CN111480065A - 紧凑型光谱光学仪器 - Google Patents

Abstract

一种用于光谱学应用的光学仪器，包括具有三维折叠光路的紧凑型布置。被构造为光学参考面的板被固定至壳体并且被构造为将光学部件固定在该板的上方或下方。模块化光源模块可不借助于紧固件而固定在壳体内。单色仪和分光仪被固定在板的下方。设置在板的上方的反射镜被构造为引导通过板中的第一开口的来自单色仪的光穿过设置在板的上方的样本，并且引导来自样本的光穿过板中的第二开口到达分光仪。控制器被构造为与单色仪和分光仪通信。控制器可对用于分光仪的入口狭缝致动器进行控制并且对分光仪上游的孔眼进行定位，以调节分辨率和通过量。

Description

紧凑型光谱光学仪器

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月15日提交的美国申请第15/844,228号的优先权，该申请整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及一种具有三维光路的紧凑型分光仪，其可用于包括样本的荧光性和吸光率测量的多种应用。

背景技术

包括吸收光谱和荧光光谱的光谱分析可用于多种领域的研究和行业中的应用，例如包括化学、食品科学、药理学、材料/纳米技术、多种环境学、地质学、水文学、海洋学/湖沼学以及土壤学应用中的水质分析。通用的市售光谱学仪器可能具有多种设计妥协，以在满足与波长操作范围、分辨率以及通过量等等相关的仪器性能要求的同时适应吸光率和荧光性测量。这些仪器通常不仅基于仪器性能而且还基于成本、可维修性、维护要求(用户和/或技师)、针对多种应用的灵活性或适应性以及可能仅偶尔使用的精密仪器所需的物理工作台空间而在市场中竞争。

发明内容

在一个或多个实施方式中，一种光学仪器包括壳体以及板，该板被固定至壳体并且被构造为将光学部件固定至板的顶表面或底表面。仪器还包括光源、固定至板的底表面的单色仪、固定至板的底表面的分光仪、固定至板的顶表面并且被构造为引导通过板中的第一开口的来自单色仪的光穿过样本且引导来自样本的光穿过板中的第二开口到达分光仪的多个反射镜、以及被构造为与单色仪和分光仪通信的控制器。

在多个实施方式中，光学仪器可包括样本支架，其被构造为保持样本并且不借助于紧固件被可移除地固定至板的顶表面。仪器可包括固定至板的底表面并且被构造为将来自光源的光导向单色仪的输入部的第一反射镜，以及固定至板的底表面并且被构造为引导来自单色仪的输出部的光穿过板中的开口到达固定至顶表面的多个反射镜中的一个的第二反射镜。透镜可在光源与第一反射镜之间的光路中被固定至板的底表面。壳体可包括入口板，其中光源包括模块，该模块具有固定至模块并且连接至模块的电连接器的照灯，该模块被构造为在将模块插入到壳体中时与壳体中的互补的电连接器接合，该模块被构造为可通过入口板从光学仪器中移除并且通过相关锁销被固定在壳体中，使得其可不借助于工具而被固定和移除。

在一个或多个实施方式中，光学仪器可包括与控制器通信并且被固定至板的顶表面的吸光率探测器，该吸光率探测器被定位在来自单色仪的穿过样本的光的光路中。仪器可包括与控制器通信并且被固定至板的顶表面的参考探测器，该参考探测器被定位为接收来自单色仪的一部分光并且向控制器提供相应信号。光学仪器还可包括设置在板的顶表面上方且与控制器通信的孔眼定位机构，该孔眼定位机构被构造为响应于来自控制器的定位信号而选择性地将孔眼定位为进入或离开样本与分光仪之间的光路。光学仪器还可包括与控制器通信的狭缝板定位机构，该狭缝板定位机构具有狭缝板，狭缝板包括具有不同的宽度和共同的高度的多个入口狭缝，狭缝板被构造为被定位在样本与分光仪之间的光路中，狭缝板定位机构被构造为响应于来自控制器的信号而将多个入口狭缝中的一个定位在光路中。

在多个实施方式中，光学仪器可包括被定位为接收穿过样本之后的入射光束且使入射光束以基于波长的角度发生衍射的固定式凹面衍射光栅，以及被定位为接收经固定式凹面衍射光栅衍射的光且被构造为响应于从固定式凹面衍射光栅接收到的光而向控制器提供信号的探测器。光学仪器还可包括壳体，其具有铰接式样本入口门，其可选择性地打开，以进入具有由板的顶表面限定的底部的样本室。样本托盘模块可被构造为用于插入到样本室中并且将样本定位在单色仪与分光仪之间的光路中。样本托盘模块可包括微控制器，其被构造为识别样本托盘模块并且连接至相关电连接器，该相关电连接器被构造为在样本托盘模块插入到样本室中时与连接至控制器并且设置在样本室内的互补的电连接器接合。

在一个或多个实施方式中，一种光学仪器包括具有板的壳体，该板被构造作为用于光学仪器的一个或多个光学部件的光学参考面并且被构造为将光学部件固定在板的上方或下方。光源在板的下方被设置在壳体中。单色仪设置在板的下方并且固定至板。具有固定式凹面光栅以及小于100mm的焦距的分光仪设置在板的下方并且固定至板。多个反射镜设置在板的上方、固定至板并且被构造为引导来自单色仪的光通过板中的第一开口穿过设置在板的上方的样本，并且引导来自样本的光穿过板中的第二开口到达分光仪。控制器被构造为与单色仪和分光仪通信。

