CN1267753C - 梯度折射率棒形透镜单元和具有其的微量化学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有所需色差的梯度折射率棒形透镜单元。该梯度折射率棒形透镜单元由两个色差不同的梯度折射率棒形透镜11和12组成，并且调节其整体长度，将这两个梯度折射率棒形透镜串联设置，且将其光轴对准。可以将梯度折射率棒形透镜单元的色差设置成处于各梯度折射率棒形透镜11和12固有色差范围之内的某一数值。

Description

梯度折射率棒形透镜单元和具有其的微量化学系统

技术领域

本发明涉及一种包括多个梯度折射率棒形透镜的梯度折射率棒形透镜单元，以及具有该透镜单元的微量化学系统。

背景技术

传统上，将梯度折射率棒形透镜用在通信应用领域的准直器、光纤中所使用的光耦合元件、医学应用领域的内窥镜物镜、光盘系统如CD播放器和DVD播放器中所使用的物镜中。

这种梯度折射率棒形透镜是由从中心到边缘折射率连续改变的圆柱形透明元件构成，称作聚光-透光体(converginglight-transmitting body)，由r的二次方程近似给出径向方向距中轴距离为r的位置处的折射率n(r)，

            n(r)＝n₀{1-(g²/2)·r²}

其中n₀表示中心轴处的折射率，g表示平方分布常数。

如果在0＜z₀＜π/2g的范围内选择棒形透镜的长度z₀，则即使棒形透镜的两个端面均为平面，棒形透镜的图像信息特性也将与常规凸透镜相同；当平行光束入射在棒形透镜的一个端面上时，在距棒形透镜另一端面(光束出射的端面)距离为s₀的位置处将形成一焦点，其中：

            s₀＝cot(gz₀)/n₀g

可使用圆柱形的具有这种性质的梯度折射率棒形透镜，从而易于将其包含到多种设备中。另外，梯度折射率棒形透镜的两个端面是与棒形透镜光轴正交的平面，并且易于对光学系统实现光轴调准。

可通过下述方法制造这种梯度折射率棒形透镜，例如：

由主要成分为57到63mol％的SiO₂，17到23mol％的B₂O₃，5到17mol％的Na₂O，和3到15mol％的Tl₂O的玻璃形成棒形元件。然后在离子交换介质如硝酸钾盐浴中对该玻璃棒元件进行处理，从而实现玻璃中的铊离子和钠离子与介质中的钾离子之间的离子交换，因此使玻璃棒元件具有一定折射率分布，其中从玻璃棒元件中心朝向其边缘折射率连续减小。根据这种制造方法，甚至易于以较低成本制造出直径不大于1mm的梯度折射率棒形透镜。此外，甚至可以由透明塑料而非玻璃制造具有相同性质的梯度折射率棒形透镜。

梯度折射率棒形透镜的适宜用途包括微量化学系统，微量化学系统为用于实现化学反应的一种集成技术。这种微量化学系统旨在一样品上能实现混合、反应、分离、提取等所有功能，该样品放置在非常窄的通道中，该通道形成于小玻璃基片等中。可以使用具有单一功能如分离功能的微量化学系统，或者使用具有多种功能的微量化学系统。微量化学系统中所执行的反应的例子包括重氮化反应、硝化反应和抗原抗体反应。提取/分离的例子包括溶剂萃取、电泳分离和塔分离(column separation)。

作为唯一目的是‘分离’的一个例子，日本未审查专利公开(特开平)No.8-178897提出了一种用于分析极小量蛋白质、核酸等的电泳设备。这种电泳设备分析极小量的蛋白质、核酸等，并具有由连接在一起的两个玻璃基片组成的形成通道的板形元件。因为元件为板形，与具有圆形或矩形横截面的玻璃毛细管的情形相比，产生断裂的可能性更小，从而易于运输。

在微量化学系统中，由于样品的量非常少，高精度检测方法是必要的。作为这类高精度检测方法，已经建立一种光热转换光谱分析方法，其利用通过在极窄通道中带有液体的样品吸收光产生的热透镜效应。通过上述分析方法的建立开启了制定适合实际用途的所需精确的检测方法的途径。

