CN103858015A - 用于发射电磁辐射的微装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发射电磁辐射的微装置，该微装置适应于可由比如光的电磁辐射所控制。该微装置包括第一电磁辐射发射单元，该第一电磁辐射发射单元被设置用于发射电磁辐射1728，以便能将电磁辐射照射到所关注的结构1740上。该微装置进一步包括机构，该结构用于实现对微装置的在三维空间中的平移和绕至少两根轴线旋转运动进行的非接触式的空间控制。本发明由此提供了一种器械，该器械能实现受控的光照射落在所关注的物体的纳米尺度的非常精密地限定的区域上。此外，该装置实现了对光的接收，并因此可作为光控微型内窥镜。

Description

用于发射电磁辐射的微装置

技术领域

本发明涉及一种用于研究或分析相关物体的装置，更具体地涉及一种借助电磁辐射进行研究或分析相关物体的装置和方法。

背景技术

在使用电磁辐射对物体进行研究或分析的领域内，始终有对用于获取被检测物体信息的仪器进行改进的需求。例如，需要提高空间分辨率。另一种需求是扩展可被检查的物体的类型。

本领域催生了大量的技术，每一个项技术都为本领域的不断发展做出了贡献。例如实例包括了共聚焦显微镜和扫描近场光学显微镜(SNOM)。编号US2009/0276923的申请给出了参考实例，该参考实例提供了较好的空间分辨率并能够扫描物体，该项申请中详述了具有端面的光纤的模型，端面含有锋利的线性边缘和随机分布的纳米离子。这些探针比普通探针更加坚固，且这些探针的构成与纳米精度无关。探针能波导去往及来自具有边际损失分布的样本的光，及能够更完整地利用入射光。虽然已经有了进步，但在本领域内仍然希望能简化所使用的设备，及希望能检查那些不固定在表面上的物体。

WO2006/008550A1公开详述了一种通过多个光学陷阱用于操控的装置。多个被连接起来的捕获元件，比如透明珠子，也会被连接至尖端，该尖端与捕获元件之间隔开的距离大于光学捕获场的有效范围。

WO03/018299A1详述了千分尺和纳米级工具，分别称为MOTS和NOTS，它们在光学陷阱的光照范围内***控，并能够改变工件的物理的、化学的或电子的结构或工件的定向。

因此，提供一种借助电磁辐射进行研究或分析相关物体的改进的装置和方法是有益的。特别地，更有效、可靠、简单的装置和方法是有益的。更特别地，提供一种能够对不固定在表面上的物体进行分析的装置是有益的。

发明内容

本发明的进一步目的是提供一种代替现有技术的解决方案。

特别地，本发明的目的可视为通过提供更有效、可靠、简单的装置和方法，提供一种解决现有技术中的上述问题的微装置，更特别地，提供一种能够对不固定在表面上的物体进行分析的装置。

由此，本发明的第一方面通过提供一种用于发射电磁辐射的微装置意在达到以上所描述的目标和若干其他目标，该微装置包括：

第一电磁辐射发射单元，该第一电磁辐射发射单元被设置为用于发射电磁辐射，

机构，该机构用于实现对该微装置的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少两根轴线的旋转运动；

其中用于实现对该微装置进行非接触式空间控制的该机构被设置为由电磁辐射施加的力在空间上控制，并且其中该第一电磁辐射发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的该机构在结构上连结。

本发明特别地，但不排他地，有益于使用公认的技术和比如光学镊子的公认的设备分析物体，并且还能实现使用其尺寸可能与例如哺乳动物细胞具有同样长度级的微装置进行探测。另外，由于微装置可悬在液体中并在空间上被控制，所以它可被用于探测比如哺乳动物细胞的其他悬于液体中的物体。本发明有效地实现了易操纵和多用途的亚波长光源，亚波长光源原则上仅受限于其自身的可用光源。本发明由此强调了对可调节光源的需求，及挑战对纳米工具的实时光学激发。本发明通过将可调性和其他工程需求转换成更易于管理的宏观激光***，提供了实用的替代方式来开发可调的亚波长光源(例如，使用无机纳米线)。

将在以下章节中概述本发明特定实施例的其他益处的要点。将光子工具运用于纳米尺度中通常会受到传统的衍射极限的非难。克服衍射对成像的非难必须要使用近场手段或者利用非线性光学过程的远场光学。除了成像，光子学还能成为使纳米视觉活化、探测和操控的手段。例如，起可调光源作用的被光学捕获的纳米线能够起到多用途光学探针的作用。本发明在特别实施例中解决了关于提供一种亚波长光源的问题，该亚波长光源具有先进的激光***的可调性，且可在纳米尺度中***控。本发明在特别实施例中提出了一种新颖的手段，该手段使用结构介导的微-纳米耦合。本申请在特别实施例中推荐一种微装置，该微装置将光学力和光学能量从远场光学引导进入亚波长领域内。该微装置可以由双光子聚合(2PP)构成，能耦合来自光学捕获手柄的机械力来获得对纳米工具高达六个自由度(6DOF)的控制。该微装置还能将任意的光源引导进入该微装置的亚衍射极限尖端。使用例如生物光子工作站来操作这些微装置能实现对纳米工具的六个自由度的控制，及实现经瞄准了的光传送。这为对功能化纳米工具的校准操纵和有效地创造多用途亚波长光源做了准备，该多用途亚波长光源仅受限于其自身的可用光源。这将为远场光学在亚波长光子学中的应用开辟新的道路，及使得远场光学在自然科学中具有宽泛的应用范围。

“电磁辐射”(EMR)在现有技术中众所周知。EMR可以理解为包括各种类型的电磁变体，比如对应于不同波长范围的不同类型，比如无线电波、微波、红外辐射、可视区域中的EMR(人类以“光”形式感知或看见)、紫外辐射、X射线和伽马射线。术语“光学”可理解为有关于光的事物。EMR也可理解为包括来自比如白炽灯、激光和天线的不同来源的辐射，。在现有技术中所公知的，EMR可以被量化成称为“光子”的基本粒子的形式。在本申请中，术语“光”和“光学”被用于范例性的目的。应当理解，在使用“光”或“光学”地方，仅是作为EMR的实例被使用，并且本发明应当被理解为还适用于引用“光”或“光学”的其他的波间隔。

应将“微装置”理解为在微米级的装置，比如长度、宽度和高度的范围在1微米到1毫米之间的装置。

应将“EMR单元”理解为能够发射EMR的单元。EMR可以重新导向被诸如反射镜或透镜的EMR单元所接收的EMR，或者该EMR单元可以包括发射器，该发射器能够产生该EMR单元所发射的EMR。

应将“用于实现同步的非接触式空间控制的机构”理解为能实现电磁的物理特征。

应将“平移运动”理解为一种运动，在该运动过程中，该微装置从空间第一位置运动至空间第二位置。应当理解，有三个空间维度(对应于笛卡尔坐标***中的三根轴线x，y和z)，且三维空间中的平移运动由此对应于能在各方向上运动。

应将“旋转运动”理解为一种运动，在该运动过程中，该微装置被绕着其自身重心旋转一定角度。应当理解有三个空间维度(对应于笛卡尔坐标***中的三根轴线x，y和z)，且三维空间中的旋转运动由此对应于能绕所有轴线运动。对装置绕至少两根轴线的旋转运动进行控制意味着该装置绕两根轴线的运动会被控制，而该装置绕最后一根轴线的旋转不必被控制。

用于实现对该微装置的以下运动形式，即，在三维空间中的平移运动以及绕至少两根轴线的旋转运动，进行同时非接触式空间控制的构件，还可替换地被规划成用于对3个平移自由度和2个旋转自由度，即，总共5个自由度，实现同时控制的机构。因为这样使得该微装置被放置在任何位置及采取任何定向，所以是有益的。例如，该微装置可以围绕人类细胞运动而又总是定向为朝向细胞的中心，比如使EMR发射单元指向细胞中心。在特别实施例中，所述机构可以以EMR可控手柄的形式具体实施，如光学手柄。