多个实施方式可包括一种具有孔眼的光学仪器，该孔眼被构造为通过与控制器通信的致动器被选择性地定位为进入或离开样本与分光仪之间的光路。孔眼可设置在板的上方。光学仪器还可包括样本托盘模块，其被构造为用于插入到位于板的上方的壳体的样本室中，以将样本定位在单色仪与分光仪之间的光路中。样本托盘模块可包括微控制器，其被构造为识别样本托盘模块并且连接至电连接器，该电连接器被构造为在样本室内与壳体中的互补的电连接器接合并且连接至控制器。光学仪器还可包括具有模块的光源，该模块具有固定至模块并且连接至模块的电连接器的照灯。模块可被构造为在将模块插入到壳体中时与壳体中的互补的电连接器接合。模块被可构造为可通过壳体的入口板从光学仪器中移除并且通过相关的锁销不借助于紧固件被固定在壳体中。

在一个或多个实施方式中，光学仪器包括吸光率探测器，其设置在板的上方并且固定至板。吸光率探测器被构造为与控制器通信并且设置在来自单色仪的光在穿过样本之后的光路中。仪器还可包括参考探测器，其设置在板的上方并且固定至板。参考探测器可被构造为与控制器通信并且被构造为接收来自单色仪的一部分光。仪器还可包括与狭缝板关联的致动器，该狭缝板具有各自具有不同的宽度和预定的高度的多个入口狭缝。致动器可设置在板的下方并且被构造为与控制器通信，以将多个入口狭缝中的一个定位在通向分光仪的入射光束的光路中。

多个实施方式可包括一种具有板的光学仪器，该板限定了光学参考面并且具有上表面和下表面。第一光学部件固定至板的上表面并且第二光学部件固定至板的下表面。第二光学部件是光源、探测器、单色仪和分光仪中的至少一个。光学仪器还可包括固定至板的下表面的至少一个反射镜，其被构造为引导来自第二光学部件的光穿过板中的第一开口，以及固定至板的上表面的至少一个反射镜，其被构造为引导来自板中的第一开口的光到达第一光学部件并且引导来自第一光学部件的光穿过板中的第二开口。

根据本公开的一个或多个实施方式可提供相关优点。例如，根据本公开的用于光谱光学仪器的三维折叠光学设计提供了一种用于荧光性和吸光率测量的紧凑型精密仪器，其在具有竞争力的成本下有效地利用了台面空间。使用根据一个或多个实施方式的模块化光源模块提供了一种预安装和预对准的光源，其可不借助于工具通过用户安装在仪器内，消除了用于更换和对准的技师服务请求。根据一个或多个实施方式的模块化样本托盘提供了一种集成的微控制器，以用于马达控制的样本支架或装置的自识别、电力以及来自集成的计量仪(例如，温度计和pH计)的数字或模拟信号的信号传输。一个或多个实施方式的壳体和中间板结合了一种具有模塑光学控制点的高度集成的模塑设计，以方便在生产和质量控制期间通过最小化的调节进行光学对准。另外，在一个或多个实施方式中使用具有与铝制基板匹配的膨胀系数的注射成型工程聚合物减小或消除了与环境温度的改变有关的光学畸变。

本领域一般技术人员可基于下文中与附图一起考虑的详细说明想到一个或多个实施方式的额外的特征和优点。

附图说明

图1是示出根据本公开的代表性实施方式的用于具有光学参考面的光学仪器的紧凑型布置的光学框图；

图2是示出根据本公开的代表性实施方式的用于紧凑型光学仪器的壳体的立体图；

图3是光学仪器的紧凑型布置中的部件的透明立体图，示出了根据本公开的代表性实施方式的用于激励和发射的光路；

图4是将壳体的某些部分移除的立体图，以示出根据本公开的代表性实施方式的在光学仪器中被固定在光学参考面上方的部件的布置；

图5是示出根据本公开的代表性实施方式的具有用于移除样本支架模块的开口盖板的光学仪器的立体图；

图6A和6B示出了根据本公开的代表性实施方式的光学仪器中的模块化光源的用户可维修性；

图7是根据本公开的代表性实施方式的用于光学仪器的模块化光源的立体图；并且

图8示出了根据本公开的代表性实施方式的光学仪器的代表性上部光学装置组件。

具体实施方式

对根据本公开的系统和方法的多个代表性实施方式进行详细描述。然而，应理解的是代表性实施方式仅仅是例子，并且根据本公开的系统和方法可被实现为不同的和替代的形式。附图不一定按比例示出，并且某些特征可以被放大或缩小以显示特定部件的细节。因此，本文公开的特定的结构性和功能性细节不应认为是限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域一般技术人员以各种方式应用所要求保护的主题的代表性基础。可以提供简化的流程图或框图来表示系统或方法的代表性实施方式的操作。本领域一般技术人员将理解对于特定应用来说可不要求步骤或程序的次序，某些步骤可为了便于图示和说明而被省略，并且步骤或程序可以独立地重复和/或作为所示的步骤或程序的子集。同样，示出或描述的所有步骤无需提供本文所述的一个或多个优点。

本领域一般技术人员还会理解的是，参考任何一个附图示出和描述的本公开的多种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征进行结合，以产生没有明确示出或描述的本公开的实施方式。所示特征的结合提供了用于典型应用的代表性实施方式。然而，符合本公开的教导的特征的多种组合和变型可以应用于特定的应用或实施。