光热转换光谱分析方法利用光会聚照射在样品上时的光热转换效应，由于样品中溶质所吸收的光而发射出的热能使溶剂的温度局部升高，引起折射率改变，从而产生热透镜。

图5用于解释热透镜的原理。

在图5中，激发光的会聚光束通过显微镜的物镜照射在极小样品上，在其上发生光热转换效应。对于大多数物质而言，随着温度升高折射率下降，从而朝向激发光的会聚光束的中心方向，样品折射率的下降率更大，而会聚光束的中心正是温升最高的位置。由于热扩散，随着距激发光的会聚光束的中心距离的增大，即到激发光的会聚光束的边缘的距离减小，温升变小，因此折射率下降变小。光学上，这种折射率变化图案带来的效果与凹透镜的相同，从而这种效应称为热透镜效应。热透镜效应的大小，即热透镜的功率正比于样品的吸光率。此外，在折射率随温度增大的情形中，产生与上述相反的效应，即与凸透镜相同的效应。

在执行使用上述热透镜的光热转换光谱分析方法的大多数情形下，要求激发光的焦点位置与检测光的焦点位置应当彼此不同。图6A和图6B用于解释热透镜的形成位置以及在激发光传播方向检测光的焦点位置。图6A表示物镜具有色差的情形，而图6B表示物镜没有色差的情形。

在根据使用热透镜的光热转换光谱分析方法的测量中，在物镜130具有色差时，如图6A所示，在激发光的焦点位置132处形成热透镜131。检测光的焦点位置133偏离激发光的焦点位置132的量为ΔL，从而可根据检测光检测出热透镜131折射率的改变作为检测光焦距的变化。另一方面，当物镜130不具有色差时，检测光的焦点位置133几乎完全与激发光的焦点位置132，即热透镜131的位置完全相同，如图6B中所示。从而热透镜131不偏转检测光，因此不能检测到热透镜131内的折射率的变化。

激发光焦点位置与检测光焦点位置之差存在最佳数值。由激发光和检测光的波长，激发光和检测光的强度，样品的浓度，样品的厚度等决定该最佳数值。希望激发光焦点位置与检测光焦点位置之差ΔL满足Ic＜ΔL＜30·Ic。

由Ic＝π·(d/2)²/λ₁给出共焦长度Ic(nm)，其中d表示爱里斑(Airy disk)直径，且由d＝1.22×λ₁/NA给出，λ₁表示激发光的波长(nm)，NA表示透镜的数值孔径。

上述差值ΔL的最佳数值随将要被分析的样品的厚度而变化。当对厚度小于共焦长度的样品进行测量时，优选ΔL等于Ic＜ΔL＜20·Ic，最好ΔL等于

从而，要求物镜应当具有使ΔL值接近最佳数值的色差。

不过，对可用于制备上述梯度折射率棒形透镜的离子类型(玻璃成份)有一定限制。例如，常常使用铊，锂，铯和银，从而使得所需的色差值不可能总被获得。梯度折射率棒形透镜的色差主要取决于所使用的离子的类型，不过还取决于所用母玻璃的类型。使用每种类型的离子都能制造具有预定色差范围的透镜，不过在预定的色差范围之间存在不能获得的色差范围。

因此，在上述微量化学系统中按照光热转换光谱分析方法进行测量时，可以预想梯度折射率棒形透镜的色差会根据不同的条件会呈现不适当的数值，从而不可能进行适当的测量。

本发明的第一目的是提供一种具有所需色差的梯度折射率棒形透镜；还提供一种梯度折射率棒形透镜单元，该梯度折射率棒形透镜单元会允许仅改变焦点位置的孔径值，而不改变色差以及透镜端面与其焦点位置之间的距离。

本发明的第二目的是提供一种微量化学系统，其提供有具有所需色散的梯度折射率棒形透镜单元。

发明内容

为了达到第一目的，在本发明的第一方面，提供一种梯度折射率棒形透镜单元，该梯度折射率棒形透镜单元包括多个圆柱形梯度折射率棒形透镜，每个梯度折射率棒形透镜从其光轴向其边缘折射率改变，并且梯度折射率棒形透镜串连设置，其特征在于所述多个梯度折射率棒形透镜中的至少一个的色差与其他梯度折射率棒形透镜的不同，其中所述多个圆柱形梯度折射率棒形透镜在长度和直径至少之一上被调整以使激发光和检测光之间的焦点位置的差和在该焦点位置的数值孔径至少之一适合于测量条件和待被测量的目标。

