用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置以及分束器的制作方法

文档序号:13426399
用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置以及分束器的制作方法

本发明涉及用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置以及二色性分束器。二色性分束器将入射的光分成特定的波长范围。在此所考虑到的电磁辐射是指在紫外线的辐射到红外线的辐射之间的范围内的光。



背景技术:

分束器是一种光学构件,其将单个射束分离为两个部分射束。如果射束入射到分束器上,那么所入射的射束的一部分被反射,而其他部分被透射。在二色性分束器中,依赖于所入射的射束的波长得到不同的透射值或反射值。散射损失在二色性分束器中是很小的,从而透射率加上反射率近似为一。

二色性分束器例如使用在荧光测量设备中,在荧光测量设备中,二色性分束器大多构造为二色性分束板。二色性分束板在其表面上具有二色性覆层。该板的面法线通常相对于光路偏移45°。关于波长的透射特征曲线(透射是波长的函数)在二色性分束板中包含从无到高的或反之亦然的透射值的相对陡的过渡边沿。

由此,二色性分束板可以在激励荧光发光物时被很好地使用,荧光发光材料往往在激励波长与发射波长之间具有相对小的间距。

EP 1 856 509 B1描述了一种用于检验样品的荧光测量设备,其具有主光路和至少一个光学模块。光学模块用于提供至少一个被设置成用于激励样品的电磁辐射并且用于接收至少一个由样品发射的电磁辐射。荧光测量设备包括至少一个用于提供电磁射束的源,其借助监测二极管被监控。在主光路中布置有优选多个构造为二色镜的分束器(二色性分束板)。二色镜或二色性分束板可以被视为高通滤波器,其透射波长较长的电磁射束,反射波长较短的射束。高通滤波器被优化到电磁射束的撞击角度为45°。借助二色镜,使源的激励用的电磁射束例如耦入主光路中并且聚焦到样品上。

此外,由现有技术还公知有分束六面体,其由两个相互连接的棱镜构成,在棱镜之间布置了介电层。在EP 2 711 762A1中描述了一种非偏振的分束六面体,其具有由具有不同的折射指数的介电材料制成的折射层的层序列。

非偏振的分束板并且还有没有偏振的分束六面体将入射光分成特定的透射/发射比,其中,初始的偏振状态得到保持。二色性功能在此不存在。所有波长以特定的比,例如50%对50%来划分。

US 5,400,179 A涉及一种由两个棱镜构成的分束器,在棱镜之间布置有由六个部分层构成的光学层。相邻的部分层具有不同的折射指数。撞击到光学层上的射束的入射角度是至少40°。在该文献中不考虑二色性分束器。而是考虑非偏振的分束器。这种分束器可以例如不用于荧光测量,这是因为其不具有关于波长的透射特征曲线(透射率是波长的函数),该透射特征曲线具有从无到高或反之亦然的透射值的过渡边沿。

JP 2009-31406 A示出了一种非偏振的分束器,其由两个棱镜和布置在两个棱镜之间的介电层构成,介电层由多个相互连接的部分层构成。部分层具有不同的折射指数。至少一个部分层具有比棱镜更高的折射指数,而至少一个其他的部分层具有比棱镜更低的折射指数。分束器可以由两个具有三角形或梯形的基面的棱镜构成。在具有梯形的基面的实施方案中,撞击到介电层上的射束的入射角度明显大于45°。在所描述的实施例中,入射角度是72°。

由WO 2010/025536 A1公知有一种分束器,其由两个梯形的棱镜构成。在棱镜之间存在着具有上层、间隔层和必要时的下层的覆层结构。间隔层换环围有填充了非反应的气体或是真空的空腔,其作用为干涉层。覆层结构能够实现针对预定的入射角度的结合在空腔内部受抑内反射的薄层干涉。

US 2013/0308198 A1示出了一种二色性分束器,其由至少两个相互连接的棱镜构成。分束器具有三个外表面,它们布置在不同的平面中。在分束器内布置有二色性层,其与至少一个表面相交。