图1是示出根据本公开的代表性实施方式的用于具有光学参考板102的光学仪器100的紧凑型布置的光学框图。在一个或多个实施方式中，仪器100包括荧光性或吸光率光谱仪，其中一个或多个光学部件设置在板102的下方，并且一个或多个光学部件设置在板102的上方。板102用作为用于多个光学部件的光学参考面并且可被构造为将光学部件固定至上/顶表面104或下/底表面106。在图1的框图所示的代表性实施方式中，被示出为处于参考板102的下方的光学部件可直接或间接地固定至参考板的底表面。同样，被示出为处于参考板102的上方的光学部件可直接或间接地固定至参考板的顶表面。光学参考板102可固定在本文详细示出和描述的壳体内。

光学仪器100包括光源模块108，其具有在壳体内固定至板102的下方的照灯或其他光源。在一个或多个实施方式中，如参考图6A、6B详细示出和描述的那样，光源模块108是用户可维修的模块，其具有固定至模块且连接至模块的电连接器的照灯。在一个或多个实施方式中，光源模块108包括75W氙灯。

来自光源模块108的光被椭圆形反射器反射并且穿过空气到达反射镜112，反射镜112将光反射至具有用于单色仪116的对应入口狭缝的入射/入口狭缝轮114。单色仪116可固定至光学参考板102的底表面106。入口狭缝轮114可通过与控制器120通信的相关致动器118控制。在一个实施方式中，致动器118被实施在包括具有不同尺寸的六个入口狭缝的狭缝轮的定位机构内。致动器118使狭缝轮114旋转，以响应于来自控制器120的相关信号而将所选择的入口狭缝定位在来自光源模块108的光的光路中。

虽然在图1的代表性实施方式中被示出为处于光学参考板102的下方，但是控制器120可以位于光学参考板102的上方和/或下方。同样，控制器120可基于特定的应用和实施而设置在相关壳体的内部或外部并且可通过有线和/或无线通信通道与一个或多个部件通信。虽然在图1的简化框图中被示出为单一装置，但是与控制器120关联的特征或功能可基于特定的应用和实施而通过用于控制光学仪器100的多个部件的多个控制器来实现。控制器120总体上表示可包括一个或多个微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，FLASH、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)以及用于执行多种功能的软件代码的控制器或计算机。控制器120可直接地或使用有线或无线连接部经由网络与一个或多个系统传感器或致动器进行通信。

控制器120可被构造为或编程为执行一种或多种算法，以执行本文总体上描述的功能。基于多个实施方式的详细说明，由控制器120执行的控制逻辑、功能或算法对于本领域一般技术人员来说将是显而易见的。所示出和描述的控制特征和功能提供了可以使用诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等的一种或多种处理策略实施的代表性控制策略和/或逻辑。如此，多个步骤或功能可以如所述那样执行或者在一些情况下被省略。虽然并非总是明确示出，但是本领域一般技术人员会想到一个或多个步骤或功能可基于所使用的特定处理策略而重复执行。同样，处理的次序不是实现本文所述的特征和优点所必需的。可以主要在基于微处理器的控制器(例如控制器120)所执行的软件中实施控制逻辑。当然，可以如上所述基于特定应用在一个或多个控制器中的软件、硬件或软件和硬件的组合中实施控制逻辑。当在软件中实施时，控制逻辑可设置在存储有表示由计算机执行的代码或指令的数据的一个或多个非暂时性计算机可读存储装置或介质中，以控制一个或多个部件、处理数据、提供接收用户输入信号的用户界面等等。计算机可读存储装置或介质可包括一个或多个一系列的已知物理装置，其利用电子、磁性和/或光学存储器保存可执行的指令以及相关校正信息、操作变量、测量数据、计算结果等等。

继续参考图1的框图中所示的代表性实施方式，单色仪116可包括可移动的凹面衍射光栅122，其使光以基于波长的角度朝向出射狭缝124衍射。光学系统100与单色仪116或用于提供单色光束的其他装置的特定类型无关。由此，单色仪116可具有多个其他的内部和/或相关的外部部件，包括多种类型的衍射、折射或反射元件，例如反射镜、透镜、棱镜或例如具有凹面或平面形状因素的刻线式、闪耀式、全息式衍射光栅等等。控制器120可与单色仪16通信，以通过控制入口狭缝114以及光栅122的位置来对光的所需波长波段和强度的选择进行控制。

离开单色仪116的光通过透镜134会聚，然后通过反射镜126反射从光学参考板102的下方穿过光学参考板102中的第一开口130到达位于光学参考板102上方的一个或多个部件。穿过第一开口130的光通过反射镜132重定向并且穿过滤光轮136和偏光/滤光轮138。滤光轮136和偏光/滤光轮138可具有与控制器120通信的相关定位机构或致动器140，其控制滤光轮136和偏光/滤光轮138的旋转，以选择多个可用的偏光器或滤光器中的一个。