在本发明的第一方面，优选地，所述多个梯度折射率棒形透镜中所述至少一个与其他梯度折射率棒形透镜二者中之一含有铊，使得从其光轴到其边缘铊的浓度不同，并且其中的二者中的另一个含有锂，从其光轴到其边缘锂的浓度不同。

在本发明的第二方面，提供一种微量化学系统，包括将激发光和检测光会聚到样品上的会聚透镜，和对穿过样品中所产生的热透镜的检测光强度进行测量的测量装置，其特征在于该会聚透镜包括根据本发明的第一方面的梯度折射率棒形透镜单元。

在本发明的第二方面，优选地，激发光的焦点位置与检测光的不同，并且激发光的焦点位置与检测光的焦点位置之间的间隔大于梯度折射率棒形透镜单元的共焦长度，而小于共焦长度的30倍。

在本发明的第二方面，优选地，微量化学系统包括将激发光和检测光引导到梯度折射率棒形透镜单元的光纤。

在本发明的第二方面，优选地，梯度折射率棒形透镜单元安装在光纤前端上。

在本发明的第二方面，优选地，在激发光和检测光频率光纤呈现单模。

附图说明

图1为表示具有根据本发明第一实施例的梯度折射率棒形透镜单元的微量化学系统的结构；

图2用于说明由图1中所示的由具有相同直径的梯度折射率棒形透镜单元11和12的组合组成的梯度折射率棒形透镜单元10；

图3用于说明由具有各自不同直径的梯度折射率棒形透镜的组合组成的透镜；

图4为表示具有根据本发明第二实施例的梯度折射率棒形透镜单元的微量化学系统的结构的示意图；

图5用于说明热透镜的原理；

图6A用于说明在使用具有色差的物镜时，在激发光的传播方向上的热透镜的形成位置和检测光的聚焦位置；以及

图6B用于说明当使用没有色差的物镜时，在激发光传播方向，热透镜的形成位置和检测光的聚焦位置。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述梯度折射率棒形透镜单元和具有梯度折射率棒形透镜单元的微量化学系统。

图1为表示根据本发明第一实施例的具有梯度折射率棒形透镜单元的微量化学系统的结构的示意图。

在图1中，梯度折射率棒形透镜单元10包括两个分别具有不同色差的梯度折射率棒形透镜11与12。梯度折射率棒形透镜11具有较小色差，梯度折射率棒形透镜12具有较大色差。梯度折射率棒形透镜12的离子(玻璃成份)的类型与梯度折射率棒形透镜11的不同，从而具有较大色差。梯度折射率棒形透镜11和12的端面通过有机粘合剂等粘接在一起。

梯度折射率棒形透镜单元10安装在以单模形式传输激发光和检测光的光纤101的一前端。光纤101的该前端安装在套管103中，该套管103使光纤101的外径等于梯度折射率棒形透镜11、12的外径。梯度折射率棒形透镜11、12、光纤101和套管103通过套筒104牢固地连接在一起。光纤101和梯度折射率棒形透镜11、12可以彼此紧密接触，或者彼此间隔开。

光纤101的另一端设置有激发光源105和检测光源106。在激发光传播方向上的激发光源105的下游的位置处，设置对激发光进行调制的斩波器107。在斩波器107的下游位置处设置将激发光收束到光纤101a中的光入射透镜108。在检测光的传播方向上的检测光源106的下游的位置处，设置有将检测光收束到光纤101b中的光输入透镜109。

光纤101a，101b被连接到光多路复用器110。光多路复用器110将来自光纤101a的激发光和来自光纤101b的检测光对准，并将准直的光输出至光纤101。在本实施例中，激发光和检测光在被引入到光纤101a和101b之后，由光多路复用器110使它们彼此成一条直线。可选地，使激发光和检测光光纤外部彼此对准共轴可利用二向色反射镜等，而不使用光多路复用器110。另外，不使用斩波器107调制激发光，本质上可使用调制器等调制从激发光源105的输出。

