CN220872340U - 一种光学检测装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种光学检测装置，属于光学检测的技术领域。其沿入射光路依次包括光源、光源匀化***和检测平台。光源用于向光源匀化***发射高斯光束；光源匀化***用于将高斯光束转变为匀化光束，并投射在检测平台，形成匀化光斑。光源匀化***包括整形超表面，整形超表面被配置成将高斯光束调制为匀化光束。本申请基于整形超表面和准直超表面的组合实现任意距离的光束匀化，能够减小***的体积并高效利用激发光。

Description

一种光学检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学检测的技术领域，具体而言，涉及一种应用于多样品的光学检测装置。

背景技术

现有的光源匀化器件大部分采用复眼方案通过微透镜阵列将入射光分束，并聚焦到同一区域以实现光束在特定区域的匀化；或者通过球面镜和非球面镜之间的组合以实现光强的重新分布。光学检测装置中，光源匀化***中各光学器件距离较远，使得匀化光束更难调节，同时***往往占据过大的空间体积。存在缩小光学检测装置体积、增加调控精度和激发光利用率的需求。

实用新型内容

为解决上述问题，本申请提供了一种光学检测装置，光学检测装置沿入射光路依次包括光源、光源匀化***和检测平台；

光源用于向光源匀化***发射高斯光束；

光源匀化***用于将高斯光束转变为匀化光束，并投射在检测平台，形成匀化光斑；

其中，光源匀化***包括整形超表面，整形超表面被配置成将高斯光束调制为匀化光束。

可选地，光源匀化***还包括准直超表面，准直超表面设置在整形超表面和检测平台之间；

准直超表面被配置成将匀化光束调制为准直光束。

可选地，光源匀化***还包括附加透镜，附加透镜被配置成改变准直光束的直径，附加透镜设置在准直超表面与检测平台之间；

附加透镜到检测平台的距离大于或等于附加透镜的焦距。

可选地，附加透镜为变焦超透镜。

可选地，附加透镜为折射透镜或定焦超透镜。

可选地，附加透镜与准直超表面间的距离、附加透镜与检测平台间的距离和附加透镜的焦距中的至少一者可调。

可选地，光源可以为固体激光器、气体激光器或光纤激光器。

可选地，光学检测装置还包括光电探测器，光电探测器用于接收置于检测平台的检测样本在匀化光束的照射下产生的荧光信号。

可选地，光学检测装置可以通过光源匀化***调节匀化光斑的尺寸，使得匀化光斑的尺寸变化与检测样本数量变化相对应。

根据本申请实施例提供的技术方案，至少取得了以下有益效果：

本申请提供的光学检测装置中采用了超表面设计光束匀化***，可实现光学检测装置的小型化，同时，超表面基于纳米尺度制备，可实现高精度的调控。进一步地，本申请所提供的技术方案中包括附加透镜，可根据检测样品的数量情况调整照射面积，实现对激发光的高效利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所提供的一种光学检测装置结构示意图；

图2为本公开实施例所提供的光学检测装置的另一种结构示意图；

图3为图2所示出的光学检测装置中整形超表面的工作原理示意图；

图4为图2所示出的光学检测装置中光源匀化***的工作原理示意图；

图5为本公开实施例所提供的一种光学检测装置的另一种结构示意图；

图6为本公开实施例所提供的一种光学检测装置的工作状态图；

图7为本公开实施例所提供的一种光学检测装置的部分光学元件的组合示意图；

图8为本公开实施例所提供的一种光学检测装置中整形超表面的相位分布示意图；

图9为本公开实施例所提供的一种光学检测装置中准直超表面的相位分布示意图；

图10为本公开实施例所提供的一种光学检测装置中光束在准直超表面的光强分布示意图；

图11为本公开实施例所提供的一种光学检测装置中光束通过准直超表面后的发散角示意图；

图12为本公开实施例所提供的一种光学检测装置中光束通过扩束透镜后的光强分布示意图。

附图标记列表：

10-整形超表面、20-准直超表面、30-附加透镜、40-检测平台、51-高斯光束、53-匀化光束、55-准直光束、80-检测样本、90-光源。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

