光器的基础上,利用各种光学元件,把一点式近红外激光进行扩束[4,5]。通过对光学元件的理论分析,得出利用折射可以将一点式光源扩束成线状光源[6]。

　　3.1　线状光的获得

　　通过对玻璃圆柱体的折射分析以及根据实际情况需要的线状光源参数,考虑利用如图2所示的狭缝及激光光束扩散元件作用于光束[4],达到实现三基色激光线状光源的目的。激光二极管采用中心波长为650±5nm的可见激光二极管,其具有效率高、功耗低、阈值电流小、散光小、可靠性高、稳定性好的特点。由于激光二极管出射的光束的是像散光束,但理想的线状光源是矩形的,所以考虑加上狭缝以控制二极管出射光束的长度和宽度,使此激光光束成矩形光束,以便于利用扩展元件进行光束扩展,经过实验测量,将狭缝设计成具有的一定的长度和宽度,是为了避免形成干涉条纹[6]。