用于执行无透镜成像的设备和方法与流程

发明领域

本发明涉及用于成像的集成设备领域。更具体而言，本发明涉及无透镜成像设备和用于对物体成像的相关方法，例如，在放大的情况下对物体成像，诸如显微镜荧光成像和/或全息成像。

发明背景

为了获得在放大情况下的图像，诸如在线全息图(in-linehologram)，通常需要光点源。例如，本领域已知通过使用聚焦于针孔的大数值光圈(na)目镜来提供高质量点源。然而，这需要大型光学设定，其可能是昂贵且难以缩小的。因此，可缩放的、微米大小的替代品将是有利的。这种可缩放的替代品在其中大量物体要被同时成像的应用中(例如在并行片上全息成像中(parallelon-chipholography))甚至是更优选的。

本领域已知使用具有非常小的内核直径的拉伸光纤来创建具有基本一致的球形波前的高na光锥。然而，更高的片上集成度在半导体光电器件(photonic)中将是有利的，例如由于隐含的成本降低、制造效率和可伸缩性。

发明概述

本发明的实施例的目标是提供对待成像物体的良好且高效的照明，例如在微米尺度结构(诸如生物细胞)的显微成像、在线全息成像和/或荧光成像中。

本发明的实施例的优点在于：可避免大的光学设定，大的光学设定可能是昂贵且难以缩小的。

本发明的实施例的优点在于：提供用于照亮被成像物体的可伸缩的(例如微米大小的)集成系统。

本发明的实施例的优点在于：可以高效方式同时对大量物体成像。

本发明的实施例的优点在于：可实现高片上集成度。

本发明的实施例的优点在于：提供用于照亮被成像物体的基本一致的球形波前。

上述目的通过根据本发明的各实施例的方法和设备来实现。

在第一方面中，本发明涉及一种成像设备(例如无透镜成像设备)，其包括至少一个光电集成电路。此光电集成电路包括用于引导光信号的集成波导以及被光学耦合至该集成波导且被适配成用于将该光信号作为光束引导出该集成波导的平面的光耦合器。该成像设备还包括用于包含浸没在流体介质中的物体的微流通道。从而，该成像设备可包括用于在流体(例如液体)中传输该物体的微流通道。例如，微流通道可被适配成用于包含其中浸没有待成像物体的流体介质(例如以将该物体在该流体介质的流体流中传送)。微流通道被配置成在该设备的操作中使能(例如被适配成用于使能)光束对物体的照明。微流通道例如可通过以下被适配成用于此目的：具有对光束透明的区段，以及被定位成使得在该物体存在于该微流通道的透明区段中时由光耦合器定向出集成波导的平面的光束冲击到该物体上并且使得该光束在已经与该物体交互时冲击在至少一个成像检测器。成像设备还包括被定位成用于对被该光束照射的物体成像的至少一个成像检测器。

在根据本发明的实施例的成像设备中，所述光耦合器可以是被适配成用于使光信号作为汇聚在焦平面中的聚焦光束聚焦出所述集成波导的平面外的聚焦光耦合器。该至少一个成像检测器可被定位成用于在被聚焦光束照射的物体关于聚焦光束的传播方向被定位在所述焦平面的下游的物体成像位置时对该物体成像。例如，该物体成像位置可对应于微流通道中的位置，例如，在该微流通道的成像部分中的该微流通道的中心区域。例如，物体成像区域可包括沿微流通道的中心轴的点或由所述点构成。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该光耦合器可以是散焦光耦合器(例如，向后聚焦光耦合器)，该散焦光耦合器被适配成用于将光信号作为从在波导下的焦点发散的发散光束引导出该集成波导的平面，例如模仿由在波导下方(例如，关于光束被引导出该集成波导的平面的方向在该基板的相对侧上)的虚拟点源发射的发散光束。

在根据本发明的实施例的成像设备中，聚焦光耦合器可包括制造在集成波导中的微结构的图案。此图案可被适配成补偿在聚焦光耦合器中传播的光信号的衰减。微结构可包括通孔、柱和/或腔，例如局部的凹陷或凹痕。这样的微结构在波导的平面中可具有小于5μm，例如在10nm到800nm的范围内，例如在20nm到500nm的范围内，例如在50nm到200nm的范围内的直径，例如在波导的平面中的最大直径或最大横跨维度。

在根据本发明的实施例的成像设备中，光耦合器可包括光栅耦合器，例如聚焦光栅耦合器。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个光电集成电路可进一步包括光学耦合至该集成波导并被适配成用于从该光信号生成基本圆形的波前的光锥形物。在根据本发明的实施例的成像设备中，所述聚焦光耦合器可被光学耦合至该光锥形物且可被适配成用于使基本圆形的波前作为汇聚在焦平面中的聚焦光束聚焦出所述集成波导的平面外。在根据本发明的实施例的成像设备中，该聚焦光耦合器(例如聚焦光栅耦合器)可具有1mm或更小的长度，例如500μm或更小、400μm或更小、300μm或更小、200μm或更小、150μm或更小、100μm或更小、80μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、20μm或更小，例如在1μm到10μm范围内。聚焦光耦合器可进一步被适配成用于生成在焦平面中的具有10μm或更小的直径(例如，在1μm到5μm的范围内，或优选地甚至更小，例如在0.5μm到1.0μm的范围内)的焦点。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个光电集成电路可进一步包括光学耦合至该集成波导并被适配成用于将该光信号作为光束定向出该集成波导的平面的至少一个附加光耦合器。该光耦合器和该至少一个附加光耦合器可被定位成使得分别被该光耦合器和该至少一个附加光耦合器生成的光束从不同角度同时照射该物体，例如重合并由此从不同角度同时照射该物体。

根据本发明的实施例的成像设备可包括反射面，其中该反射面和该至少一个成像检测器被定位成使得来自被照射物体的光和该光束被该反射面反射并在反射后被该至少一个成像检测器检测。

