CN109620253A - 分光计组件及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及分光计组件及方法。本发明公开了一种具有光透射滤光器的分光计组件，该光透射滤光器包括交替堆叠的连续的非图案化的金属层和电介质层。例如与具有多层电介质的滤光器相比，具有连续金属层的光透射滤光器的角度相关透射波长偏移小，从而有利于减小分光计组件的尺寸。

Description

分光计组件及方法
本申请是申请日为2013年12月19日，申请号为201310711965.7，发明名称为“分光计组件及方法”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及分光计(spectroscopic instrumentation)及其应用方法，更特别地，涉及一种采用滤光器的分光计及其应用方法。
背景技术
透射型滤光器被用在分光应用中以选择样品发射的光的波长或波带，和/或选择照射样品的光的波长或波带。例如，在荧光分光应用中，一束激励光照射样品，探测较长波长的光，以获得其光谱和/或确定该样品响应该激励光的激励而发射的总的荧光值(fluorescence level)。
单带通透射型滤光器能够被用来测量总的荧光值。荧光值的测量可被用来确定荧光分子的浓度，PH值等等。通过提供被设计来在键合到目标分子时改变其荧光性质的荧光分子，荧光测量也可以被用来估算样品中非荧光目标分子的浓度。使用激励光照射包含荧光分子和目标分子的样品，并且测量荧光的光功率值。
图1中示出了适于上述目的的典型荧光分光光度计。荧光分光光度计10包括光源11，准直/聚焦透镜12A、12B、和12C，激励滤光器13，荧光滤光器14，分束器15，和光电探测器16。操作中，光源11发射实线所示的激励光17。激励光17被最左侧透镜12A准直，被激励滤光器13滤光，透射穿过分束器15，并且被最右侧透镜12B聚焦到样品18上。被照射的样品18发射虚线所示的荧光19。荧光19被最右侧透镜12B准直，从分束器15被反射，并被底部透镜12C聚焦到光电探测器16上。激励滤光器13和荧光滤光器14是多层电介质滤光器，由于其具有好的波长选择性和相对低的光学插入损耗，它们优于其他类型的滤光器。
虽然被广泛运用，荧光分光光度计10具有尺寸相对较大的缺点。现在，微型荧光计能够被用于可植入葡萄糖测量探针中，该探针被设置于皮下，也就是说，位于病人的皮肤之下。例如，美国加利福尼亚日耳曼敦的Senseonics公司(Senseonics Inc.)研发出了一种用于糖尿病病人的连续血糖监测系统。该监测系统包括皮下探针，该皮下探针具有作为血糖传感器的微型荧光计。
发明内容
由于荧光分光光度计的皮下放置，其需要被制造的尽可能的小。本发明的目的是提供滤光器，其能够实现适于皮下放置的紧凑型分光计组件。使用这些滤光器的微型分光计组件的其他各种应用当然也是可能的。
阻碍分光计小型化的一个因素是必须准直光束，以确保用于分光计的滤光器具有足够的波长选择性。为了准直光束，需要透镜或凹面镜。这些元件相对体积较大，并且需要至少一个焦距的自由空间传播，这将增加分光计组件的尺寸。
根据本发明，分光计组件包括滤光器，该滤光器即使在较高的汇聚或发散光束中也能够保持合适的波长选择性，从而能够减少对于准直光学元件的需要，并减小尺寸。用于这种分光计组件的滤光器包括连续的非微结构的交替电介质和金属层的堆叠，这将减少透射波长的角敏感度。
包含金属层的滤光器是已知的，并且它们通常避免被用于分光计中，因为金属层中具有相对高的插入损耗。为了减少插入损耗，金属层需要被微结构化，以包括多个次波长传导特征，所述次波长传导特征表现出与损耗相抵消的等离子共振效应。然而，微结构金属层表现出透射波长的相当大的角敏感度，并因此不用在本发明中。相反，本发明使用夹在电介质层之间的连续和非微结构化的金属层。选择连续的非微结构化的金属层在所得层堆叠中的厚度和位置，以便产生相对高的光透射，同时保持滤光器在宽范围入射角的波长选择性。
根据本发明，提供了以下内容：
1).一种分光计组件，包括：
固定器，用于固定在受激励光激励时发射信号光的样品；
第一信号滤光器，其被耦合到该固定器，用于在第一信号透射波长透射所述信号光的第一部分，同时阻挡所述激励光；以及
第一光电探测器，其被耦合到该第一信号滤光器，用于当使用透射穿过第一信号滤光器的所述信号光的第一部分照射时，提供第一电信号，
其中，第一信号滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，从而减少第一信号透射波长的角敏感度。