在例如进行荧光标记等检测方法时，为了对大量复制的样品进行光学检测，需要使用强度均匀的激发光。假如采用光强不均匀的高斯光束，容易导致弱光强处激发信号较弱造成误判，因此，需要光束匀化***对激光器输出的高斯光束进行匀化。

传统的光源匀化器件大部分采用复眼方案，通过微透镜阵列将入射光分束，并聚焦到同一区域以实现光束在特定区域的匀化。由于微透镜的尺寸和焦距一般较大，导致匀光器件中各光学器件距离较远，使得***往往占据过大的空间体积。

传统的光源匀化器件还可以通过球面镜和非球面镜之间的组合以实现光强的重新分布。由于实际加工中非球面镜的制作难度较大，要求更高的加工精度，提高了加工成本。同时，受限于加工曲率透镜之间的组合同样需要较长的空间距离，造成光学***的整体尺寸过大。

有鉴于此，本申请提出一种光学检测装置。该光学检测装置可以实现高性能的光束匀化和准直，并且调控精度以纳米尺度对应。同时采用了超透镜，大大减小了***体积。

本实用新型实施例提供了一种光学检测装置，光学检测装置沿入射光路依次包括光源90、光源匀化***和检测平台40，其中光源90用于发射高斯光束51，光源匀化***用于将高斯光束转变为匀化光束53，并向检测平台40投射匀化光斑。

可选地，光源90可以为固体激光器、气体激光器或光纤激光器。

在一个实施例中，参见图1所示，光源匀化***包括整形超表面10，整形超表面10将高斯光束51调制为匀化光束53。

匀化光束53可以在检测平台40上形成匀化光斑，检测平台40位于整形超表面10的焦平面处。

在本申请实施例及各可选实施例中，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制，其中需要说明的是，纳米结构可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构为通过对超透镜进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。在超透镜中纳米结构周期性排布在基底上，其中每个周期中的纳米结构组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形、正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。

通过设计整形超表面10的纳米结构的相位分布，使得整形超表面10对入射的高斯光束51的光强分布进行重新分配，将高斯光束51进行匀化，调制为匀化光束53。具体地，匀化光束53的光强均匀分布在平顶区域。

在一个实施例中，参见图2，由于匀化光束53存在发散角，在光源匀化***中还包括准直超表面20。

通过设计准直超表面20的纳米结构,使其相位分布与匀化光束53的发散角分布相关，以此将匀化光束53调制为准直光束55。

准直光束55可以在检测平台40上形成匀化光斑，准直超表面20和检测平台40之间的垂直距离d为任意值。

在本申请实施例及各可选实施例中，如图2所示，由于入射整形超表面10的高斯光束51和从准直超表面20出射的准直光束55均为准直光，因此为了使匀化光束53从整形超表面10出射的偏折角度与入射准直超表面20时需准直的角度θ保持一致，整形超表面10和准直超表面20的相位分布需要与角度θ严格相关，并配套设置。

在高斯光束51入射整形超表面10的过程中，高斯光束51的能量通过整形超表面10的纳米结构进行重新分布，在这一过程中，整形超表面10纳米结构的相位分布将与高斯光束51的波长、束腰半径、匀化光束53的半径以及整形超表面10与准直超表面20之间的整形距离z相关。

如图3所示，高斯光束51的各个能量等分的区域中的能量被各自分配到整形超表面10上的不同区域。以垂直于高斯光束51的光轴的任一方向为x方向，能量的重新分配的过程可以式(1)表示：

其中，u₁和u₂分别为匀化光束53中的光线在整形超表面10上的出射点和准直超表面20上入射的点的x方向坐标，I₁和I₂分别为高斯光束51和匀化光束53的光强分布。

