CN113899699B - 用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统 - Google Patents
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Abstract
用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统属于非成像光学领域。能够实现检测光、级联双环生物传感器、光电探测器三者之间的简便、无损对光。在本发明中，一维振镜位于分光镜的检测光反射光路上；出入射透镜组位于一维振镜的检测光反射光路上；出入射透镜组能够将一维振镜等角度摆转反射的检测光在垂直于出入射透镜组主光轴的方向上等距离且平行于出入射透镜组主光轴出射，同时能够将在垂直于出入射透镜组主光轴的方向上等距离且平行于出入射透镜组主光轴入射的信号光及参考光聚焦于与一维振镜摆转轴对应的一维振镜的反射镜面上；输出透镜位于分光镜的信号光及参考光透射光路上；两个PD分别位于输出透镜的信号光及参考光的输出光路上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，属于非成像光学系统技术领域。
背景技术
芯片式生物分子检测仪是一种光子集成芯片，具有集成度高的特点，采用芯片式生物分子检测仪检测生物分子，具有样品量小、可多参量同时检测、高通量、免标记等诸多优点，在生物检测、医学诊断、环境监测、食品安全等领域都有广泛的应用。
芯片式生物分子检测仪的核心是级联双环生物传感器，所述级联双环生物传感器由多级双环生物传感器级联而成。在双环生物传感器中，如图1所示，检测光接收端、信号光发出端(Drop)、参考光发出端(Pass)均设置一个耦合光栅1，各个耦合光栅1、传感环2、参考环3之间由波导4连接。在检测过程中，待测生物分子样品置于传感环2中，参考环3空置；来自光源的检测光由光纤5导入到检测光接收端的耦合光栅1中；自信号光发出端的耦合光栅1发出的信号光由光纤5导入到PDdrop(信号光光电探测器)上，并输出信号光光强电信号Idrop；自参考光发出端的耦合光栅1发出的参考光由光纤5导入到PDpass(参考光光电探测器)上，并输出参考光光强电信号Ipass；由信号处理器根据两个光强电信号得出待测生物分子样品的生物分子信息，判定待测生物分子样品是哪种生物分子。
所谓级联双环生物传感器6则是在一个硅衬底上制作若干双环生物传感器，如图2所示，它们一字排列，各个双环生物传感器的检测光接收端、信号光发出端、参考光发出端朝向一致、等距排列，因而各个耦合光栅1也呈线阵排布。所述级联双环生物传感器6其对光方案如下所述。与所述级联双环生物传感器6的各端对应的各条光纤5组合成一个光纤阵列7，将来自同一光源的检测光分别导入各个双环生物传感器，将来自每一个双环生物传感器的信号光、参考光导入各自的一对PDdrop、Idrop上，再由同一个信号处理器对所接收的各组光强电信号Idrop和Ipass进行处理。可见，所述级联双环生物传感器能够同时检测多个待测生物分子样品。
不过，所述级联双环生物传感器的对光方案存在诸多不足。首先，需要专门制作光纤阵列7，确保每根光纤5与耦合光栅1对准，如利用六维调节架反复调节光纤阵列7的位置，操作繁琐，对准调节工作量大；且依然难以精确对准，造成光能损失；还有可能因光纤5端面与耦合光栅1接触而造成损坏；对准调节完毕，需要用用紫外固化胶将光纤阵列7与级联双环生物传感器6位置关系固定，不论是光纤阵列7，还是级联双环生物传感器6，均无法另行二次利用。其次，一个光源同时为n个双环生物传感器提供检测光，每个双环生物传感器得到的检测光的光能量只有光源发出的光能量的n分之一，之后得到的信号光、参考光的光强势必很弱。第三，与n个双环生物传感器对应，需要配备n对光电探测器(PD)，因此，在现有技术中，实际上还存在一个PD阵列8，如图2所示，这使得现有对光方案结构更加复杂，成本也非常高。
发明内容
