CN110501296A - 导光结构及微流体光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种导光结构及微流体光谱检测装置，属于微流体技术领域，其可解决现有的光谱仪中的导光结构过于复杂，难以实现光谱仪产品的轻薄化和小型化的问题。本发明的导光结构，包括：准直光源、波导层、分光层和遮光层；准直光源位于波导层的一端，用于将其所出射的光线，按照预设角度准直入射至波导层；波导层用于将入射至其内的光线进行全反射传输；分光层包括多个光栅单元，用于将光线中不同波长的光线分离，并将同一波长的光线会聚；遮光层具有多个开口，开口位置与不同波长的光线中指定波长的光线会聚位置相同，用于将指定波长的光线取出，不同开口取出的光线的波长不同。

Description

导光结构及微流体光谱检测装置

技术领域

本发明属于微流体技术领域，具体涉及一种导光结构及微流体光谱检测装置。

背景技术

光谱仪作为一种检测分析仪器，具有检测速度快、检测精度高等优点，在各个领域具有广泛的应用，尤其是在现代医学、物理学、化学和生物学等研究中已经成为了最为重要的一种检测分析仪器。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：目前普遍采用的光谱仪中的导光结构过于复杂，难以实现光谱仪产品的轻薄化和小型化，同时，目前的光谱仪中一般基于硅片或者其他有机物制备，制备工艺较为复杂，成本较高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种导光结构及微流体光谱检测装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种导光结构，包括：准直光源、波导层、分光层和遮光层；

所述准直光源位于所述波导层的一端，用于将其所出射的光线，按照预设角度准直入射至所述波导层；

所述波导层用于将入射至其内的光线进行全反射传输；

所述分光层包括多个光栅单元，用于将所述光线中不同波长的光线分离，并将同一波长的光线会聚；

所述遮光层具有多个开口，所述开口位置与不同波长的光线中指定波长的光线会聚位置相同，用于将指定波长的光线取出，不同所述开口取出的光线的波长不同。

可选地，所述光栅单元的光栅周期依次递增或依次递减。

可选地，所述分光层位于所述波导层的入光侧；在所述分光层背离所述波导层的一侧设置有反射层。

可选地，所述分光层位于所述波导层的出光侧。

可选地，该导光结构还包括：支撑结构；所述支撑结构位于所述分光层和所述遮光层之间。

可选地，所述光栅单元的材料为光学介质材料。

可选地，所述波导层具有多个凹槽，所述凹槽上设置有遮光材料，以形成所述分光层。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种微流体光谱检测装置，包括上述提供的导光结构。

可选地，该微流体光谱检测装置还包括：位于所述导光结构上的微流体检测结构；

所述微流体检测结构包括：位于相对设置的第一基板和第二基板上的第一疏水层和第二疏水层、位于所述第一疏水层和所述第二疏水层之间的微流体通道、及位于所述第二疏水层和所述第二基板之间的多个探测器件；

所述第一基板与所述导光结构中的所述遮光层共用；

所述探测器件与所述遮光层中的所述开口一一对应。

可选地，该微流体光谱检测装置还包括：信号分析处理单元；

所述信号分析处理单元与多个所述探测器件连接。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种导光结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光栅单元的结构示意图；

图3a和图3b为本发明实施例提供的一种导光结构的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种导光结构的结构示意图；

图5和图6为本发明实施例提供的光栅单元的分光原理示意图；

图7为本发明实施例提供的一种微流体光谱检测装置的结构示意图。

其中附图标记为：

10-导光结构、101-准直光源、102-波导层、103-分光层、104-遮光层、1011-光源、1012-准直灯罩、1030-光栅单元、1031-透光子单元、1032-遮光子单元、1033-反射层、1041-开口、20-微流体检测结构、201-第一基板、202-第二基板、203-第一疏水层、204-第二疏水层、205-微流体通道、206-探测器件、及207-信号分析处理单元。

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。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种导光结构的结构示意图，如图1所示，该导光结构10包括：准直光源101、波导层102、分光层103和遮光层104。准直光源101位于波导层102的一端，用于将其所出射的光线，按照预设角度准直入射至波导层102。波导层102用于将入射至其内的光线进行全反射传输。分光层103包括多个光栅单元1030，用于将光线中不同波长的光线分离，并将同一波长的光线会聚。遮光层104具有多个开口1041，开口1041位置与不同波长的光线中指定波长的光线会聚位置相同，用于将指定波长的光线取出，不同开口1041取出的光线的波长不同。