光束随后穿过透镜146并到达分束器142上，分束器142反射一部分光穿过偏光/滤光轮138到达与控制器120通信的参考探测器144。未经分束器142反射到参考探测器144的光穿过分束器142，以通过激励光束照亮样本148。样本148可通过相关样本支架模块150被定位在来自透镜146的激励光束的光路中。样本支架模块150可支撑被构造为容纳用于分析的样本的一个或多个比色皿。多种类型的样本支架模块150可以被可移除地固定至顶表面104以支撑样本148。样本支架模块可包括回转台马达152和一个或多个计量仪或传感器，例如表示为pH计154和温度传感器156。样本支架模块150可包括与控制器120通信的微控制器或其他处理器，以识别样本支架模块150的特定类型，从而为启动模块特征而提供动力(例如回转台马达152)，并且对来自计量仪或传感器(例如pH计154和温度传感器156)的模拟和/或数字信号进行中继。

穿过样本148的光穿过透镜158到达与控制器120通信的吸光率探测器160。例如通过荧光而经由样本148发出的光穿过透镜170并随后穿过偏光/滤光轮190和滤光轮192。类似于滤光轮136和偏光/滤光轮138，偏光/滤光轮190和滤光轮192可包括与控制器120通信的相关致动器(未示出)，以将多个滤光器和/或偏光器中所选择的一个定位到光束中。

在一个或多个实施方式中，如共同所有且共同未决的美国申请第15/844,069号中详细描述的那样，孔眼轮172或类似定位机构可用于将孔眼选择性地定位在分光仪186上游的样本148之间的光路中。如本文所述，孔眼可以定位在光路中或从其中移除，以调节分光仪的分辨率。替代地，孔眼轮172和相关定位机构或致动器174可与控制器120通信，以将多个不同尺寸的孔眼中所选择的一个定位在光路中。孔眼轮172和相关孔眼可位于透镜176的上游或透镜176的下游。在所示的代表性实施方式中，孔眼轮172位于透镜176的上游。反射镜178引导光通过透镜176穿过孔眼轮172中所选择的孔眼而从上方的光学参考板102穿过第二开口180到达光学参考板102下方的一个或多个部件，例如分光仪186。

穿过第二开口180的光穿过由与控制器184通信的相关定位机构或致动器184进行控制的相关入口狭缝轮182的可选入口狭缝。在一个实施方式中，入口狭缝轮182操作为将狭缝板中具有不同的宽度和共同的高度的多个入口狭缝中所选择的一个定位在通向分光仪186的入射光的光路中。穿过所选择的入口狭缝的光通过光栅188以基于波长的角度朝向分光仪186的探测器190衍射。分光仪186可包括具有电荷耦合器件(CCD)探测器190的固定式凹面光栅188。在一个或多个实施方式中，光栅188包括固定式凹面全息像差校正光栅。分光仪186可以是具有小于100mm的焦距的短焦距分光仪。在一个实施方式中，分光仪186具有70mm的焦距。分光仪186还可具有高数值孔径，例如大于(或快于)0.25(f/2)。在一个实施方式中，分光仪186具有0.22(f/2.2)的数值孔径，针对位于焦平面处的探测器190产生了较高的光收集效率和良好的通过量。

如图1的框图所示，光学仪器100包括一个或多个反射镜132、178，其固定至光学参考板102的顶表面104并且被构造为引导来自光源(例如单色仪116)的光穿过板102中的开口130而穿过样本148，并且引导来自样本148的光穿过板102中的开口180到达探测器(例如分光仪186)。光可通过对应的光学元件被引导穿过板102中的同一个开口，或者如代表性实施方式中所示那样穿过不同的开口。同样，光可通过光学元件被引导穿过大气，以耦合板102上方和下方的二维光路，或者例如可以通过一根或多根光纤来引导。然而，使用光纤可能增加系统的成本并且减小光学效率和相关通过量。光学仪器100可包括由第一反射镜112表示的一个或多个反射镜或其他元件，其固定至板102的底表面106且被构造为引导来自光源模块108的光到达单色仪116的输入部，以及第二反射镜126，其固定至板102的底表面106且被构造为引导来自单色仪116的输出部的光穿过第一开口130到达固定至板102的顶表面106的反射镜132。虽然示出的代表性实施方式包括用于沿着所需光路引导光束的一个或多个反射镜，但是本领域一般技术人员会想到可基于特定的应用和实施而通过多种其他的反射、折射或衍射光学装置来引导光束。

在一个或多个实施方式中，仪器100包括与控制器120通信且固定至板102的顶表面104的吸光率探测器160。吸光率探测器160定位在来自单色仪116的穿过样本148的光的光路中。同样，仪器100包括与控制器120通信且固定至板102的顶表面104的参考探测器144。参考探测器144被定位为在操作期间接收来自单色仪116的一部分光并且向控制器120提供对应的信号。仪器100还包括孔眼定位机构，例如孔眼轮172和致动器174，其设置在板102上方并与控制器120通信，并且被构造为响应于来自控制器120的定位信号而选择性地将孔眼定位为进入或离开样本148与分光仪186之间的光路。仪器100还可包狭缝板定位机构，例如狭缝板轮182和相关致动器184，其具有定位在样本148与分光仪186之间的光路中的包括具有不同的宽度和共同的高度的多个入口狭缝的狭缝板，狭缝板定位机构被构造为响应于来自控制器120的相关信号而将多个入口狭缝中的一个定位在光路中。一个或多个实施方式的壳体和板102结合了一种具有模塑光学控制点的高度集成的模塑设计，以方便在生产和质量控制期间通过最小化的调节进行光学对准。另外，在一个或多个实施方式中使用具有与铝制基板匹配的膨胀系数的注射成型工程聚合物减小或消除了与环境温度的改变有关的光学畸变。使用单一的光学参考板102促成了一种三维折叠光学设计，以提供一种在具有竞争力的成本下有效利用台面空间的用于荧光性和吸光率测量的紧凑型精密仪器。