高斯光束51的光强分布为整形后，匀化光束53的光强分布为/>

其中a₁为高斯光束的束腰半径，a₂为匀化光束53的半宽，根据式(1)可得：

其中，erf为误差函数，且erfInv为误差函数的反函数，该函数难以表示为显式表达式，一般采用近似解或数值解。

如图4所示，匀化光束53从整形超表面10出射的偏折角度与入射准直超表面20时需准直的角度θ保持一致，根据广义斯涅尔定律，可以得出：

其中，λ是高斯光束51的波长，θ是光线的偏转角度。

进一步地，在选取合适的整形距离z的情况下，偏转角θ较小，此时sinθ与tanθ可近似相同，并且根据图4中的几何关系，可以得到：

对式(4)和(5)进行积分，即可获得在x方向上整形超表面10和准直超表面20的相位分布：

其中，当计算整形超表面10上的相位分布时，积分变量x＝u₁，当计算准直超表面20上的相位分布时，积分变量x＝u₂。将式(2)和(3)代入上式，可得：

将式(9)和(10)扩展到二维平面，以与x方向和高斯光束51的光轴分别正交的任一方向为y方向。在x方向和y方向正交的前提下，x方向上和y方向上的相位分布可以叠加，得到：

参见图5，在一个实施例中，光源匀化***还包括附加透镜30，附加透镜30可以改变准直光束55的直径，起到缩束和/或扩束的作用。在一种实施例中，附加透镜30是扩束透镜，在另一种实施例中，附加透镜30是缩束透镜，在又一种实施例中，附加透镜30是即可扩束也可缩束的透镜。

附加透镜30设置在准直超表面20与检测平台40之间，附加透镜30到检测平台的距离大于或等于附加透镜30的焦距。

在一个实施例中，附加透镜30为变焦超透镜。

在一个实施例中，附加透镜30为定焦透镜。例如可以为折射透镜或定焦超透镜。

在本申请实施例及各可选实施例中，附加透镜30可以用于调控所形成的匀化光斑的尺寸。当附加透镜30为定焦透镜时，如图5所示，可以通过调节附加透镜30与准直超表面20间的距离l₁和附加透镜30与检测平台40间的距离l₂中的至少一者改变匀化光斑的尺寸。当附加透镜30为变焦透镜时，可以通过调节附加透镜30与准直超表面20间的距离l₁、附加透镜30与检测平台40间的距离l₂和附加透镜30的焦距f中的至少一者改变匀化光斑的尺寸。

对于附加透镜30的成像过程来说，l₁相当于附加透镜30的物距，l₂相当于附加透镜30的像距，根据需要检测的样品的数量，通过改变透镜的物像关系对匀化光斑的尺寸进行调整，使得对检测样品的照射面积可以最大化利用激发光能量。

后文中以附加透镜30为缩束透镜为例。参见图5，在本申请实施例及各可选实施例中，从准直超表面20出射的匀化光束53相当于距缩束透镜距离为l₁处的发光物体，经焦距为f的缩束透镜后在距缩束透镜距离为l₂处的位置形成清晰的像，物像关系如下：

l₂＝f(1+M)…(16)

其中，M为匀化光束53经过缩束透镜后的缩束比。此时，当缩束透镜为定焦透镜时，可以调节l₁和l₂改变匀化光斑的尺寸，当缩束透镜为变焦透镜时，可以调节l₁、l₂和f改变匀化光斑的尺寸。并且，检测平台上匀化光斑的半宽R为M×a₂。

在本申请实施例及各可选实施例中，光学检测装置可以包括光电探测器，置于检测平台上的检测样本80在匀化光束的照射下产生荧光信号，并被光电探测器接收。

在一个实施例中，光源发出的高斯光束被调制为匀化光束，如图6中的(1)所示，匀化光束对检测平台40上的检测样本80直接进行激发。

在一个实施例中，如图6中的(2)所示，光源发出的高斯光束被调制为匀化的准直光束，匀化的准直光束对检测样本80进行激发。

在一个实施例中，附加透镜可调整匀化光斑的大小，根据实际检测的检测样本80数量情况调整照射面积。光学检测装置可以通过光源匀化***调节匀化光斑的尺寸，匀化光斑的尺寸可根据检测样本80的数量情况调整，使得照射面积与检测样本80的数量相匹配，可以高效利用激发光能量。

下面以更具体的应用场景对本申请所涉及的光学检测装置进行详细说明。

实施例

如图7所示，使用光源匀化***对波长为488nm，束腰半径a₁＝5mm的高斯光束进行调制。使用尺寸为16mm×16mm的整形超表面和准直超表面构造光源匀化***，使整形距离z＝40mm，整形超表面和准直超表面的相位分布分别如图8和图9所示。需要说明的是，于相位图而言，超透镜纳米柱的相位为0～2π，为了便于观察，将相位曲面进行解绕卷(unwrap)。另外，由于匀化光斑半宽为4mm，因此准直相位在|x|>4mm和|y|>4mm的区域并没有意义，在本实施例中采用了平滑归零处理。