由现有技术还公知了二色性分束六面体。二色性分束六面体也将入射光分成特定的波长范围。即使在二色性分束六面体中,根据入射的射束的波长也导致不同的透射值或反射值。散射损失在二色性分束六面体中也是很小的,从而透射率加上反射率近似为一。关于波长的透射特征曲线(透射是波长的函数)在二色性分束六面体中包含从无到高或反之亦然的透射值的比较平的过渡边沿。由此,二色性分束六面体不适用于测量,在其中,激励波长与发射波长之间的间距相对较小。这例如在测量荧光时是这样的情况,这是因为在多个荧光颜料中,在激励波长与发射波长之间仅存在很小的间距。在激励波长与发射波长之间的典型的间距值在20nm至30nm的范围内,其中,更小的间距值也是可能的。透射特征曲线的过小的坡度导致的是,从高反射到高透射的过渡区域明显在比所提到的2030nm至30nm更大的波长范围上延伸。激励光因此使测量结果错误。分束六面体的优点是:可以直接在分束六面体的侧面上布置另外的光学构件。由此减少了装配花费,这是因为光学构件已经可以相应地定位在分束六面体上。

在US 2014/0206580 A1中例如描述了一种用于示出微阵列数据的装置。该装置主要包括二色镜或分束器。分束器由两个对称的五角形的分束器部件构成。分束器可以以相对保持杆的纵向轴线偏置的中间轴线偏置量来布置,在保持杆上紧固有分束器。在分束器的中间轴线与保持杆的纵向轴线之间撑开的角度应该是30°至45°。针对激光辐射的射入面与两个分束器部件的接触面之间的角度不可改变地是45°。

尤其是被用于进行荧光测量的、在先公知的测量装置的缺点是:其早就达到了微型化的极限,并且需要很高的校正花费。二色性分束板主要具有如下缺点:邻接的光学构件必须在空间中自由地并且相对这些分束板非常精确地被校正。然而在分束器的附近环境中经常需要其他的光学元件,如例如光吸收装置。针对光吸收装置的可行方案在于空气与深色的固定的结构之间边界面的交错。如此构造的光吸收装置不能够直接与分束板连接,并且仅不充分地能被微型化。



技术实现要素:

本发明的任务在于,提供一种用于在同时以电磁辐射激励样品的情况下测量由样品发射的辐射的装置,其能很好地微型化并且花费少地装配和校正。此外,应提供针对这种装置的二色性分束器。

根据附上的权利要求1的用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置和根据附上的权利要求10的二色性分束器用于解决该任务。

优选在根据本发明的装置中使用的二色性分束器包括在其底面上相互连接的第一和第二棱镜以及在两个棱镜的底面之间布置的二色性层或二色性覆层,其中,第一棱镜的射入面优选垂直于入射的辐射。也就是说,射入面的面法线优选平行于入射的辐射延伸。多个射束源在射束成形后也具有角度放射表征。射束源因此优选如下这样地取向,即,使最大的射束强度的方向与射入面的面法线平行地延伸。第一棱镜的射入面和二色性层围成在10°至<40°的范围内的角度,其中,在25°至35°的范围内的角度已被证实是特别有利的。由此针对撞击到二色性层上的辐射得到相对二色性层的面法线的在10°至<40°的范围内的入射角度。

根据本发明的解决方案的主要优点是:通过棱镜的特殊的几何构造使得如下分束器可供使用,其关于波长的透射特征曲线(透射是波长的函数)在小的与大的透射之间的过渡区域中具有和在先公知的二色性分束板的关于波长(透射率是波长的函数)的透射特征曲线在小的和大的透射之间的过渡区域中类似陡的走向。这通过在二色性层上的根据本发明实现的入射角度来实现。

与根据本发明的构造不同,在公知的非偏振的二色性分束板中,光从空气侵入二色性层中。在分束板中,入射角度通常相对于二色性层的面法线为45°。如果二色性层的第一部分层例如具有1.7的折射数,那么在第一部分层内部的辐射相对于二色性层的面法线的角度大约为24.6°(由折射造成)。该相对较小的角度在二色性层的另外的部分层中仍然继续传播并且是可以实现在20nm至30nm内的从高的透射(例如95%)到小的透射(例如0.2%)的过渡区域的原因。

在传统的非偏振的二色性分束六面体中,光从介电材料(例如玻璃;折射数大约为1.5)侵入二色性层的第一部分层中。针对六面体,相对于二色性层的面法线的入射角度是45°。如果二色性层的第一部分层例如又具有1.7的折射数,那么在第一部分层内部辐射相对于二色性层的面法线的角度大约为38.6°(由于折射造成)。该相对较大的角度在二色性层的另外的部分层中仍然继续传播并且是可以实现仅在300nm至400nm之内的从高的透射(例如90%)到小的透射(例如10%)的过渡区域的原因。这又可以归因于如下:在该相对较大的角度的情况下更加导致二色性层的各个部分层之间的全反射。