类似的滤光器也可以设置在分光计组件的激励光光路中，以透射激励光，同时阻挡信号光。在激励光路或探测光路中能够设置多于一个滤光器。一个或多个激励滤光器能够被耦合到光源；并且每个探测滤光器能够被耦合到其自身的光电探测器。这些滤光器可以与光电探测器和/或光源集成制造。
2).根据1)所述的分光计组件，还包括第二信号滤光器，其被耦合到所述固定器，用于在第二信号透射波长透射所述信号光的第二部分，同时阻挡所述激励光；
第二光电探测器，其被耦合到所述第二信号滤光器，用于当使用透射穿过所述第二信号滤光器的所述信号光的所述第二部分照射时，提供第二电信号，
其中，所述第二信号滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，从而减少所述第二信号透射波长的角敏感度。
3).根据1)所述的分光计组件，还包括：
被耦合到所述固定器的散射滤光器，用于在散射透射波长透射被散射的激励光，同时阻挡所述信号光；以及
被耦合到所述散射滤光器的光电探测器，用于当使用透射穿过所述散射滤光器的所述散射激励光照射时，提供电信号，
其中，所述散射滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构金属层和电介质层，从而降低所述散射透射波长的角敏感度。
4).根据1)所述的分光计组件，还包括：
激励光源，用于发射所述激励光；以及
被耦合到所述激励光源的第一激励滤光器，用于在第一激励透射波长透射所述激励光的第一部分，同时阻挡所述信号光；
其中所述固定器被耦合到所述第一激励滤光器，用于接收透射穿过所述第一激励滤光器的所述激励光的第一部分；以及
其中所述第一激励滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，从而减少所述第一激励透射波长的角敏感度。
5).根据4)所述的分光计组件，还包括第二激励滤光器，其被耦合到所述激励光源，用于在第二激励透射波长透射所述激励光的第二部分，同时阻挡所述信号光；
其中所述固定器被耦合到所述第二激励滤光器，用于接收透射穿过所述第二激励滤光器的所述激励光的第二部分；以及
其中所述第二激励滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，从而降低所述第二激励透射波长的角敏感度。
6).根据1)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器的所述金属层和所述电介质层的总厚度小于5微米。
7).根据6)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器的所述金属层和电介质层的总厚度小于1微米。
8).根据1)所述的分光计组件，其中所述堆叠的金属层没有小于2微米的特征图案。
9).根据8)所述的分光计组件，其中所述堆叠的金属层没有小于200微米的特征图案。
10).根据1)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器的金属包括银或铝。
11).根据10)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器的所述电介质包括金属氧化物。
12).根据11)所述的分光计组件，其中所述金属氧化物选自由SiO2，Ta2O5，Nb2O5，TiO2，HfO2和Al2O3组成的组。
13).根据1)所述的分光计组件，其中每个所述金属层在所述第一信号滤光器的周边具有锥形边缘，其中每个所述锥形边缘由一层或多层所述电介质层保护覆盖。
14).根据1)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器与所述第一光电探测器相集成。
15).根据4)所述的分光计组件，其中所述第一激励滤光器与所述激励光源相集成。
16).根据4)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器和所述激励滤光器被设置在所述固定器的同一侧。
17).根据16)所述的分光计组件，其中所述第一信号滤光器和所述激励滤光器被直接固定到所述固定器。
18).根据16)所述的分光计组件，还包括样品，所述样品包括标记荧光团，其中，当所述标记荧光团键合到目标分子上时，所述标记荧光团改变其荧光特性，从而指示所述样品中存在有所述目标分子。