板形元件20由彼此层叠成三层的玻璃基片201，202和203组成，使将要被检测的样品在其中流动。玻璃基片202中形成有通道204用于混合，搅拌，合成，分离，提取或检测样品。

从耐用性和耐化学性来看，板形元件20优选由玻璃制成。在使用活体样本如细胞样本进行例如DNA分析时，玻璃基片201至230的材料优选为具有良好耐酸性和耐碱性的玻璃，例如硼硅酸盐玻璃，钠钙玻璃，硼硅酸铝玻璃，石英玻璃等。不过，对于某些特殊用途，板形元件20可以由有机材料如塑料等制成。

利用夹具30将梯度折射率棒形透镜单元10安装到适当位置以使梯度折射率棒形透镜12的一端面与形成通道的板形元件20的通道204相对。将穿过通道204的激发光和检测光彼此分离并有选择地仅通过检测光的波长滤波器116，和检测穿过波长滤波器116的检测光的光电转换器117，设置在与梯度折射率棒形透镜单元10相对的位置，板形元件20处于它们之间。在用于检测光的光路中光电转换器117上游位置处，可以提供用于有选择地仅通过部分检测光的针孔。光电转换器117输出与检测到的检测光相应的检测信号。检测信号被预放大器121放大，然后提供锁定放大器122，在与斩波器107的操作同时，计算机123对其进行分析。

要求穿过如上构成的微量化学系统的梯度折射率棒形透镜单元10的激发光的焦点位置处于形成通道的板形元件20的通道204内。虽然梯度折射率棒形透镜单元10无需与形成通道的板形元件20接触，但是如果其与后者接触，则可通过改变上玻璃基片201的厚度来调节梯度折射率棒形透镜单元10的焦距。如果上玻璃基片201的厚度不够大，则可以在梯度折射率棒形透镜单元10与上玻璃基片201之间插入间隔物。在这些情形中，并非必须对焦距进行调节，能将微量化学系统设计得尺寸更加紧凑。

使用光纤101引导激发光和检测光的原因在于，无论梯度折射率棒形透镜12设置成与光纤101的前端紧密接触，还是与其有间隔，不必每一次测量都调整激发光和检测光的光路以及梯度折射率棒形透镜单元10的光轴，从而提高用户的工作效率。此外，无需夹具和硬表面台来调准光轴。结果，可以将微量化学系统设计得尺寸紧凑。

光纤101为仅具有一个传输模式的单模类型的原因在于，在使用光热转换光谱分析方法检测样品中非常少量的溶质的情况下，希望激发光应当尽可能小以便获得用于光热转换的大量能量，并且激发光应当产生具有小像差的热透镜。希望用于产生热透镜的激发光具有高斯分布。由于单模类型光纤的光输出总具有高斯分布，所以这种光纤适于使激发光的焦点较小。如果激发光产生的热透镜尺寸较小，则希望检测光也应当被限制得直径尽可能小，以将穿过热透镜的检测光束数量增加到最大可能数量。为此，优选使用其中激发光和检测光以单模传输的光纤。

下面，将参考图2和3描述梯度折射率棒形透镜的例子。

图2用于说明由图1中所示的具有相同直径的梯度折射率棒形透镜11和12的组合组成的梯度折射率棒形透镜元件10。

在图2中，具有相同直径的梯度折射率棒形透镜11和12粘接在一起，它们的轴对准。梯度折射率棒形透镜11和12为Nippon SheetGlass有限公司公开的SELFOC(注册商标)类中所描述的铊基SLW透镜和锂基SLA12透镜。入射侧的梯度折射率棒形透镜11为锂基SLA12透镜，出射侧的梯度折射率棒形透镜12为铊基SLW透镜。梯度折射率棒形透镜11和12的直径均为1mm，孔径直径为0.7mm。