高斯光束在通过整形超表面后形成匀化光束，匀化光束射入准直超表面。匀化光束在准直超表面靠近整形超表面一侧的二维光强分布如图10中的(1)所示，从图10中的(1)可以看出，在x值为-4mm～4mm且y值为-4mm～4mm的区域内光强分布均匀，y＝0截线上的光强分布曲线则如图10中的(2)所示，从图10中的(2)可以看出，在x值为-4mm～4mm的范围内，曲线平坦分布。

匀化光束通过准直超表面后，经准直超透镜，形成准直光束，准直光束在y＝0截线上的发散角如图11所示，其中，所有发散角均小于0.5°。

在扩束过程中，准直光束通过焦距f＝150mm的扩束透镜进行三倍扩束，此时准直光斑的光斑半宽为12mm，分别根据式(15)和式(16)可以计算得出：扩束透镜的物距l₁＝200mm，像距l₂＝600mm。通过扩束透镜后，准直光束在检测平台上的二维光强分布如图12中的(1)所示，从图12中的(1)可以看出，在x值为-12mm～12mm且y值为-12mm～12mm的区域内光强分布均匀，y＝0截线上的光强分布曲线如图12中的(2)所示，从图12中的(2)可以看出，在x值为-12mm～12mm的范围内，曲线偏差较小。

上述实施例及优选实施例中，光学检测装置中采用了超透镜这一亚波长尺寸光学器件，大大减小了***体积。同时，超透镜的结构使得光源匀化***可以实现高性能的光束匀化和准直，并且调控精度以纳米尺度对应，提高了激发光能量的利用率。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光学检测装置，其特征在于，

所述光学检测装置沿入射光路依次包括光源(90)、光源匀化***和检测平台(40)；

所述光源(90)用于向所述光源匀化***发射高斯光束(51)；

所述光源匀化***用于将所述高斯光束转变为匀化光束(53)，并投射在所述检测平台(40)，形成匀化光斑；

其中，所述光源匀化***包括整形超表面(10)，所述整形超表面(10)被配置成将所述高斯光束(51)调制为所述匀化光束(53)。

2.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，

所述光源匀化***还包括准直超表面(20)，所述准直超表面(20)设置在所述整形超表面(10)和所述检测平台(40)之间；

所述准直超表面(20)被配置成将所述匀化光束(53)调制为准直光束(55)。

3.根据权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，

所述光源匀化***还包括附加透镜(30)，所述附加透镜(30)被配置成改变所述准直光束(55)的直径；所述附加透镜(30)设置在所述准直超表面(20)与所述检测平台(40)之间；

所述附加透镜(30)到所述检测平台(40)的距离大于或等于所述附加透镜(30)的焦距。

4.根据权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于，所述附加透镜(30)为变焦超透镜。

5.根据权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于，所述附加透镜(30)为折射透镜或定焦超透镜。

6.根据权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于，

所述附加透镜(30)与所述准直超表面(20)间的距离、所述附加透镜(30)与所述检测平台(40)间的距离和所述附加透镜(30)的焦距中的至少一者可调。

7.根据权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于，所述匀化光斑的半宽R满足：

其中，a₂为所述匀化光束(53)的半宽；

l₁为所述附加透镜(30)与所述准直超表面(20)间的距离；

l₂所述附加透镜(30)与所述检测平台(40)间的距离。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的光学检测装置，其特征在于，所述光源(90)可以为固体激光器、气体激光器或光纤激光器。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置还包括光电探测器；

所述光电探测器用于接收置于所述检测平台(40)的检测样本(80)产生的荧光信号。

10.根据权利要求9所述的光学检测装置，其特征在于，

所述光学检测装置可以通过所述光源匀化***调节所述匀化光斑的尺寸，使得所述匀化光斑的尺寸变化与所述检测样本(80)数量变化相对应。