CN102246015A - 具有可变波长选择器以及可调干扰滤波器的单色光镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对光进行光谱滤波的***，包括用于从光源(4、6)中选择波长的可变波长选择器(12、22)；以及用于对来自可变波长选择器的光进行滤波的可调谐干涉滤波器(60)，其中干涉滤波器同步调谐至可变波长选择器的输出。

Description

具有可变波长选择器以及可调干扰滤波器的单色光镜

技术领域

本发明一般涉及光学光谱测定领域，并且尤其涉及荧光光谱学。为了实现更高的发光度，并且自动抑制漫射光和不需要的光栅等级，本发明使用可调干扰滤波器。

背景技术

单色光镜通常用于光学光谱测定领域。单色光镜通常包括用于容纳具有波长范围的入射光束的入口狭缝、衍射光栅和出口狭缝，光以基本上单色波长通过出口狭缝。光输出的带宽由出口狭缝的宽度决定。通过旋转衍射光栅，可以在所需范围上调谐单色光镜的波长。使用光电检测器记录光强度作为波长的函数。

在单色光镜中，尤其来自于光栅的一部分光，散射并且在光电检测器处呈现为杂散信号，参见T.N.Woods、Wrigley、G.J.Rottman和R.E.Haring发表在App.Optics 33第4273-4285页的文章。当测量弱荧光光谱时，该杂散信号可能导致不可接受的性能。为了减少该问题，可以使用第二单色光镜而改进该单色光镜的输出，所述第二单色光镜的波长调谐至基本上等于第一单色光镜的波长，由此减少杂散光。然而，这种设置需要两倍数量的光学部件，而减少了光输出量并且形成较大的足迹(footprint)。而且，在光栅光谱范围的两端，输出量显著下降。光栅不可避免地反射第二和更高衍射级通过出口狭缝，而给出了不合需要的杂散短波信号。

发明内容

根据本发明第一方面，提供了一种使用可变干涉滤波器的对光进行光谱滤波的***，其调谐至由具有可变波长输出的设备所选的波长，该设备的例子包括光栅或法布里珀罗滤光器。干涉滤波器可以具有高达五或六级抑制幅度的非常高背景的宽带。

通过使用可变波长选择器，诸如单一单色光镜，结合这种可调谐干涉滤波器，提供了一种光学***，其具有与已知双单色光镜基本上相同的光谱性能，但是具有显著改进的背景抑制和灵敏性。对于许多应用，尤其在例如生物样本的荧光光谱检测中，这是非常重要的。在更便宜、更小型的分光计中可以提供该高级性能。

该***可以包括控制器，用于控制对可变干涉滤波器和波长选择器的同步调谐。控制器可以例如存储用于同步调谐的校准数据，其可以例如采取查找表的形式，其包括输出波长值，和将可调谐干涉滤波器的波长与光栅设置输出基本上对齐所需的相应滤波器设置。可以按序地使用插值法以相应于所需单色光镜波长而控制滤波器设置，其值在两个已存储的单色光镜波长值之间。

用于同步调谐的校准数据可以作为选择地采取用于所需单色光镜波长的等式/公式和相关安装参数的形式，以计算将可调谐干涉波滤波器的波长与单色光镜波长基本上对齐所需的滤波器设置。

可调谐干涉滤波器可以包括沿着横向方向的可变厚度干涉层。这已知为楔形滤波器。通过遮住楔形滤波器的一部分，可以使得透射的波长改变。

可调谐干涉滤波器可以利用诸如玻璃、石英等的透明基底。

另外，可调谐干涉滤波器可以包括一对反射元件。反射元件可以具有平行的反射平面。可以在反射元件的表面之间提供中间气隙层。通过改变该气隙层的尺寸，可以调谐干涉滤波器。

可调谐干涉滤波器可以包括波长通带，其宽度可设计或者可以是长波带通边缘过滤器(LWP)或者短波带通(SWP)，如多层设计所确定的，例如J.S.Seeley和S.D.Smith在1966年的Applied Optics 5的第81-85页。

