CN1662829A - 光学元件 - Google Patents

Abstract

一种无源光学元件，用于引导沿第一方向入射到该元件上第一电磁辐射和沿第二方向入射到该元件上第二电磁辐射到共同的方向。该光学元件包括：相互作用面，它安排成与所述第一电磁辐射和第二电磁辐射相互作用。相互作用面包括：第一部分和第二部分，每个第一部分有沿第三方向延伸的表面，第三方向基本垂直于共同的方向，每个第二部分有沿第四方向延伸的表面。该光学元件基本反射所有的第一电磁辐射和至少透射大部分的第二电磁辐射，用于引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向。我们还描述利用无源光学元件的光学系统和方法。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及一种无源光学元件，用于引导沿第一方向入射到该元件上第一电磁辐射和沿第二方向入射到该元件上第二电磁辐射到共同的方向。本发明还涉及利用这种无源光学元件的光学系统和方法。

背景技术

在许多应用中，需要发射包含两个不同波长的电磁辐射到特定点。这种应用可以是分光光度分析，其中利用两个不同的波长照射样本，并记录电磁辐射与样本的相互作用。我们需要两个不同的波长，因为通过建立样本与不同波长相互作用之间的比率，可以确定样本的性质。

满足发射包含两个波长电磁辐射到样本的要求可以有多个解决方案。按照第一个解决方案，首先利用第一波长的辐射照射样本，然后利用第二波长的辐射照射样本。例如，通过有选择地激活用于引导第一辐射或第二辐射到被照射样本的反射镜，可以实现这个目的。然而，这需要有机械可活动的元件，它对装置的稳定性提出高的要求，而且还使装置复杂化。

按照第二个解决方案，利用不同位置处的不同波长照射样本。然而，不同波长的辐射不与样本的相同部分相互作用。所以，样本不同位置处的不同性质，例如，样本的不同厚度，可以影响分析的结果。

按照第三个解决方案，可以利用发射宽频谱波长的辐射源照射样本。然而，若需要两个特定的波长，则可能不是任何辐射源可以发射这两个波长。

按照第四个解决方案，可以利用分束器。入射到分束器上的辐射是部分反射和部分透射。然后，第一波长的辐射可以入射到分束器的一侧，而第二波长的辐射可以入射到分束器的另一侧。第一波长的部分辐射透射通过分束器，并与被分束器反射的第二波长的部分辐射一起准直。然而，在测量中仅仅可以利用50％的两个波长组合辐射强度，因为其余的辐射被分束器引导离开样本位置。

按照第五个解决方案，可以利用有源元件。有源元件的作用类似于分束器。然而，当电压加到有源元件上时，它可能反射100％入射到其一侧的辐射。当关断电压时，有源元件透射50％入射到其另一侧的辐射。有源元件要求用于激活的附加电路。这使利用有源元件的光学装置设计变得更加复杂化。此外，测量需要接通和关断加到有源元件上的电压。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学元件，它可以克服上述的问题，并提供来自不同方向辐射的优良光学特性，而不要求光学装置的任何有源操作。

按照权利要求1的无源光学元件可以实现本发明的目的。按照权利要求11的光学系统和按照权利要求16的方法还可以实现本发明的目的，其中本发明的思想用于分光光度分析。

按照本发明，提供一种无源光学元件，用于引导沿第一方向入射到该元件上第一电磁辐射和沿第二方向入射到该元件上第二电磁辐射到共同的方向。光学元件基本反射所有的第一电磁辐射和至少透射大部分的第二电磁辐射，用于引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向。

在本申请的语境下，术语“无源光学元件”应当解释成有恒定光学特性的任何光学元件，即，该光学元件应当不需要任何外部影响以呈现它的光学特性。此外，此处所使用的短语“基本反射所有的辐射”的意思是，除了损失以外的大部分辐射被反射，例如，损失的原因可能是发生表面反射或吸收。此外，短语“至少透射大部分的辐射”应当解释成大量的辐射被透射，即，该部分不必是50％，但应当足够大可以明显地检测到。