需要说明的是，准直光源101可以由光源1011和准直灯罩1012组成。其中，光源1011可以提供单色或者白色的发散光线，具体可以为微发光二极管(micro lightemitting diode，Micro LED)、有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)或者其他尺寸较小的发光器件。准直灯罩1012可以将光源1011发出的发散光线调整为准直光线，可以从波导层102的一端按照预设角度准直入射至波导层102。准直光源101可以位于波导层102的左侧一端，当然也可以位于波导层102的右侧一端，为了与其他膜层结构相配合使用，在本发明实施例中以光源1011提供的光线为白光，准直光源101位于波导层102的左侧一端，光线从波导层102的左侧一端入射为例进行说明。

波导层102作为光线的传输通道，可以将光线进行全反射传输，其材料可以为玻璃或者亚克力等材料。

分光层103可以包括多个光栅单元1030，各个光栅单元1030间隔排列，其上可以设置平坦层，保证光栅单元1030上下表面的平整。平坦层的材料可以为低折射率的光学介质材料，避免平坦层对光线传播方向的影响。图2为本发明实施例提供的一种光栅单元的结构示意图，如图2所示，每个光栅单元1030可以由多个透光子单元1031和遮光子单元1032交替组成。光线可以经过透光子单元1031，由于透光子单元1031对于光线的衍射作用，可以使得光线的传播方向发生变化，且对于不同波长的光线的作用也是不同的，利用这一特性，可以将不同波长的光线分离出来，形成多个明暗相间的光线条纹。通过控制透光子单元1031和遮光子单元1032的宽度，可以将经过同一光栅单元1030中的各个透光子单元1031的同一波长的光线会聚至同一位置。因此，一束准直光线经过分光层103中的光栅单元1030后，在每一个光栅单元1030之上对应的位置可以形成多个由同一波长的光线会聚产生的亮斑。在本发明实施例中以三种波长的光线为例进行说明，分别记为第一波长λ1的光线、第二波长λ2的光线和第三波长λ3的光线。第一波长λ1的光线波长范围可以为620纳米至760纳米之间，表现为红光。第二波长λ2的光线波长范围可以为490纳米至530纳米之间，表现为绿光。第三波长λ3的光线波长范围可以为400纳米至480纳米之间，表现为蓝光。相应的，在每一个光栅单元1030之上对应的位置可以形成红色光斑、绿色光斑和蓝色光斑。

遮光层104可以设置于同一波长的光线会聚后形成的光斑所在的平面，且遮光层104具有多个开口1041。开口1041的位置与指定波长的光线会聚的位置相同。例如，该开口1041需要取出红光，则该开口1041的位置为红光会聚形成的光斑的位置。

在此需要说明的是，由于经过同一光栅单元1030会聚形成的多个光斑的之间的距离较近，为了便于取光，每一个开口1041仅需取出一种波长的光，如图3a和图3b所示，开口1041可以与光栅单元1030一一对应设置。同时，不同的开口1041可以取出不同波长的光线。可以理解的是，如果导光结构10需要取出红光、绿光和蓝光，则各个开口1041可以分别设置在经过各个光栅单元1030会聚形成的红色光斑、绿色光斑和蓝色光斑对应的位置；如果导光结构10仅需要取出红光，则各个开口1041可以设置在经过各个光栅单元1030会聚形成的红色光斑对应的位置。因此，可以根据实际应用需要调整各个开口1041的实际位置，使得开口1041取出指定波长的光线。进一步需要说明的是，在遮光层104中除了开口1041的其他位置，可以将其他波长的光线吸收，防止其他波长的光线对指定波长光线的干扰。

本发明实施例提供的导光结构10，利用分光层103中的光栅单元1030可以将入射的光线中不同波长的光线分离，并将同一波长的光线会聚，再通过遮光层104中的开口1041将指定波长的光线取出，可以实现高效率及高精度地对不同波长的光线的筛选与过滤。同时，本发明实施例提供的导光结构10的结构简单，有利于产品的轻薄化，并且对工艺要求较低，可以节约制备成本。