在一特别实施例中，该微装置具有功能性，此处“功能性”应被理解为元件，该元件使得装置可以执行有关于相关元件的功能。功能性的例子包括将提供了生物功能的诸如酶、核酸链(例如，DNA或RNA)的功能生物分子涂覆在微装置的一部分上。功能性还可以以机械功能的形式具体实施，如能够实现对相关物体进行局部机械操控的锋利尖端。总的来说，本发明的范畴包括，该微装置还可用于将在空间上已瞄准且时间上已设定好的刺激传送至相关物体，该相关物体可以是，例如，人类细胞。可能的目标可以是细胞膜上的感受体的光激发，该感受体的光激发已知与细胞的信号网络连结以发起该细胞内的生物化学过程。另一个前景是用于探测机械转导的纯粹的机械刺激——一种将细胞膜上的机械信号转换成该细胞内生物化学反应的蜂窝机制，该蜂窝机制在胚胎发生和癌症转移中可以大放异彩。考虑到纳米级生物过程必须在它们的寄主存活的细胞的前提下被理解，该寄主存活的细胞是更大的数量级(例如，哺乳动物细胞直径可达到几十微米)，所以微-纳米耦合手段与生物学有关。

在另一个特定实施例中，该微装置包括光学传导部，光穿过该光学传导部透射出来，且该光学传导部包括能在光学上激活如掺杂物、染料、稀土元素的光学活性物质。该光学传导部在特别实施例中可以是光引导元件。具有光学传导部可能的益处是，可以包括开发非线性效应或放大的可能性，该光学传导部包括光学活性物质且光穿过该光学传导部透射出来。

在一个特别实施例中，该微装置被设置成能使EMR的发射方向取决于，如直接取决于微装置的定向。这可以，例如可以通过在EMR引导元件内引导待发射的EMR而实现。将发射光的方向与微装置的定向联系起来的益处在于，一旦该微装置的定向得到控制，那么发射光的方向就能得到控制。另一个益处是，在微装置接收EMR并引导和/或反射所接收到的EMR以便使其被发射的实施例中，发射EMR的方向可被控制，如被改变，而不需要改变接收到的EMR的方向。例如，在具有用于提供EMR(EMR被微装置接收)的EMR源的实验室环境中，可以使EMR源基本保持固定不懂。

在实施例中，提供了一种用于发射电磁辐射的微装置，该微装置包括：

第一电磁辐射发射单元，该第一电磁辐射发射单元被设置为用于发射电磁辐射，

机构，该机构用于实现对该微装置的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少两根轴线的旋转运动；

其中用于实现对该微装置进行非接触式空间控制的该机构被设置为由电磁辐射施加的力在空间上控制，并且其中该第一电磁辐射发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的该机构在结构上连结，其中该第一电磁辐射发射单元包括：

电磁辐射输入耦合元件，该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收入射的电磁辐射，比如多个电磁辐射输入耦合元件，

电磁辐射输出耦合元件，该电磁辐射输出耦合元件在结构上与该电磁辐射输入耦合元件连结，且该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于响应所述入射电磁辐射地发射电磁辐射，比如多个电磁辐射输出耦合元件；

其中该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中该第一方向和该第二方向不平行，比如该第一和第二方向之间的角度至少有10度、至少有20度、至少有30度、至少有45度、至少有60度、至少有80度、大致是90度、大致是直角、是直角；或者

其中该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中该电磁辐射输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向相对于该电磁辐射输入耦合元件在空间上移位，且其中该第一方向和该第二方向大致平行，比如该第一和第二方向之间的角度在10度以内、5度以内、2度以内、1度以内、平行。

通过使该第一和第二方向不平行，其中该输入耦合元件和该输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向在空间上彼此移位或不移位，或者使该第一和第二方向平行，其中该输入耦合元件和输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向在空间上彼此移位，可以理解的是，该EMR可被重新导向以便使其绕角落弯曲或者使其照射在否则照射不到的位置上，而且由于这种对EMR的空间控制取决于该微装置的可控位置和可控定向，所以这种对EMR的空间控制可以发生在受控的情形下。这样可能会带来的益处是，不需要将接收发射出来的EMR的受检查物体放置在入射的EMR的轴线上，在入射的EMR的轴线上，EMR会受到一些原因的影响而不被该辐射输入耦合元件接收到，并由此被称为背景EMR。这转而意味着受检查的物体可以被改进的信噪比检查，其原因就在于背景EMR有所衰减。另一个可能的益处是，该入射的EMR可以是位置固定的，然而通过对该微装置的位置和定向的控制可以使得发射出来的EMR(从输出耦合元件中发射出来)在空间上到处运动。

应将在特别实施例中的“在空间上移位”理解为至少是对应于该进入的EMR宽度的一定距离，该距离比如是被耦合入该输入耦合元件的入射的EMR的宽度，比如至少是因数2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,50,100,250,500或1000的倍数宽度。进一步理解为在本申请上下文中，比如在此特别实施例中的上下文中，比如在限定“在空间上移位”的上下文中，该“入射EMR”可相对于入射耦合元件而被限定，以使得该入射的EMR的宽度可被理解为可经由该入射耦合元件耦合入该微装置的EMR光束的宽度，比如该输入耦合元件的可收集光子的范围(在与第一方向正交的方向上)的宽度。对于该范围的非圆形截面，宽度以平方根(4*范围/pi)计算，即，如果截面为圆形时，该范围的直径。在特别实施例中，该电磁辐射输出耦合元件相对于该电磁辐射输入耦合元件在空间上移位的距离至少是1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,50,100,250,500或1000微米。

在特别实施例中，该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，及该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中该第一方向和该第二方向不平行，比如该第一和第二方向之间的角度至少有10度，至少有20度，至少有30度，至少有45度，至少有60度，至少有80度，大致是90度，大致是直角，是直角，其中该电磁辐射输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向相对于该电磁辐射输入耦合元件在空间上移位。

在另一实施例中，提供了一种用于发射电磁辐射的微装置，该微装置包括：

第一电磁辐射发射单元，该第一电磁辐射发射单元被设置为用于发射电磁辐射，

机构，该机构用于实现对该微装置的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少两根轴线的旋转运动；

其中用于实现对该微装置进行非接触式空间控制的该机构被设置为由电磁辐射施加的力在空间上控制，并且其中该第一电磁辐射发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的该机构在结构上连结，其中该第一电磁辐射发射单元包括：

电磁辐射输入耦合元件，该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收入射的电磁辐射，比如多个电磁辐射输入耦合元件，

电磁辐射输出耦合元件，该电磁辐射输出耦合元件在结构上与该电磁辐射输入耦合元件连结，且该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于响应所述入射电磁辐射地发射电磁辐射，比如多个电磁辐射输出耦合元件；及

其中，该电磁辐射输入耦合元件和该电磁辐射输出耦合元件被设置为能使得该电磁辐射输出元件可以发射与输入电磁辐射不同轴的电磁辐射，比如该电磁辐射输入耦合元件和该电磁辐射输出耦合元件被设置为能使得该电磁辐射输出元件被设置为能发射与该入射电磁辐射不同轴的电磁辐射，比如该电磁辐射输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向相对于该电磁辐射输入耦合元件在空间上移位，和/或该EMR输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射EMR，且该EMR输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的EMR，其中该第一方向和该第二方向不平行。