与常规的装置比较，按照本发明的无源光学元件可以使更多的辐射被引导到特定点。此外，无源光学元件可以通过小尺寸元件实现各种功能，该元件不涉及可活动的部件，因此它是坚固耐用的。

最好是，提供这样一种无源光学元件，包括：相互作用面，它安排成与电磁辐射相互作用。相互作用面有第一部分和第二部分，每个第一部分有沿第三方向延伸的表面，而每个第二部分有沿第四方向延伸的表面。第一部分和第二部分可以这样安排，从第一方向入射到相互作用面一侧的几乎所有辐射和从第二方向入射到相互作用面另一侧的大部分辐射被相互作用面引导到共同的方向。

相对于入射辐射的第一方向巧妙地安排第一部分，使得从第一方向看到的相互作用面可以是仅由第二部分构成。通过这样安排第一部分可以实现这个目的，第一部分的表面是沿平行于入射辐射第一方向的方向延伸。因此，从第一方向入射的所有辐射反射离开第二部分的表面。与此同时，从第二方向看到的相互作用面可以是由第一部分和第二部分构成。因此，从第二方向入射的辐射可以透射通过相互作用面的第一部分，它进入到与从第一方向反射辐射的相同方向。

可以这样安排第一部分，第三方向基本垂直于共同的方向。于是，从第二方向入射的辐射可以入射到第一部分，其入射角为90°。这意味着，入射到第一部分的几乎所有这种辐射是透射通过而没有偏折。

按照一个实施例，光学元件是通过内反射反射第一电磁辐射。于是，光学元件相互作用面的第二部分不必有这样的表面，它加工成有最佳的反射性质。相反，可以利用全内反射，它发生在辐射是从较厚的介质传输到较薄的介质。当入射角大于临界角时，入射到第二部分的所有辐射是通过全内反射发生反射。

从光学元件离开的辐射形成格子图形，因为入射到相互作用面的辐射没有入射到连续面。按照一个实施例，所有的第一部分是相同尺寸和所有的第二部分是相同尺寸。这意味着，从光学元件离开的辐射形成非均匀图形。

第一部分和第二部分可以是相同的尺寸。这意味着，格子图形的所有区域是相同大小。此外，从第二方向入射的一半辐射入射到相互作用面的第一部分。因此，从第二方向入射的50％辐射是透射通过。

按照一个实施例，第三方向与第四方向之间的夹角基本上为45°。这意味着，从平行于第三方向的第一方向入射的辐射通过反射偏折到与从第二方向入射的辐射相同的透射方向，其中第一部分的表面是沿第三方向延伸。因此，从第一方向看到的相互作用面似乎仅有第二部分构成。

无源光学元件还可以包括：平坦输入面，它是沿垂直于第三方向的方向延伸。从第一方向入射的辐射可以入射到输入面并透射通过光学元件到相互作用面。当输入面是沿垂直于第三方向的方向延伸时，从第一方向入射的辐射可以垂直入射到这个输入面，而第一方向是平行于第三方向。于是，从第一方向入射的所有辐射透射通过输入面而没有发生偏折。

无源光学元件还可以包括：平坦输出面，它是沿垂直于共同方向的方向延伸。这意味着，在与相互作用面相互作用之后，沿共同方向传播的所有辐射通过输出面离开光学元件而没有发生偏折。

相互作用面可以从输出面的第一端延伸到输入面的第一端。因此，沿第一方向入射到输入面的所有辐射入射到相互作用面，而沿共同方向离开相互作用面的所有辐射通过输出面离开光学元件。

