CN205982694U - 一种多波长近紫外光源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多波长近紫外光源系统，包括：聚光器组、移光器和混合器，聚光器组由多个氙灯聚光器组成；所述氙灯聚光器包括：外壳、球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片；所述外壳为密闭式金属圆筒，在所述密闭式金属圆筒内自左向右依次安装所述球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片，所述球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片均固定在所述密闭式金属圆筒内壁上；所述氙灯出射的光依次经大透镜、小透镜、干涉滤光片、移光器和混合器。采用本实用新型的多波长近紫外光源系统，可应用于面向UV胶固化微透镜，在微透镜制造过程中，以获得最佳物理性能。

Description

一种多波长近紫外光源系统

技术领域

本实用新型属于光学领域，尤其涉及一种面向UV胶固化微透镜的多波长近紫外光源系统。

背景技术

微全分析系统已发展成为当前世界最前沿科研领域之一，其实质是在信用卡大小的芯片里集成不同微型设备，并完成样本采集、预处理、混合、分离和检测等功能，该系统的核心技术是微流控技术。荧光谱微检测技术由于选择性好、灵敏度高以及非破坏性，已成为微全分析芯片领域中应用最广泛和灵敏度最高的检测技术之一。传统光电器件及其光路因体积大而不能嵌入芯片,新研制的光电器件虽已缩微，但由于传感器工作面的减小而使检测灵敏度大幅度下降。研究微体积高灵敏的光谱检测系统已成为目前各国生物芯片检测领域的热门课题。

提高微体积光谱检测系统的灵敏度的关键之一是光学微透镜的制作工艺及其所使用的设备。传统方法制作出来的光学透镜已经很难在尺寸和重量上满足其在光通讯和成像方面的社会需求，且制作工艺复杂。微光技术制造的光学元件以其体积小、重量轻、便于集成化等优点成为新的发展方向。传统透镜的微型化成为一种趋势。

为提高生物芯片荧光谱微检测系统的灵敏度，使用适当非球面顶冠微透镜是必要的，它可以改善聚焦效果、增加光子采集总量,达到生物检测的技术要求。

有关文献和我们前期成果表明:具有特定曲面形状的光学微透镜可增大系统的光子采集总量，微透镜与微检测工作端面高精度地同光轴粘合可增大系统的光强聚焦效率。掺纳米石英可提高其力学性能与光洁度而增大光透过率。实际粘性液滴静态沾湿润湿状态的顶冠都为球面。但光胶滴自由落到基面,从冲击变形到恢复沾湿稳定状态过程 中,其顶冠形状会两次出现各类非球面顶冠交替变化。

基于这种现象和适时匀束激光照射，在微系统实际工作面上动态捕获含纳米石英粒子光胶滴的非球面顶冠,并固化成吻合设计形状微透镜,这就是采用光学胶滴原位动态固化成形光学微透镜的激光制造技术。也就是,在工作面需要安装透镜的位置上,直接将紫外光固化胶滴用紫外激光固化成具有特定非球面顶冠形状的光学微透镜。

目前国内外的光学微透镜有多种生产工艺技术，归纳分类后包括:光学树脂液滴喷印法、热塑模制法和多类光刻蚀成形法等。

光学树脂液滴喷印法就是基于RPM(Rapid Prototyping Manufacturing，快速原型制造)技术的三维打印技术。其实质是,将任何复杂的东西,在X,Y轴方向切成片,然后在Z轴方向叠加。其好处是,用片层分解对应任何复杂的东西。其坏处是,任何复杂或简单的东西,都必须通过片层叠加来实现,很难简化。

光刻蚀成形法的基本思路也是RPM技术思路。必须采用多层干法或湿法进行刻蚀，不断移动和更换掩模来产生所设计平面,然后通过再层层叠加实现立体成形。

目前国外的三维打印技术中最小层厚度为十几微米。然而不管层厚度多小,使用RPM技术制造的微透镜,其非球表面显微结构是环形锯齿或阶梯形多层叠加而“拼接连成的非球表面”。片层之间由于发生物理和化学变化以及制造时间的差异,使片层之间内应力不均匀,而发生变形，锯齿或阶梯形尺度还可能被放大。