仪器100的多个实施方式还可包括固定式凹面衍射光栅188，其被定位为接收穿过样本148之后的入射光束，并且使入射光束以基于波长的角度发生衍射。另外，探测器190可被定位为接收经固定式凹面衍射光栅188衍射的光并且被构造为响应于从固定式凹面衍射光栅188接收到的光而向控制器120提供信号。仪器100可包括样本托盘模块或样本支架模块150，其被构造为用于插入到板102顶部的壳体的样本室中。样本支架模块150可被构造为将样本148定位在单色仪116与分光仪186之间的光路中。样本支架模块150可包括被构造为识别模块150且与控制器120通信的微控制器。

如图1的框图所示，多个实施方式包括光学参考板102，其还可被称为中间板，其在板的上方和下方提供了用于对准光学部件的共用光学参考。这促成了一种三维光路，以提供一种紧凑型仪器，同时还通过在制造和质量控制期间提供最小化的部件调节和对准以及相对于参考板自对准的用户可维修的模块而减少了制造和维护成本。在一个或多个实施方式中，激励源、荧光探测器和相关光学装置设置在板的下方，同时样本支架、吸光率探测器、参考探测器和相关光学装置设置在板的上方。激励部件例如可包括光源、单色仪、滤光器、偏光器以及反射镜。荧光探测部件例如可包括偏光器、滤光器、具有多种构造的多种类型的分光仪或光谱仪、光栅以及探测器，探测器包括诸如光电倍增管(PMT)、光电二极管、单光子雪崩二极管(SPAD)等等的单通道探测器(SCD)，或者诸如电荷耦合器件(CCD)的多通道探测器。这种基本构造与相关机械安装接口、光学接口(四个端口)以及电气/逻辑接口相结合可以有效地提供用于多种应用的多个实施方式，这些实施方式全都利用这种紧凑型三维光学设计在提供光学效率的同时限制所需的台面空间。如下文中详细描述的那样，电气/逻辑接口促进了仪器控制器与可包括对共有的换能器(例如温度传感器、pH计等等)进行支撑的相关控制器的模块化样本托盘之间的电力和数据传输。

在一个实施方式中，多个反射镜被构造为引导来自下方的板102的激励光束穿过第一开口并且在一面上照亮样本比色皿或微量比色池。从各自具有不同的信息编码的样本比色皿或微量比色池的剩余的三个面离开的光随后重新向下被引导穿过板102中的一个或多个开口到达一个或多个探测器。例如，比色皿的与被照亮的面相对的面包含与大体上平直地穿过比色皿的光以及样本材料有关的透光度/吸光率信息。与照明轴线正交的两个剩余的面包含来自同一个样本的两个荧光发射通道。这三种光束被向下引导穿过板102中的一个或多个开口并且穿过可包括偏光器和/或滤光器的相关光学装置到达分光仪和探测器(单通道或多通道)。这个实施方式方便了对诸如涉及偏振的停流动力学的研究，其中使用不同的偏光器角度(通常是垂直和水平)对两个发射通道同时进行监控，但是还可包括称为“魔角”的位置中的一个。

在另一个实施方式中，显微镜被构造为附接至具有一个或多个定位/对准特征的板102的下表面，该定位/对准特征进行协作使显微镜相对于光学参考板102机械地对准。定位/对准特征可包括销、支架等等，以提供运动的/可重复的对准。由位于板102的第一侧上(即上方或下方)的光源产生的、被引导至板102的相对的一侧上的样本并且回到板102的第一侧的一束或多束光束可由显微镜使用，以进行多种类型的分析，例如落射荧光显微镜检查或传统的样本上方显微镜检查。

在一个或多个实施方式中，具有包括三维折叠光路的紧凑型设计的仪器的模块化样本处理特征可以与使用模块化机械接口被固定至光学参考板102的上表面的具有运动控制的微孔板或微滴板一起使用，以提供光学对准。可以使用具有透明底部的微孔板与同一时刻的荧光信号一起容易地执行激励/透射，这些信号可以全部被光学地向下引导穿过板102中的一个或多个开口以用于分析。仪器还可以容纳微流控芯片或以类似形式设置的装置，以提供通过伴随着荧光的激励进行光学检测的流动的样本，以及按照要求具有或不具有偏振的透光度/吸光率。

在另一个实施方式中，模块化附接件机械地和光学地连接至光学参考板102，从而允许两根以上的光纤或光纤束将来自板102的激励端口的光输送至其远端部处的外部样本或处理器。一根或多根光纤或光纤束使来自外部样本或处理器的光学信号返回至板102上的分析端口。例如，为了在同一时刻测量透光度和荧光性，光纤束可用于将激励光束输送至样本或处理器。大致相对于样本定位的(针对透光度为180度，针对荧光性基于所需测量为多种其他角度，通常是90度)来自样本或处理器的两根返回光纤或光纤束与用于通过探测器进行分析的板102的对应的光学分析端口接合。