输入面的第二端可以连接到输出面的第二端。因此，输入面，相互作用面和输出面基本形成三角形的横截面。这意味着，光学元件有简单的形状。

无源光学元件基本上可以是由塑料制成。光学元件可以是容易整形成所需形状的塑料。此外，可以容易找到有所需光学特性的塑料。

按照本发明的一方面，提供一种用于分光光度分析的光学系统。光学系统包括：一种装置，它分别提供第一波长的第一电磁辐射和第二波长的第二电磁辐射。光学系统还包括：无源光学元件，用于沿共同方向引导所述第一电磁辐射和所述第二电磁辐射。无源光学元件包括：相互作用面，它安排成与所述第一电磁辐射和第二电磁辐射相互作用。相互作用面包括：第一部分和第二部分，每个第一部分有沿第一方向延伸的表面，第一方向基本垂直于共同方向，而每个第二部分有沿第二方向延伸的表面。因此，无源光学元件基本反射所有的所述第一电磁辐射和至少透射大部分的第二电磁辐射，用于沿共同方向引导第一电磁辐射和第二电磁辐射。

按照本发明的另一方面，提供一种分光光度分析样本的方法。该方法包括以下步骤：发射第一波长的第一电磁辐射和第二波长的第二电磁辐射；借助于无源光学元件，引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向。无源光学元件包括：相互作用面，它安排成与所述第一电磁辐射和第二电磁辐射相互作用。相互作用面包括：第一部分和第二部分，每个第一部分有沿第一方向延伸的表面，第一方向基本垂直于共同方向，而每个第二部分有沿第二方向延伸的表面。因此，无源光学元件基本反射所有的所述第一电磁辐射和至少透射大部分的所述第二电磁辐射，用于引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向。该方法还包括步骤：在透射通过样本之后，检测沿共同方向传播的电磁辐射。

利用这个光学系统或借助于这个方法的分光光度分析可以利用大部分发射的电磁辐射，而不需要任何可活动的部件或光学装置在分析期间的任何变化。这意味着，该系统是非常容易使用和坚固耐用的。因此，它适合于家庭使用。

该系统和方法利用无源光学元件的优良光学特性。光学系统可以同时或分开地利用第一电磁辐射和第二电磁辐射照射样本。

按照一个实施例，提供第一电磁辐射和第二电磁辐射的装置包括：发射第一波长的第一辐射源和发射第二波长的第二辐射源。这意味着，可以使用这样的辐射源，它设计成仅仅发射分光光度分析所需的波长。因此，可以有效地利用辐射源发射的辐射。

按照另一个实施例，提供第一电磁辐射和第二电磁辐射的装置包括：发射第一电磁辐射和第二电磁辐射的辐射源。

提供第一电磁辐射和第二电磁辐射的装置还可以包括：分束装置，用于把辐射源的电磁辐射分束成第一路径和第二路径；和滤波器，用于透射第一路径的第一电磁辐射和第二路径的第二电磁辐射。因此，可以从辐射源发射的辐射中提取第一波长和第二波长的辐射，并可以沿不同的方向引导到无源光学元件。

光学系统还可以包括：漫射器，用于平滑沿共同方向传播的电磁辐射横截面上的辐射强度。离开无源光学元件沿共同方向传播的电磁辐射在它的横截面上可以没有均匀的辐射强度。所以，它适合于引导辐射通过漫射器。

分光光度分析的方法可用于确定体液中化学物质的含量。该化学物质通常是葡萄糖，血红蛋白，白蛋白，肌酸酐，胆固醇，HDL胆固醇，甘油三酸酯，和CDP类中的一种。此外，体液可以是血液，血浆，血清，和尿液类中的一种。因此，该方法可用于确定血液样本中的葡萄糖含量。分光光度分析的方法是如此简单，它适合于家庭使用。因此，它提供一种供糖尿病患者可以使用的快速方法，用于确定他或她的血液中葡萄糖含量。

附图说明

现在参照附图借助于例子更详细地描述本发明。

图1是按照本发明光学元件的透视图。

图2是图1所示光学元件的侧视图，其中画出第一方向的辐射路径。

图3是图1所示光学元件的侧视图，其中画出第二方向的辐射路径。

图4是按照本发明光学系统的示意图。

图5是说明本发明方法的流程图。

具体实施方式

参照图1，我们描述按照本发明的光学元件2。光学元件2包括：相互作用面4，它的作用是与入射到光学元件2的电磁辐射相互作用。按照重复图形制成相互作用面4。相互作用面4包括：第一部分6和第二部分8，第一部分6有沿第一方向延伸的表面，而第二部分8有沿第二方向延伸的表面。相互作用面4是由交替的第一部分6和第二部分8构成。第一方向与第二方向之间的夹角为45°。