根据本发明的实施例的成像设备可进一步包括被定位在该至少一个光电集成电路和该至少一个成像检测器之间的至少一个针孔，该至少一个针孔用于对该光束进行空间滤波，例如用于在光束到达物体之前对该光束进行空间滤波。例如，该至少一个针孔可被定位在该光束在该焦平面中的焦点处，例如，在其中光栅耦合器是聚焦光栅耦合器的实施例中。

根据本发明的实施例的成像设备可进一步包括激励波导。在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个光电集成电路的集成波导可经由分束装置(例如分束器，例如波导分束器)被光学耦合至该激励波导。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个成像检测器可被适配成用于同时对多个物体成像，其中每个物体被定位成使得每个物体被不同光耦合器照射。在根据本发明的实施例的成像设备中，多个光耦合器可被定位成使得多个物体可被同时照射。例如，每个光耦合器可照射相应的物体。例如，一个物体或多个物体可传播并通过多个光耦合器，例如当与流体流一起在微流通道中行进时。

根据本发明的实施例的成像设备可包括输入耦合器，该输入耦合器包括分束装置(例如波导分光器)，该分束装置用于使光信号分布在多个集成波导上，以将该光信号透射到相应的多个聚焦光耦合器，以将光信号作为相应的多个聚焦光束耦合出集成波导的平面。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个成像检测器可被适配成用于同时对多个物体成像，其中该多个物体中的每个物体被定位成使得每个物体被相应的光耦合器发出的相应的聚焦光束照射。在根据本发明的实施例的成像设备中，多个光耦合器可被定位成使得多个物体可被同时照射。例如，每个光耦合器可照射相应的物体，且该至少一个成像检测器可被适配成用于同时对该多个物体成像。例如，一个物体或多个物体可传播并通过多个光耦合器，例如当与流体流一起在微流通道中行进时。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个成像检测器可被适配成用于获得该物体的全息衍射图像。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个成像检测器可被适配成用于获得该物体的荧光图像。

在根据本发明的实施例的成像设备中，集成波导可被光学耦合至光耦合器的不同部分，由此增加该光束的一致性。例如，集成波导可被光学耦合至光耦合器的预定的、离散数量的部分。例如，集成波导可被从光耦合器的相对侧(例如，位于波导的平面中的相对侧)光学耦合至光耦合器。集成波导可在聚焦光耦合器周围间隔开的光学互连处光学耦合至光耦合器的多个不同部分。例如，光学互连可在聚焦光耦合器周围间隔开，例如，以使得每个光学互连与其邻居间隔开预定的、有限的角度间隔，例如360％的n间隔，其中n是大于1的有限自然数，例如大于1且小于21，例如小于16，例如小于11，例如其中n为2、3、4或5。

根据本发明的实施例的成像设备可包括至少部分相干光源，该至少部分相干光源用于将该光信号提供给该至少一个光电集成电路，例如以使得该至少一个成像检测器可获得该物体的全息衍射图像。

在第二方面中，本发明还涉及一种用于对物体成像的方法。此方法包括将光信号耦合到集成波导中(例如集成在集成电路的基板中或基板上的波导中)，以及使用光耦合器从光信号生成光束，由此所述光束被定向出集成波导的平面。本方法进一步包括通过将该物体浸没于在微流通道中流动的流体中来传输该物体。微流通道例如可被配置成允许在该物体在该微流通道中传输时由该光束对物体照射。该方法进一步包括使用该光束照射该物体并对被照射的物体成像。

在根据实施例的方法中，生成该光束可包括使用聚焦光耦合器从该光信号生成聚焦光束，例如用于将该光信号作为汇聚在焦平面中的聚焦光束定向出该集成波导的平面。该方法可进一步包括在关于该聚焦光束的传播方向在该焦平面下游的物体成像位置中用该聚焦光束照射该物体并且对被照射的物体成像。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括在该集成波导中形成具有基本圆形的波前的光波。

在根据本发明的实施例的方法中，生成可包括使用聚焦光耦合器来聚焦光束，例如使用光耦合器从光信号生成该光束可包括将光波引导到聚焦光耦合器(诸如聚焦光栅耦合器)中以将光波作为汇聚在焦平面中的聚焦光束耦合出该集成波导的平面。

在根据本发明的实施例的方法中，该生成可包括使该光信号作为从在该集成波导下方的焦点发散的发散光束定向出该集成波导的平面，例如模仿由在该波导下方(例如关于该光束被引导出该集成波导的平面外的方向在该基板的相对侧上)的虚拟点源发射的发散光束。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括在其焦点中对光束进行空间过滤，由此获得从焦点朝物体传播的基本一致的球形波。

在根据本发明的实施例的方法中，所述步骤可使用多个不同集成波导和多个不同光耦合器针对多个物体并行执行。在根据本发明的实施例中的方法中，光信号可被耦合到多个集成波导中且成像可包括同时对多个物体成像，每个物体被由不同光耦合器生成的光束照射。

在根据本发明的实施例的方法中，光信号到集成波导中的耦合可包括将光信号分布在多个集成波导上，其中在该多个波导的每个集成波导中，具有基本圆形波前的光波被形成。而且，将光波引入到聚焦光耦合器中可包括将每个光波引入到相应聚焦光耦合器中，以将该光波作为汇聚在焦平面中的相应聚焦光束耦合出集成波导的平面。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括使用至少一个附加光耦合器(例如，附加聚焦或散焦光耦合器)从该光信号生成至少一个附加光束，以将所述光信号作为所述附加光束定向出该集成电路的平面，并且用所述光束和所述至少一个附加光束从不同角度同时照射所述物体。

