CN109100871B - 光调制装置以及光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光调制装置以及光谱检测系统，属于光学技术领域，其可至少部分解决现有的光调制装置尺寸大的问题。本发明的一种光调制装置，包括色散单元以及透镜组件，色散单元，用于将光源发出的光分散为特定光，特定光中至少包括准直单色光和非准直单色光；透镜组件包括：至少一个第一透镜；至少一个第二透镜，第二透镜与第一透镜一一对应；位于第一透镜和第二透镜之间的吸收层，吸收层具有开口，第一透镜朝向吸收层的焦点与第二透镜朝向吸收层的焦点重合，开口位于第一透镜与第二透镜的重合的焦点处；当特定光线透射至第一透镜后，准直单色光经由开口照射至第二透镜而射出。

Description

光调制装置以及光谱检测系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光调制装置以及光谱检测系统。

背景技术

现有技术的光调制装置通常包括入射狭缝、准直单元、色散单元以及聚焦单元等。由于该光调制装置的结构比较多并且是独立分布的，其体积通常过大，从而导致该光调制装置的使用环境受到限制，不能在狭小空间内使用，而只能在实验室、或者其他空旷的环境中应用，进而限定的该光调制装置的适用范围。

此外，现有的光调制装置通常是基于硅片或者其他有机物来制作准直单元、色散单元等，而硅片等有机物的成本比较高,从而提高光调制装置的制作成本。

发明内容

本发明至少部分解决现有的光调制装置尺寸大的问题，提供一种尺寸小的光调制装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种光调制装置，包括色散单元以及透镜组件，

所述色散单元，用于将光源发出的光分散为特定光，所述特定光中至少包括准直单色光和非准直单色光；

所述透镜组件包括：

至少一个第一透镜；

至少一个第二透镜，所述第二透镜与所述第一透镜一一对应；

位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的吸收层，所述吸收层具有开口，所述第一透镜朝向所述吸收层的焦点与所述第二透镜朝向所述吸收层的焦点重合，所述开口位于所述第一透镜与所述第二透镜的重合的焦点处；

当特定光线透射至第一透镜后，所述准直单色光经由所述开口照射至所述第二透镜而射出。

进一步优选的是，所述第一透镜和所述第二透镜分别为多个；所述吸收层具有多个开口，每个所述开口射出的光为一种单色光。

进一步优选的是，所述第一透镜和所述第二透镜分别为一个；所述吸收层具有一个开口。

进一步优选的是，所述透镜组件还包括：第一基底，所述第一基底包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一透镜设在所述第一表面，所述第二透镜设在所述第二表面。

进一步优选的是，所述第一基底由透明玻璃制成；所述第一透镜和所述第二透镜分别为傅里叶透镜。

进一步优选的是，所述色散单元包括：光源；光栅结构，用于将所述光源发出的光分散所述特定光。

进一步优选的是，所述色散单元还包括：第二基底，所述第二基底包括相对设置的第三表面和第四表面，所述光源设在所述第一表面，所述光栅结构设在所述第二表面。

进一步优选的是，所述第一透镜和所述第二透镜分别为多个；所述吸收层具有多个开口，每个所述开口射出的光为一种单色光，所述开口与所述光栅结构的狭缝对应。

进一步优选的是，所述第二基底由透明玻璃制成。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是光谱检测系统，包括：

上述光调制装置；

微流单元，设于所述透镜组件的所述第二透镜的一侧，用于驱动微流体移动；

探测单元，设于所述微流单元远离所述透镜组件的一侧，其中，从所述透镜组件出射的光能够在经过所述微流单元后入射至所述探测单元。

附图说明

图1a为本发明的实施例的一种光谱检测系统的结构示意图；

图1b为本发明的实施例的一种光谱检测系统的结构局部放大图；

图2为本发明的实施例的另一种光谱检测系统的组成示意框图；

图3本发明的实施例的一种光谱检测系统的立体图；

图4为本发明的实施例的一种光谱检测系统的光栅结构的示意图；

其中，附图标记为：10透镜组件；11第一基底；12a、12b第一透镜；13a、13b第二透镜；14a、14b吸收层；20色散单元；21第二基底；22光栅结构；23光源；30检测装置；31微流单元；32探测单元；R红光；G绿光；B蓝光。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1a、图1b、图2和图3所示，本实施例提供一种光调制装置，包括色散单元20以及透镜组件10。