本领域一般技术人员可想到使用本文所述的代表性实施方式所示出的具有光学参考板的紧凑型仪器设计的多种其他应用和实施。

图2是示出根据本公开的代表性实施方式的用于紧凑型光学仪器100的壳体200的立体图。壳体200可包括多个部件，图2中仅示出了其中一些。在一个或多个实施方式中，壳体200可包括铰接式盖板210，其可选择性地打开，以安装或移除上述模块化样本托盘模块。铰接式盖板210可包括铰接式样本门220，其可选择性地打开，以在不移除整个样本托盘模块的情况下替换模块化样本托盘所保持的样本比色皿。壳体200还可包括入口板230，以提供针对上述用户可维修的照灯模块的入口，在图6A、6B和7中详细示出。

图3是光学仪器100的紧凑型布置中的部件的透明立体图，示出了根据本公开的代表性实施方式的用于激励的光路300和用于发射的光路302。如图1和3所示出和描述的那样，仪器100包括为荧光性和吸光率测量提供便利的折叠三维光学布局，提供了通过穿过光学参考板102中的第一开口130和第二开口180两条垂直光路进行连接的两个水平光路平面，以提供一种紧凑型设计并且减少所需的台面空间。在图3的立体图中，省略了光学板102的绝大部分，以更好地示出用于激励的光路300和用于发射的光路302。如图3所示，光源108、激励单色仪116和具有CCD探测器的发射分光仪186全部在光学参考板102的下方位于壳体200的下部中。光源模块108可在壳体200中与延伸穿过反射器310的照灯对准。

激励光路300包括通过反射器310反射至折叠反射镜112的来自光源模块108的光，折叠反射镜112反射光穿过由与单色仪116关联的定位机构的致动器118控制的狭缝轮114的所选择的入口狭缝。来自单色仪116的光与入射光处于同一水平面中并且通过折叠反射镜126被垂直地重定向为向上穿过板102的第一开口130(图1)到达另一个折叠反射镜132。光随后在板102上方的第二水平面中移动，以在照亮样本(为了清楚被省略)之前穿过滤光轮136和偏光/滤光轮138到达透镜146。从样本发出的光(例如通过荧光)大体上垂直地移动穿过透镜170和通过致动器174控制的孔眼轮172的所选择的孔眼(其可以通过选择足够大的孔眼而被有效移除)。在板102上方的第二水平面中穿过孔眼轮172的光随后通过板102的第二开口180(图1)被垂直地向下重定向到分光仪186的输入部。在一个或多个实施方式中，可以设置大体上与发射光路302相对的在第二水平面中垂直于激励光路300的第二发射光路(未示出)，其中一个或多个光学部件被设置为引导从样本发出的光大体上垂直地穿过板102中的开口到达固定在板102下方的探测器。

用于吸光率测量的光路为了清楚而在图3中被省略，但是其在第二水平面中大体上延伸穿过样本位置到达滤光轮136对面的吸光率探测器，总体上如图4所示。

图4是将壳体200的某些部分移除并且省略了某些部件的立体图，以示出根据本公开的代表性实施方式的在光学仪器中被固定在光学参考板102上方的部件的布置。图4示出了第二水平面，其包括到达由样本托盘模块150定位的样本的激励光路300的上部、发射光路302的上部以及延伸至吸光率探测器160的吸光率光路308。壳体200的下部可包括用于将光源模块108固定在壳体200内的可旋转锁销420。可旋转锁销420或类似装置提供了用于不借助于工具移除和安装光源模块108的用户可维修性。

图5是示出根据本公开的代表性实施方式的具有用于移除样本支架模块150的开口盖板210的光学仪器100的立体图。样本支架模块150被构造为用于插入到光学参考板上方的壳体200内的样本室中，以将样本定位在如上所述的单色仪与分光仪之间的光路中。样本托盘或支架模块150可包括被构造为识别样本托盘模块并且连接至电连接器的微控制器，该电连接器被构造为与样本室内的壳体中的互补的电连接器接合并且连接至控制器120(图1)。

图6A和6B示出了根据本公开的代表性实施方式的光学仪器100中的模块化光源的用户可维修性。图7是根据本公开的代表性实施方式的用于光学仪器100的模块化光源的立体图。仪器100包括具有上述入口板的壳体200，该入口板被移除以示出光源模块108的安装。在一个或多个实施方式中，光源模块108包括照灯610，其固定至模块并且连接至模块108的电连接器620，电连接器620被构造为在模块108插入壳体200中时与壳体200中的互补的电连接器接合。模块108被构造为可不借助于紧固件通过相关锁销420或类似机构从光学仪器100中移除或选择性地固定在壳体200中。

模块108包括具有用于在壳体200内自对准的多个定位特征的壳体700。在一个或多个实施方式中，定位特征可包括用于正确对准的不对称的外部形状或与壳体200中的相关开口匹配的几何结构。额外的定位特征可包括与壳体200中对应的狭槽或类似特征接合的凸缘或导轨710、712和714。可以通过与固定在壳体200内且具有适于接收照灯610的开口的光源反射器的背部上的对应的表面接合的相关定位表面或特征720来提供照灯610的光学对准。

图8示出了根据本公开的代表性实施方式的用于光学仪器的代表性上部光学装置组件。在一个或多个实施方式中，光学组件800或类似装置可用作为将所选择的光学部件定位在光束的光路中的定位机构。例如，光学组件800可用作为定位装置，其基于从用于控制仪器100的一个或多个相关控制器提供给相关致动器的信号来将所选择的入口狭缝、所选择的孔眼、所选择的偏光器、所选择的滤光器、所选择的透镜等等定位在光束的光路中。