可调谐干涉滤波器可以包括滤波器激励器，其可操作以通过垂直于光轴和分光计裂缝线而平移滤波器，以调谐波长。

可以自动地激励过滤器激励器。例如，滤波器激励器包括涡轮蜗杆和步进电动机或者印刷机结构的改变。

单色光镜可变长度选择器可以包括反射衍射光栅。

可调谐干涉滤波器可以定位在光学***中的各个位置处，例如入口狭缝和出口狭缝的任一侧。将过滤器定位在出口狭缝处或者尤其与衍射光栅位于出口狭缝的同一侧并且与光检测器相邻，尤为有利，这是由于其形成了对抑制杂散光的最大改进，并且相应地最大改进信噪比。这在荧光可能较弱的荧光分光应用中非常重要。

使用同步滤波器显著地改进了荧光分光计灵敏性的工业标准“WaterRaman”测试的信噪比。

***可以是吸收型或者其他形式的分光计。分光计可以包括样本区域；激励源，用于照亮样本区域，以及包括可变波长选择器和可调谐干涉滤波器的发射通路。

该源可以包括窄带光源，诸如窄带激光源，以及尤其是可调谐激光源。光源可以是宽带光源，诸如白光源、超连续光谱激光器或者闪光灯，即连续光谱波源，诸如氙气灯等，组合有固定或可调谐带宽滤波器，以确定激励波长。

***可以包括两个楔形干涉滤波器，其同步移动以用于波长控制，而相对彼此移动用于带宽控制。该设备可以允许光谱选择和触发超连续光谱源。与使用光栅用于波长选择相比，该设备可以防止光束失真。另外，触发机构将最小化暂时光束偏移。

根据本发明另一方面，提供了一种对光进行光谱滤波的方法，包括使用可变波长选择器选择输出波长，并且同步地调谐可变干涉滤波器至所选的输出波长，由此提供经光谱滤波的输出。该方法可以包括扫描输出波长以及一定波长范围上的可调谐滤波器。

该方法可以包括使用楔形干涉滤波器和使用球形镜面的离轴照明，以提供行聚焦以限定已照明的滤波器楔形区域，并且提供输出的波长。

附图说明

现在将参考随附附图，仅作为范例地描述本发明，其中：

图1是荧光分光计；

图2是在图1的分光计中使用的楔形可变干涉滤波器的详细示意图；

图3是图2的楔形可变干涉滤波器的示意性透光光谱；

图4比较了楔形可变干涉滤波器的透光光谱和在图1的分光计校准期间测得的发射单色光镜设置；

图5示出了图2的楔形可变干涉滤波器当在图1的分光计中使用时的校准曲线；

图6示出了使用楔形可变干涉滤波器和图1的分光计的发射单色光镜设置的用于进行杂散光抑制测量的实验性设置；

图7比较了移除了楔形可变干涉滤波器的发射单色光镜设置的透射光谱和如使用图6中的实验性设置而测得的具有楔形可变干涉滤波器安装在合适位置的发射单色光镜设置的透光光谱；

图8示出了采取半对数坐标的图7的透射光谱；

图9比较了移除了楔形可变干涉滤波器的发射单色光镜设置的透射光谱和如使用图6中的实验性设置而测得的双单色光镜的透射光谱；

图10示出了采取半对数坐标的图9的透射光谱；

图11示出了杂散光透射通过双单色光镜的第二元件以及标准化的单一单色光镜之后的干涉滤波器，以考虑在所选透射波长处的透射；

图12是图1的分光计在备选可变干涉滤波器附近的详细示意图；

图13示出了可变干涉滤波器在图1的分光计中的各个备选位置；

图14是干涉单色光镜的示意图；

图15示出了图14的单色光镜的透射与波长的两幅视图；以及

图16是使用超连续光谱激光器的可调谐光源的示意图。

具体实施方式

图1示出了荧光分光计2，用于测量来自样本4的荧光。分光计2具有光源6，诸如氙气灯，其具有例如5至450W的输出功率，以及光电检测器8，例如处于Peltier冷却外壳9中的红敏(185-900nm)Hamamatsu PhotonicsR928P光电倍增管(PMT)。在分光计2的光轴5上，具有激励单色光镜12，用于对光进行光谱滤光，以产生激励光束14，其随后由激励透镜15而沿着光轴5的激励部分16而聚焦在样本4上。样本4和激励透镜15均收纳在样本腔17中。