为了克服现有级联双环生物传感器对光方案的不足，我们提出一项名称为用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统的技术方案，该方案能够分时依次与级联双环生物传感器中的每一个双环生物传感器进行检测光、信号光、参考光的简便、高效、无损伤耦合，只需1对光电探测器即可完成每一个双环生物传感器光强信号的接收和传送。
本发明之用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统其特征在于，如图3～图5所示，分光镜9的工作镜面与入射检测光光轴的夹角为45°，一维振镜10位于分光镜9的检测光反射光路上，一维振镜10处在0°位置时，其反射镜面与所述检测光反射光光轴的夹角为45°；出入射透镜组11位于一维振镜10的检测光反射光路上，出入射透镜组11的主光轴与处在0°位置时的一维振镜10的检测光反射光路光轴重合，出入射透镜组11的物方焦点位于与一维振镜10摆转轴对应的一维振镜10的反射镜面上；如图4～图6所示，出入射透镜组11能够将一维振镜10等角度摆转反射的检测光在垂直于出入射透镜组11主光轴的方向上等距离且平行于出入射透镜组11主光轴出射，同时能够将在垂直于出入射透镜组11主光轴的方向上等距离且平行于出入射透镜组11主光轴入射的信号光及参考光聚焦于与一维振镜10摆转轴对应的一维振镜10的反射镜面上；再如图3～图5所示，输出透镜12位于分光镜9的信号光及参考光透射光路上，输出透镜12的主光轴与分光镜9的检测光反射光路光轴重合，且与分光镜9的工作镜面的夹角为45°；PDdrop、PDpass分别位于输出透镜12的像方焦距内、信号光及参考光的输出光路上，PDdrop、PDpass各自的感光面位于同一与输出透镜12的主光轴垂直的平面上。
在采用本发明将来自光源的检测光与级联双环生物传感器6对光的过程中，如图4、图5所示，只需将级联双环生物传感器6的呈线阵排布的耦合光栅1置于出入射透镜组11的检测光出射光路、信号光及参考光入射光路上即可，当然，为了提高耦合效率，耦合光栅1法线应当与出入射透镜组11主光轴呈某一角度，如7°角。当来自光源的检测光与分光镜9呈45°角入射后，被分光镜9反射的部分再被处在某一角度姿态的一维振镜10反射，之后再由出入射透镜组11投射于级联双环生物传感器6中某一个对应的双环生物传感器的检测光接收端耦合光栅1上，在与垂直于出入射透镜组11主光轴的方向上微调级联双环生物传感器6的位置，即可实现该耦合光栅1与检测光的接收对准。由于级联双环生物传感器6的各个耦合光栅1按确定间距等距呈线阵排布，并且，在次之后的与其他各级双环生物传感器的对光过程中，一维振镜10按与所述确定间距对应的确定摆转角等角度摆转，必然能够实现检测光与其他各级双环生物传感器检测光接收端耦合光栅1的接收对准，也就是说，级联双环生物传感器6位置微调一次性完成。紧接着，接收检测光的双环生物传感器的信号光发出端、参考光发出端各自的耦合光栅1分别发出信号光、参考光，该信号光、参考光分别入射出入射透镜组11，经过出入射透镜组11多次折射，以不同的入射角照射到一维振镜10的反射镜面上并被反射，此时，一维振镜10仍处在所述某一角度姿态中，之后，信号光、参考光经过输出透镜12的折射，分别照射到PDdrop、PDpass的感光面上，获得一组光强电信号Idrop和Ipass。当一维振镜10摆转某一预设角度，检测光被另一个双环生物传感器接收，该双环生物传感器发出的信号光、参考光最后同样照射到同一对PDdrop、PDpass的感光面上，获得另一组光强电信号Idrop和Ipass，如此重复，完成各级双环生物传感器中的待测生物分子样品的检测。
关于本发明其技术效果，概括地说，本发明一方面能够将一束检测光分时逐路出射到级联双环生物传感器6中的每一级双环生物传感器，另一方面能够将每一级双环生物传感器发出的信号光、参考光分时逐路分别导入两个光电探测器PDdrop、PDpass中，实现一个检测光源与级联双环生物传感器的包括无机械损伤、无光能损失在内的无损、快捷、可重复对光。