在多个实施方式中，组件800包括壳体802，其可被构造为固定至图1所示的板102的顶表面104或板102的底表面106。壳体802可直接将反射镜804固定至板102，并且可包括用于反射镜804的光学对准的一个或多个调节设定螺钉。壳体802可包括一个或多个致动器，其具有与步进马达808协作的一个或多个齿轮806以选择性地使轮810旋转或使类似装置移动，以将安装在轮810中的多个光学部件中的一个(总体上表示为812)定位在光束的光路中。壳体802可容纳总体上表示为具有多个光学部件822的第二轮820的一个以上的轮和致动器。盖板或端板830可固定至壳体802。端板830可被构造为接收一个或多个固定式或可调节的光学元件840。在一个或多个实施方式中，端板830包括用于可调节的对焦透镜组件的支架840。

组件800可基于特定的应用而在仪器100内变化，并且可包括单一的轮810、由轮820表示的双轮构造或多个轮。同样，组件800或类似定位机构可用于针对单色仪116选择多个入口狭缝中的一个、针对分光仪186选择多个入口狭缝中的一个、选择多个偏光器或滤光器136中的一个或者将孔眼选择性地定位为进入或离开上文中参考图1描述的分光仪186上游和样本148下游的光路。

本领域一般技术人员会理解的是上文描述和示出的一个或多个实施方式可提供相关优点，包括一种具有用于荧光性和吸光率测量的三维折叠光学设计的紧凑型仪器，其在具有竞争力的成本下有效地利用了台面空间。使用模块化光源模块提供了一种预安装和预对准的光源，其可以不借助于工具通过用户安装在仪器内，消除了用于更换和对准的技师服务请求。模块化样本托盘促成了多种类型的单一或多重比色皿，其具有集成的微控制器，以用于马达控制的回转台的自识别、电力以及来自集成的计量仪(例如温度计或pH计)的数字或模拟信号的信号传输。一个或多个实施方式的壳体和光学参考板结合了一种具有模塑光学控制点的高度集成的模塑设计，以方便在生产和质量控制期间通过最小化的调节进行光学对准。另外，使用具有与基板匹配的膨胀系数的注射成型工程聚合物减小或消除了与环境温度的改变有关的光学畸变。

虽然上文描述了代表性实施方式，但并非意味着这些实施方式描述了根据本公开的用于多孔固体和粉末材料的表面特征的系统或方法的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性的，并且应理解的是可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出多种变化。如上所述，多个代表性实施方式的特征可以通过没有明确示出或描述的方式进行结合，以形成另外的实施方式。虽然可能已经描述了在一个或多个所需特征方面与其他实施方式或现有技术实施相比提供了优点或是优选的多个实施方式，但是本领域一般技术人员会想到一个或多个特征可以做出妥协来实现所需的系统特性，这取决于特定的应用和实施。这些特性包括但不限于：成本、强度、耐久度、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、组装便利性、操作等等。在一个或多个特征方面与其他实施方式或现有技术实施相比描述较少的本文所述的任何实施方式都没有超出本公开的范围并且可适用于特定应用。

Claims (23)

1.一种光学仪器，其包括：

壳体；

板，其设置在所述壳体内并且被构造为将光学部件固定至所述板的顶表面或底表面；

光源；

探测器；

至少一个反射镜，其固定至所述板并且被构造为引导来自所述光源的光穿过所述板中的至少一个开口到达样本，并且引导来自所述样本的光穿过所述板中的所述至少一个开口到达所述探测器；以及

控制器，其被构造为与所述光源和所述探测器通信。

2.根据权利要求1所述的光学仪器，其还包括单色仪，其中所述至少一个反射镜包括：

第一反射镜，其固定至所述板的所述底表面并且被构造为引导来自所述光源的光到达所述单色仪的输入部；以及

第二反射镜，其固定至所述板的所述底表面并且被构造为引导来自所述单色仪的输出部的光穿过所述板中的所述至少一个开口到达所述至少一个反射镜中的一个，所述至少一个反射镜固定至所述板的所述顶表面。

3.根据权利要求2所述的光学仪器，其还包括透镜，其在所述光源与所述第一反射镜之间的光路中固定至所述板的所述底表面。

4.根据权利要求1所述的光学仪器，其中，所述光源设置在所述板的下方。

5.根据权利要求1所述的光学仪器，其还包括样本支架，其被构造为保持所述样本并且可移除地固定至所述板的所述顶表面。

6.根据权利要求1所述的光学仪器，其中，所述壳体包括入口板，并且其中所述光源包括模块，所述模块具有固定至所述模块并且连接至所述模块的电连接器的照灯，所述模块被构造为在将所述模块插入到所述壳体中时与所述壳体中的互补的电连接器接合，所述模块被构造为可通过所述入口板从所述光学仪器中移除并且通过相关的锁销被固定在所述壳体中。

7.根据权利要求1所述的光学仪器，其还包括吸光率探测器，其与所述控制器通信并且被固定至所述板的所述顶表面，所述吸光率控制器被定位在来自所述光源的穿过所述样本的光的光路中。

8.根据权利要求1所述的光学仪器，其还包括参考探测器，其与所述控制器通信并且被固定至所述板的所述顶表面，所述参考探测器被定位为接收来自所述光源的一部分光并且向所述控制器提供相应的信号。