从样本4发射的荧光由发射透镜18收集，其沿着光轴5的发射部分20而将发射光束19耦合入发射单色光镜22中。光轴5的发射部分20基本上垂直于激励部分16，以限制发射通路上的激励光量。一般地，荧光(因而发射光束19)的波长与激励光束14的波长不同。发射单色光镜22在光谱上过滤发射光束19，并且将已过滤的荧光耦合至PMT 8上。

每个激励和发射单色光镜12、22具有反射衍射光栅24、26，例如每毫米具有1800个槽的光栅。每个光栅24、26可分别经由步进电动机50、52而旋转，以改变单色光镜12、22透射的光波长。为了校准和引导光，在入口缝隙32、34和衍射光栅24、26之间提供凹透镜28、30形式的准直元件。还提供以又一凹透镜36、38形式的聚焦元件，以聚焦光朝向出口缝隙40、42，该缝隙40、42确定透射带宽。为了引导光从凹透镜36朝向出口缝隙40，激励单色光镜12具有输出转向镜44。类似地，为了引导光从入口缝隙34朝向凹透镜30，发射单色光镜具有输入转向镜46，并且为了引导光从又一凹透镜38朝向出口缝隙42，其具有输出转向镜48。

在发射单色透镜22内，在靠近出口缝隙42附近的位置处，在输出转向镜48和出口缝隙4之间具有可调谐干涉滤波器60，其具有楔形可变干涉滤波器61以及包括步进电动机的线性激励器62。可调谐干涉过滤器61提供附加光谱滤波，并且调谐至单色光镜光栅的光。可以使用球形镜的离轴照明，提供行焦距以限定受照明的滤波器楔形区域，以及输出的波长。

图2更详细地示出了楔形滤波器61。其具有基底63，其包括反射层64和设置于其上的腔层66。两个腔层66夹在反射层64之间。反射层64和腔层66的厚度沿着楔形可变干涉滤波器61的宽度(即在图2中从左到右)而改变。在宽度方向上给定位置处，对于给定设计波长，将反射层64和腔层66分别设计为四分之一波长和半波长层。这种类型的滤波器是已知的，并且例如在由S.D.Smith于1958年在J.Optical Soc.Of America上48、43-50页的文章“Design of Multilayer Filter by Considering Two Effective Interfaces”中所述的，所述文献的内容在此引入作为参考。

图3示出了用于入射在楔形可变干涉过滤器61上的光束68的透射光谱。其具有通带形状，其在该情况下宽度为25nm，部分由层64、66的厚度改变率以及光束68穿过滤波器61的宽度的程度而确定。通带中心围绕设计波长72。可以通过在如图2中的箭头74所示的楔形可变干涉滤波器61的宽度的方向上，相对于光束68而平移滤波器61，可以对其进行调谐。这可以在例如约300-700nm或以上的光谱范围上进行。

在分光计2中包括控制器80，其具有处理器82和存储器84。如图1中的虚线所示，控制器设置用于与PMT 8、光栅步进电动机50、52以及滤波器线性制动器62通信。在使用中，将电PMT信号从PMT 8传输至控制器80，其中数据可以由处理器82处理或者存储在存储器84中。

在使用分光计2之前，楔形可变干涉滤波器61被移除，并且根据常规方法而根据绝对波长来校准发射单色光镜光栅26。这是有必要的，因为通过在一定波长范围上扫描单色光镜并且监视检测器上的信号而采集得的原始光谱，将不会是正扫描的样本的真实表示。检测器的灵敏性、单色光镜的输出以及光学器件的性能都将根据波长而改变，并且也将对测得的光谱起到一定作用。应当矫正已采集的波长，以便于从样本获得发射的真实光谱。通过使得测得的光谱除以校正文件，而应用校正。

为了获得校正文件，将其中精确已知光谱的已矫正光源(诸如钨灯)设置在样本腔上，从而光入射在定位在样本位置86上的一片PTFE散射器上。使用分光计的发射臂测量灯的光谱；将其除以灯的已知光谱，以给出仪器灵敏性的光谱——校准文件，随后可以使用其以校正测量值。可以将相同的校正机制用于包含单一单色光镜和可变干涉滤波器的***。