这两个部分6，8形成“阶梯状”相互作用面4。几个“阶梯状”部分并排地形成在相互作用面4上。两个相邻“阶梯状”部分沿深度方向互相位移。因此，第三部分10形成在两个“阶梯状”部分之间。这些第三部分10有垂直于第一部分6表面和第二部分8表面的表面。

从图2和3中可以看出，光学元件2还包括：输入面12。这个输入面12垂直于第一部分6。光学元件2还包括：输出面14，它平行于第一部分6。相互作用面4是从第一端16延伸到第二端20，第一端16连接到输出面14的第一端18，而第二端20连接到输入面12的第一端22。输入面12的第二端24连接到输出面14的第二端26。输入面12和输出面14在它们的连接处形成直角。输入面12，输出面14和相互作用面4的剖面基本上形成一个直角三角形。

光学元件2可以是一个片状。它可以利用具有与电磁辐射相互作用的光学特性材料制成。可以利用有所需光学特性的塑料制成光学元件2。然而，也可以利用玻璃制成光学元件2。

现在参照图2，我们解释光学元件2与从第三方向入射的第一电磁辐射相互作用。第一电磁辐射垂直入射到光学元件2的输入面12上。垂直入射的意思是，几乎所有的辐射透射通过输入面12而没有反射。第一电磁辐射沿平行于第一方向的第三方向传播。因此，第一电磁辐射不会入射到相互作用面4的第一部分6。传播通过光学元件2的所有第一电磁辐射与光学元件2的第二部分8相互作用。由于这些第二部分8是与第一部分6和第一电磁辐射的传播方向成45°角，第一电磁辐射被第二部分反射而偏折90°。光学元件2的材料折射率足够大，可以使入射到第二部分8上第一电磁辐射发生全内反射。

参照图3，我们解释光学元件2与从第四方向入射的第二电磁辐射相互作用。第二电磁辐射入射到光学元件2的相互作用面4。第二电磁辐射垂直入射到相互作用面4的第一部分6。垂直入射的意思是，几乎所有的辐射透射通过第一部分6而没有反射。部分的第二电磁辐射入射到相互作用面4的第二部分8。这部分第二电磁辐射被反射或偏折地透射。然而，在与第二部分8相互作用之后，入射到第一部分6的部分第二电磁辐射在透射通过该表面之后沿着与第一电磁辐射相同的方向传播。因此，无源光学元件提供这样的可能性，它引导沿第一方向入射到该件上第一电磁辐射和沿第二方向入射到该元件上第二电磁辐射到共同的方向。光学元件2几乎引导所有的第一电磁辐射到共同的方向。入射到第一部分6上的仅仅部分第二电磁辐射被引导到共同的方向。因此，若第一部分6和第二部分8是相同大小，则50％的第二电磁辐射被引导到共同的方向。

引导到共同方向的第一电磁辐射和第二电磁辐射在它们的横截面上形成格子图形，该图形对应于第一部分6和第二部分8。由于第一电磁辐射和第二电磁辐射都不入射到连续面，从相互作用面4输出的辐射在它的横截面上也不是连续的。因此，第一电磁辐射的横截面是在对应与第二部分相互作用区的高强度与对应与第一部分相互作用区的零强度之间变化，第二电磁辐射的情况也是这样。横截面的图形取决于第一部分6和第二部分8的设计。

现在参照图4，我们解释利用光学元件2的光学系统30。光学系统30包括：第一电磁辐射源32和第二电磁辐射源34，它们的形式是发射两个不同波长电磁辐射的发光二极管(LED)。第一电磁辐射源32发射第一波长的第一电磁辐射。第一电磁辐射传输通过准直器36，然后入射到相互作用面4。第二电磁辐射源34发射第二波长的第二电磁辐射。第二电磁辐射传输通过准直器40，然后被反射面42反射到光学元件2的相互作用面4。