表1中表示出由这些梯度折射率棒形透镜11和12的组合组成的梯度折射率棒形透镜单元10的性质。n₀表示光轴处的折射率，g表示平方分布常数。输入波长不同的两种类型的光。第一光的波长为532nm，第二光的波长为633nm。以平行光的形式将两类光输入到梯度折射率棒形透镜11中。将梯度折射率棒形透镜单元的长度设计得使从梯度折射率棒形透镜12输出的第一光在距离梯度折射率棒形透镜12的端面0.2mm距离处的空气中形成焦点。

表1

类型	532nm		633nm
						n0	g	n0	g
SLW	1.6156	0.6153	1.6071	0.6078
					SLA12-EQUI.	1.6172	0.2524	1.6092	0.2523

表2表示当梯度折射率棒形透镜11和12的长度变化而从梯度折射率棒形透镜12的端面到焦点(后焦点)的距离保持恒定时，激发光与检测光之间焦点位置之差ΔL的值。

表2

SLW透镜长度(mm)	SLA12-EQUI.透镜长度(mm)	ΔL(μm)	焦点位置处的NA(532nm)
				0	5.90	3.6	0.142
1.20	4.21	10.0	0.206
				1.37	3.81	21.3	0.227
2.24	0	28.8	0.341

从表2可以看出，可以根据需要，通过调节梯度折射率棒形透镜的长度获得处于各梯度折射率棒形透镜固有色差范围内的色差。因此，通过结合具有不同色差的梯度折射率棒形透镜，易于制造出具有由形成通道的板形元件20的通道204的尺寸、溶剂类型、溶质浓度、激发光强度、激发光和检测光频率等决定的最佳色差的梯度折射率棒形透镜单元。

下面，将描述对于NA(透镜数值孔径)为0.2的从光纤输出的光的会聚度。假设所使用的梯度折射率棒形透镜11和12的直径为1mm，并且光纤101与梯度折射率棒形透镜1之间的距离为0.1mm。还假设第一光穿过尺寸为0.18mm的玻璃基片(Pyrex Glass制造)，并在通道204等的水中0.05mm位置处形成焦点。进一步假设使用与表1所示的相同的梯度折射率棒形透镜单元10，光入射侧的梯度折射率棒形透镜11为SLA12透镜，光出射侧的梯度折射率棒形透镜12为SLW透镜。

表3中表示出在满足上述条件时通过改变梯度折射率棒形透镜11和12的长度获得的激发光与检测光之间的焦点位置差ΔL的值。从表3可以得知，甚至用从点光源如光纤101输出的光，通过调节梯度折射率棒形透镜11和12的长度，也能得到处于各梯度折射率棒形透镜11和12固有的色差范围内的所需色差。

表3

SLW透镜长度(mm)	SLA12-EQUI.透镜长度(mm)	ΔL(μm)	焦点位置处的NA(532nm)
				0	12.02	5	0.200
1.70	9.04	12	0.377
				2.34	5.81	22	0.481
3.26	2.00	35	0.302
				4.68	0	47	0.199

下面，将说明通过改变出射侧SLW透镜的直径，仅会改变NA，而无需改变后焦点和色差。

图3用于说明由具有各自不同直径的梯度折射率棒形透镜的组合组成的透镜单元。

正如图2的情形，假设光纤与梯度折射率棒形透镜之间的距离为0.1mm，并且第一光穿过Pyrex Glass制成的尺寸为0.18mm的玻璃基片21，在距离水面0.05mm深度的水22中形成焦点。

如表3中所示，如果入射侧相当于SLA12的透镜长度为5.81mm，出射侧SLW透镜的长度为2.34mm，则得到22μm的色差，其中焦点位置处的NA为0.481。在这种情形中，如果SLW透镜的直径加倍，即设定为2mm，并且其长度设定为3.50mm，相当于SLA12透镜的长度设定为8.28mm，在色差和后焦点保持不变时焦点位置处的NA可以减小到0.234。因此，将会明白，无需对梯度折射率棒形透镜的长度和直径以外的其他参数进行任何改变，就可调节色差和焦点位置处的NA的值。