应将“不同轴”理解为，从该辐射输出耦合元件发射出来的EMR(下文称为发射出来的EMR)与入射EMR不同轴，比如入射EMR和发射出来的EMR可以基本由EMR射线描述，该EMR射线不平行(比如该第一和第二方向之间的角度至少有10度，至少有20度，至少有30度，至少有45度，至少有60度，至少有80度，大致是90度，大致是直角，是直角)和/或在空间上移位，以便不会在同一轴线上，即使该入射EMR和发射出来的EMR可以平行。这样可能带来的益处是，不需要将接收发射成出来的EMR的受检查物体放置在入射的EMR的轴线上，在入射的EMR的轴线上，EMR会受到一些原因的影响而不被该辐射输入耦合元件接收到，并由此被称为背景EMR。这转而意味着受检查的物体可以被改进的信噪比检查，其原因就在于背景EMR有衰减。在特别实施例中，“不同轴”可理解为该电磁辐射输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向相对于该电磁辐射输入耦合元件在空间上移位，和/或该EMR输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射EMR，及该EMR输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的EMR，其中该第一方向和该第二方向不平行。

在另一实施例中提供了一种用于发射电磁辐射的微装置，该微装置包括：

机构，该机构用于实现对该微装置的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少三根轴线的旋转运动。

根据此实施例，该微装置实现了对全部六个自由度的控制，即，该微装置可在任何方向上运动并可绕任何轴线旋转。由于该微装置在全部三个空间维度和绕全部三个空间轴的位置和角度移动都是受控的，所以该微装置的位置和定向可被完全控制。可以对该微装置绕所有轴线旋转，即，包括绕EMR沿其发射的轴线旋转进行控制的益处是，如果EMR被极化，那么发射出来的EMR的极化方向可被保持固定或可选地以可控的方式改变。

在又一个实施例中提供了一种用于发射电磁辐射的微装置，其中用于实现对该微装置进行空间控制的该机构包括至少一个电磁辐射可控手柄，比如多个EMR可控手柄，比如至少3个EMR可控手柄。

应将“EMR可控手柄”理解为一个自身可以在空间上***控的元件，即，通过施加EMR可在空间中定位和运动。在一个范例性实施例中，EMR可控手柄可以以比如微米尺寸的球形电介质粒子的EMR可控手柄的形式具体实施，该微米尺寸的球形电介质粒子可在光学陷阱或光学镊子内运动或被保持在固定位置。使微装置包括一个或更多个EMR可控手柄的益处是，EMR可控手柄可以实现对该微装置的空间控制，该空间控制通过将EMR施加到EMR可控手柄而实现，该EMR可控手柄在该微装置内与诸如该EMR发射单元的其他元件有坚固地、结构上地连结。在该微装置内有坚固的结构上连结的益处是，这保证了该微装置的各个元件的相对位置可以固定，因此知晓例如光学手柄的一些元件的位置就可推导出例如功能化尖端或光输出耦合元件的其他元件的位置。换句话讲，即使仅使用远场光学，该微装置也可将光学力耦合至诸如光输出耦合元件的纳米尖端，来获得纳米级操控。设定了光驱动微装置的几何属性后，技术人员就可以根据容易跟踪的微米尺寸的微装置来推导出纳米尖端的位置，从而无需超限分辨即可方便地对纳米尖端的位置进行精确定位。

在又另一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中该微装置进一步包括发射器，发射器被设置为用于发射EMR。

应将“发射器”理解为可以产生EMR的单元，即，将一定量的能量转换成一个或更多个光子。在进一步的实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中该发射器被设置为用于接收入射的EMR并与之响应地发射EMR。在又进一步的用于发射EMR的微装置的实施例中，其中该发射器可从包括以下物件的组中选出，这些物件包括：荧光团，量子点，EMR发射二极管，激光。可以理解，荧光团能吸收一个或更多个光子的形式的能量并与之响应地发射一个或更多个光子。量子点在现有技术中已知并被形容为荧光半导体纳米颗粒。应当理解，可以接收会被转换成发射出来的光子的电能的发射器是存在的，实例包括电动泵送量子点和诸如发光二极管(LED)的EMR发射二极管。使微装置包括发射器的益处是，该微装置无须接收并再发射光子即可发射光子。该微装置，换句话说，可以带有其自身的EMR源。在特别的实施例中，发射器可被理解为在诸如380-750纳米内的电磁光谱可视范围内发射EMR。

在又一个实施例中提供了一种用于发射电磁辐射的微装置，其中该发射器被设置为能在诸如380-750纳米内的电磁光谱可视范围内发射电磁辐射。

在再一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，微装置进一步包括：

输出元件，该输出元件用于使从该第一EMR发射单元发射出来的EMR成形。

应将“用于使EMR成形的输出元件”理解为一种在第一点接收EMR并在第二点再次发射EMR的元件，其中EMR被成形，比如被聚焦，从近轴EMR变到发散EMR。用于使EMR成形的输出元件的特定例子包括反射镜和透镜，其中透镜应被理解为是一种重新配置透射过来的能量分布的折射装置(即，蔓延介质中的不连续点)。具有用于使EMR成形的输出元件的益处是，发射出来的EMR因此可以根据特定需求被设计。例如，EMR可以聚焦在给定距离以外的一点上，或者EMR可被成形为更不发散的以便当传播经过一定距离后不会发散开。另一个益处是，从诸如量子点的一个点源发射出来的光，可以在相对较大的立体角内被收集并被在一个特定方向上被重新导向，例如，通过菲涅尔透镜。这对使EMR主要在一定方向上发射是有益的。

在又另一实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中，该微装置的最大尺寸小于1毫米，比如小于750微米，小于500微米，小于250微米，小于100微米，小于50微米，小于10微米。相对小的微装置的一个益处是该微装置会更轻，即，相对于更大的装置而言质量更小。这转而意味着在平移和旋转运动过程中使该装置加速及减速时所需的力可以更小。

在再一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中第一EMR发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的机构在空间上彼此隔开。

应将“空间上彼此隔开”理解为相应的元件彼此隔开有限的空间距离。该有限的空间距离在特别的实施例中可以是固定的，如通过在坚固元件上的一定位置处附着各元件来固定。使第一EMR发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的机构在空间上彼此隔开的益处是，这种隔开有利于使得用于在空间上控制微装置的EMR不与从辐射发射单元发射出来的EMR发生混合。这样可以例如使得从该第一EMR发射单元发射出来的波长独立于用于在空间上控制微装置的波长而被选择，还可进一步用作保证从第一EMR发射单元发射出来的EMR与用于在空间上控制微装置的EMR感染。

在再一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，该第一EMR发射单元包括：

EMR输入耦合元件，该EMR输入耦合元件被设置为用于接收入射的EMR，比如多个EMR输入耦合元件，

EMR输出耦合元件，该EMR输出耦合元件在结构上与该EMR输入耦合元件连结，且该EMR输出耦合元件被设置为用于响应所述入射EMR地发射EMR，比如多个EMR输出耦合元件。

该EMR输入耦合元件可以是，例如，透镜元件或另一个用于收集EMR并将来自EMR输入耦合元件的EMR辅助引导至EMR输出耦合元件的元件。这样的益处在于，该微装置不需要携带自身的EMR源来发射EMR，因为可以通过EMR输入耦合元件从微装置中接收EMR，然后传播至EMR输出耦合元件，最终是来自微装置的EMR经由EMR输出耦合元件发射出去。可以理解，该微装置可包括多个EMR输入耦合元件和/或多个或EMR输出耦合元件。多个EMR输入耦合元件可被设置为能使得EMR传播到单个EMR输出耦合元件或传播到多个EMR输出耦合元件。类似地，多个EMR输出耦合元件可被设置为能使得EMR从单个EMR输入耦合元件起传播或从多个EMR输入耦合元件起传播。具有例如多个EMR输入耦合元件可能带来的益处在于，每个EMR输入耦合元件都可实现接收来自特定方向的EMR，这样该微装置就可以在不同取向上被定向，而仍然能经由EMR输入耦合元件之一来接收EMR，即使在特别条件下EMR源不适于允许微装置经由另一个EMR输入耦合元件接收EMR，仍能如此。

在再一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中该微装置包括EMR引导元件。在特别实施例中，该EMR引导元件被设置为从EMR源到EMR输出耦合元件。在另一个特别实施例中，EMR引导元件被设置为从EMR输入耦合元件到EMR输出耦合元件。具有EMR引导元件的益处是，EMR可以以受控方式被引导。另一益处是，EMR可以独立于周围媒介地被引导。另一益处是，EMR引导元件可使得EMR沿着不必是笔直的传播路径被引导。