与二色性板相比,根据本发明的分束器此外还具有如下优点:可以直接例如经由粘接将附加的光学元件紧固在分束器的外表面上。这是非常适宜的,这是因为光学元件因此已经在其相对二色性层的间距和角度方面得到校正。因此准确地遵循了光学元件的预先确定的间距。以该方式将校正花费转移到棱镜的制造流程中,在其中反正要使用高精度的制造方法。根据本发明提供了自承载的结构,其不需要附加的壳体。

在一个有利实施方式中,第一棱镜的射出面和二色性层围成在10°至<40°的范围内的角度,其中,第一棱镜的射出面垂直于射出的辐射。

根据一个优选实施方式,二色性层或二色性覆层由介电材料制成。二色性的层可以由多个部分层构成,它们由具有不同的折射指数的介电材料制成。常见的材料例如是TiO2、AlF3、Al2O3。在使用低折射的材料的情况下,折射指数可以例如在1.3至1.5的范围内。在中等折射的材料中,折射指数例如为>1.5至1.8。高折射的材料可以例如具有>1.8至2.4的折射指数。

具有形式为等边六边形的基面的分束器的实施方案已被证实是有利的。然而不应该局限于如此设计的分束器,其他实施方案是完全可行的。在具有六边形的基面的分束器中,比较多的表面可供安置附加的光学元件使用。

分束器优选由两个构造为相同类型的棱镜构成,其中,具有不同类型构成的棱镜的实施方式也是可行的。棱镜的可能的定型仅通过如下方式来限制,即,根据本发明需要的在两个棱镜的其中一个棱镜的射入面与二色性层之间的角度在10°至<40°的范围内撑开。两个棱镜优选具有相同的折射指数。

根据本发明的用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置首先包括用于提供被用来激励样品的电磁辐射的光源。光源例如可以是LED或激光器,并且在经修改的实施方式中也包括用于射束成形的机构,例如透镜和遮光件。装置的另外的组成部分是已经描述的二色性分束器,其包括在其底面上相互连接的第一和第二棱镜以及包括布置在两个棱镜的底面之间的二色性层。二色性分束器被用于使由光源提供的朝样品的方向的电磁辐射中的至少一部分变向并且被用于引导由样品在其激励后发射的电磁辐射穿过。此外,用于检测由样品发射的电磁辐射的探测器属于该装置。探测器可以被构造为光电二极管。

根据一个优选实施方式,该装置包括一个或多个另外的光学构件,其紧固在分束器的外表面上。光学构件优选借助适当的粘合剂固定在分束器的外表面上。滤光器、透镜、射束变向部、探测器元件,如例如光电二极管或吸收器例如属于考虑到的光学构件。

滤光器例如用于过滤掉由光源发射的辐射的特定的频率范围。因此,样品可以以适当的频率激励。为此,滤光器以如下方式紧固在分束器上,即,使由光源发射的辐射在其射入分束器中之前经过滤光器。

透镜可以例如以如下方式定位在分束器上,即,使由分束器的二色性层反射的辐射或由样品发射的辐射在其朝样品的路径上或从样品离开的路径上经过透镜,并且相应地对准透镜。在一个特殊的实施例中,透镜用于将电磁辐射耦入导光的纤维中,或者再次与之去耦。

在一个有利实施方式中,导光的纤维牢固地与样品连接。在一个替选实施方式中,导光的纤维没有牢固地与样品连接,从而使得导光的纤维可以例如探伸到更大的样品中。

在另一实施方式中,使用射束变向单元作为光学构件。射束变向单元优选地紧固在第一棱镜的射出面的外侧上,并且特别优选由塑料或玻璃制成,例如制造为注塑件或玻璃压印件。优选地,射束变向单元具有弯折的管形的构造。射束变向单元用于使电磁辐射(光)变向。优选地,在90°角度中实现射束变向,其中,变向面优选与第一棱镜的射出面背对。为了实现90°变向,光学面和第一棱镜的射出面撑开45°的角度。为了变向,射束变向单元优选具有至少一个光学面,在光学面上,光路遭受全反射。

在一个经修改的实施方式中可行的是,第一光学面不仅实现变向,而且还承担纤维耦入的部分功能。为此,第一光学面可以是超环面。附加地,第一光学面可以在其横截面中是非球面的。第二光学面于是通常是旋转对称的,并且可以是球面的也可以是非球面的。