可选地，如图2所示，该光栅单元1030可以由多个透光子单元1031和遮光子单元1032交替组成。光栅单元1030中的相邻的一个透光单元1031与一个遮光单元1032的宽度之和为一个光栅周期，记作P，光栅周期是光栅单元1030的重要参数，可以表征光栅单元1030对光线的衍射能力。在图2中，在从左至右方向上，光栅周期依次递增。也可以根据光线的入射方向调整光栅周期的变化，例如光线从波导层102的右侧一端入射时，每个光栅单元1030的光栅周期可以依次递减。在本发发明实施例中，通过控制光栅周期的依次递增或依次递减，可以使得分离的同一波长的光线会聚，并由遮光层104中对应的开口1041取出，实现高效率及高精度地对不同波长的光线的筛选与过滤。

在第一种可能的实现方式中，如图1所示，分光层103可以位于波导层102的入光侧；在分光层103背离波导层102的一侧设置有反射层1033。光线在波导层102中全反射传输时，在光栅单元1030的位置处，光线可以经过光栅单元1030中的透光子单元1031透射至光栅单元1030背离波导层103一侧的反射层1033。具体地，反射层1033可以为金属反射层。反射层1033可以将光线反射，由于透光子单元1031对于不同波长的光线的衍射作用不同，不同波长的光线可以被分离。同时，由于光栅单元103的光栅周期从左向右依次递减，多个透光子单元1031可以将同一波长的光线会聚，利用遮光层104中的开口1041将指定波长的光线取出，实现高效率及高精度地对不同波长的光线的筛选与过滤。

在第二种可能的实现方式中，如图4所示，分光层103可以位于波导层102的出光侧。光线在波导层102中全反射传输时，在光栅单元1030的位置处，光线可以经过光栅单元1030中的透光子单元透射。由于透光子单元1031对于不同波长的光线的衍射作用不同，不同波长的光线可以被分离。同时，由于光栅单元103的光栅周期从左向右依次递减，多个透光子单元1031可以将同一波长的光线会聚，利用遮光层104中的开口1041将指定波长的光线取出，实现高效率及高精度地对不同波长的光线的筛选与过滤。

需要说明的是，由于光线会聚需要有一定的焦距，光栅单元1030与开口1041之间需要有一定的距离。在第一中可能的实现方式中，可以通过控制波导层102的厚度，以满足光线会聚的焦距要求。在第二种可能的实现方式中，由于光线从波导层102中出射后才进行会聚，因此需要在分光层103和遮光层104之间设置支撑结构100，通过控制支撑结构100的厚度，以满足光线会聚的焦距要求。可选地，光栅单元1030的材料可以为光学介质材料，具体可以为玻璃、亚克力或光学薄膜等。可以根据实际需要，选择任意一种材料。进一步可选地，可以通过对波导层102进行刻蚀，形成多个凹槽，在部分凹槽上设置遮光材料可以形成光栅单元1030的遮光子单元1032，未设置遮光材料的凹槽可以形成光栅单元1030的透光子单元1031，从而形成整个光栅单元1030。这样，可以降低分光层103的厚度，利于导光结构10的轻薄化。

下面将结合附图，对发明实施例提供的导光结构10中的光栅单元1030的分光原理进行详细说明。

图5和图6为本发明实施例提供的光栅单元的分光原理示意图，如图5所示，光线从波导层102内以入射角θ1从左向右传输，光栅单元1030的周期从左向右依次递增，即P1＞P2＞P3…＞Pn。其具体的计算方式如下：

n1sinθ1–n2sinθ(2,n)＝mλ/p(n)

θ(2,n)＝atan{(w/2-[P1+P1+……+P(n-1)])./f}

其中，w表示变光栅单元的宽度，P1，P2…Pn表示光栅单元的光栅周期，f表示光栅单元的焦距，θ1表示入射角度(波导内光线传输的角度，即预设角度)，θ(2,n)表示衍射角度，n1表示波导层的折射率，n2表示衍射介质的折射率，λ表示光线的波长，m可取0、±1、±2…。