在再一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中EMR输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射EMR，及EMR输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的EMR，其中第一方向和第二方向不平行，比如在该第一和第二方向之间的角度至少有10度，至少有20度，至少有30度，至少有45度，至少有60度，至少有80度，大致是90度，大致是直角，是直角。用于改变在EMR输入耦合元件和EMR输出耦合元件之间的EMR的方向的机构包括以下物件中的任何一个或更多个或其组合，这些物件包括：反射镜，EMR引导元件，棱镜或透镜。使接收到的EMR不平行于发射出来的EMR的益处是，将EMR发射至该微装置的源不需要与来自该微装置的EMR的发射方向对齐。在一特定实施例中，入射的EMR沿垂直轴线传播，及该EMR输出耦合元件被设置为用于在水平方向上发射。在此范例性的实施例中的EMR被重导向了90度，使得该微装置可以在水平面上的任一方向上发射EMR，而该入射的EMR的方向被保持固定在沿垂直方向。

在再一个实施例中提供了一种用于发射EMR的微装置，其中该EMR输出耦合元件被设置为用于在低于衍射极限的情况下在空间上限定传播模式。衍射极限在现有技术中众所周知(还被称为阿贝衍射极限)并从根本上划定传统显微镜的界限不能分辨小于大约用于成像的电磁光的半波长的范围。在特别的实施例中，这种限制通过使用小孔实现。在其他特别实施例中，这通过使用等离子结构实现(同样见图15-16和对应文本)。可能带来的益处是众所周知的，特别是由于能分辨出更小的区域，益处还包括在分辨率上的改进。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于将EMR发射到相关物体上的***，该***包括：

根据第一方面的用于发射EMR的微装置，

根据第一方面的第二EMR发射单元，该第二EMR发射单元适合于产生用于对该微装置进行空间控制的EMR。

根据本发明的第三方面，本发明进一步涉及一种用于发射电磁辐射的方法，该方法包含：

对根据第一方面的该微装置进行空间控制，该空间控制通过在包括有根据第一方面的该微装置的体积内应用EMR而实现，

发射来自根据第一方面的微装置的EMR。

根据进一步的实施例，提供了一种用于发射EMR的方法，该方法包含：

对多个根据第一方面的微装置进行空间控制，该空间控制通过在包括有该多个根据第一方面的微装置的体积内应用EMR而实现，

发射来自多个根据第一方面的微装置的EMR。

在另一个实施例中提供了一种方法，其中通过应用EMR对根据第一方面的该微装置进行空间控制，和发射来自权利要求1的该微装置的EMR同时发生。通过使空间控制和发射来自微装置的EMR同时发生，可以实现在EMR发射期间对该微装置进行诸如固定、移动或定向的控制。这转而方便了对EMR会被发射至其上的相关物体的扫描或跟踪。另一个益处是，不需要支持结构，该支持结构诸如在EMR发射期间必须要将该微装置放置在其上的底层。

在另一个实施例中提供一种方法，该方法进一步包括：

根据第一方面的该微装置接收EMR，及

根据第一方面的该微装置响应于所述接收的EMR地发射EMR。

可以理解，该微装置可直接发射EMR，比如简单地反射或重导向接收到的EMR，或间接地发射EMR，比如通过首先用接收到的EMR激发例如荧光团或量子点，及最终随着激发状态的消逝从荧光团或量子点中发射EMR。

本发明的第一、第二和第三方面可各自与任何其他方面组合。本发明的这些或其他方面将通过参考以下实施例更好地阐明。

附图说明

现在参照附图对根据本发明用于发射电磁辐射的微装置进行更具体的描述。附图示出了实施本发明的一种方式，并不意在限制同样属于所附的权利要求保护范围的其他实施例。

图1示出微装置的透视图；

图2示出微装置的侧视图；

图3示出微装置的显微图像；

图4示出如图3的相同的微装置的显微图像；

图5示出微装置的俯视图；

图6示出微装置的可替换实施例的俯视图；

图7示出微装置的可替换实施例的俯视图；

图8示出根据本发明的实施例的侧视图；

图9-11分别示出特别实施例的透视图、俯视图和正视图；

图12类似于图1，不同的是在本图的实施例中的EMR输出耦合元件具有圆形的形状；

图13类似于图1，不同的是连结结构起光学手柄的作用；

图14类似于图1，不同的是在本图的实施例中的EMR输出耦合元件具有圆形的形状，而且作为连结结构的它们的光学手柄被移除；

图15-16分别示出类似图1-2的透视图和侧视图；

图17示出微装置的实施例的应用；

图18示出微装置的实施例的应用；

图19示出其特征是具有发射器的实施例；

图20示出在光引导过程中穿过微装置期间光强度的模拟，微装置为类似图1-5示出的微装置；

图21-22以图像形式示出微装置的实施例的实验数据；

图23-25示出光耦合和光学操控实验；

图26示出代表性的双光子聚合结构的扫瞄式电子显微镜(SEM)图像，双光子聚合结构为弯曲波导(弯曲半径R为大约8)；

图27示出另一类型的微装置，该微装置类似于图1-2中绘出的微装置；

图28示出图27的微装置的示意图；

图29为微装置的侧视图；

图30为微装置的俯视图；

图31为微装置的可替换实施例的俯视图；

图32示出另一类型的微装置的侧视图；

图33为类似于图1的透视图；

图34示出图33中绘出的实施例的侧视图。

具体实施方式

在接下来的部分中，光和电磁辐射被可交替地使用。应当理解，在特定实施例中会使用光，但是在那些实施例中范例性地使用光并不将本发明局限于仅使用光。

图1示出根据本发明的一个实施例的微装置100的透视图，微装置100的特征在于，具有光输入耦合元件102，以及光输出耦合元件104。光输入耦合元件102被设置为用于接收光并将接收到的光引导进入光引导元件106，光引导元件106将光输入耦合元件与光输出耦合元件光学连接。这样，光可以在光引导元件102处被接收并由光引导元件106引导至光输出耦合元件104，光从光输出耦合元件104被发射出去。光学元件102,104,106由此形成EMR发射单元，该EMR发射单元能实现发射诸如光的EMR。该微装置进一步包括用于实现对微装置进行非接触式空间控制的机构，该机构的具体实例为光学手柄108,110,112,114。每个光学手柄在结构上都通过连结结构116,118,120,122与光学引导元件106连结。在本实施例中，光输出耦合元件104为圆锥形形状，这种形状的益处是微装置因此具有锋利的尖端，该锋利尖端可用于物理接触并操控比如生物细胞的其他物体。另一个益处是光输出耦合元件可用作输出元件，用于使从第一EMR发射单元发射出来的EMR成形。

图2示出图1绘出的微装置100的侧视图。在图2中可更清楚地看见光引导元件106的弯曲部分224。光引导元件的弯曲部分224使得入射光226被光输入耦合元件102接收并作为发射光228被引导穿过光引导元件106和光输出耦合部分104。本领域技术人员很容易发现光学路径是双向的，而且光因此还会在光输出耦合元件104处被收集并被引导穿过光引导元件106，及从光输入耦合元件102发射出去。图2还指示出微装置的长度227和高度229。在范例的实施例中，长度227为35微米，高度229为20微米，但其他微米范围中的尺寸，比如在1微米到1毫米之内，都是可想到的。

图3示出用于发射EMR的微装置300的显微图像。该微装置用白光照射。该微装置在结构上类似于图1-2中示意地绘出的微装置。图3类似于图2，不同的是图2中的微装置指向左边，而图3中的微装置指向右边.在图3中该微装置从侧面被示出，可以看见带有弯曲部324的光输入耦合元件302、光输出耦合元件304、光引导元件306和光学手柄308,310。