第一光学面可以在玻璃体或金属化的面上形成,并且作为变向镜或超环面镜实现。

在另一实施方式中,变向的辐射被耦入导光的纤维中或与之去耦。基于射束变向单元,导光的纤维垂直于分束器地布置,由此实现有利的布置结构。

吸收器布置在分束器的表面上已被证实是有利的,该面与分束器的射入面背对地布置,由光源发送的辐射穿过射入面射入分束器中。借助吸收器,使由光源发送的辐射的由分束器透射的份额可以借助吸收器吸收,因此,该份额通过例如光散射效应不会不受控制地到达探测器。仅由样品发射的(非反射的)电磁辐射可以到达探测器。

根据一个再次修改的实施方式,也可以使用另一分束器,优选是在上面描述的结构类型中的第二二色性分束器作为另一光学构件。在第二分束器中的二色性层的功能性(边沿的定位)当然可以与在第一分束器中不同地构造。这两个新类型的分束六面体由此被拼接在一起。在第二分束六面体中,由样品发射的荧光辐射于是例如被分解成两个波长。

根据本发明的装置优选用于测量在激励荧光样品时出现的辐射。然而不应该局限于荧光测量。

附图说明

本发明的其他优点和细节参考附图由对优选的实施方式的随后的描述得出。其中:

图1示出根据本发明的用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置;

图2示出装置的一个经修改的实施方式,其适用于测量葡萄糖浓度;

图3示出用于检验能借助电磁辐射激励的样品的装置的一个经修改的实施方式的细节。

具体实施方式

图1中所示的根据本发明的装置01包含二色性分束器02,其由两个相互连接的棱镜03构成。在所示的实施方案中,第一棱镜03a和第二棱镜03b实施为相同类型。然而如下实施方案也是可行的,在其中使用不同地设计的棱镜03。在棱镜03之间存在有二色性层04。二色性层04优选被构造为在棱镜03的相互背对的和相互连接的底面的其中一个底面上的覆层。同样,两个棱镜03也可以在其底面上具有覆层。二色性层04可以由多个部分层构成,其由具有不同的折射指数的介电材料制成。棱镜03在所示的实施方案中拥有五角形的基面。由此针对由两个棱镜03组成的分束器02得到形式为等边六边形的基面。然而应该并不局限于六边形的分束器02。通过棱镜03和二色性层04的与之连接的布置的实施方案仅确保的是,撞击到二色性层04上的射束具有相对于针对二色性层04的垂线08的面法线的在10°至<40°的范围内的入射角度。

此外,光源05属于该装置,用于射束成形的机构也可以属于该光源,光源优选以瞄准形式发送电磁辐射07。光源05和分束器02如下这样布置,即,使由光源05发送的辐射07在中间且垂直地入射到第一棱镜03a的射入面06上。然而应该并不局限于垂直的和/或中间的光入射。射入面06和二色性层04在所示的实施方式中围成大约为30°的角度β。由此,针对撞击到二色性层04上的辐射07的相对二色性层的面法线08测量的入射角度α同样得到大致30°。来自撞击到二色性层04上的辐射07的部分辐射09朝样品10的方向反射,并且部分辐射12被透射。二色性层04如下这样地实施,即,使辐射07的适用于激励样品10的份额在二色性层04上被反射,并且在第一棱镜03a的射出面11上从分束器02射出。由第一棱镜03a的射出面11和二色性层04围成的角度γ在所示的实施方式中同样是30°。因此,在射入面06与射出面11之间撑开120°的角度。

在部分辐射09的撞击后,由样品10发射辐射13,其经由第一棱镜03a的射出面11返回到分束器02中,透射通过二色性层04,并且在背对的侧面上,即在第二棱镜03b的测量面16上离开分束器02。第二棱镜03b的测量面16和第一棱镜03a的射出面11相对彼此平行,但关于二色性层04却位于不同的侧上。该所发射的辐射13借助相应布置的探测器14检测到。探测器14可以与测量面16间隔开地布置,或者也可以直接安置在该测量面上。经由镜进行的对辐射的其他转向也是可行的。