相比于现有技术本发明其技术效果具体在于，首先，一旦级联双环生物传感器6呈线阵排布的各个耦合光栅1处在出入射透镜组11的像方光场中，只需一次性微调级联双环生物传感器6的位置，即可实现光源与级联双环生物传感器6的准确对光；在出入射透镜组11与级联双环生物传感器6之间，不论是检测光还是信号光、参考光，均与出入射透镜组11主光轴平行传输，因此，从理论上对二者之间的距离无要求，实际上尽量接近即可，如8mm，不存在因接触而造成器件损坏的问题。其次，本发明是以分时的方式逐一完成级联双环生物传感器6中各级双环生物传感器中的待测生物分子样品的检测，也就是说在每一级的检测过程中，来自光源的检测光应该是全部用于该级检测，虽然，当分光镜9采用半透半反镜时，也应该有二分之一的检测光能量用于一级检测，而现有技术则是1/n，如十六分之一，因此，本发明能够得到较强的信号光和参考光，检测灵敏度得到提高。第三，从本发明的结构可知，在本发明之对光系统中只设置一对光电探测器(PD)，同样能够完成多级检测，就此而言，对光系统结构得到简化，成本明显降低。
本发明其技术效果还在于，虽然本发明作为一个光学系统而存在，但是，也最大程度简化结构，例如，本发明之对光系统包括两大部分，即检测光出射部分和信号光、参考光入射部分，实际上两大部分共用程度很高，狭义的出射部分由一维振镜10、出入射透镜组11组成，一维振镜10、出入射透镜组11同时又借助分光镜9与输出透镜12组成入射部分，出入射透镜组11实现了检测光、信号光、参考光的共孔径传输。
附图说明
图1是双环生物传感器结构放大示意图。图2是现有级联双环生物传感器采用光纤阵列的对光方案局部剖视示意图。图3是本发明之用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统结构示意图。图4、图5分别是本发明之用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统中的一维振镜摆转到两个极限角度时检测光、信号光、参考光的光路图，图4同时作为摘要附图。图6是本发明之用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统中的检测光出射部分工况ZEMAX仿真图。
具体实施方式
本发明之用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统工作波段为1040nm～1060nm，适应主波长为1050nm的检测光。
分光镜9是一块光学平行平板，工作镜面镀有所述工作波段的半透半反膜。
一维振镜10的初始工位为正极限角度位置，一维振镜10等角度向负极限角度位置摆转确定其他工位。
在出入射透镜组11中，自检测光入射端起依次有双凸透镜13、凸凹透镜14、凹凸透镜15；其中，双凸透镜13、凹凸透镜15为正透镜，凸凹透镜14为负透镜；各个透镜镜面均为球面。
一维振镜10的摆转等角度由以下参数确定：在出入射透镜组11主光轴上，一维振镜10、双凸透镜13、凸凹透镜14、凹凸透镜15的镜面间距d4、d5、d6，双凸透镜13、凸凹透镜14、凹凸透镜15的透镜厚度D1～D3；双凸透镜13、凸凹透镜14、凹凸透镜15的镜面曲率半径r1～r6；双凸透镜13、凸凹透镜14、凹凸透镜15的透镜折射率n1～n3；级联双环生物传感器6相邻耦合光栅1的感光面中心距。当级联双环生物传感器6相邻耦合光栅1的感光面中心距为127μm，其他参数取自表1，计算得到一维振镜10的摆转等角度为0.606°，当级联双环生物传感器6的级数为16级时，一维振镜10的工位角度如表2所示。
表1
表2
| ±0.303° | ±0.909° | ±1.515° | ±2.121° | ±2.727° | ±3.333° | ±3.939° | ±4.545° |
由表2可知，正极限角度、负极限角度为±4.545°。
输出透镜12为正透镜，两个透镜镜面均为球面。其具体参数如表1所示。
本发明迎合了双环生物传感器检测光接收端居中、信号光发出端(Drop)、参考光发出端(Pass)两侧等距排布的结构特点，同时，信号光、参考光经过出入射透镜组11的多次折射，如6次，以不同的角度入射处在某一角度姿态的一维振镜10，被一维振镜10同样以不同的角度反射，对称入射输出透镜12，如图4、图5所示，如此的光学设计，使得分光镜9到两个光电探测器PDdrop、PDpass的距离减半，如只有375mm，PDdrop、PDpass相距6mm，使得对光系统的结构更加紧凑。