由于微小光子的反射和折射规律,锯齿或阶梯形多层环形表面叠加而成的“拼接连成的非球表面”会带来的巨大的光损失,使这种光学微透镜失去了应有的光学性能和光学意义。另外,热塑模制法需要制备高质量和高精度的模板，无疑这将使制造工艺变得非常复杂。其还面临两个技术难题，即如何将光学微透镜高精确度地剥离基材，如何将光学微透镜与系统工作端面高精确度地同光轴粘合。

采用光学胶滴原位动态固化成形光学微透镜的激光制造技术不但避开了“拼接连成的非球表面”,还避开了上述两个技术难题。其 工艺和设备简单,精度高,通过具体研究,个别指标的精度可达纳米级。

紫外固化光学胶透明无色，在紫外光照射下即可固化成液态光聚物。紫外胶具有广泛的光学应用，可以生产出高品质的光学组件，在所处工作环境变化时仍能确保长期特性，具有极好的透光性，低收缩和轻微的弹性。它是单组分且100％实体，即胶体质量均匀，无气泡，固化速度极快。其直接照射紫外线即可实现固化，因而不需要通常的预混合、干燥或热固化等操作。

UV胶最适合于在玻璃表面、金属、玻璃纤维和玻璃填充塑料上进行光学粘结。他被广泛用于军用、工业光学中粘结透镜、端接或接续光纤、棱镜等。UV胶老化后，可承受-150℃到+125℃的温度范围，生物酶的活性在一般在100C以下，应用于生物芯片检测的光学组件长期工作温度上限是+125C，因此UV胶是完全可以满足植入生物芯片检测系统中进行荧光检测的耐温要求。

因此使用UV胶制备光学微透镜是可行的。

然而，UV辐射固化光引发剂的种类很多,共分为:自由基型光引发剂、阳离子型光引发剂、水溶性光引发剂、混杂型光引发剂、高分子型光引发剂和可聚合的光引发剂。它们的最大吸收峰值所在的光谱位置大不相同,感光范围差别很大。而目前在近紫外范围(300—400nm)内的紫外激光器只有光波长355nm一种。

不同UV辐射固化光引发剂的UV辐射固化胶的最大吸收峰值，由于其所在的光谱位置大不相同，感光范围差别很大，目前，还没有可以面向UV胶固化微透镜的多波长近紫外光源系统，在微透镜制造过程中，以获得最佳物理性能(表面光洁度、固化硬度等)。

实用新型内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种面向UV胶固化微透镜的多波长近紫外光源系统。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案：

一种多波长近紫外光源系统包括：聚光器组、移光器和混合器， 聚光器组由多个氙灯聚光器组成；其中，

所述氙灯聚光器包括：外壳、球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片；所述外壳为密闭式金属圆筒，在所述密闭式金属圆筒内自左向右依次安装所述球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片，所述球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片均固定在所述密闭式金属圆筒内壁上；所述氙灯出射的光依次经大透镜、小透镜、干涉滤光片、移光器和混合器。

作为优选，所述球面反射镜半径为120mm，氙灯半径为10mm，大透镜孔径为100mm，大透镜的焦距为50mm，小透镜孔径为6mm，小透镜焦距为30mm，干涉滤光片孔径为100mm；氙灯与球面反射镜顶端间的距离为60mm，氙灯与大透镜间的距离为150mm，大透镜与小透镜间的距离为105mm，小透镜与干涉滤光片间的距离为5mm。

作为优选，多个氙灯聚光器排列成一个圆。

作为优选，所述移光器包含：第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台，第一中空多面棱锥台包含第一顶端和第一底端，所述第一底端为光输入端，所述第一顶端为光输出端，第二中空多面棱锥台包含第二顶端和第二底端，所述第二底端为光输入端，所述第二顶端为光输出端，所述第二中空多面棱锥台位于第一中空多面棱锥台的中空部内，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台通过若干辐条连接，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台具有相同数量的侧面，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台共有多对侧面，且每对侧面互相平行。

作为优选，所述混合器为一中空圆锥筒，其包含第三顶端和第三底端，所述第三底端为光输入端，所述第三顶端为光输出端；所述第三底端的直径为30mm～40mm，所述第三顶端的直径为小于5mm。