为了使得干涉滤波器61的波长72与发射单设光镜出口缝隙42的波长(下文称为发射单色光镜波长)同步，从分光计2中移除样本4，并且关闭光源6。汞灯(未示出)耦合至光纤(未示出)，而光纤的远端定位在样本位置86处，从而发射透镜18收集来自灯的光。随着从分光计2中初始移除楔形可变干涉滤波器61，对于例如在200-870nm范围上的每个发射单色光镜波长测量PMT信号，并且将其连同相应的发射单色光镜波长值一同存储在控制器存储器84中。PMT信号作为发射单色光镜波长值的函数的相应绘图显示在图4中，并显示为一系列对应汞灯的发射线的峰。

楔形可变干涉滤波器61然后被对于发射单色光镜26以如下方式进行校准。滤波器61在***中被替换，而发射单色光镜通过步进电动机52被设为零位位置，从而它可以作为非色散平面镜。由于楔形可变干涉滤波器61通过滤波器线性激励器62的步进电动机而转换穿过汞灯光，PMT信号然后被监视。在滤波器线性激励器62的步进电动机(以下称滤波器步进电动机)的每一个位置，PMT信号值和相应的步进电动机位置被储存在控制器存储器84中.而转换穿过汞灯光PMT信号作为滤波器步进发动机位置的函数的合成绘图，包括一系列宽峰，每个峰对应汞灯线的其中一个，如图4中所示。

使用图4的数据以及已存储的步进电动机位置，可以获得滤波器位置相对于发射单色光镜波长的绘图，如图5中所示。这些数据点可以存储在控制器存储器84中，从而可以将滤波器容易地调谐至单色光镜波长。在一些情况下，绘图接近于或可以近似于线性拟合，如图5中所示。然而，在其他情况下，该关系可以是非线性的，在该情况下，使用多项式拟合函数、通常为四级函数，作为矫正精确性和在高级多项式中可能发生的不稳定问题之间的折中。

作为备选方法，如果已经矫正了单色光镜，可以使用宽带源，诸如氙气灯，用于矫正其自身的可变干涉滤波器。移动单色光镜至一组波长。在这些波长的每一个处，将滤波器在其范围上移动，并且记录光谱。可以使用峰值搜索算法以寻找光谱的最大值，即滤波器和单色光镜的波长相同的发动机位置。随后可以使用该组滤波器位置和波长以产生多项式拟合函数。该方法不需要已矫正的光源，并且如果将滤波器换为具有不同波长范围或尺寸的滤波器，也可以使用该方法。此外，一旦已经选择所选波长，校准处理可以使用软件而自动化。

同步调谐单色光镜和干涉滤波器可以由软件而实现。在该情况下，响应于移动至特定波长的指令，控制器将一指令传送至单色光镜激励器，以移动至相应于单色光镜波长的位置，而同时将一指令传送至滤波器激励器以移动至相应于波长等于单色光镜波长的位置。作为选择地，可以由硬件连接实现同步调谐，其中将单色光镜激励器机械地连接至滤波器激励器，从而滤波器激励器上的移动自动地引起滤波器移动至一定位置，在该位置将其调谐至与单色光镜具有相同波长。作为另一备选实施例，可以通过固件连接而实现同步调谐，其中将移动至一定波长的单一指令传送至固件，其分别传送指令至单色光镜和滤波器激励器以分别移动至相应于该波长的位置。

图6示出了实验性设置，用于评估具有和不具有同步调谐楔形可变干涉滤波器61处于合适位置的发射单色光镜22的杂散光性能。随着从样本腔17中移除样本4，将在532nm处倍频输出的Nd:YAG激光器90设置在样本腔17中。引导来自Nd:YAG激光器90的光，朝向位于样本位置86的PTFE散射源92，以模拟来自样本的散射发光，而使用发射透镜18以收集和耦合532nm处的已模拟散射发光，进入发射单色光镜22的入口缝隙34。