19).根据1)所述的分光计组件，其中所述信号光选自由单光子荧光、多光子荧光和所述激励光的光谐波散射组成的组。
在一些实施例中，滤光器中的金属层和电介质层的总厚度小于5微米。优选地，每个金属层在滤光器的周边都具有锥形边缘，其中每个锥形边缘被一个或多个电介质层保护覆盖。由于它们固有的抗腐蚀性，这种滤光器在攻击性或腐蚀性环境中是特别有用的。
根据本发明，还提供一种探测荧光的方法，包括：
(a)提供上述的分光计组件；
(b)利用激励光照射样品；
(c)在至少60度的收集角度内收集信号光的第一部分；以及
(d)探测所述分光计组件的所述第一光电探测器的电信号。
在一些实施例中，优选地，收集角度是至少150度。
根据本发明的另一个方面，还提供一种透射滤光器在光学分光计中的用途，该透射滤光器包括交替堆叠的连续的非微结构金属层和电介质层，以辨别激励波长和信号波长，其中滤光器中连续的非图案化的金属层的存在降低了滤光器的透射波长的角度相关性，从而减小光学分光计的尺寸。
附图说明
现在，将结合附图描述示例性实施例，其中：
图1是现有技术的荧光分光光度计的平面图；
图2A是本发明的分光计组件的侧面截面爆炸图；
图2B是用于图2A的分光计组件中的滤光器的侧面截面图；
图3是样品的吸收和荧光光谱曲线，叠加有光源的发射光谱和图2B的滤光器的透射光谱；
图4A-4D是本发明的分光计组件的不同实施例的侧面截面图；
图5是具有两个荧光滤光器和两个光电探测器的分光计组件的侧面截面图；
图6A-6C是可用于图5的分光计组件的样品的吸收/荧光光谱曲线，叠加有光源的发射光谱和图2B的滤光器的透射光谱；
图7是可与图2A、图4A-4D、图5的分光计组件一起使用的，包括光源和两个激励滤光器的子组件的截面图；
图8A和8B是图7的光源的发射光谱曲线，叠加有样品的吸收/荧光光谱和图7的激励滤光器的透射光谱；
图9A是本发明的金属电介质滤光器的在不同入射角度的透射光谱的叠加；
图9B是典型的电介质堆滤光器的在不同入射角度的透射光谱的叠加；
图9C是图9A和9B的平均透射光谱的叠加；
图10A是根据本发明实施例的封装的金属电介质滤光器的侧面截面图；
图10B-10G是晶片的多个截面图，其示出图10A的滤光器的制造过程；以及
图11A和11B是根据本发明的探测荧光的方法的流程图。
具体实施方式
虽然结合不同实施例和例子描述了本发明的教导，然而并不打算将本发明的教导限制到这些实施例中。相反，本发明的教导包括本领域技术人员将能够认识到的各种改变和等同物。
参照图2A和图3，图2A的分光计组件20包括样品固定器21，光耦合到样品固定器21的滤光器22(或者“信号滤光器”22)，以及光耦合到信号滤光器22的光电探测器23。样品固定器21固定样品24，例如，具有荧光染料或溶解于其内的蛋白质的流体。样品固定器21、信号滤光器22以及光电探测器23可以由外壳(未示出)固定在一起，或者简单地附着在一起形成堆叠。在操作中，利用具有图3中的光谱35的激励光25激励样品24，优选地，光谱35匹配样品24的吸收或激励光谱34。激励光25由外部光源发射，图2A中未示出。作为响应，样品24发射信号光26，在本例子中，发射具有发射光谱36的荧光。信号滤光器22在透射波长λF(图3)透射信号光26的一部分26A，同时阻挡激励光25(图2A)以及，优选地，阻挡杂散光。被透射部分26A照射到光电探测器23上，产生与被透射部分26A的光功率值成比例的电信号(未示出)。这里以及说明书的其它部分，术语“波长λ的光”指的是以λ为中心的有限宽度的波带内的光。换句话说，波长λ是有限宽度的波带的中心波长。作为例子，在图3中，波长λF是信号滤光器22的透射带32的中心波长。
转到图2B，并再次参考图2A和图3，如图所示，信号滤光器22包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层27和电介质层28。可选阻挡层29帮助金属层27的密封。优选地，采用具有良好光学质量的诸如银、铝或金的金属来沉积金属层27。电介质层28可以包括金属氧化物，例如，SiO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、HfO2和Al2O3，或者它们的混合物。可以单独选择各个金属层27的厚度，以更好地匹配所需的光学特性，例如，透射光的大小，中心波长λF以及透射带32(图3)。