色散单元20设于透镜组件10靠近第一透镜12a的一侧，用于将光源23发出的光分散为特定光，并射向透镜组件10，特定光中至少包括准直单色光和非准直单色光。

具体的，色散单元20包括：第二基底21、光源23以及光栅结构22。第二基底21具有相对的第三表面和第四表面。光源23设于第二玻璃基底的第三表面。光栅结构22设于第二玻璃基底的第四表面上，光栅结构22用于将光源23发出的非干扰光分成不同的单色光以形成特定光，并将特定光射向第一透镜12a。

具体的，第二基底21由透明玻璃制成，例如普通玻璃或者是有机玻璃，由于玻璃为现有的廉价普遍的材料，因此该光调制装置的制作成本低。

优选的，光栅结构22为压印在第四表面的凸条状。

本实施例中光栅结构22为长度尺寸很小，那么相应光源23能够入射到每个光栅结构22界面的入射光线相当于小角度的准直光线(即包括准直单色光和非准直单色光的特定光)。而为保证高的准直度，要求光源23尺寸尽量小，第二基底21厚度尺寸大。

光栅结构22的栅条旋转方向与光源23发出光线的旋度相同，也就是说主光线在第四平面的投影与光栅结构22的狭缝互相垂直，如图4所示。

其中，透镜组件10用于射出单色准直光，其包括：第一基底11，第一透镜12a、12b，第二透镜13a、13b以及吸收层14a、14b。

其中，第一基底11包括相对设置的第一表面和第二表面。

其中，第一透镜12a、12b位于第一基底11的第一表面上，第二透镜13a、13b位于第一基底11的第二表面上的，即第一透镜12a、12b和第二透镜13a、13b是相对设置的。

其中，吸收层14a、14b位于第一透镜12a、12b和第二透镜13a、13b之间，并且吸收层14a、14b具有开口，第一透镜12a、12b朝向吸收层14a、14b的焦点与第二透镜13a、13b朝向吸收层14a、14b的焦点重合，开口位于第一透镜12a、12b与第二透镜13a、13b的重合的焦点处。

当特定光线可以依次经过第一透镜12a、12b、吸收层14a、14b以及第二透镜13a、13b。当透射至第一透镜12a、12b后，至少部分特定光线经由开口照射至第二透镜13a、13b而射出单色准直光，也就是说当透射至第一透镜12a、12b后，吸收层14a、14b将第一透镜12a、12b射出的光的一部分吸收，而剩余的光经过吸收层14a、14b的开后射至第二透镜13a、13b，最终从第二透镜13a、13b射出单色准直光。

本实施例的透镜组件10，通过吸收层14a、14b可以对射向其的光线进行筛选，使得该透镜组件10最终射出单色准直光。

具体的，第一基底11由两部分构成，分别为第一子基底和第二子基底；其中，第一子基底背离第二子基底的表面用作第一基底11的第一表面；第二子基底背离第一子基底的表面用作第一基底11的第二表面；也就是说，第一透镜12a、12b设置在第一子基底背离第二子基底的表面上；第二透镜13a、13b设置在第二子基底背离第一子基底的表面；吸收层14a、14b设置在第一子基底和第二子基底之间。这样一来，吸收层14a、14b在形成时可以是直接形成在第一子基底靠近第二子基底的表面上，或者形成在第二子基底靠近第一子基底的表面上，从而使得该透镜组件10的制备简单，而且可以更好的保证第一透镜12a、12b和第二透镜13a、13b之间的相对位置更加稳定，从而保证透镜组件10的性能。

优选的，第一基底11由透明玻璃制成，也就是说上述的第一子基底和第二子基底均采用透明玻璃制成。透明玻璃具体可以是普通玻璃或者是有机玻璃，由于玻璃为现有的廉价普遍的材料，因此该透镜组件10的制作成本低。

其中，若第一透镜12a、12b和第二透镜13a、13b的材质也均为玻璃材质时，优选的，第一透镜12a、12b和第一子基底为一体结构，第二透镜13a、13b和第二子基底为一体结构。该种结构简单，且该透镜组件10的性能更好。

当第一透镜12a和第二透镜12b分别为多个、所述开口为多个时，多个开口与光栅结构22的狭缝分别对应；当第一透镜12b和第二透镜13b分别为一个、开口为一个时，开口与光源23对应。