图4示出与图3的微装置300相同的微装置。该微装置浸没在包含荧光染料的液体中。与图3不同，在图4中白光照射被关闭，以便入射光426可以被清晰地看见，其原因在于，入射光426激发了荧光染料中的荧光体。来自顶端的入射光426照射到光输入耦合元件302上。此外，该输入耦合元件将入射光耦合入微装置300中并且该被输入耦合的光被引导穿过光引导元件，以便穿过光输出耦合元件304被发射出去。发射出来的光428在图4中也清楚可见。

换句话说，图3-4中的快照示出了来自模拟经瞄准的光传送的实验过程中拍摄的侧视角视频显微镜检查中的图像，该模拟通过使来自外部源的光穿过被光学捕获和操控的结构地耦合至可操控的亚波长尖端来实现。该结构被捕获在荧光介质(钙橙)中以便成像，并使用经过滤的荧光剂最小化散开的捕获光束发出的噪音以追踪外部光源。结果表明该结构能引导光，并且因此能使用对该结构的三维位置和角度定向的并行光学控制，将来自外部源的能量导向用户定义的目标地点。被观测的来自该尖端的光复制了特性的双尖输出，该双尖输出在所附的将光引导穿过微装置的模拟(图20)中可见，该模拟使用了时域有限差分法进行建模。在尖端附近看到的相对强光区域说明，不同于通常的来自顶端的直接照明(与该结构输入耦合端附近的光束轮廓比较)，微工具可被用于高度定位的照明。这些结构特征可被设计来调控和优化光引导过程。例如，可以通过变化锥形轮廓来控制输出。此外，不同于在原位光源产生中使用非线性效应，原位光源产生的波长会被非线性材料限制，在选择光源时有很大的灵活性。

这些结果演示了用于传送经瞄准了的机械和光学刺激的结构介导的微-纳米耦合的示例。这可以为开发更先进的结合不同功能的耦合结构做好准备。潜在的应用包括引导和操控光子装置和部件，光子装置和部件其中包含有化学官能化尖端、三维空间可操作的针尖增强的拉曼光谱(详细参见“通过尖端增强的拉曼光谱的纳米成像:步进超越经典极限”,Verma,P.等,激光和光子评论4,548-561(2010),其在此被整体引用作为参考)、用于基于纳米级光控制和等离子操控的应用的金属纳米结构和超材料(参考“等离子超越衍射极限”,Gramotnev,D.K.等,自然光子学4,83-91(2010),在此被整体引用作为参考)用于产生相干光的晶体和半导体纳米线、波导、光学探测和其他光管理功能。再者，该结构可以被优化用于双向光输送，从而还可将来自该尖端的光耦合回至远场光学用于纳米内窥镜或微米内窥镜。扩展微-纳米耦合,该结构不仅可以用作耦合机械力和光学激发,还可以进一步包括机构，该机构可以利用纳米流体力学经由纳米管实现物质输送。光学操控纳米工具的生物学可能性比比皆是,从监测活体内的过程，到传送用于开发和试验细胞行为的生物模型的在空间上经瞄准的机械力-化学刺激。当与静态技术一起使用以调节细胞功能时，这些纳米工具可以提供动态实验刺激。

图3-4的微装置的制作使用了在“集成光电机”，Kelemen,L.等,Appl.Opt.45,2777-2780(2006)中描述的双光子微细加工***，在此被全部引用作为参考。这个过程包括在激光照明前对旋转涂覆的感光胶层进行两分钟的软性烘烤(SU82007,Microchem)和在照明后进行10分钟的后烘烤,两次烘烤都是在95℃下在热板上。微观结构是通过扫描紧密聚焦的来自感光胶中的钛宝石激光器的超短脉冲(λ=796纳米，100fs脉冲、80MHz重复率,3mW平均功率)形成。激光脉冲通过浸在石油中的显微镜物镜(100x蔡司Achroplan,1.25na物镜;DF-类型浸油Cargille实验室、公式代码1261,n=1.515)聚焦。焦斑的扫描对于球体而言，相对于树脂的速度为10μm/s，对于连接杆和尖端而言，相对于树脂的速度为5μm/s，用于以最小的横向和轴向特征来固化体素，该最小的横向和轴向特征分别是，在横向方向上尺寸是0.4±0.1μm，及在纵向方向上尺寸是1±0.1μm。样品设计文件可以用于为给定的微装置指定激光路径和尺寸。范例的微装置的尺寸可以是35μm X20μm X6μm(对应长度×宽度x高度)及具有直径为6μm的球形手柄。

样品制备

在研制和收获了微装置之后,这些微装置可以被存储在溶剂中，该溶剂在水中含有0.5%的表面活性剂(二层20)和0.05%的连叠氮化物的混合物。表面活性剂可以防止微装置彼此粘住以及粘在样品室上；连叠氮化物可以在储存期间防止微生物的生长。为了使用微装置，要对样品进行离心分离，使得微装置沉底以便收集。为了光耦合实验,在装载入细胞计数细胞之前，首先要将微装置与荧光溶剂(用乙醇稀释的钙橙)混合。

光学微操纵

所谓的生物光子工作站已被使用。生物光子工作站在“使用全光学生物光子工作站的独立捕获、操控和表征”,H.U.Ulriksen等,J.Euorp.Opt.Soc.Rap.Public.3,08034(2008)中有详细描述，在此该文被整体引用作为参考。生物光子工作站使用来自纤维激光器(IPG)的近红外光(λ=1064nm)。对在光束调制模块中的经扩展的激光光源进行实时空间寻址会产生可重构的强度样式。将受计算机控制的空间光调制器中的两个独立可寻址区域光学标记为在样本体积中的反传播光束，可实现捕获多个微对象(目前会生成高达100个的光学陷阱)。光束通过对面的显微镜物镜被转递(奥林巴斯LMPLN50x IR、WD=6.0毫米、NA=0.55)到一个4.2毫米厚的Hellma细胞中(250μmx250μm内截面)。用户通过计算机界面在三维空间捕获和操纵所需的对象,通过该计算机界面，操作者可以使用鼠标或操纵杆实时地选择、捕捉、移动和重新调整细胞和已制作好的微装置。实验的视频同时从显微镜的顶视图和侧视中抓取。也可考虑其他方式，即，将生物光子工作站与本发明一起使用，以便在空间上控制微装置,比如光学镊子,比如扫描光学镊子,比如全息光学镊子(参见“全息光镊及其与实验室在芯片设备上的关联”,M·帕吉特和R·莱奥纳多,实验室芯片,2011,11,1196,在此被引用作为参考),比如介电电泳。

图5示出微装置的俯视图，微装置也在图1-2中示意地绘出。

图6示出微装置的可替换实施例的俯视图，其中连结结构是弯曲的以便相对于光引导元件606的光学路径呈现钝角。例如，连结结构616是弯曲的，这样在矢量607和矢量617之间有钝角630，矢量607指向光引导元件中光学路径的方向，矢量617与连结结构616的轴线平行且指向方向是从光引导元件606到光学手柄608。由于有钝角630，在光引导元件606中朝向光输出耦合元件604行进的光中，经由连结结构616从光引导元件606“漏”出的光会更少。

图7示出微装置的可替换实施例的俯视图，其中连结结构716,718,720,722是弯曲的以便相对于光引导元件706的光学路径呈现钝角，如图6。此外，连结结构中的两个716,722是非笔直的，这样相对于该光引导元件的钝角会被维持在接近该光引导元件的区域，而在相应的光学手柄708,714附近的区域内连结结构716,722彼此不平行并且与放置在本附图中右侧的连结结构718,720不平行。这是有益的，因为如果该连结结构与该光学手柄的折射率匹配，那么该EMR在向特定光学手柄施加力时，就会有在连结结构的方向上施加力的效率会较低的风险。通过将该连结结构放置在不同方向用于不同手柄，这个问题可以减轻，因为在给定方向上施加力的效率降低对于所有手柄而言不是在同一方向上的。