在根据本发明的实施例的方法中，该成像可包括同时对多个物体成像，每个物体被由相应光耦合器生成的相应聚焦光束照射。

在根据本发明的实施例的方法中，该成像可包括获得该物体的全息衍射图像。

在根据本发明的实施例的方法中，该成像可包括获得该物体的荧光图像。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括提供至少部分相干光束，以供耦合到集成波导中，例如作为对输入耦合器的输入。

光信号可由此以该至少部分相干光束的形式被耦合到该集成波导中。

在根据本发明的实施例的方法中，该光束可以是至少部分相干光束。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括提供至少部分相干光束，以供耦合到集成波导中。

本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征以及其他从属权利要求的技术特征适当地结合，而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。

本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。

附图简述

图1解说根据本发明的实施例的成像设备。

图2示出根据本发明的实施例的成像设备中的示例性集成光电设备。

图3示出根据本发明的实施例的用于在成像设备中使用的另一示例性集成光电设备。

图4解说根据本发明的实施例的方法。

图5解说本发明的示例性实施例，其中包括包含在微流通道中的被浸没生物样本的流体被成像。

图6解说根据本发明的实施例的成像设备。

图7解说根据本发明的实施例的成像设备。

图8示出用于提供对点源的良好逼近的向外耦合功率分布，以解说本发明的实施例的方面。

图9示出根据本发明的实施例的示例性光栅耦合器。

图10示出根据本发明的实施例的通过光栅耦合器传播的光的目标功率分布。

图11示出根据本发明的实施例的用于确定供在光耦合器中使用的微结构的散射截面的仿真模型。

图12示出根据本发明的实施例的因变于供在光耦合器中使用的微结构的波长的经仿真的散射截面。

图13示出根据本发明的实施例的供在光耦合器中使用的散射微结构的示例性目标分布。

图14示出根据本发明的实施例的从供在光耦合器中使用的散射微结构的示例性目标分布对散射微结构位置的随机采样。

图15示出根据本发明的实施例的从供在光耦合器中使用的散射微结构的示例性目标分布对散射微结构位置的随机采样，其中这些随机采样的位置被调整为诸如落在最近的光栅线上。

图16示出根据本发明的实施例的通过仿真光耦合器获得的散射光的等强度表面(iso-intensivesurface)。

图17示出根据本发明的实施例的光耦合器的仿真的散射强度绘图。

图18示出根据本发明的实施例的各散射中心位置的示例性目标分布，其中散射微结构的各向异性被纳入考虑。

图19示出根据本发明的实施例的根据补偿微结构的各向异性散射的目标密度分布对微结构的随机采样。

图20示出根据本发明的实施例的根据补偿微结构的各向异性散射的目标密度分布对微结构的随机采样，其中随机采样的微结构位置被调整到光栅线上的最近位置。

图21解说根据本发明的实施例的迭代改善仿真光耦合器的符合度的网格。

图22示出根据本发明的实施例的仿真光耦合器中的散射微结构的第一定位，其对应于迭代网格优化仿真中的一次迭代。

图23示出根据本发明的实施例的仿真光耦合器中的散射微结构的第二定位，其对应于迭代网格优化仿真中的另一次迭代。

图24示出根据本发明的实施例的光耦合器的仿真的向外耦合的光场，其解说了在耦合器的平面上方的聚焦距离处形成的聚焦点。

图25示出根据本发明的实施例的光耦合器的仿真的向外耦合的光场，其解说了在平行于耦合器的平面的焦平面中的聚焦点。

图26示出根据本发明的实施例的仿真光耦合器的向外耦合的光的远场。

图27解说根据本发明的实施例的成像设备的部分，其包括自由光传播区域。

图28解说根据本发明的实施例的成像设备的部分，其包括散焦(defocus)光耦合器。

图29解说根据本发明的实施例的成像设备中的第一示例性集成波导。

图30解说根据本发明的实施例的成像设备中的第二示例性集成波导。

图31解说用于解说根据本发明的实施例的成像设备的方面的示例。

这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说性目的，可将一些元素的尺寸放大且未按比例绘制。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指相同或相似的元件。

解说性实施例的详细描述

本发明将针对特定实施例且参考一些附图进行描述，但是本发明不限于此，而是只通过权利要求限定。所描述的附图只是示意性的而非限制性的。在附图中，出于解说性目的，可将一些元素的尺寸放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的元素之间进行区分，而不一定要在时间上、空间上、以排名或任何其他方式描述某个顺序。应该理解，如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或解说的之外的其他顺序来操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方及类似术语用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或解说的之外的其他取向来操作。

应当注意，权利要求中所使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的手段；它不排除其他元件或步骤。由此其解读为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件，或其群组的存在或添加。由此，表达器件包括装置“a和b”的范围不应限于仅仅由部件a和b组成的器件。其意指关于本发明，设备的唯一相关组件是a和b。贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿本说明书的各个地方出现不一定都引用相同的实施例，但是可以如此。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员会从本公开中显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。

在本发明的实施例中对“成像”进行了引用之处，对获得物体的空间属性的表示或再现(例如，二维图像的形成)的过程进行了引用。这种图像可包括针对多个位置(例如在二维格上)获得的标量值，例如形成灰度图像表示，但是也可包括多个位置的向量值，例如形成彩色图像表示。例如，这种向量值可编码不同的频谱分量，例如，所述频谱分量与多个不同荧光团(fluorophore)的所记录的发光强度相对应。所获得的图像可形成物体的结构的直接表示，例如显微实体的放大的光学表示，但是也可形成物体的结构的更复杂的表示，例如，编码物体的空间属性的全息干涉图案。尽管成像可涉及记录物体的静态空间表示，成像也可涉及图像的时间系列的获得，例如，编码被研究物体的光学属性的时间以及空间变化两者的视频序列的获得。