在图7和8中绘制了具有和不具有滤波器61的PMT信号作为波长的函数的绘图。

根据图7，显然的是，在具有滤波器61安装在合适位置的发射臂的光输出量存在下降。根据图8，同样显然的是，与具有滤波器61安装在合适位置的发射单色光镜22的杂散光相关的PMT噪声层，至少比不具有滤波器61安装在合适位置的情况低两个数量级，至少跨过图8中所示的发射单色光镜22的波长范围。

还使用图6的实验设置以评估双单色光镜的杂散光性能，并且将其与双单色光镜的第一单色光镜的性能相比。相应的PMT信号作为不具有滤波器61安装在合适位置的发射单色光镜22的波长的函数以及作为双单色光镜的波长函数的相应绘图，绘制在图9和图10中。

根据图9，显然的是，当使用双单色光镜，而非仅适用双单色光镜的第一单色光镜时，存在光输出量的减少。因而，双单色光镜的光输出量性能，与在532nm处具有同步调谐楔形可变干涉滤波器61安装在合适位置所观察得的性能，处于同一数量级，后者接近于所使用的光栅的最优(闪耀)波长。双单色光镜的第二单色光镜的光输出量将在除了该闪耀波长之外的波长处下降，因为它事实上将用于所有衍射光栅单色光镜。然而，将不以该方式影响干涉滤波器，因为其不具有对闪耀波长的约束。

根据图10，同样显然的是，与用于双单色光镜的杂散光相关的PMT噪声层仅低于与在图10中所示的发射单色光镜22的波长范围上一些波长处不具有干涉滤波器61安装在合适位置的发射单色光镜22的杂散光相关的PMT噪声层的一至两个数量级。

图11示出了在通过已标准化的单一单色光镜以考虑在所选透射波长(532nm)的透射之后，杂散光透射通过双单色光镜的第二元件和干涉滤波器的，即，其示出了双单色光镜的第二元件和干涉滤波器透射的杂散光。从图中显然的是，与位于波长范围550-650nm的大部分上的双单色光镜设置相比，具有干涉滤波器61安装在合适位置的发射单色光镜22具有高级的杂散光抑制。因此，具有干涉滤波器61的发射单色光镜22的灵敏性，优于双单色光镜设置。

虽然已经参考楔形滤波器描述了上述***，但是可以使用任何合适的可变干涉滤波器。图12示出了备选滤波器的实例。其具有一对反射元件100、102，每个反射元件包括具有抛光表面108、110的石英基底104、106，在所述抛光表面108、110上沉积有介电层的反射堆积112、114。每个反射表面112、114的面，平行于另一反射元件的反射表面114、112并且与其间隔开。反射表面由气隙116间隔开，通过如箭头118所示移动反射元件102朝向或远离反射元件100，可以调整气隙116。

图13示出了可调谐干涉滤波器60沿着图1的分光计2的光轴的多个备选位置。例如，滤波器60可以定位在入口缝隙34和发射单色光镜22的转向镜46之间。作为选择地，干涉滤波器60可以定位在位于转向镜44和出口缝隙40之间或者仅位于入口缝隙之后的激励单色光镜12内。干涉滤波器60的其他备选位置位于样本腔17中。例如，干涉滤波器60位于样本腔17中，处于激励透镜15之前、在激励透镜15和样本位置86之间、在样本位置86和发射透镜18之间或在发射透镜18之后。

图14示出了实施本发明的另一***。这是干涉单色光镜120，其中使用具有可变气隙的高分辨率fabry-perot滤波器122，以及楔形干涉滤波器123。Fabry-perot滤波器是本领域熟知的，因而本文将不再详细描述。

移动fabry-perot滤波器122改变透射的波长。在使用中，将fabry-perot滤波器122移动至所需的位置以输出感兴趣的波长，并且使用楔形干涉滤波器122以对合成的fabry-perot输出进行光谱滤波。正如前述实施例中一样，fabry-perot滤波器122和楔形干涉滤波器124同步调谐。可以通过例如软件或硬件或固件连接而实现同步调谐，其中将移动至一定波长的单一指令传递至固件，其将各个指令传递至楔形滤波器124和fabry-perot滤波器122激励器，以移动至对应于所需波长的各个位置。