金属层27通常是5nm到50nm厚，优选地，8nm到30nm厚。电介质层28是10nm到500nm厚，优选地，20nm到200nm厚。单个信号滤光器中通常有2到8层金属层27，更优选地，3到6层金属层27。得到的滤光器22的厚度通常小于5微米，更优选地，小于1微米。阻挡层29是非常薄的金属氧化物，例如，氧化锌，厚度通常小于3纳米，优选地，小于1纳米。为了获得阻挡层，金属可以被沉积到所需的0.5nm厚，随后将该金属氧化。诸如俄罗斯联邦莫斯科的OptiLayer有限公司(OptiLayer Ltd.)供应的OptilayerTM，美国俄勒冈州波特兰SoftwareSpectra公司(Software Spectra Inc.)供应的TFCalcTM，或者美国新泽西州普林斯顿FTGSoftware供应的FilmStarTM等市场可以买到的软件，可以用来优化金属层和电介质层的厚度。
为了增加所选择波长范围内的衰减，可以将额外的电介质层堆叠39增加到信号滤光器22；例如，在信号滤光器的情况下，可选的堆叠39可以是以激励波长为中心的四分之一波片堆叠。此外，信号滤光器22的金属层27和电介质层28可以被直接沉积在光电探测器23上，使滤光器22和光电探测器23成为一体。例如，可以方便地将信号滤光器22直接沉积到其内具有集成的光电探测器的CMOS或ASIC晶片上。
重要的是，金属层27是没有在其内形成的刻蚀结构或其他结构的连续的非微结构化的层。结构化的金属-电介质滤光器能够展示高透射量值，但这通常是以透射波长的高的角度敏感性为代价来实现的。后一种现象已经被报道过，例如，Ebbesen等人的文章(自然快报)(Letters to Nature)，第391卷第667-669页(1998)。与之形成对比的是，本发明的信号滤光器22没有任何这种结构，这使得信号滤光器22比Ebbesen的微结构化的金属-电介质滤光器具有对信号光26的小得多的角度敏感性。这里，术语“微结构化的”指的是所成形的和所设定尺寸的波长尺寸或次波长尺寸特征，以展示等离子共振效应，例如，用于可见光或近红外光的10nm到2nm尺寸。“特征”可以包括矩形、网格、椭球或类似结构。本发明的滤光器可以被构造以用于其它目的，例如，环境或机械稳定性，具有大于2微米(um)的特征尺寸，更优选地，大于200微米。因此，术语“非微结构化的”指的是或者完全平滑和连续的膜，或者是结构化的膜，但是，其内没有尺寸小于2微米的特征图案，并且更优选地，没有尺寸小于200微米的特征图案。如此大的特征在UV到NIR(近红外)光谱范围内通常不展现出明显的等离子共振效应，并因此不认为是本公开中的“微结构”。
当滤光器22的透射波长λF相对于入射角度改变不明显时，可以如图中所示，省略分光计组件20中的准直透镜，从而使得分光计组件20非常紧凑，和/或提高光收集效率。下面，将考虑，相对于传统的多层电介质滤光器，信号滤光器22的透射波长λF的角度相关性，以及信号滤光器22的一个实施例的更详细的示例性制造方法。
现在转到图4A和图6A，并再次参考图2A和2B，分光计组件40A包括样品固定器21，光耦合到样品固定器21的信号滤光器22，以及光耦合到信号滤光器22的光电探测器23。样品固定器21固定样品24。分光计组件40A还包括激励光源43和耦合到激励光源43以及样品固定器21的激励滤光器42。优选地，激励滤光器42与图2B的信号滤光器22是相同类型的，也就是说，其包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层27和电介质层28，用以减少透射波长(发射波长)λE(图6A)的角度相关性。在操作中，光源43(图4A)发射具有光谱35(图6A)的激励光25，并且激励滤光器42(图4A)在发射波长λE(图6A)透射激励光25的一部分25A，同时阻挡信号光26。发射波长λE是激励滤光器42的透射带52的中心波长。分光计组件40A可以用于这样的应用中，其中样品固定器21被制造成为两侧都可以进入的管或通道形式，例如，在流式细胞仪应用中。
转到图4B到4D，并再次参考图4A，图4B、4C和4D的分光计组件40B、40C和40D分别类似于图4A的分光计组件40A。一个区别在于，在图4B-4D的分光计组件40B-40D中，激励滤光器42和信号滤光器22被设置在样品固定器21的相同一侧。在图4B中，可选的光整形扩散器49被耦合到激励滤光器42，用于将激励光部分25A以朝向透射滤光器22和光电探测器23的角度引导到样品24上。在图4C中，样品固定器21绕着激励滤光器42和信号滤光器22弯曲，以提高曝光。在图4D中，可选的单个透镜48用来将激励光部分25A引导到样品24上，同时用于收集信号滤光器22上的信号光26.