图8示出根据本发明的实施例的侧视图，类似于图2中示出的实施例，不同的地方在于，图8的特别实施例具有两个输入耦合元件802,803以及该光学引导元件的相应的两个弯曲部分824,825。在此特别实施例中，两个输入耦合元件802,803都与同一个EMR输出耦合元件804耦合。使用这种特别的构造,就可能使EMR从或者顶端或者底端传播出去并使微装置仍然经由一个输入耦合元件802或其他输入耦合元件803接收EMR。再者，微装置可绕图中从左至右的轴线翻转180度，并且仍然可以接收在垂直方向上传播的光，即是说，即使该微装置被上下颠倒，也仍能接收垂直传播的EMR。其他构造，例如具有多于两个的输入耦合元件，也可以被想到是有益的。

图9-11分别示出一个特别实施例的透视图、俯视图和正视图，其中该连结结构相对于水平面具有不同角度(对应于图10的俯视图的纸面的平面)。此外，该连结机构具有如图10-11中虚线指示的不同长度。技术人员还可想象具有的光学手柄数量比严格所需的数量更多的微装置，其中用户在手柄间切换以提供较好的控制而不用考虑定向。

图12类似于图1，不同的是在本图的实施例中的EMR输出耦合元件1204具有圆形的形状。在本实施例中EMR输出耦合元件1204具有球形的形状，但其他诸如抛物面,双曲面或椭圆形的圆形形状也被认为属于本发明的范畴。该EMR输出耦合元件可由此起到透镜的作用。这样的益处是，该光输出耦合元件可用作输出元件，该输出元件用于使从该第一EMR发射单元发射出来的的EMR成形。

图13类似于图1，不同的是在本实施例中该连结结构起光学手柄的作用。

图14类似于图1，不同的是在本图的实施例中的EMR输出耦合元件具有圆形的形状，而且带有其光学手柄的连结结构被移除，作为代替的，将光学手柄1415直接绕着光引导元件1406放置。在本实施例中，球形EMR输入耦合元件1402和球形EMR输出耦合元件1404同样每件都起到光学手柄的作用。

图15-16分别示出类似图1-2的透视图和侧视图。在图15-16中锥形光输出耦合元件1504部分被涂覆了非透明涂层1534，其中仅有该锥形结构的尖端1505未被涂覆。这样的益处是，经由光引导元件1506在朝向锥形输出耦合元件1504方向上传播的EMR可在超过衍射极限的情况下在空间上被限定。类似的原理被用在扫描近场光学显微镜(SNOMs)中，其中亚波长孔(在本实施例中对应于在涂层1534内在具有尖端1505的末端内的小孔)使成像或探测范围小于衍射极限。本发明因此有益于使用EMR探测范围，其中该范围比如果没有涂层1534所能达到的范围要小。在特别实施例中，光引导元件1506和锥形光输出耦合元件1504可以是分形纤维结构，其中该锥形输出耦合元件的内部结构与该外直径成比例。这对于进一步在空间上限定传播模式是有益的。分形纤维的原理在科学文章“一种用于超高吞吐光学探针的基于分形的纤维”,S.T.亨廷顿等,光学速递,2007年3月5日,15日,卷5号,2468中有详述,在此被整体引用作为参考。光引导元件1506具有方形芯的光学纤维也属于本发明范畴。方形芯的光学纤维在“方形纤维解决多个应用程序的挑战”,弗朗茨施贝尔慈等,光子学光谱,卷45，2,第38-41页,在此被整体引用作为参考。

使用其他机构用于在超过衍射极限的情况下在空间上限定传播模式也属于本发明范畴，例如使用等离子，该等离子在科学文章”超越衍射极限的等离子”,由D.K.Gramotnev和S.I.Bozhevolnyi撰写,自然光子学4,第83-91页,2010年，中所详述，该文章在此被整体引用作为参考,而且特别注意第85–86页的题为“等离子体纳米聚焦”的章节。

图17示出微装置的实施例的应用。光源1736提供光，该光由该微装置的该光输入耦合元件接收，并经由该光输出耦合元件作为发射出来的光1728被发射。该发射出来的光被聚焦到例如生物细胞的相关物体上。在本实施例中，该光输出耦合元件在低于衍射极限的情况下在空间上限定传播模式，以便仅探测在相关物体1740上非常小的范围。相关物体接收发射出来的光1728，并与之响应地再次发射在远场中的探测器1738所接收到的光1742。然而，由于仅对相关物体上很小且精确定义的范围进行探测，所以探测器所接收到的光1742会包括有关于此小范围的有价值的信息。

图18示出该微装置的实施例的应用。光源1836提供会照射在例如生物细胞的相关物体1840上的光。相关物体接收发射出来的光1844，并与之响应地再次发射该微装置的输入耦合元件所接收到的光。该输入耦合元件被构造成，在被放置在离相关装置短距离时，仅能接收来自在相关装置上小范围的光，比如通过与扫描近场光学显微镜(SNOMs)的孔类似的小孔实现。该微装置将接收到的光作为发射光1828再次发射，及该发射出来的光被探测器1838接收。由于仅收集来自该相关物体上很小的范围的光，所以由探测器1838所接收到的光会包括有关于此小范围的有价值的信息。

可以注意到图17-18的每张图中的微装置彼此类似，情况是仅有操作方式不同。图17-18因此图示出了该微装置的双向性，并示出该微装置既可以用于将光发射到相关物体上，也可以用于收集相关物体发射出来的光。

图19示出的实施例特征在于发射器。更具体地，本实施例的特征是具有比如无线电通信模块的通信模块1946，具有比如电池的电源1948，及具有比如激光单元的发射器1950。在特别实施例中，发射器包括电动泵送光子晶体激光器，比如“超低阈值电动泵送量子点光子晶体纳米腔激光器”,B·埃利斯等,自然光子学、2011年，第5期，第297-300页中所描述的，该文章在此被整体引用作为参考。在可替换实施例中，该发射器是在被光激发后会再次将光发射出来的荧光团。在可替换实施例中，电源1948可以包括能无线接收能量的单元，比如经由电磁场发送的能量，比如采用电动感应方法(比如已知的是从被动射频识别(RFID)装置，比如通过实施电感电容(LC)电路)，比如采用静电感应方法(也被称为特斯拉效应)，比如通过采用EMR(比如微波，比如光，比如激光)，例如，与光伏元件结合。使电源能够无线接收能量的可能会带来的益处是，该微装置不需要线或者储存能量的单元，即能够被充满动力。

图20示出在引导光穿过微装置期间光强度的模拟，该微装置类似于图1-5示出的微装置，该模拟使用了时域有限差分法进行建模。图20中该微装置的定向与图3-4中的相同。要注意到的是，这种模拟解释了光强度的分布，该光强度的分布见于如图4中观察到的实验数据，由此说明了光在微装置中的表现背后的原理已被本发明的发明者充分理解。此外还要注意到，在该微装置的表面上应用涂层，或者修改该微装置的折射率，或者比如优化结构的修改该微装置的形状(例如，使用标准的、众所周知的优化方案)，例如以便使光穿过微装置侧面的漏出最小化，都包括在本发明的范畴内。

图21-22以图像形式示出微装置实施例的实验数据。

图21示出微装置2100，微装置2100类似于图6中示出的实施例(请注意图6中的微装置指向左边，而图21中的微装置指向上方)。图21中的微装置以仰视图示出，即，光引导元件2106、连结结构2116,2118,2120,2122、光学手柄2108,2110,2112,2114，和光输出耦合元件2104都在纸面的平面内，此后会将该平面称为微装置平面，而光输入耦合元件2102相对于观察者而言，在微装置平面的另一侧。在微装置平面中还可见球形珠子2152，该球形珠子在微装置的正前方(即，“上方”-在图中)可被光学捕获。球形珠子2152可作为输出元件，该输出元件用于使从第一EMR发射单元中发射出来的EMR成形。