具体的，作为本实施例中的第一种情况，如图1所示，在本实施的透镜组件10中的第一透镜12a可以为多个，此时多个第一透镜12a构成由中间项四周发散的排列；相应的，第二透镜13a可以为多个，此时多个第二透镜13a构成由中间项四周发散的排列；与此同时，透镜组件10中的吸收层14a中的开口为多个。而且，第一透镜12a、第二透镜13a以及吸收层14a中的开口是一一对应设置的。

以下描述以光源发射的光为白光；第一透镜12a和第二透镜13a均选用傅里叶透镜为例进行说明。当然，光源发出的光线也不局限于白光，第一透镜12a和第二透镜13a也不仅限于傅里叶透镜。

如图1b所示，光源射出的白光发射至光栅结构，光栅结构将白光分散为红、绿、蓝的单色光。并且光栅结构的每一个狭缝中射出的光包括一种准直的单色光，即如图1b中所示，该光栅结构狭缝射出的准直的单色光为绿光G，而绿光G两侧的光分别非准直的红光R和蓝光B。而光栅结构的其他狭缝可以是以红光R为准直的光，而红光R两侧的光分别非准直的绿光G和蓝光B；或者以蓝光B为准直的光，而蓝光B两侧的光分别非准直的绿光G和红光R。以下以如图1b中的狭缝为例说明。

第一透镜12a和第二透镜13a分别为第一傅里叶透镜以及第二傅里叶透镜时，特定光穿过第一透镜12a可以实现光的空域到频域，而光从第二透镜13a射出可以实现光的频域到空域。

具体的，两个傅里叶透镜以及吸收层14a构成一个频域滤波系统，用于滤除非准直杂散光，实现滤波高精度分色功能。首先，光经过第一傅里叶透镜的变频，可以将准直的绿光G光聚焦在第一傅里叶透镜的焦点位置处，非准直红光R和蓝光B将会偏离焦点一定距离。其次，中间的吸收层14a位于第一傅里叶透镜的焦平面位置，并且在透镜的焦点位置开有透光开口，准直的绿光G经过第一傅里叶透镜变频之后会通过吸收层14a开口，非准直红光R和蓝光B经过第一傅立叶变频之后会聚焦在焦点之外的位置，直接被中间吸收层14a吸收掉。最后，通过开口的被变频之后的聚焦光束(原准直绿光G)再经过第二傅里叶透镜之后会将频域信息还原为空域，即变为准直绿光G。

此外，从光栅结构的不同狭缝射出的准直的不同的单色光，经第二傅里叶透镜射出的位置不会发生变化，最终得到的不同的单色光间隔排布的准直光，而不再夹杂着杂散光，最终得到高精度准直单色光束。

具体的，如图2所示，作为本实施例中的第二种情况，第一透镜12b和第二透镜13b分别为一个；吸收层14b具有一个开口。具体的，第一透镜12b将光栅结构的各个狭缝射出的准直的单色光聚焦在第一透镜12b的焦点处，并从吸收层14b与焦点对应的一个开口射出，最终从第二透镜13b准直射出。而穿过第一透镜12b的非准直的杂光射向吸收层14b的非开口处，由吸收层14b吸收。同时从光栅结构的不同狭缝射出的准直的不同的单色光，经第二傅里叶透镜射出时的位置与射入第一傅里叶透镜射的位置以吸收层14b的开口为对称点对称，最终得到的不同的单色光间隔排布的准直光，而不再夹杂着杂散光，最终得到高精度准直单色光束。

此外，本实施例中的光栅结构22符合以下光栅方程式：

其中，n₁为光栅结构22的入射光所在第二基底21的折射率，n₂为光栅结构22的衍射光所在第二基底21的折射率，λ需要准直化光线的波长，θ₁入射光入射到光栅界面的入射角度，θ2衍射光角度(在实施例中θ₂等于零)，m为衍射级别，P光栅的周期。

依据以上光栅方程式，可确定各个光栅结构22的周期参数，对于各个面内光栅结构22的占空比(一般为0.5)。光栅结构22的不同狭缝可以将一种颜色或者波长的光线高效率的准直化。