贯穿本说明书，对“光”进行引用。在本发明的上下文中光的意思是波长在375和1000nm之间的电磁辐射，即，包括可见光、ir辐射、近ir和uv辐射。

贯穿本说明书，对“光耦合器”进行引用。这指代集成电路中的光传播区域，例如，在集成波导中或与集成波导接触(例如，在集成波导的顶上或下方)的区域，其中用于将光耦合进和/或出集成电路的光发散结构(诸如光栅)被提供。对于预定的入射角和光频率，引导模式谐振可能发生，以使得光栅将光耦合到波导的引导模式中。由于对称性，波导的此引导模式也可被耦合器沿着此预定角度耦合出波导。本发明的具体实施例涉及包括这种光耦合器的设备。

贯穿本说明书，对“集成波导”进行引用。这指代集成在集成电路之中或之上(例如集成光电电路之中)的光传播区域。这可指代光波导，诸如平面波导，例如，介电板形波导(dielectricslabwaveguide)、条形波导、肋状波导、分段波导、光电晶体波导、锥形波导、或已知的适于在集成电路中的片上集成的任何其它光传播结构。

在第一方面中，本发明涉及一种成像设备，例如，无透镜成像设备，其包括至少一个光电集成电路，例如在至少一个光电集成电路设备中。此至少一个光电集成电路包括用于引导光信号的集成波导和光学耦合至该集成波导并适配成用于使光信号作为光束定向出集成波导的平面的光耦合器。成像设备进一步包括被放置成对由该光束照明的物体成像的至少一个图像检测器。此物体可以例如包括流体，例如包括浸没生物样本的流体。成像设备可包括用于包含待成像物体的微流通道，例如包含待分析的流体介质。

成像设备包括用于包含浸没于流体介质中的物体的微流通道。例如，微流通道可被适配成用于包含具有浸没于其中的待成像物体的流体介质(例如液体介质)，例如以将该物体在该流体介质的流体流中运送。微流通道被配置成在该设备的操作中使能(例如被适配成使能)光束对物体的照明。微流通道可通过以下被适配成用于此目的：具有对光束透明的区段，以及被定位成使得在该物体存在于该微流通道的透明区段中时由光耦合器定位出集成光导的平面的光束冲击该物体，以及使得已经与该物体交互的光束冲击至少一个成像检测器。

而且，光耦合器可以是被适配成用于将光信号作为焦平面中汇聚的聚焦光束聚焦出集成波导的平面的聚焦光耦合器。从而，该至少一个成像检测器可被定位成用于在由聚焦光束照明的物体被定位在关于聚焦光束的传播方向在焦平面下游的物体成像位置中时(例如，在该物体在微流通道的成像区段(例如与上文所指代的透明区段相对应的区段)中时)对该物体成像。

参考图1，示出了根据本发明的实施例的成像设备1。具体而言，成像设备1可以是无透镜成像设备，例如，用于通过观察通过入射到物体上的光波的衰减、反射、折射、衍射和/或相位调制获得的空间图案而无需光学透镜结构来获得物体的空间表示的设备。该设备例如可以被适配成对在放大的情况下对物体成像，例如用于在放大的情况下获得物体的图像，诸如显微成像。

成像设备1包括用于包含浸没在流体介质中的物体12的微流通道98。例如，微流通道可被适配成用于包含其中浸没有待成像物体的流体介质(例如液体介质)，例如以将该物体在该流体介质的流体流中传送。微流通道被配置成在该设备的操作中使能(例如被适配成用于使能)光束对物体的照明。微流通道可通过以下被适配成用于此目的：具有对光束透明的区段，以及被定位成使得在该物体存在于该微流通道的透明区段中时由光耦合器定向出集成波导的平面的光束冲击到该物体上并且使得在已经与该物体交互的光束冲击在至少一个成像检测器。

此成像设备1包括至少一个光电集成电路2。根据各实施例的光电集成电路2(例如如图2所示关于其基板平面处于横向投影中)包括用于引导激励光信号5的集成波导4。例如，光电集成电路设备2可包括适用于集成光电电路处理的基板，例如，绝缘体上硅(soi)基板，在该基板之上或之中提供集成波导4。本发明的实施例的一个优点在于：光源(例如提供具有类似点的焦点的聚焦光束的光源)可使用集成光电处理技术来提供。进一步的优点在于：多个(例如很大数量的)这种光源可在单个基板上提供，从而提供低成本且高效制造的光源以用于多个物体的并行成像。

例如，成像设备1可包括用于将激励光信号5提供至至少一个光电集成电路2的光源，例如至少部分相干光源。例如，这一光源可包括激光器或发光二极管(led)以提供具有有限带宽的至少部分相干光以耦合至光电集成电路上的集成波导。本发明的实施例的一个优点在于：可以高效且低成本的方式提供物体的全息成像，例如同时对大量物体的全息成像。

例如，在本发明的实施例中，集成波导可包括脊状或肋状波导201，例如由布置在低折射率材料203区域之间的高折射率材料202的厚板限定的光传导通道。光耦合器8例如可在光耦合至脊状或肋状波导201的高折射率材料的厚板中提供。这种实施例的一示例在图29中示出。例如，在本发明的实施例中，集成波导可包括锥形波导210，例如，由布置在低折射率材料212区域之间的高折射率材料213的锥形区域限定的光传导通道。这种实施例的一示例在图30中示出。例如，光耦合器8可在这种锥形波导210的锥形区域中形成。