入射透镜组11中的双凸透镜13、凸凹透镜14、凹凸透镜15的材质为具有高折射率的重火石玻璃，如H-ZF6，如此选材能够更好地校正由一维振镜10摆转带来的边缘光线的像差，同时还能够减少透镜数量，使得对光系统轻量化、简洁化，并且还能达到衍射极限。
Claims (7)
1.用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，分光镜(9)的工作镜面与入射检测光光轴的夹角为45°，一维振镜(10)位于分光镜(9)的检测光反射光路上，一维振镜(10)处在0°位置时，其反射镜面与所述检测光反射光光轴的夹角为45°；出入射透镜组(11)位于一维振镜(10)的检测光反射光路上，出入射透镜组(11)的主光轴与处在0°位置时的一维振镜(10)的检测光反射光路光轴重合，出入射透镜组(11)的物方焦点位于与一维振镜(10)摆转轴对应的一维振镜(10)的反射镜面上；出入射透镜组(11)能够将一维振镜(10)等角度摆转反射的检测光在垂直于出入射透镜组(11)主光轴的方向上等距离且平行于出入射透镜组(11)主光轴出射，同时能够将在垂直于出入射透镜组(11)主光轴的方向上等距离且平行于出入射透镜组(11)主光轴入射的信号光及参考光聚焦于与一维振镜(10)摆转轴对应的一维振镜(10)的反射镜面上；输出透镜(12)位于分光镜(9)的信号光及参考光透射光路上，输出透镜(12)的主光轴与分光镜(9)的检测光反射光路光轴重合，且与分光镜(9)的工作镜面的夹角为45°；PDdrop、PDpass分别位于输出透镜(12)的像方焦距内、信号光及参考光的输出光路上，PDdrop、PDpass各自的感光面位于同一与输出透镜(12)的主光轴垂直的平面上，所述PDdrop为信号光光电探测器，所述PDpass为参考光光电探测器。
2.根据权利要求1所述的用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，工作波段为1040nm～1060nm。
3.根据权利要求2所述的用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，分光镜(9)是一块光学平行平板，工作镜面镀有所述工作波段的半透半反膜。
4.根据权利要求1所述的用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，一维振镜(10)的初始工位为正极限角度位置，一维振镜(10)等角度向负极限角度位置摆转确定其他工位。
5.根据权利要求1所述的用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，在出入射透镜组(11)中，自检测光入射端起依次有双凸透镜(13)、凸凹透镜(14)、凹凸透镜(15)；其中，双凸透镜(13)、凹凸透镜(15)为正透镜，凸凹透镜(14)为负透镜；各个透镜镜面均为球面。
6.根据权利要求1所述的用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，一维振镜(10)的摆转等角度由以下参数确定：在出入射透镜组(11)主光轴上，一维振镜(10)、双凸透镜(13)、凸凹透镜(14)、凹凸透镜(15)的镜面间距d4、d5、d6，双凸透镜(13)、凸凹透镜(14)、凹凸透镜(15)的透镜厚度D1～D3；双凸透镜(13)、凸凹透镜(14)、凹凸透镜(15)的镜面曲率半径r1～r6；双凸透镜(13)、凸凹透镜(14)、凹凸透镜(15)的透镜折射率n1～n3；级联双环生物传感器(6)相邻耦合光栅(1)的感光面中心距。
7.根据权利要求1所述的用于级联双环生物传感器出入射共孔径多路空间对光系统，其特征在于，输出透镜(12)为正透镜，两个透镜镜面均为球面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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