图22示出图21的微装置2100，然而，要注意到的是，该微装置相对于图21中的视图被重定向。图22中，该微装置对应于图2中的视图，以侧视图形式被示出，不同的是，该微装置绕与该纸面平面正交的轴线旋转了180度，即，图21中的微装置具有其指向右边的光输出耦合元件2204，及具有在微装置左端且指向下方的光输入耦合元件2202。图22此外的特征还在于，具有球形珠子2152、入射光2226和发射出来的光2228。图22示出，光学捕获的球形珠子2152使发射出来的光2228成形，可看到的是，光会聚焦在微装置前方的点2254处。要注意，未被入射元件收集的朝向EMR输入耦合元件发送的EMR(不同于输入耦合入射EMR)，可能会是错过了输入耦合元件(比如在正交于纸张平面的方向上的前方或背方)或者完全穿过装置地进行传播的EMR2296。

图23-25示出光耦合和光学操控实验。

图23-24为快照，该快照示出了从珠子组2182中选出的珠子的选择性荧光激发，其中这组珠子是4颗珠子的垂直纵列，该4颗珠子被放置成一排且彼此相邻。选择性荧光激发的实现使用了类似于图1-2中示意图示的和在图21-22中用图像形式示出的微装置。

图23示出对从珠子组2182的顶端开始数的第二颗珠子2184的选择性照明的情形，其中选择性的照明由光实现，该光经由微装置2100的光输入耦合元件2102被耦合进入，及经由光输出耦合元件2104发射出去。插图示意性地图示了仅有从顶端开始数的第二颗珠子被激发。

图24相应地示出对从珠子组2182的顶端开始数第三颗珠子2186的选择性照明。的情形。插图示意性地图示了仅有从顶端开始数的第三颗珠子被激发。

图25A-C示出使用反向光耦合实现的实验抓图：光学捕获的微装置2100通过入射瞄准光2226在光输出耦合元件2104前方产生局部场，入射瞄准光2226经由光输入耦合装置2102被耦合入微装置中，及***控的第二捕获微装置2101’(类似于微装置2100，不同的是微装置2100’绕与纸面平面正交的轴线旋转了180度)在本情况下是操控微装置2100’向上移动，以便扫描该局部场；反向耦合光从顶端显微镜中可见，如图25A-C的每张图中下方的插图所示，特别是如图25B中下方的插图所示，如图25B中下方的插图中可以观察到亮点(如图25B中下方的插图中箭头所指示的，在中间的插图中被放大)。该亮点对应于光，该光从微装置2100的光输出耦合元件2104中被发射出去，并由微装置2100’上对应的元件所收集，及最终从光输入耦合元件2102’中被发射出去，在本例中光输入耦合元件2102’发射光。基准尺为10微米。图25A-C的每张图的中间的插图都示出了也被下方的插图示出的光输入耦合元件2102’(在此光输入耦合元件2102’的作用是用于于光输出耦合的元件)。

图26示出代表性的双光子聚合结构的扫瞄式电子显微镜(SEM)图像，该双光子聚合结构为弯曲波导(弯曲半径R为大约8微米；宽度为大约1.5微米)，并座放在支架结构上，该支架结构具有用于光学捕获的球状手柄；该波导经由反向角度的杆被连接，用于使经由该支架结构的光耦合损失为最小。

图27示出另一个类型的微装置1058，微装置1058类似于图1-2中绘出的微装置，不同的是，图27的微装置中未示出光输入耦合元件202和光引导元件的弯曲部分324。此外，光输出耦合元件204被替换成保持机构1088，保持机构1088在本实施例中是环形的元件。具有保持机构的益处在于，保持机构可实现保持和操控其他物体，比如保持和操控可被作为光学元件应用的球形珠子。例如，能以较低成本或精力即可获得的球形珠子，可以此方式被收集并被作为透镜使用，该球形珠子可被放到离被检差物体较近的位置。

图28示出图27的微装置1058的示意图，在此示出的是，保持机构1088中具有球形珠子1052。入射光1090由现在作为透镜元件的球形珠子收集，且发射出来的光1092会聚焦在被检查物体1094上。

图29为微装置1058的侧视图；

图30为微装置1058的俯视图；

图31为具有保持机构的微装置的可替换实施例的俯视图。

图27-31中提出的基本理念是光学地操控比如微装置1058的微装置，该微装置被设计成具有保持机构1088，保持机构1088比如机械是尖端形状，以便它们可以“捡起”并保持球形物体，球形物体可起到不同尺寸的球透镜(例如，不同尺寸的玻璃或聚合珠子)的作用并作为亚微米级上的对于6自由度(DOF)进行操控的放大镜。该球透镜(珠子)可以很容易地被光束弹射，然后每个适当的工具都会被光学定位以抓住缓慢落下的珠子，这种情形类似于超大尺寸的篮球以慢动作落入篮筐。该球透镜可被双向地使用，以实现不仅能聚焦独立的光，还能捕捉并转递从样品中辐射出来的光。

该基本理念的进一步归纳则涵盖了结合具有光耦合器(比如图1-2绘出的实施例的光输入耦合元件202)的微装置，这样可重新构造的球透镜可同时即从顶端又从侧面被使用。关于此基本概念有众多的变体。

图32示出另一个类型的微装置1558的侧视图，微装置1558类似于图27-31绘出的微装置，不同的是，图32的微装置中示出了光输入耦合元件202和该光引导元件的弯曲部分324。在图32的实施例中，入射光瞄准326被引导穿过微装置1558并由现在作为透镜元件的球形珠子1588收集，且发射出来的光1528可被聚焦在附近的物体上。

图33为类似于图1的透视图，不同的是，本图实施例中的EMR输出耦合元件3304被设置成能使EMR输出耦合元件3304可发射EMR，发射出来的EMR比如与入射电磁辐射3326不共轴的EMR3328。

图34示出图33中绘出的实施例的侧视图。

在图33-34绘出的实施例中，EMR输出耦合元件3304沿着与入射EMR3326方向正交的方向在空间上相对EMR输入耦合元件3326移位，移位距离3462，以便使得虽然入射EMR3326和发射出来的电磁辐射3328彼此平行，而它们仍然不共轴。这样可能带来的益处是，未被入射元件收集的朝向EMR输入耦合元件发送的EMR可减少来自放置在与入射EMR共轴的轴线上的物体3495的信噪比，其原因在于，此EMR有助于形成较大的背景EMR。未被入射元件收集的朝向EMR输入耦合元件发送的EMR，可能会是轻易错过输入耦合元件(比如在正交于纸张平面的方向上的前方或背方)或者完全穿过装置传播的EMR3496。因为背景EMR较小，所以可用更高的信噪比对物体3494进行检查。在本实施例中，EMR输出耦合元件3304在端部3360具有锥形形状，但其他诸如球形、抛物面、双曲面或椭圆形的也会被认为在本发明的范畴内。EMR输出耦合元件因此可用作透镜。

在实施例E1-E15的范例组中，提供了：

E1.一种用于发射电磁辐射的微装置(100)，该微装置包括：

第一电磁辐射发射单元(102,104,106)，该第一电磁辐射发射单元被设置为用于发射电磁辐射，

机构(108,110,112,114)，该机构用于实现对微装置(100)的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少两根轴线的旋转运动；

其中用于实现对该微装置进行非接触式空间控制的该机构被设置为由电磁辐射施加的力在空间上控制，并且其中该第一电磁辐射发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的该机构在结构上连结。

E2.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，包括：

机构(108,110,112,114)，该机构用于实现对该微装置的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少三根轴线的旋转运动。

E3.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中对该微装置进行空间控制的该机构(108,110,112,114)包括至少一个电磁辐射可控手柄。

E4.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中该微装置进一步包括发射器(1950)，该发射器被设置为用于发射电磁辐射。

E4B.根据实施例E4的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中该发射器被设置为能在诸如380-750纳米内的电磁光谱可视范围内发射电磁辐射。