图31进一步示出了解说这种实施例的方面的示例。具有波长λ的激励波传播穿过波导202。波导中的圆柱相前(phasefront)传播到光耦合器8中。随后，光信号被耦合出波导的平面，例如，耦合出xy平面，朝向焦点230，例如，在(0,fy,fz)处。例如，平面外球形相前在具有折射率ntop的介质中从光耦合器8向预定焦点传播，其中例如针孔可根据本发明的实施例被放置。从而，来自波导202(例如脊状或肋状波导)的光可被耦合至平面波导区域，在该处其与圆柱相前衍射。为了将此光耦合出平面并且将其聚焦在具有坐标(0,fy,fz)的期望焦点中，光耦合器可具有被相应成形的光栅线。例如，用于实现这一点的一个可能的形状由以下定义：

m∈n

其中m是与不同光栅线相对应的整数。

该至少一个光电集成电路可包括激励波导。该至少一个光电集成电路的集成波导可经由分束装置(例如波导分光器)光学耦合至激励波导。该至少一个光电集成电路可包括被适配成用于将激励光信号5耦合到集成波导中的输入耦合器。当该设备包括经由分束装置(例如波导分光器)耦合至激励波导的多个集成波导时，激励波导可包括被适配成用于将激励光信号5耦合到激励波导中的输入耦合器。例如，根据本发明的实施例的成像设备可包括输入耦合器，该输入耦合器包括分束装置(例如波导分光器)，该分束装置用于使光信号分布在具有相应的多个光学锥形物的多个集成波导上，以将光信号透射到相应的多个聚焦光耦合器，以将光信号作为相应的多个聚焦光束耦合出集成波导的平面。

在根据本发明的实施例的成像设备中，该至少一个光电集成电路可进一步包括光学耦合至集成波导4的自由传播区域14。自由传播区域14被适配成使得大的(例如圆形的)波前13在自由传播区域中从在集成波导4中传播的光信号5生成。自由传播区域14可以是光耦合至集成波导4的大表面。优选地，自由传播区域14的材料具有与集成波导14的折射率相同的折射率。自由传播区域14可以是用与集成波导4相同的材料制成的厚板。在这种实施例中，光耦合器8(例如，聚焦光耦合器，诸如聚焦光栅耦合器)可被定位在自由传播区域14中，以使得在自由传播区域14中生成的波前可使用光耦合器8被耦合出自由传播区域14。例如，光耦合器8可被蚀刻在自由传播区域14中。

本发明的实施例的一个优点在于：通过使用自由传播区域14，可实现光耦合器8的经改善的(例如最优的)照明，由此有助于光耦合器8对光的高效向外耦合。这种实施例在图27中解说。

光电集成电路2可进一步包括光学耦合至集成波导4的并被适配成用于从光激励信号5生成加宽波前7的光锥形物6。光锥形物可在平面中创建二维球形波前。例如，波导的一部分可在形状上被适配以形成用于将光信号作为具有基本圆形波前的光波透射到光耦合器8中(例如到聚焦光耦合器，诸如聚焦光栅耦合器中)的锥形区段。

替换地，光锥形物可被适配成用于从光信号5生成基本平面波前，例如平面波前。光锥形物可在平面中创建二维波前。例如，波导的一部分可在形状上被适配以形成用于将光信号作为具有基本平面波前的光波透射到光耦合器8中(例如到聚焦光耦合器)的锥形区段。

光电集成电路2进一步包括被光学耦合至集成波导并被适配成用于将光信号作为光束引导出集成波导的平面的光耦合器8，例如光栅耦合器或用于将光耦合出集成电路2的其它耦合器。在根据本发明的实施例的成像设备中，光耦合器可以是被适配成将光信号作为汇聚在焦平面中的聚焦光束聚焦出集成波导的平面的聚焦光耦合器，例如，聚焦光栅耦合器或用于将光在聚焦光束中耦合出集成电路2的其它耦合器。例如，聚焦光栅耦合器可被适配成用于将基本圆形或平面的波前7(例如，具有基本圆形或平面波前7的光波)聚焦出平面波导的平面，例如聚焦出光电集成电路的基板的平面。在根据本发明的实施例的成像设备中，光耦合器可以是被适配成将光信号作为发散光束聚焦出集成波导的平面的散焦光耦合器，例如，散焦光栅耦合器或用于将光在发散光束中耦合出集成电路2的其它耦合器。从而，在根据本发明的实施例的成像设备中，光耦合器可被设计成使得光耦合器具有在光耦合器的一侧上的虚拟焦点16，而光波前在该光耦合器的另一侧上生成。例如，光耦合器可包括不同的结构，其中每个结构或每个结构组被设计成将光向外耦合到不同方向。结构的集合从而可共同地在光耦合器的一侧上(例如在集成波导的平面的一侧上)创建类似圆形的光波前，其中该波前的虚拟焦点16位于光栅耦合器的另一侧上(例如在该集成波导的平面的相对侧上)。

本发明的一个优点在于：物体可被定位成靠近光耦合器，这也有助于设备的紧致度。这种实施例在图28中解说。

在用于向外耦合光信号的光耦合器(诸如光栅耦合器)中，被波导馈送的该光信号在其传播穿过光耦合器时可衰减。这提升了光的不一致分布，这对于在特定应用中照射物体可能是不利的。在本发明的实施例中，集成波导可被光学耦合至光耦合器的不同部分，由此增加所生成的光束的一致性。例如，集成波导可被光学耦合至光耦合器的一部分，且集成波导可被光学耦合至光耦合器的另一部分。通过在不同位置将集成波导耦合至光耦合器，光在光耦合器中衰减的问题被解决且具有良好一致性的光束可被生成。到达光耦合器的不同光信号之间的相差(例如在不同位置处传播入耦合器中的光之间的相差)优选地基本为0，例如，可以优选为0，例如可优选地与在制造容差和成本约束范围内可实现的一样小。

例如，集成波导可被光学耦合至光耦合器的预定的、离散的且有限数量的部分。例如，集成波导可被从光耦合器的相对侧(例如，位于波导的平面中的相对侧)光学耦合至光耦合器。集成波导可在聚焦光耦合器周围间隔开的光学互连处光学耦合至光耦合器的多个不同部分。例如，光学互连可在聚焦光耦合器周围间隔开，例如以使得每个光学互连与其邻居间隔开预定的、有限的角度间隔，例如360°/n的间隔，其中n是大于1的有限自然数。