图4为表示具有根据本发明第二实施例的梯度折射率棒形透镜单元的微量化学系统的结构示意图。在该图中，用相同附图标记表示与图1的微量化学系统相同的部件，并省略其描述。

在图4中，根据本实施例的微量化学系统不具有用于引导激发光和检测光的光纤，而是激发光和检测光作为空间光被引导到梯度折射率棒形透镜单元10。用二向色反射镜111，使从激发光源105输出的激发光与从检测光源106输出的检测光彼此同轴对准。同轴对准的激发光和检测光被指向梯度折射率棒形透镜单元10。此时，激发光和检测光的光路对准梯度折射率棒形透镜单元10的光轴。

根据本发明第二实施例，梯度折射率棒形透镜单元10具有适于测量条件和被测物体的色差量。结果，即使激发光和检测光作为空间光被引导，也可能进行高精度检测。另外，在透镜单元外部无需提供用于调节激发光或检测光的焦点位置的光学系统，这使得设计尺寸紧凑的微量化学系统成为可能。

工业应用

如上面详细描述，根据本发明的梯度折射率棒形透镜单元，至少其中一个梯度折射率棒形透镜的色差与其他梯度折射率棒形透镜的不同。结果，通过适当地组合梯度折射率棒形透镜，可以使梯度折射率棒形透镜单元的色差为所需的色差。

根据本发明的梯度折射率棒形透镜单元，所述多个梯度折射率棒形透镜中的所述至少一个，其直径与其他梯度折射率棒形透镜的不同。结果，通过适当地组合梯度折射率棒形透镜，可以调节焦点位置处的NA同时后焦点保持恒定。

根据本发明的微量化学系统，会聚透镜包括根据本发明第一方面的梯度折射率棒形透镜单元。结果，也可提供梯度折射率棒形透镜单元所具有的上述效果，并且进一步，可以将微量化学系统设计得尺寸紧凑。

根据本发明的微量化学系统，光纤将激发光和检测光引导到梯度折射率棒形透镜单元。结果，不必每次测量都调节激发光和检测光的光路，从而可提高用户的工作效率。

根据本发明的微量化学系统，梯度折射率棒形透镜单元安装在光纤的一前端。结果，不必每次测量都将激发光和检测光对准梯度折射率棒形透镜单元的光轴，从而可提高用户的工作效率。

根据本发明的微量化学系统，光纤在激发光和检测光的频率处呈现单模。结果，由激发光所产生的热透镜具有减小了的像差，使得可能实现精确测量。

Claims (7)

1、一种梯度折射率棒形透镜单元，用于一微量化学系统中，所述微量化学系统包括将激发光和检测光会聚到样品上的会聚透镜，和测量穿过样品中产生的热透镜的检测光强度的测量装置，所述梯度折射率棒形透镜单元包括多个圆柱形梯度折射率棒形透镜，每个棒形透镜从其光轴向其边缘其折射率改变，并且串行排列，其特征在于所述多个梯度折射率棒形透镜中的至少一个，其色差与其他梯度折射率棒形透镜不同，其中所述多个圆柱形梯度折射率棒形透镜在长度和直径至少之一上被调整以使激发光和检测光之间的焦点位置的差和在该焦点位置的数值孔径至少之一适合于测量条件和待被测量的目标。

2、如权利要求1所述的梯度折射率棒形透镜单元，其中所述多个梯度折射率棒形透镜中所述至少一个与其他梯度折射率棒形透镜其中之一含有铊，从其光轴向其边缘铊浓度不同，并且其中的另一个含有锂，从其光轴向其边缘锂的浓度不同。

3、一种微量化学系统，包括将激发光和检测光会聚到样品上的会聚透镜，和测量穿过样品中产生的热透镜的检测光强度的测量装置，其特征在于该会聚透镜包括如权利要求1或2所述的梯度折射率棒形透镜单元。

4、如权利要求3所述的微量化学系统，其中激发光的焦点位置与检测光不同，并且激发光的焦点位置与检测光的焦点位置之间的间隔大于梯度折射率棒形透镜单元的共焦长度，且小于共焦长度的30倍。

5、如权利要求3或4所述的微量化学系统，包括将激发光和检测光引导到梯度折射率棒形透镜单元中的光纤。

6、如权利要求5所述的微量化学系统，其中该梯度折射率棒形透镜单元安装在光纤端部。

7、如权利要求5所述的微量化学系统，其中在激发光和检测光频率处，光纤呈现单模。

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