有利地，图4A-4D的相应分光计组件40A-40D的激励滤光器42和信号滤光器22的金属层27和电介质层28可以直接沉积到光源43和/或光电探测器23上，以分别制造与各自的光源43和光电探测器23集成的滤光器42和22。
激励滤光器42和信号滤光器22，以及光源43和光电探测器23在样品固定器21同一侧放置，使得图4B，4C和4D的分光计组件40B，40C和40D特别适于传感器应用，因为样品固定器21的相反侧，也就是说，图4B-4D的顶侧，能够方便地暴露于将要检测的环境中。作为非限制性例子，样品24可以包括标记荧光分子，当它们一旦键合到目标分子上就改变它们的荧光特性，从而指示样品24中目标分子的存在。通过测量荧光信号26的强度或光功率可以估算这种目标分子的浓度。例如，可以利用键合到葡萄糖分子的荧光团来测量血糖浓度。下面，将描述使用图4B的分光计组件40B的微型葡萄糖浓度计。
转到图5和6B，并再次参考图2A和2B，图5的分光计组件50类似于图2A的分光计组件20。一个区别在于，图5的分光计组件50不是包括一个而是包括两个耦合到样品固定器21的信号滤光器22A和22B。在操作中，两个信号滤光器22A和22B在相应波带32A和32B的中心波长λF1和λF2处(图6B)透射信号光26的第一部分26A和第二部分26B，同时阻挡具有发射光谱35的激励光25。在图5中，第一光电探测器23A和第二光电探测器23B被分别耦合到第一信号滤光器22A和第二信号滤光器22B。当用信号光26的第一部分26A和第二部分26B照射时，第一光电探测器23A和第二光电探测器23B分别产生第一电信号和第二电信号(未示出)，所述第一电信号和第二电信号与相应的信号光的第一部分26A和第二部分26B的光功率值成比例。第一信号滤光器22A和第二信号滤光器22B中的至少一个，优选两个，包括如图2B所示的交替堆叠的连续非微结构金属层27和电介质层28，用于分别减少中心波长λF1和λF 2的角度相关性。
如Weidemaier等人在Biosens.Bioelectron上名称为“葡萄糖/半乳糖键合蛋白质基光纤传感器的多天临床前示范”(“Multi-day pre-clinical demonstration ofglucose/galactose binding protein-based fiberoptic sensor”的文章所公开的，分光计组件50能够用于这样的应用中，其中标记荧光团在键合到目标分子上时改变荧光的光谱分布36。第一电信号和第二电信号的比率能够用作将目标荧光团键合到目标分子的指示器。可替换地，两个不同的标记荧光团能够用于指示两种不同目标分子的浓度，或者荧光36对其敏感的一些其他参数。参考图6C，荧光光谱36A和36B对应两个不同的标记荧光团，未示出。第一荧光团的荧光光谱36A对准第一滤光器22A的透射带32A，而第二荧光团的荧光光谱36B对准第二滤光器22B的透射带32B。可以分别估算出两种不同的目标分子的浓度。
在本发明的一个实施例中，第二滤光器22B的透射带32B并不对准荧光光谱36，而是对准发射光谱35，在激励波长λE处透射被散射的激励光25，同时阻挡信号光26。这使得能够通过测量样品24中激励光25的散射来估算激励光25的强度。知道激励光25的强度，使得能够参照(reference)或标准化(normalize)荧光强度测量。
在本发明的一些应用中，可能需要多个激励波带。转到图7、图8A和8B，并再次参考图2B，组件70包括光源43，耦合到具有发射光谱35(图8A和8B)的公共光源43的第一发射滤光器42A和第二发射滤光器42B。在操作中，第一发射滤光器42A和第二发射滤光器42B(图7)在分别具有中心波长λE1和λE2(图8A和8B)的波带52A和52B中透射激励光25的第一部分25A和第二部分25B，同时阻挡信号光26。在图8B中，两个不同的激励波带52A和52B匹配两个不同的荧光团的吸收带34A和34B，未示出，从而导致荧光团在两个不同荧光带36A和36B中发射荧光。第一发射滤光器42A和第二发射滤光器42B中的至少一个，优选两个，包括如图2B所示的交替堆叠的连续非微结构化的金属层27和电介质层28。
如上所述，与通常所用的电介质堆叠滤光器相比，使用金属-电介质滤光器22、22A、22B、42、42A和42B能够减少相应于透射波长λF、λF1、λF2、λE、λE1和λE2的角度敏感性，因此有利于减少分光计尺寸。现在，将示出各种滤光器的角度敏感性。参考图9A，示出了入射角为0度(垂直入射)和89度(倾斜入射)之间的激励滤光器42的示例性透射光谱90A，除了最后步长为4度之外，其余步长为5度。滤光器包括夹在6个60nm到70nm厚的Ta2O5层之间的5个16nm到42nm厚的银层，并被浸入具有折射率为1.564的介质中。可以看到，改变入射角并不偏移激励滤光器42的中心波长或带边缘的位置，只减少透射幅度，并在高入射角引入波纹91。转到用于比较的图9B，并进一步参考图9A，示出了具有与图9A中所示的类似通带并浸入相同折射率的介质中的典型的电介质堆叠滤光器的透射光谱90B，其具有相同的0度(垂直入射)和89度(倾斜入射)之间的入射角，并且也是除最后步长为4度之外其余步长为5度。可以看出，在92处，当入射角改变时，带边缘波长偏移，并且在93处出现二次透射带。