E5.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，该微装置进一步包括：

输出元件(104)，该输出元件用于使从该第一电磁辐射发射单元发射出来的电磁辐射成形。

E6.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中该微装置的最大尺寸小于1毫米。

E7.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中该第一电磁辐射发射单元和用于实现对该微装置进行空间控制的机构(108,110,112,114)在空间上彼此隔开。

E8.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，该第一电磁辐射发射单元包括：

电磁辐射输入耦合元件(102)，该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收入射的电磁辐射，比如多个电磁辐射输入耦合元件，

电磁辐射输出耦合元件(104)，该电磁辐射输出耦合元件在结构上与该电磁辐射输入耦合元件连结，且该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于响应所述入射电磁辐射地发射电磁辐射，比如多个电磁辐射输出耦合元件。

E9.根据实施例1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中该微装置包括电磁辐射引导元件(106)。

E10.根据实施例E8的用于发射电磁辐射的微装置，其中电磁辐射输入耦合元件(102)被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，电磁辐射输出耦合元件(104)被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中该第一方向和该第二方向是不平行的，比如该第一和第二方向之间的角度至少有10度，至少有20度，至少有30度，至少有45度，至少有60度，至少有80度，大致是90度，大致是直角，是直角。

E10B1.根据实施例E8的用于发射电磁辐射的微装置，其中该电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，该电磁辐射输出耦合元件被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中该电磁辐射输出耦合元件沿着与该第一方向正交的方向相对于该电磁辐射输入耦合元件在空间上移位。

E10B2.根据实施例E10B1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中该第一方向和该第二方向大致平行，比如该第一方向和该第二方向之间的角度在10度以内，5度以内，2度以内，1度以内，平行。

E11.根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中电磁辐射输出耦合(104)元件被设置为用于在低于衍射极限的情况下在空间上限定传播模式。

E12.一种用于将电磁辐射发射至相关物体上的***，该***包括：

根据实施例E1的用于发射电磁辐射的微装置(100)，

根据实施例E1的第二电磁辐射发射单元，该第二电磁辐射发射单元适合于产生用于对该微装置进行空间控制的电磁辐射。

E13.一种用于发射电磁辐射的方法，该方法包含：

对如实施例E1的微装置(100)进行空间控制，该空间控制通过在包括有如实施例E1的微装置的体积内应用电磁辐射而实现，

发射来自如实施例E1的微装置的电磁辐射。

E14.根据实施例E13的方法，其中通过应用电磁辐射对如实施例E1的微装置(100)进行空间控制和发射来自如实施例E1的微装置的电磁辐射同时发生。

E15.根据实施例E13的方法，该方法进一步包括：

如实施例E1的微装置(100)接收电磁辐射，及

如实施例E1的微装置响应于所述接收的电磁辐射地发射电磁辐射。

总之，本发明涉及一种用于发射电磁辐射的微装置，该微装置适应于可由比如光的电磁辐射所控制。该微装置包括第一电磁辐射发射单元，该第一电磁辐射发射单元被设置为用于发射电磁辐射1728,以便能够将电磁辐射照射到所关注的结构1740上。该微装置进一步包括机构，该结构用于实现对微装置的在三维空间中的平移和绕至少两根轴线旋转运动进行的非接触式的空间控制。本发明由此提供了一种器械，该器械能实现使受控的光照射落在所关注的物体的纳米尺度的非常精密地限定的区域上。此外，该装置实现了对光的接收，并因此可作为光控微型内窥镜。

虽然本发明结合了具体实施例进行详细描述，但不应该被解释为以任何方式受限于所展示的例子。本发明的范围由后附的权利要求书所定义。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”并不排除其他可能的元件或步骤。同样地，引用的提及的表述，如“一”或“一个”等不应被解释为排除了复数。在权利要求中使用对应于附图中元件指示的参考标记也不应被解释为限制发明的范围。此外，在不同的权利要求中提及的个别特征可有利地组合，并且在不同权利要求中提及特征不排除特征组合后不是可能及有益的。

Claims (15)

1.一种用于发射电磁辐射的微装置(100)，所述微装置包括：

第一电磁辐射发射单元(102,104,106)，所述第一电磁辐射发射单元被设置为用于发射电磁辐射，

机构(108,110,112,114)，所述机构用于实现对所述微装置(100)的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少两根轴线的旋转运动；

其中用于实现对所述微装置进行非接触式空间控制的所述机构被设置由电磁辐射施加的力在空间上控制，并且其中所述第一电磁辐射发射单元和用于实现对所述微装置进行空间控制的所述机构在结构上连结，其中所述第一电磁辐射发射单元包括：

电磁辐射输入耦合元件(102)，所述电磁辐射输入耦合元件被设置为用于接收入射的电磁辐射，比如多个电磁辐射输入耦合元件，

电磁辐射输出耦合元件(104)，所述电磁辐射输出耦合元件在结构上与所述电磁辐射输入耦合元件连结，且所述电磁辐射输出耦合元件被设置为用于响应所述入射电磁辐射地发射电磁辐射，比如多个电磁辐射输出耦合元件；

其中所述电磁辐射输入耦合元件(102)被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，所述电磁辐射输出耦合元件(104)被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中所述第一方向和所述第二方向不平行；或者

其中所述电磁辐射输入耦合元件(102)被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，所述电磁辐射输出耦合元件(104)被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中所述电磁辐射输出耦合元件(104)沿着与所述第一方向正交的方向相对于所述电磁辐射输入耦合元件(102)在空间上移位，且其中所述第一方向和所述第二方向平行。

2.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述电磁辐射输入耦合元件(102)被设置为用于接收具有第一方向的入射电磁辐射，所述电磁辐射输出耦合元件(104)被设置为用于发射具有第二方向的电磁辐射，其中所述第一方向和所述第二方向平行，其中所述电磁辐射输出耦合元件(104)沿着与所述第一方向正交的方向相对于所述电磁辐射输入耦合元件(102)在空间上移位。

3.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，包括：

机构(108,110,112,114)，所述机构用于实现对所述微装置的以下运动形式进行同时的非接触式空间控制，这些运动形式包括：

在三维空间中的平移运动，及

绕至少三根轴线的旋转运动。

4.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中对所述微装置进行空间控制的所述机构(108,110,112,114)包括至少一个电磁辐射可控手柄。

5.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述微装置进一步包括发射器(1950)，所述发射器被设置为用于发射电磁辐射。

6.根据权利要求5所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述发射器被设置为能在诸如380-750纳米内的电磁光谱可视范围内发射电磁辐射。

7.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，所述微装置进一步包括：

输出元件(104)，所述输出元件用于使从所述第一电磁辐射发射单元发射出来的所述电磁辐射成形。

8.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述微装置的最大尺寸小于1毫米。

9.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述第一电磁辐射发射单元和用于实现对所述微装置进行空间控制的所述机构(108,110,112,114)在空间上彼此隔开。

10.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述微装置包括电磁辐射引导元件(106)。

11.根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，其中所述电磁辐射输出耦合(104)元件被设置为用于在低于衍射极限的情况下在空间上限定传播模式。

12.一种用于将电磁辐射发射至相关物体上的***，所述***包括：

根据权利要求1所述的用于发射电磁辐射的微装置(100)，

根据权利要求1所述的第二电磁辐射发射单元，所述第二电磁辐射发射单元适合于产生用于对所述微装置进行空间控制的电磁辐射。

13.一种用于发射电磁辐射的方法，所述方法包含：

对如权利要求1所述的微装置(100)进行空间控制，所述空间控制通过在包括有如权利要求1所述的微装置的体积内应用电磁辐射而实现，

发射来自如权利要求1所述的微装置的电磁辐射。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过应用电磁辐射对如权利要求1所述的微装置(100)进行空间控制和发射来自如权利要求1所述的微装置的电磁辐射同时发生。

15.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括：

如权利要求1所述的微装置(100)接收电磁辐射，及

如权利要求1所述的微装置响应于所述接收电磁辐射地发射电磁辐射。

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