第一电磁辐射与光学元件2的相互作用是按照图2描述的相互作用。光学元件2的相互作用面4是与空气接触，因此，第一电磁辐射在相互作用面4的第二部分中发生全反射。第二电磁辐射与光学元件2的相互作用是按照图3描述的相互作用。因此，第一电磁辐射和第二电磁辐射被引导到相同的方向。于是，从光学元件输出的第一电磁辐射和第二电磁辐射在反射面44上反射到样本。第一电磁辐射和第二电磁辐射照射样本46的相同部分。

光学系统30还包括：检测器48。检测器48检测透射通过样本46的辐射。由于第一电磁辐射和第二电磁辐射是沿共同的方向传播，它们与样本46的相同部分发生相互作用。然后，我们分析检测到的辐射，从而可以确定样本46中的成分含量。

光学系统30可以包括：安排在光学元件2之后辐射路径上的漫射器(未画出)。漫射器可以平滑电磁辐射的强度分布。因此，电磁辐射的格子图形漫射成较连续的图形。电磁辐射强度的平滑分布在辐射的横截面上形成电磁辐射与样本之间较均匀的相互作用。

与第二电磁辐射相比，较大部分的第一电磁辐射被光学元件2引导到共同的方向。发射第二电磁辐射的第二辐射源34可以强于第一辐射源32以补偿这种差别。然而，可能有这样的要求，第一波长辐射的强度大于第二波长辐射的强度，例如，第二波长辐射是用于校准的目的。

参照图5，现在我们描述样本48的分光光度分析。首先，在步骤102，得到需要分析的样本48，并准备适合于分光光度分析。利用上述的光学系统30分析样本。

因此，在步骤104，发射第一波长的第一电磁辐射和第二波长的第二电磁辐射。在步骤106，借助于无源光学元件，引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向。在步骤108，第一电磁辐射和第二电磁辐射传输通过样本48。

其次，在步骤110，检测透射通过样本48的电磁辐射。然后，在步骤112，分析检测的辐射量和确定样本48中的成分含量。

例如，样本48可以是血液样本。因此，确定的量可以是血液中的葡萄糖含量。光学系统30可以简单地设计成这样，糖尿病患者利用它在家里确定他或她的葡萄糖值。

当然，其他的测量也是可能的。分光光度分析可用于确定液体中悬浮物质的数量。

应当强调，此处描述的优选实施例决不是限制性的，而是在以下所附权利要求书确定的保护范围内，因此，许多其他的实施例也是可能的。例如，第一部分和第二部分形成的图形可以按照各种方式发生变化。若第一部分做得大于第二部分，则较大部分的第二电磁辐射发射透射通过相互作用面。此外，第一部分与第二部分之间的夹角可以变化。在这种情况下，还必须改变第一电磁辐射的入射角，使第一电磁辐射反射到共同的方向。然而，这意味着，第一电磁辐射的传播不平行于第一部分。因此，少部分的第一电磁辐射在与第一部分相互作用时就损失掉。

光学系统可以安排成这样，同时或相继地发射两个辐射源的电磁辐射。辐射源不必发射特定的离散波长，相反地，它们可以发射有不同间隔的波长。此外，可以仅仅使用单个辐射源。在这种情况下，电磁辐射被分成两条路径。在第一路径中传输第一波长，和在第二路径中传输第二波长。然后，把第一路径和第二路径的电磁辐射按照上述第一电磁辐射和第二电磁辐射类似方式馈送到光学元件。

Claims (19)