参考图9C，图9A的光谱90A的平均光谱曲线95A，以及图9B的电介质堆叠滤光器光谱90B的平均光谱曲线95B，被结合在一起用于比较。滤光器22、22A、22B、42、42A和42B的相应透射波长λF、λF1、λF2、λE、λE1和λE2的角度敏感性的降低能够使得相应的图2A、图4A-4D和图5的分光计组件20、40A-40D和50更紧凑。
下面，将考虑用于本发明的金属-电介质滤光器的制造过程。转到图10A，并再次参考图2A、2B、图4A-4D、图5和图7，滤光器100是图2A和2B的信号滤光器22和/或图4A-4D的激励滤光器42的变体，并且可用于图2A、图4A-4D、图5和图7中的相应分光计组件10、40A-40D、50和70。滤光器100包括交替堆叠的三个电介质层120和两个金属层130。滤光器100被设置在衬底110上。金属层130的每一层被设置在两个电介质层120之间并与之相邻，电介质层120保护金属层130免于腐蚀。
金属层130在滤光器100的周边101处具有锥形边缘131。金属层130在滤光器100的整个中心部分102上是基本厚度均匀的，但是在滤光器100周边101处厚度逐渐减少。相同的，电介质层120在滤光器100的整个中心部分102上是基本厚度均匀的，但是在周边101处厚度逐渐减少。因此，滤光器100的中心部分102的高度基本均匀，而在滤光器100的周边101处倾斜。滤光器100具有基本平坦的顶部和倾斜的侧面。
有利地，金属层130的锥形边缘131不被暴露于环境中。相反，金属层130的锥形边缘131由一个或多个电介质层120覆盖。一个或多个电介质层120通过例如抑制硫和水扩散进入金属层130来抑制金属层130的环境退化，例如，腐蚀。优选地，金属层130由电介质层120实质上封装。
参考图10B到10G，滤光器100的第一实施例可由剥离工艺制造。在第一步骤，提供衬底110(图10B)。在第二步骤，施加光致抗蚀剂层140到衬底110(图10C)。通常，通过旋涂或喷涂施加光致抗蚀剂层140。
在第三步骤，图案化光致抗蚀剂层140，以露出衬底110上将要设置滤光器100的区域，也就是滤光器区域(图10D)。衬底110的其他区域仍由图案化的光致抗蚀剂层140覆盖。通常，通过首先借助于掩模使光致抗蚀剂层140的覆盖衬底110的滤光器区域的区域暴露于紫外(UV)光，然后通过使用合适的显影剂或溶剂显影(例如蚀刻)光致抗蚀剂层140的暴露区域，来图案化光致抗蚀剂层140。光致抗蚀剂层140优选地以这种方式被图案化，以使得在图案化的光致抗蚀剂层140中形成包围滤光器区域的悬突部分141。在一些情况下，光致抗蚀剂层140包含两种不同材料。这使得其方便产生悬突部分或底切部141。
在第四步骤中，将多层堆叠103沉积在图案化的光致抗蚀剂层140和衬底110的滤光器区域上(图10E)。沉积在衬底110的滤光器区域上的一部分多层堆叠103形成滤光器100。可以使用多种沉积技术沉积对应于滤光器100的层的多层堆叠103，这些沉积技术诸如：蒸发(例如热蒸发、电子束蒸发、等离子辅助蒸发或反应离子蒸发)；溅射(例如磁控溅射、反应溅射、交流(AC)溅射、直流(DC)溅射、脉冲DC溅射或离子束溅射)；化学气相沉积(例如等离子增强的化学气相沉积)；以及原子层沉积。可以使用不同的沉积技术沉积不同的层。
由于悬突部分141遮挡了衬底110的滤光器区域的周边，所以沉积层的厚度朝向滤光器100的周边101逐渐变小。当电介质层120被沉积到金属层130上时，电介质层120并不仅覆盖金属层130的顶面，也覆盖金属层130的锥形边缘131，从而保护金属层130远离环境。
在第五步骤中，图案化光致抗蚀剂层140上的一部分多层堆叠103连同光致抗蚀剂层140被去除，也就是被剥离(图10F)。通常，利用合适的剥离剂或溶剂剥离光致抗蚀剂层140。滤光器100保留在衬底110的滤光器区域上。在可选的第六步骤中，将附加的电介质涂层150沉积在滤光器100上。电介质涂层150同时覆盖滤光器100的中心部分102和周边101，从而保护金属层130远离环境。
转到图11A，并再次参考图2B、3和4B，探测荧光的方法250包括提供分光计组件20的步骤251。在步骤252，使用激励光的部分25A照射样品24；在步骤253，以例如至少60度，或远离垂直入射的±30度的总收集角收集信号光26的第一部分26A；以及在步骤254，探测光电探测器23的电信号(例如光电流)。收集角可以大到远离垂直入射角的±75度，或总共150度。
现在，参考图11B，并再次参考图2B、图3和4B，照射步骤252可包括提供激励光源43的步骤261。在步骤262，通过堆叠交替的连续的非微结构化的金属层27和电介质层28(图2B)来提供激励滤光器42，以在激励波长λE(图3)处透射激励光25的部分25A，同时阻挡信号光26。在步骤263，激励滤光器42被耦合到激励光源43。在步骤264，样品固定器21被耦合到激励滤光器42，用于接收被透射穿过激励滤光器42的激励光25的部分25A。最后，在步骤265，使激励光源43通电。