在本发明的一实施例中，集成波导可被光学耦合至第一和第二波导。从而，在集成波导中传播的光信号将在光学上分开且穿过第一和第二波导传播。第一波导可被光学耦合至光耦合器的一侧，例如一个末端，而第二波导可被光学耦合至同一光耦合器的另一侧，例如另一末端。通过将集成波导分为两个波导，穿过该波导传播的相同光信号可在不同位置处被两次馈送到光耦合器，以补偿或至少减少光耦合器中的光信号的衰减的不利影响。优选地，到达光耦合器的两个光信号之间的相差基本为0。从而，第一和第二波导可被制造成使得到达光耦合器的光信号之间的相差基本为0，例如等于0，例如在预定容差范围内(例如在制造容差内)等于0。在本发明的一实施例中，集成波导可在光耦合器的多个位置处被光学耦合至光耦合器，以甚至进一步增加光束的一致性。例如，集成波导可被光学耦合至多个波导，例如三个、四个、五个、六个或者甚至更多波导。从而，在集成波导中传播的光信号将在光学上分开且穿过此多个波导中的每一个传播。该多个波导可被光学耦合至光栅耦合器上的多个位置。

聚焦光耦合器可被适配成用于将基本圆形或平面的波前7作为汇聚在焦平面10上的聚焦光束9耦合出波导的平面。例如，聚焦光耦合器可以是具有被适配成将具有基本圆形或平面的波前的被引导的光信号向外耦合入在自由空间中聚焦的球形波前的啁啾(chirped)和弯曲的光栅图案的聚焦光栅耦合器。

替换地，聚焦光耦合器可包括制造(例如图案化)在集成波导中的微结构图案。微结构可包括通孔、柱和/或腔，例如局部的凹陷或凹痕。这样的微结构在波导的平面中可具有小于5μm，例如在10nm到800nm的范围内，例如在20nm到500nm的范围内，例如在50nm到200nm的范围内的直径，例如在波导的平面中的最大直径或最大横跨维度。

微结构可至少部分被制造(例如蚀刻)在波导中。微结构可以是波导中的通孔。通孔可具有任何适当的形状，例如矩形。微结构也可以是被制造到波导中的不同类型的微结构(例如完全(例如通孔)或部分(例如凹痕)制造到波导中的微结构)的组合。图案可以是矩形图案。根据本发明的实施例，图案可被配置成在从波导接收到光信号时补偿该光信号由于其通过光栅耦合器传播的衰减。此被配置的图案确保了所生成的光锥具有增加的一致性，这准许使用比使用常规图案时更大的针孔。作为一个优点，被用来照射物体的光的能量被增大，从而引起对物体的更好的照明。从而，聚焦光耦合器可以是如下文进一步详细描述的聚焦光耦合器。

根据本发明的实施例，不同光耦合器可被用来同时从不同角度照射物体。不同光耦合器可被连接至同一集成波导，该集成波导向所有光耦合器提供光信号。例如，该至少一个光电集成电路2可包括光学耦合至集成波导4的至少一个其它光耦合器8a。该至少一个附加光耦合器8a可被适配成用于将光信号5作为光束9a定向出集成波导4的平面。光耦合器8和至少一个附加光耦合器8a被定位成使得光耦合器8和至少一个附加光耦合器8a生成的光束重合并由此同时从不同角度照射物体。这种实施例在图6中解说。本发明的一个优点在于：从不同角度照射物体允许记录该物体的3d信息。通过结合3d信息以标识物体，可实现更高的精确度。

在本发明的另一实施例中，每个光耦合器可具有将光信号馈送到该光耦合器中的其自己的集成波导，且其中不同光耦合器被定位以从不同角度照射物体。例如，该至少一个光电集成电路可进一步包括用于引导光信号的至少一个其它集成波导，以及光学耦合至该至少一个其它集成波导的至少一个其它光耦合器。该其它光耦合器可被适配成用于将光信号作为另一光束定向出该至少一个其它波导的平面。该光耦合器和该其它光耦合器可被定位成使得由该光耦合器和该其它光耦合器生成的光束重合且由此同时从不同角度照射该物体。

本领域中已知用于设计和制造根据本发明的实施例的设备的聚焦光耦合器的技术，例如可使用电子束处理技术来在集成光电设备2的基板上创建适当的光栅图案。聚焦光栅耦合器的周期性可根据位置而改变，以使得向外耦合的光被聚焦在焦平面中的单个汇聚点中。大的数值光圈和小的点大小可通过足够大的光栅和短的聚焦距离来实现。例如，约10μm到100μm的光栅可提供5μm到100μm的斑点。

例如，聚焦光栅耦合器可具有在10μm到1000μm的范围中的长度，且可被适配成用于生成在焦平面中的具有在5μm到100μm的范围中的直径的焦点。聚焦光栅耦合器可具有500μm或更小的长度，例如，在1μm到100μm的范围内。聚焦光栅耦合器可进一步被适配成用于生成在焦平面中的具有10μm或更小的直径(例如，在1μm到5μm的范围内，或优选地更小，例如在0.5μm到1.0μm的范围内)的焦点。

成像设备1进一步包括被定位成用于对被光束9照射的物体12成像的至少一个成像检测器11，诸如cmos图像检测器。在其中所生成的光束是聚焦光束的实施例中，该至少一个成像检测器11例如可被适配成用于在物体被定位在关于光束的传播方向在焦平面下游时对该物体成像。而且，成像设备可包括诸如在现有技术中已知的用于执行图像获得、图像的数字化和/或传输和/或存储的其它部分。成像设备还可包括被适配成用于执行图像处理操作(诸如举例而言图像滤波、图像转换、模式识别和/或图像压缩)的处理装置，例如，处理器，诸如专用集成电路设备。