在分束器02的外表面上布置有其他光学构件,其优选借助粘合剂固定在外表面上。因此,在由光源05发送的故事07的光路中直接在射入面06上存在有滤光器15。通过滤光器15可以过滤掉辐射07的特定的频率范围,以便可以基本上使辐射07的适用于激励样品10的频率范围经过。在分束器02的对准样品10的射出面11上布置有透镜17,其集束了由样品10在样品的激励后所发射的辐射13,以便将该辐射定向地导引至探测器14。吸收器18布置在分束器02的吸收面19上,其与射入面06背对,由光源05发送的辐射07穿过射入面射入分束器02中。射入面06和吸收面19彼此平行,然而关于二色性层04却处在不同的侧上。吸收器18吸收在二色性层04上透射的部分辐射12。当两个棱镜03a、03b成形为相同类型并且入射的辐射07与二色性表面的面法线之间的角度α是30°时,吸收面19和测量面16撑开120°的角度。

根据本发明的装置01可以尤其是用于荧光测量,其中,应该并不局限于该应用情况。根据本发明,通过实现撞击到二色性层04上的辐射07的大约30°的入射角度α,使具有关于波长的在小的与高的透射之间的过渡区域中比较陡的透射特征曲线(透射是波长的函数)的分束器02可供使用。比较陡意味着的是,可以在10至30nm之内实现从高的透射(例如95%)到小的透射(例如0.2%)的过渡区域。因此,不存在如下危险:用于激励的辐射07的份额使测量结果错误。此外,不存在如下危险:发射的辐射(13)在二色性层(04)上没有充分透射。

图2示出了根据本发明的装置01的一个经修改的实施方式。该实施方式用于检验适用于荧光测量葡萄糖浓度的物质。

为此,该装置首先又包括第一分束器02、紧固在第一分束器上的第一滤光器15、吸收器18以及透镜17,透镜将在二色性层04上反射的部分辐射09耦入导光的光学纤维20中。在光学纤维20的背离的端部上布置有样品10,其中,样品在这种情况下是指如下物质,其根据包围其的葡萄糖浓度改变其荧光特性。该物质为此被配置成使第一发射波长范围的强度依赖于葡萄糖浓度并且第二发射波长范围的强度不依赖于葡萄糖浓度,并且用作参考。由该物质发射的光作为发射的辐射13向回耦入第一分束器02中。发射的辐射13以所描述的方式穿过第一分束器02,并且在测量面16上现在耦入第二分束器22中。第二分束器22因此形成光学构件,其可以直接安置到第一分束器02上。发射的辐射13在第二分束器22中撞击到第二二色性层04a上,在那里,两个波长范围被分离。发射的辐射13的在第二二色性层04a上透射的部分因此经由第二滤光器23到达第一探测器14上,而反射的部分穿过第三滤光器24到达第二探测器25。

图3示出了根据本发明的装置01的一个经修改的实施方式的一些元件,该装置被确定用于检验能借助电磁辐射激励的样品。该实施方式在其基本结构中首先与之前描述的实施方式相同。在图3中示出的实施方式仅具有一个分束器02。与图1和图2所示的实施方式不同地,代替透镜地,将射束变向单元27紧固在第一棱镜03a的射出面11上。镜筒状的射束变向单元27在与射出面11背对的区域中向下朝布置在那里的样品的方向(未示出)弯折了90°。与射出面11背对的区域被展平地构造,从而在该区域与射出面11之间撑开45°的角度。与射出面11背对的区域形成第一光学面28,其引起所反射的部分辐射或由样品发射的辐射发生90°变向。在第二光面29上射出经反射的部分辐射,或者发射的辐射13射入该面中,第二光学面位于镜筒状的射束变向单元27的自由端部上。第二光学面29具有球面的面,由此辐射被聚焦。这尤其是用于将辐射耦入光学纤维20中。当第一光学面具有超环面形状时,聚焦通过第一光学面28来支持。光学纤维20在该情况下垂直于分束器02地延伸,由此能够实现装置01的总体上扁平的结构。

附图标记列表

01-装置

02-第一分束器

03-棱镜

04-二色性层

05-光源

06-射入面

07-电磁辐射

08-二色性层的面法线

09-反射的部分辐射

10-样品

11-射出面

12-透射的部分辐射

13-发射的辐射

14-第一探测器

15-滤光器

16-测量面

17-透镜

18-吸收器

19-吸收面

20-光学纤维

22-第二分束器

23-第二滤光器

24-第三滤光器

25-第二探测器

27-射束变向单元

28-第一光学面

29-第二光学面

α-入射角度

β-射入面06与层04之间的角度

γ-射出面11与层04之间的角度

再多了解一些
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