已经提出的本发明的一个或多个实施例的上述描述是用于说明和描述的作用。其并不打算是穷举的或者去限制本发明到所公开的精确形式。根据上述教导，很多改进和变形是可能的。例如，通过相应调整所用滤光器的透射波长，这里所描述的分光计组件不仅可以用于探测荧光，而且可以用于探测多光子荧光，非线性散射，诸如激励光的光学谐波散射、表面增强非线性光散射，和荧光，等等。所用光源可包括激光二极管，包括白光二极管(LED)的发光二极管，等等。

Claims (42)

1.一种传感器，包括：
光电探测器，所述光电探测器被配置为将接收到的光转换成表示所述接收到的光的强度的电流；和
滤光器，所述滤光器被配置为：
防止具有带通区域外的波长的光到达所述光电探测器，以及
将具有所述带通区域内的波长的光传送到所述光电探测器，
其中，通过所述滤光器的光的百分比随着光的入射角的增大而减小。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述滤光器是低角度敏感滤光器。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述滤光器对高角度入射光具有低敏感度。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述滤光器比微结构化的金属-电介质滤光器具有对光的入射角更小的敏感度。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述滤光器是纳米结构的滤光器。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述滤光器包括金属层和氧化物层。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述金属层和氧化物层具有被配置为使在所述带通区域内的光通过的厚度。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述金属层和氧化物层被沉积在所述光电探测器上。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述金属层和氧化物层通过磁控溅射涂覆被沉积在所述光电探测器上。
10.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述光电探测器包括与接收侧相对的出口侧，并且
其中，所述金属层和氧化物层被沉积在所述光电探测器的所述出口侧。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述带通区域随着被所述滤光器接收的所述光的入射角从0度增大到89度而偏移20nm或更小。
12.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
被配置为向所述滤光器发射发射光的元件；和
被配置为向所述元件照射激励光的光源。
13.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述元件相对于所述滤光器的接收表面被定位成使得所述发射光的至少一部分作为低入射角的光到达所述滤光器。
14.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述低入射角的光具有小于或等于25度的入射角。
15.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述低入射角的光具有小于或等于20度的入射角。
16.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述低入射角的光具有小于或等于15度的入射角。
17.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述低入射角的光具有小于或等于10度的入射角。
18.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述低入射角的光具有小于或等于5度的入射角。
19.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述滤光器利用二色性和吸收性滤光。
20.根据权利要求1所述的传感器，
其中，所述光电探测器是第一光电探测器，
其中，所述滤光器是第一滤光器，
其中，所述带通区域是第一带通区域，并且
其中所述传感器还包括：
第二光电探测器，所述第二光电探测器被配置为：
将由所述第二光电探测器接收的不同的接收到的光转换成表示所述不同的接收到的光的不同的强度的不同的电流；和
第二滤光器，所述第二滤光器被配置为：
防止具有第二带通区域外的波长的不同的光到达所述第二光电探测器，以及
将具有所述第二带通区域内的波长的不同的光传送到所述第二光电探测器。
21.一种使用传感器检测分析物的方法，所述方法包括：