物体12例如可包括包含在微流通道98中的流体，例如包括浸没的生物样本的流体，例如如在图5中所示。

该至少一个成像检测器例如可被适配成用于获得物体12的全息衍射图像。

该至少一个成像检测器11例如可被适配成用于获得物体12的荧光图像。例如，成像设备1可包括被适配成用于在光谱上隔离荧光剂的荧光波长(例如用于对入射在该至少一个成像检测器上的光进行带通滤波，诸如以拒绝或显著衰减在通带之外的波长，包括荧光波长)的至少一个光谱滤光器。

光电集成电路2可进一步包括被定位在光电集成电路2和该至少一个成像检测器11之间的、用于对光束9进行空间滤波(例如用于在光束到达物体之前对光束进行滤波)的至少一个针孔准直器15(例如至少一个针孔15)。例如，聚焦光束的波前可在焦平面处被针孔清理，例如，针孔准直器可实现低空间频率带通滤波器。该至少一个针孔准直器从而可被定位在焦平面中以用于对聚焦光束进行空间滤波。

该至少一个成像检测器11可被适配成用于同时对多个物体12成像，其中该多个物体中的每个物体被定位成诸如允许由相应光耦合器发出的相应光束照射每个物体，例如，当每个物体被定位成关于相应光耦合器发出的相应聚焦光束的传播方向在焦平面的下游时。从而，激励波导(例如，单个激励波导)可在多个集成波导中划分，例如经由光学分束装置，其连接至相应的锥形物和相应的聚焦光耦合器以便划分光并将光引导到多个物体。例如，图3示出根据本发明的实施例的光电集成设备2，其包括例如被适配成用于将光信号耦合到光电集成设备2中的激励波导20以及用于将光信号引导到4个点的多个集成波导4。例如，多个聚焦光耦合器8所提供的每个聚焦光束可生成点源，点源例如可被用来照射物体。在照射之后，物体的全息图像可被记录。

而且，根据本发明的实施例的成像设备可包括反射面，其中该反射面和该至少一个成像检测器被定位成使得来自被照射物体的光和该光束被该反射面反射并在反射后被该至少一个成像检测器检测。

参考图5，示出本发明的示例性实施例，其中成像设备包括沉积在基板上的具有适当的反射因子的这样的反射面99，例如镜面或金属层。本发明的实施例的一个优点在于：该至少一个集成电路2和该至少一个成像检测器11可被集成在单个基板97中，例如在单个集成光电芯片上。成像检测器11中的盲点可例如被用来实现集成光电器件。本发明的一个优点在于：集成光电器件和成像检测器可使用cmos兼容处理步骤来制造。这简化了处理并减少了设备的生产成本。而且，其中提供有针孔光圈的针孔准直器15(例如层，诸如金属层)可被提供在微流通道98和基板97之间。这种设备的制造在下一段中解释。

针孔准直器15(例如，针孔15)可被提供在基板97上，例如被布置在基板97上方的透明间隔层(例如氧化层)上方。微流通道98也可被提供在同一基板97上，例如，第二透明间隔层(例如氧化层)可被提供在针孔准直器15上方，在其中形成微流通道98。同样，反射面可作为微流通道98上方的层被提供，例如，由第三透明间隔层(例如氧化层)与微流通道98间隔开。这具有允许操作中的容易对准的优点，例如，可能对对准误差高度敏感的组件可被集成在单个基板上。

在第二方面，本发明也涉及一种用于对物体成像的方法。此方法包括将光信号耦合到集成波导中，例如到基板中或基板上的集成波导中，以及使用光耦合器从光信号生成光束，所述光束被定向出集成波导的平面。本方法进一步包括通过将该物体浸没于在微流通道中流动的流体中来传输该物体。微流通道例如可被配置成允许在该物体通过该微流通道传输时由该光束对物体照射。该方法进一步包括使用该光束照射该物体并对被照射的物体成像。本领域技术人员参考上文的关于根据各实施例的成像设备的描述，也将理解根据本发明的实施例的方法的细节。例如，根据实施例的方法或其一部分可在实践中由根据本发明的实施例的设备或其相应部分执行。图4中示出了根据本发明的实施例的用于对物体成像的示例性方法100。此方法100包括将光信号耦合102到集成波导中，例如基板(诸如集成光电电路基板)中或该基板上的集成波导。将光信号耦合102到集成波导中可包括将光信号分布在多个波导上。例如，光信号可被分布成使得在该多个集成波导中的每个集成波导中具有基本圆形波前的光波被形成。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括提供101至少部分相干光束，例如以耦合到集成波导中，例如作为对输入耦合器的输入。光信号从而可以至少部分相干光束的形式被耦合到集成波导中。方法100也可包括在集成波导中形成具有基本圆形或平面波前的光波，例如以馈送到光耦合器中(例如聚焦光耦合器，诸如举例而言聚焦光栅耦合器)。

该方法还包括使用光耦合器从光信号生成106光束，以使得光束被定向出集成波导的平面。在根据本发明的实施例的方法中，生成106可包括使用聚焦光耦合器来聚焦104光束，例如使用光耦合器从光信号生成该光束可包括将光波引导到聚焦光耦合器中以将光波作为汇聚在焦平面中的聚焦光束耦合出波导的平面。

在根据本发明的实施例的方法中，该生成106可包括使用散焦光耦合器来生成该光束，例如使用该光耦合器从该光信号生成光束可包括将光波引入到散焦光耦合器中以将光波作为发散光束耦合出波导的平面，例如从波导的平面下的虚拟点源发散，例如在此虚拟点源关于波导所处的侧面相对的方向上将光作为发散光束耦合出波导的平面。

根据本发明的实施例的方法可进一步包括在其焦点中对光束进行空间滤波107，以获得从焦点朝物体传播的基本一致的球形波，例如一致球形波。

在根据本发明的实施例的方法中，例如将光耦合102到波导中、生成106光束、照射108物体和/或对物体成像109的步骤可使用多个不同波导和多个不同光耦合器针对多个物体并行执行。在根据本发明的实施例中，光信号可被耦合到多个集成波导中且成像可包括同时对多个物体成像，每个物体被由不同光耦合器生成的光束照射。