图15示出了滤波器122和楔形干涉滤波器124的组合效应。图15(a)示出了透射相对于图14的单色光镜的波长的关系图，而图15(b)示出了相同的数据，但是采用对数坐标。根据这些附图，可见的是，可调谐楔形滤波器124抑制了由fabry-perot滤波器122输出的较高等级的波长。因而，可调谐楔形滤波器124和fabry-perot滤波器122的组合提供了高质量光谱滤波的输出。

图16示出了允许对超连续光谱激光器进行波长选择的***126。来自超连续光谱源128的输出入射在第一宽带楔形干涉滤波器130上。第一干涉滤波器130透射一种波长，并且将其余的光反射入束流收集器132中。宽带干涉滤波器130可以是单一设备或者一对高通和低通波长滤波器。透射的波长取决于滤波器130上的超连续光谱波束的横向位置。随后，第一滤波器130透射的辐射通过第二楔形干涉滤波器132，用于进行光谱提纯，即额外地抑制不合需要的波长，以产生高质量的输出波束134。从第二楔形干涉滤波器134的反射入射在触发二极管136上，以允许由感兴趣的波长触发超连续光谱，因而最小化瞬时波束偏离。滤波器130、134同步调谐，以改变透射的波长。作为选择地，通过关于彼此移动滤波器130、134，一个滤波器的高通波长边缘和另一滤波器的低通波长边缘将确定光谱带宽，因而可以改变光谱带宽。

本领域技术人员将意识到，可以对所公开设置进行改变，而不脱离本发明的范围。例如，虽然参考捕获来自样本的发射而描述了图1的***，所述样本例如发光，诸如电致发光、光致发光、荧光等，但是光可以透射通过样本或者由样本反射。因此，仅作为实例描述了上述特定实施例，而非出于限制目的。本领域技术人员将清楚的是，可以进行较小的改变，而无需对上述操作进行显著改变。

Claims (20)

1.一种用于对光进行光谱滤波的***，包括用于从光源中选择波长的可变波长选择器，以及用于对来自可变波长选择器的光进行滤波的可调谐干涉滤波器，其中干涉滤波器同步调谐至可变波长选择器的输出。

2.根据权利要求1所述的***，其中可变波长选择器包括光栅，例如衍射光栅。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的***，其中可变波长选择器包括滤波器，例如fabry perot滤波器。

4.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中可变波长选择器和/或可调谐干涉滤波器包括楔形干涉滤波器。

5.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中可调谐干涉滤波器包括可变干涉滤波器，其沿着横向而改变。

6.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中可变干涉滤波器具有至少一层或多层，其厚度沿着横向改变。

7.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中可调谐干涉滤波器在设计上是线型或者圆形。

8.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中可调谐干涉滤波器具有通带，其由横向上入射在可变干涉滤波器上的波束入射锥形和面积以及波束沿着横向入射的位置所确定。

9.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中可调谐干涉滤波器可关于光轴沿着横向而移动。

10.根据权利要求1所述的***，其中可调谐干涉滤波器包括一对反射元件，其中至少一个反射元件可相对于另一个反射元件移动，以向光栅提供波长调谐同步。

11.根据权利要求10所述的***，其中反射元件具有平行的反射表面。

12.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中一个可变波长选择器包括衍射或折射元件。

13.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中光包括来自样本的发射的任何形式，例如荧光。

14.根据前述任意一项权利要求所述的***，包括超连续光谱光源。

15.根据前述任意一项权利要求所述的***，其中***是可调谐波长源。

16.根据前述任意一项权利要求所述的***，包括一个或多个控制器，用于同步调谐干涉滤波器和可变波长选择器。

17.一种分光计或单色光镜，其包括根据前述任意一项权利要求所述的***。

18.一种对光进行光谱滤波的方法，包括使用可变波长选择器而选择输出波长，并且同步调谐可变干涉滤波器至所选输出波长，由此提供光谱滤波的输出。

19.根据权利要求17所述的方法，包括在波长范围上扫描输出波长和可调谐滤波器。

20.根据权利要求17或18所述的方法，包括使用楔形干涉滤波器和使用离轴照明球形镜，以提供行聚焦，而限定所照明的滤波器楔形区域，并因而限定输出的波长。

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