通过所述传感器的光源，将激励光照射至所述传感器的分析物指示器；
通过所述分析物指示器，将发射光发射至所述传感器的滤光器；
通过所述滤光器，接收包括由所述分析物指示器发射的所述发射光的光；
通过所述滤光器，防止接收到的光中的具有带通区域外的波长或高入射角中的一个或更多个的第一光到达所述传感器的光电探测器；
通过所述滤光器，将所述接收到的光中的具有所述带通区域内的波长的第二光传送到所述光电探测器，
其中，通过所述滤光器的光的百分比随着光入射角的增大而减小；并且
通过所述光电探测器，接收通过的光。
22.一种制造分析物传感器的方法，所述方法包括：
在衬底中或衬底上制造或安装光电探测器；和
通过在所述光电探测器上沉积金属层和氧化物层形成滤光器，
其中，所述滤光器被配置为防止具有带通区域外的波长的光到达所述光电探测器，以及将具有所述带通区域内的波长的光传送到所述光电探测器，和
其中，通过所述滤光器的光的百分比随着光入射角的增大而减小。
23.一种传感器，包括：
第一信号滤光器，用于在第一信号透射波长透射信号光的第一部分，同时阻挡激励光，
其中，所述第一信号滤光器包括：
第一区域，所述第一区域包括交替堆叠的第一连续的非微结构化的金属层和第一电介质层，和
第二区域，所述第二区域由额外的电介质层的堆叠组成，和
其中，与包括微结构化的金属层的信号滤光器相比，对于所述第一信号滤光器，所述第一信号透射波长的角敏感度较小。
24.根据权利要求23所述的传感器，还包括：
第二信号滤光器，用于在第二信号透射波长透射所述信号光的第二部分，同时阻挡激励光，
其中，所述第二信号滤光器包括交替堆叠的第二连续的非微结构化的金属层和第二电介质层。
25.根据权利要求24所述的传感器，其中，与包括微结构化的金属层的所述信号滤光器相比，对于所述第二信号滤光器，所述第二信号透射波长的角敏感度较小。
26.根据权利要求23所述的传感器，还包括：
散射滤光器，用于在散射透射波长透射被散射的激励光，同时阻挡所述信号光。
27.根据权利要求26所述的传感器，其中，所述散射滤光器包括交替堆叠的第二连续的非微结构化的金属层和电介质层。
28.根据权利要求23所述的传感器，其中，所述第一信号滤光器的所述第一连续的非微结构化的金属层和所述第一电介质层的总厚度小于5mm。
29.根据权利要求23所述的传感器，其中，所述第一信号滤光器的所述第一连续的非微结构化的金属层和所述第一电介质层的总厚度小于1mm。
30.根据权利要求23所述的传感器，其中，所述第一连续的非微结构化的金属层没有小于2mm的特征图案。
31.根据权利要求23所述的传感器，其中，每个所述第一连续的非微结构化的金属层在所述第一信号滤光器的周边具有锥形边缘，并且
其中，每个所述锥形边缘由一层或多层所述第一电介质层保护覆盖。
32.根据权利要求23所述的传感器，其中，所述信号光包括单光子荧光、多光子荧光、或所述激励光的光谐波散射。
33.根据权利要求23所述的传感器，其中，所述额外的电介质层的堆叠增加了所述第一信号透射波长的衰减。
34.根据权利要求23所述的传感器，其中，所述第一连续的非微结构化的金属层的尺寸被设定为展示等离子共振效应。
35.一种方法，包括：
使用信号滤光器，在信号透射波长透射从样品发射的信号光的一部分，
其中所述信号滤光器包括：
第一区域，所述第一区域包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，和
第二区域，所述第二区域由额外的电介质层的堆叠组成。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述额外的电介质层的堆叠增加了所述信号透射波长的衰减。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述连续的非微结构化的金属层不包括特征图案。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，所述连续的非微结构化的金属层的尺寸被设定为展示等离子共振效应。
39.根据权利要求35所述的方法，其中，与包括微结构化的金属层的另一个信号滤光器相比，对于所述信号滤光器，所述信号透射波长的角敏感度较小。
40.根据权利要求35所述的方法，还包括：
以至少60度的收集角收集所述信号光的一部分；和
基于所述信号光的所述部分，探测由光电探测器提供的电信号。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述收集角为至少150度。
42.一种传感器，包括：
透射滤光器，所述透射滤光器包括：
第一区域，所述第一区域包括交替堆叠的连续的非微结构化的金属层和电介质层，和
第二区域，所述第二区域由额外的电介质层的堆叠组成，
其中，所述透射滤光器区别激励波长和信号波长，并且
其中，所述透射滤光器的透射波长的角度相关性小于包括微结构化的金属层的另一个透射滤光器的另一个透射波长的另一个角度相关性。
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