在根据本发明的实施例的方法中，将光信号耦合到集成波导中可包括将光信号分布在多个波导上，其中在该多个波导的每个集成波导中，具有基本圆形或平面波前的光波被形成。而且，将光波引入到聚焦光耦合器中可包括将每个光波引入到相应聚焦光耦合器中以将光波作为汇聚在焦平面中的相应聚焦光束耦合出波导的平面。

该方法100进一步包括使用该光束照射108该物体并对被照射的物体成像109。而且，方法100还可包括同时对多个物体成像，每个物体被由相应光耦合器生成的相应光束照射。对被照射的物体成像109可包括获得全息衍射图像和/或获得该物体的荧光图像。

本发明的实施例可包括或以其它方式涉及聚焦光耦合器，其包括制造(例如图案化或形成)在波导中的微结构的图案。微结构可至少部分被制造(例如蚀刻)在波导中。微结构可包括波导中的通孔。这种通孔可具有任何适当的形状，例如矩形。微结构也可包括被制造到波导中的不同类型的微结构(例如完全(例如通孔)或部分(例如凹痕)制造到波导中的微结构)的组合。例如，微结构可被制造在波导中诸如以完全横穿波导(例如通孔)，或者微结构可被制造在波导中诸如以延伸到波导中(例如凹痕)。图案可以是矩形图案。根据本发明的实施例，图案可被配置成在从波导接收到光信号时补偿该光信号由于其传播穿过光耦合器时的衰减。此被配置的图案可确保所生成的光锥具有增加的一致性，这准许使用比使用常规图案时更大的针孔。作为一个优点，被用来照射物体的光的能量被增大，从而引起对物体的更好的照射。例如，为了提供光的一致的向外耦合，微结构可形成分散的中心。从而，取代使用包括多个弯曲光栅线的完全形成的聚焦光栅耦合器，微结构可根据被适配用于局部控制向外耦合的光强度的密度分布被提供在各光栅线上(例如在与同现有的光耦合器具有基本等同的光耦合属性的完全形成的聚焦光栅耦合器的光栅线上的位置相对应的位置处)。在本发明的实施例中，光耦合器可具有根据密度分布被定位在光耦合器上的微结构，该密度分布是被适配成用于(例如被优化以用于)提供预定的目标向外耦合光功率分布的连续密度分布的离散采样逼近。在本发明的另一方面中，本发明还可涉及一种用于设计这种聚焦光耦合器的方法和/或一种用于生产这种聚焦光耦合器的方法。

参考图8，示出了可提供点源的良好逼近的向外耦合功率分布r。例如，在该平面的要形成光耦合器的中心区域101中，向外耦合的功率可低于外围区域102，例如以便考虑向外耦合的波在达到中心区域101上方的焦点之前行进的较大距离，例如以克服距离平方反比损耗因子。此向外耦合的功率分布r(r)可与光耦合器中的功率分布p相关，例如通过数学模型：

从而，针对图8中示出的向外耦合的功率分布r，分布p(r)可通过此模型确定。例如，图9中示出的根据本发明的实施例的光耦合器的部件103上方的分布p(r)在图10中示出。因此，为了获得点源的向外耦合的功率分布逼近，如图8中所示，范围从高105到低104的功率分布梯度p(r)可在如图10中示出的耦合器中提供。因为向外耦合的功率分布r也与散射截面和散射器密度相关，如下：

目标散射器密度n在截面σ已知时可被定义。此截面例如可通过仿真获得，例如使用lumerical。例如，图11示出仿真模型，其包括模式源110和担当散射器的微结构111，例如浅蚀刻。该模型还包括用于测量散射场以计算仿真散射截面的场监视盒112。仿真模型使用sio2114平台上的sin113。图12示出因变于波长λ的散射截面σ的示例性仿真结果。

图13示出根据上文的数学关系的对应于图12中示出的示例性仿真结果和图10中示出的目标功率分布p的散射中心的示例性分布n。此分布例如可被用于随机采样要制造在根据本发明的实施例的波导中的微结构的位置，例如在图14中所示。而且，每个这样随机采样的位置的定位可被调整以便落在最近的光栅线上，例如如图15中所示。

因为散射器可能不是各向同性的，各向异性散射也可被纳入考虑。图16示出通过仿真获得的散射光的等强度表面。图17示出相同仿真的2d散射强度图，该图示出了从微结构的中心区域118到外围区域119的不断减小的散射强度。例如，所建模的微结构蚀刻的矩形形状所导致的各向异性可在图16和17中看到。图18示出在将微结构的这种各向异性纳入考虑之后的散射中心的示例性分布n。图19和图20分别示出补偿微结构的各向异性的根据此分布n的微结构的随机采样，且这些随机采样的微结构位置被调整到光栅线上的最近位置。

而且，用于提供逼近的点源的光栅耦合器的符合度可被进一步通过以下方式来改善：使用栅格化工具来例如调整微结构位置间的间隔(例如通过如上文讨论的初始随机采样获得的)以便在每次迭代中改善仿真向外耦合场与目标点源分布的符合度。图21解说了这样的网格，而图22和图23解说了在两个网格纠正迭代中定位的微结构。

图24-26示出在包括如通过上文描述的规程获得的微结构的光耦合器上方的仿真场。仿真耦合器在仿真坐标系的z＝0平面中具有维度10μm乘以10μm。耦合器被设计成提供在10μm的距离处的在(x,y,z)＝(0,0,10)μm处的焦点。图24示出在坐标系原点上方的此距离处形成的焦点。图25示出在焦平面中形成的约250nm的焦点。图26示出由光栅耦合器耦合出波导的光的远场。