通过上述计算方式，可以看出，光栅单元1030对入射光波长敏感，即对不同波长的入射光线的衍射能力不同，从而衍射角度θ(2,n)不同。

如图6所示，λ2为指定波长，λ1为非指定波长，设λ1<λ2；波长为λ2的光线的会聚位置为指定会聚位置，由于光栅单元1030对入射光波长的敏感性，波长为λ1的光线衍射角度θ1与波长为λ2的光线衍射角度θ2不相等。此时，经过一定传输距离后，波长为λ1的光线的会聚位置和波长为λ2的光线的会聚位置有一定的偏移。即可推出，对于非λ2波长的光线，其会聚位置都会偏离出指定波长光线的会聚位置，因此，可以实现不同波长光线的分离及同一波长光线的会聚，进而实现高效率及高精度地对不同波长的光线的筛选与过滤。

实施例二

本发明实施例提供的了一种微流体光谱检测装置，该光谱检测装置具体可以为光谱仪，该微流体光谱检测装置包括上述实施例提供的导光结构10。下面将结合附图，对本发明实施例提供的微流体光谱检测装置的结构进行详细说明。

图7为本发明实施例提供的一种微流体光谱检测装置的结构示意图，如图7所示，该微流体光谱检测装置除了包括上述实施例提供的导光结构10中的各个膜层外，还包括：位于导光结构10上的微流体检测结构20。微流体检测结构20包括：位于相对设置的第一基板201和第二基板202上的第一疏水层203和第二疏水层204、位于第一疏水层203和第二疏水层204之间的微流体通道205、及位于第二疏水层204和第二基板202之间的多个探测器件206；第一基板201与导光结构10中的遮光层104共用；探测器件206与遮光层104中的开口1041一一对应。

需要说明的是，第一疏水层203和第二疏水层204可以使得微流体在微流体通道205降低损耗，保证微流体顺序无损传输。其中，微流体可以为光敏物质，其与不同波长的光线的反应不同，可以吸收、散射、反射、透射不同波长的光线。根据不同的应用场景，微流体可以为血液、基因、病毒、细菌等。微流体可以通过微流体通道205传输，当微流体经过遮光层104的开口1041对应的位置时，该微流体可以与指定波长的光线发生反应，相应的，探测器件206可以对该位置的微流体进行检测与分析，从而生成检测及分析数据，实现微流体的光谱检测。可以理解的是，第一基板201与导光结构10中的遮光层104共用，因此，第一基板201在图中未示出。

可选地，如图7所示，该微流体光谱检测装置还包括信号分析处理单元207。信号分析处理单元207与多个探测器件206连接。

需要说明的是，信号分析处理单元207可以与多个探测器件206连接，可以接收探测器件206采集的检测及分析数据，并对数据进行处理，并将分析结果以报告形式展示给用户，实现微流体的光谱检测。

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 (10)

1.一种导光结构，其特征在于，包括：准直光源、波导层、分光层和遮光层；

所述准直光源位于所述波导层的一端，用于将其所出射的光线，按照预设角度准直入射至所述波导层；

所述波导层用于将入射至其内的光线进行全反射传输；

所述分光层包括多个光栅单元，用于将所述光线中不同波长的光线分离，并将同一波长的光线会聚；

所述遮光层具有多个开口，所述开口位置与不同波长的光线中指定波长的光线会聚位置相同，用于将指定波长的光线取出，不同所述开口取出的光线的波长不同。

2.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述光栅单元的光栅周期依次递增或依次递减。

3.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述分光层位于所述波导层的入光侧；在所述分光层背离所述波导层的一侧设置有反射层。

4.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述分光层位于所述波导层的出光侧。

5.根据权利要求4所述的导光结构，其特征在于，还包括：支撑结构；所述支撑结构位于所述分光层和所述遮光层之间。

6.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述光栅单元的材料为光学介质材料。

7.根据权利要求1所述的导光结构，其特征在于，所述波导层具有多个凹槽，所述凹槽上设置有遮光材料，以形成所述分光层。

8.一种微流体光谱检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的导光结构。

9.根据权利要求8所述的微流体光谱检测装置，其特征在于，还包括：位于所述导光结构上的微流体检测结构；

所述微流体检测结构包括：位于相对设置的第一基板和第二基板上的第一疏水层和第二疏水层、位于所述第一疏水层和所述第二疏水层之间的微流体通道、及位于所述第二疏水层和所述第二基板之间的多个探测器件；

所述第一基板与所述导光结构中的所述遮光层共用；

所述探测器件与所述遮光层中的所述开口一一对应。

10.根据权利要求9所述的微流体光谱检测装置，其特征在于，还包括：信号分析处理单元；

所述信号分析处理单元与多个所述探测器件连接。