具体的，如图1b所示(其中不同线的形状表示不同颜色的单色光)，吸收层开口可以是矩形或者是圆形。当吸收层开口是矩形时，吸收层14a开口的边长的公式如下所示：

S＝d_min+d_max，

d_min＝|f₁*tan(β_min)|，d_max＝|f₁*tan(β_max)|；

其中，d_min为左侧光束距离焦点的距离，d_max为右侧光束距离焦点的距离，f₁为第一傅里叶透镜的焦距，β_min为特定光在光栅结构22狭缝左侧最大出射角度，β_max为特定光在光栅结构22狭缝右侧最大出射角度。

实施例2：

如图1a、图1b、图2和图3所示，本实施例提供一种光谱检测系统，包括上述实施例1的光调制装置以及检测检测装置30。该光谱检测系统可以运用于细菌分离，光谱检测，食品检测，基因标定等方面。

其中，检测装置30用于检测光调制装置发出的单色准直光。

具体的，检测装置30包括微流单元31以及探测单元32。微流单元31，设于透镜组件的第二透镜13a、13b的一侧，由于驱动微流体移动；探测单元32，设于微流单元31远离透镜组件的一侧，其中，从透镜组件发出的光能够经过微流单元32后发射至探测单元32。

微流体可以位于微流单元31的传输的通道中，该通道的宽度和高度可以是纳米级通道，或者是实际情况所需要的尺寸。

进一步的，探测单元32设于第三基板上，第三基板可以是由玻璃制成，例如普通玻璃或者是有机玻璃，由于玻璃为现有的廉价普遍的材料，因此该光谱检测系统的制作成本低。

探测器单元可以为光敏探测器，用于检测微流体的光谱响应特性。探测器类型可以是CCD、CMOS、PIN等。

本实施的检测装置30分为三大部分，即透镜组件10、色散单元20以及检测装置30。其中透镜组件10设于第一基底11上，而色散单元20设于第二基底21上，与现有技术的光谱检测系统相比体积小，不仅可以使得该光谱检测系统操作更加灵活，而且使得该光谱检测系统的适用范围变广泛。

此外，透镜组件10、色散单元20以及检测装置30分别用到玻璃基板，使得该光谱检测系统的制作成本降低。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光调制装置，其特征在于，包括色散单元以及透镜组件，

所述色散单元，用于将光源发出的光分散为特定光，所述特定光中至少包括准直单色光和非准直单色光；

所述透镜组件包括：

至少一个第一透镜；

至少一个第二透镜，所述第二透镜与所述第一透镜一一对应；

位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的吸收层，所述吸收层具有开口，所述第一透镜朝向所述吸收层的焦点与所述第二透镜朝向所述吸收层的焦点重合，所述开口位于所述第一透镜与所述第二透镜的重合的焦点处；

当特定光线透射至第一透镜后，所述准直单色光经由所述开口照射至所述第二透镜而射出；

所述第一透镜和所述第二透镜分别为多个；

所述吸收层具有多个开口，每个所述开口射出的光为一种单色光。

2.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，所述透镜组件还包括：

第一基底，所述第一基底包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一透镜设在所述第一表面，所述第二透镜设在所述第二表面。

3.根据权利要求2所述的光调制装置，其特征在于，所述第一基底由透明玻璃制成；

所述第一透镜和所述第二透镜分别为傅里叶透镜。

4.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，所述色散单元包括：

光源；

光栅结构，用于将所述光源发出的光分散所述特定光。

5.根据权利要求4所述的光调制装置，其特征在于，所述色散单元还包括：

第二基底，所述第二基底包括相对设置的第三表面和第四表面，所述光源设在所述第三表面，所述光栅结构设在所述第四表面。

6.根据权利要求4所述的光调制装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜分别为多个；

所述吸收层具有多个开口，每个所述开口射出的光为一种单色光，所述开口与所述光栅结构的狭缝对应。

7.根据权利要求5所述的光调制装置，其特征在于，所述第二基底由透明玻璃制成。

8.一种光谱检测系统，其特征在于，包括：

权利要求1-7中的任意一项的所述光调制装置；

微流单元，设于所述透镜组件的所述第二透镜的一侧，用于驱动微流体移动；

探测单元，设于所述微流单元远离所述透镜组件的一侧，其中，从所述透镜组件出射的光能够在经过所述微流单元后入射至所述探测单元。

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