9.根据权利要求1所述的光学仪器，其还包括孔眼定位机构，其设置在所述板的所述顶表面上方并且与所述控制器通信，所述孔眼定位机构被构造为响应于来自所述控制器的定位信号而选择性地将孔眼定位为进入或离开所述样本与所述探测器之间的光路，其中所述探测器包括分光仪。

10.根据权利要求9所述的光学仪器，其还包括与所述控制器通信的狭缝板定位机构，所述狭缝板定位机构具有狭缝板，所述狭缝板包括具有不同的宽度和共同的高度的多个入口狭缝，所述狭缝板被定位在所述样本与所述分光仪之间的所述光路中，所述狭缝板定位机构被构造为响应于来自所述控制器的信号而将所述多个入口狭缝中的一个定位在所述光路中。

11.根据权利要求1所述的光学仪器，其中，所述光源包括分光仪，其包括：

固定式凹面衍射光栅，其被定位为接收穿过所述样本之后的入射光束，并且使所述入射光束以基于波长的角度发生衍射；以及

探测器，其被定位为接收经所述固定式凹面衍射光栅衍射的光并且被构造为响应于从所述固定式凹面衍射光栅接收到的光而向所述控制器提供信号。

12.根据权利要求1所述的光学仪器，其中，所述壳体包括铰接式样本入口门，其可选择性地打开，以进入具有由所述板的所述顶表面限定的底部的样本室，所述光学仪器还包括：

样本托盘模块，其被构造为用于插入到所述样本室中并且将所述样本定位在所述光源与所述探测器之间的光路中，所述样本托盘模块具有微控制器，微控制器被构造为识别所述样本托盘模块并且连接至相关的电连接器，所述相关的电连接器被构造为在所述样本托盘模块插入到所述样本室中时与连接至控制器并且设置在所述样本室内的互补的电连接器接合。

13.根据权利要求1所述的光学仪器，其中，所述光源包括具有固定式凹面光栅的分光仪，所述分光仪具有小于100mm的焦距。

14.一种光学仪器，其包括：

壳体，其具有板，所述板被构造作为用于所述光学仪器的一个或多个光学部件的光学参考面并且被构造为将所述光学部件固定在所述板的上方或下方；

光源，其在所述板的下方被设置在所述壳体中；

单色仪，其设置在所述板的下方并且固定至所述板；

具有固定式凹面光栅的分光仪，所述分光仪设置在所述板的下方并且固定至所述板；

一个或多个反射镜，其设置在所述板的上方、固定至所述板并且被构造为引导来自所述单色仪的光通过所述板中的第一开口穿过设置在所述板的上方的样本，并且引导来自所述样本的光穿过所述板中的第二开口到达所述分光仪；以及

控制器，其被构造为与所述单色仪和所述分光仪通信。

15.根据权利要求14所述的光学仪器，其还包括孔眼，其被构造为通过与所述控制器通信的致动器被选择性地定位为进入或离开所述样本与所述分光仪之间的光路。

16.根据权利要求15所述的光学仪器，其中，所述孔眼设置在所述板的上方。

17.根据权利要求14所述的光学仪器，其还包括样本托盘模块，其被构造为用于插入到位于所述板的上方的所述壳体的样本室中并且将所述样本定位在所述单色仪与所述分光仪之间的光路中，所述样本托盘模块具有微控制器，所述微控制器被构造为识别所述样本托盘模块并且连接至电连接器，所述电连接器被构造为在所述样本室内与所述壳体中的互补的电连接器接合并且连接至所述控制器。

18.根据权利要求14所述的光学仪器，其中，所述光源包括模块，所述模块具有固定至所述模块并且连接至所述模块的电连接器的照灯，所述模块被构造为在将所述模块插入到所述壳体中时与所述壳体中的互补的电连接器接合，所述模块被构造为可通过所述壳体的入口板从所述光学仪器中移除并且通过相关的锁销不借助于紧固件被固定在所述壳体中。

19.根据权利要求14所述的光学仪器，其还包括：

吸光率探测器，其设置在所述板的上方并且固定至所述板，所述吸光率探测器被构造为与所述控制器通信并且设置在来自所述单色仪的光在穿过所述样本之后的光路中；以及

参考探测器，其设置在所述板的上方并且固定至所述板，所述参考探测器被构造为与所述控制器通信并且被构造为接收来自所述单色仪的一部分光。

20.根据权利要求14所述的光学仪器，其还包括与狭缝板关联的致动器，所述狭缝板具有各自具有不同的宽度和预定的高度的多个入口狭缝，所述致动器设置在所述板的下方并且被构造为与所述控制器通信，以将所述多个入口狭缝中的一个定位在通向所述分光仪的入射光束的光路中。

21.一种光学仪器，其包括：

板，其具有上表面和下表面；

第一光学部件，其固定至所述板的所述上表面；以及

第二光学部件，其固定至所述板的所述下表面。

22.根据权利要求21所述的光学仪器，其中，所述第二光学部件包括光源、探测器、单色仪和分光仪中的至少一个。

23.根据权利要求22所述的光学仪器，其还包括：

固定至所述板的所述下表面的至少一个反射镜，其被构造为引导来自所述第二光学部件的光穿过所述板中的第一开口；以及

固定至所述板的所述上表面的至少一个反射镜，其被构造为引导来自所述板中的所述第一开口的光到达所述第一光学部件，并且引导来自所述第一光学部件的光穿过所述板中的第二开口。

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