1.一种无源光学元件，用于引导沿第一方向入射到该元件上的第一电磁辐射和沿第二方向入射到该元件上的第二电磁辐射到共同的方向，其特征是，

相互作用面，它安排成与所述第一电磁辐射和第二电磁辐射相互作用，所述相互作用面包括：

第一部分，每个第一部分有沿第三方向延伸的表面，第三

方向基本垂直于共同方向，和

第二部分，每个第二部分有沿第四方向延伸的表面，

其中该光学元件基本反射所有的第一电磁辐射，并且该光

学元件至少透射大部分的第二电磁辐射，用于引导第一电磁辐射

和第二电磁辐射到共同的方向。

2.按照权利要求1的无源光学元件，其中光学元件通过内反射反射第一电磁辐射。

3.按照权利要求1或2的无源光学元件，其中所有的第一部分是相同尺寸，并且所有的第二部分是相同尺寸。

4.按照以上权利要求中任何一个的无源光学元件，其中第一部分和第二部分是相同尺寸。

5.按照权利要求4的无源光学元件，其中第三方向与第四方向之间的夹角基本为45°。

6.按照以上权利要求中任何一个的无源光学元件，还包括：沿垂直于第三方向的方向延伸的平坦输入面。

7.按照权利要求6的无源光学元件，还包括：沿垂直于共同方向的方向延伸的平坦输出面。

8.按照权利要求7的无源光学元件，其中相互作用面是从输出面的第一端延伸到输入面的第一端。

9.按照权利要求8的无源光学元件，其中输入面的第二端连接到输出面的第二端。

10.按照以上权利要求中任何一个的无源光学元件，其中所述元件基本上是由塑料制成。

11.一种用于分光光度分析的光学系统，包括：分别提供第一波长的第一电磁辐射和第二波长的第二电磁辐射的装置，其特征是，

无源光学元件，用于沿共同的方向引导所述第一电磁辐射和第二电磁辐射，所述无源光学元件包括：相互作用面，它安排成与所述第一电磁辐射和第二电磁辐射相互作用，所述相互作用面包括：

第一部分，每个第一部分有沿第一方向延伸的表面，第一

方向基本垂直于共同方向，和

第二部分，每个第二部分有沿第二方向延伸的表面，

其中该光学元件基本反射所有的第一电磁辐射并且至少透

射大部分的第二电磁辐射，用于引导第一电磁辐射和第二电磁辐

射到共同的方向。

12.按照权利要求11的光学系统，其中提供第一电磁辐射和第二电磁辐射的装置包括：分别发射第一电磁辐射的第一辐射源和第二电磁辐射的第二辐射源。

13.按照权利要求11的光学系统，其中提供第一电磁辐射和第二电磁辐射的装置包括：发射第一电磁辐射和第二电磁辐射的一个辐射源。

14.按照权利要求13的光学系统，其中提供第一电磁辐射和第二电磁辐射的装置还包括：分束装置，用于把辐射源的电磁辐射分割成第一路径和第二路径；和滤波器，用于透射第一路径的第一电磁辐射和第二路径的第二电磁辐射。

15.按照权利要求11至14中任何一个的光学系统，还包括：漫射器，用于平滑沿共同方向传播的电磁辐射横截面上辐射强度。

16.一种用于分光光度分析样本的方法，所述方法包括以下步骤：

发射第一波长的第一电磁辐射和第二波长的第二电磁辐射，

借助于无源光学元件，引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向，所述无源光学元件包括：相互作用面，它安排成与所述第一电磁辐射和第二电磁辐射相互作用，所述相互作用面包括：第一部分和第二部分，每个第一部分有沿第一方向延伸的表面，第一方向基本垂直于共同的方向，每个第二部分有沿第二方向延伸的表面，其中光学元件基本反射所有的所述第一电磁辐射并且至少透射大部分的所述第二电磁辐射，用于引导第一电磁辐射和第二电磁辐射到共同的方向。

17.按照权利要求16的方法，用于确定体液中的化学物质量。

18.按照权利要求17的方法，其中化学物质是葡萄糖，血红蛋白，白蛋白，肌酸酐，胆固醇，HDL胆固醇，甘油三酸酯，和CDP类中的一种。

19.按照权利要求16或17的方法，其中体液是血液，血浆，血清，和尿液类中的一种。

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