作为优选，在所述第三顶端设有第三透镜，所述第三透镜的直径为3mm，所述第三透镜的焦距3.34mm。

作为优选，所述第一中空多面棱锥台的内侧壁镀设增反膜，所述第二中空多面棱锥台的外侧壁镀设增反膜。

作为优选，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台采用玻璃或金属制作而成。

作为优选，所述中空圆锥筒的内壁镀设增反膜。

本实用新型的面向UV胶固化微透镜的多波长近紫外光源系统通过控制改变干涉滤光片的薄膜厚度和层数从而实现发射多谱段紫外光，并且通过多个氙灯聚光器组合排列从而实现发射高能量紫外光，因此可以进而代替紫外激光束。由于不同的UV胶的最大吸收峰值所在的光谱位置大不相同，感光范围差别很大。此多波长近紫外光源系统不仅降低了传统光源成本，还可以针对不同UV胶实现固化效率的最大化。所以建立多波长近紫外光源系统对光学微透镜制造有很重要意义，可以获得最佳物理性能(表面光洁度,固化硬度等)的光学微透镜，具有研究价值。

附图说明

图1为本实用新型的多波长近紫外光源系统的结构示意图；

图2为本实用新型多波长近紫外光源系统的氙灯聚光器的分解结构示意图；

图3为本实用新型多波长近紫外光源系统的聚光器组中氙灯聚光器排列的结构示意图，其中，图3a为在氙灯电极长度允许情况下7个氙灯聚光器排列示意图，图3c为在氙灯电极长度允许情况下9个氙灯聚光器排列示意图，图3b为在氙灯电极长情况下7个氙灯聚光器排列示意图，图3d为在氙灯电极长情况下9个氙灯聚光器排列示意图；

图4为本实用新型多波长近紫外光源系统的移光器结构示意图；

图5为本实用新型多波长近紫外光源系统的混光器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种多波长近紫外光源系统 包括：聚光器组、移光器2和混合器3，其中，聚光器组由多个氙灯聚光器1组成。

如图2所示，氙灯聚光器1包括：外壳1-1、球面反射镜4、氙灯5、大透镜6、小透镜7和干涉滤光片8；为了减小聚光过程中的光能量损失，所述外壳1-1为密闭式金属圆筒，在所述密闭式金属圆筒内自左向右依次安装所述球面反射镜4、氙灯5、大透镜6、小透镜7和干涉滤光片8，所述球面反射镜4、氙灯5、大透镜6、小透镜7和干涉滤光片8均固定在所述密闭式金属圆筒内壁上，所述氙灯5出射的光依次经大透镜6、小透镜7、干涉滤光片8、移光器2和混合器3。此外，为了增加氙灯聚光器1的光能量，在球面反射镜4上以及金属圆筒内壁上镀一层银或铬，起到反射光的作用。对于氙灯聚光器1各个结构元件参数如下：球面反射镜4半径为120mm，氙灯5半径为10mm，大透镜6孔径为100mm、焦距为50mm，小透镜7孔径为6mm、焦距为30mm，干涉滤光片8孔径为100mm。其中元件间距离参数如下：氙灯与球面反射镜顶端间的距离为60mm，氙灯与大透镜间的距离为150mm，大透镜与小透镜间的距离为105mm，小透镜与干涉滤光片间的距离为5mm。

由于本实用新型的光源系统为面向UV胶固化微透镜的紫外光光源系统，因此光源主要用于研究UV胶被紫外光照射时的凝固特性，需要将氙灯5光谱中特定波长的紫外光过滤出来；因此本光源系统采用干涉滤光片8，通过控制薄膜厚度和层数，从而控制过滤光的波长，此方法结构简单、成本低、效率高。

为了加大紫外光源亮度，可使用多个氙灯聚光器1组成聚光器组。分为七灯系统与九灯系统两种设计思路。如图3所示，用7个或者9个氙灯聚光器1排列成一个圆，如果氙灯电极长度允许的话，可紧密排列，只要将聚光器捆绑在一起即可，即如图3a、3c；若氙灯电极长，无法捆绑，则可以疏散排列，即如图3b、3d，此时需要两个圆盘支架，每个圆盘子上打7个或者9个孔，将聚光器1插入，两个盘支架分别置于聚光器1的前后两端，从而完成聚光器组固定。

从聚光器组出射的光必须合在一起，但由于它们是平行的并且比较分散，在将它们混合之前要将四周的光束平移到尽量接近中心光束，为此需要使用移光器2。所述移光器2包含：第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台，第一中空多面棱锥台包含第一顶端和第一底端，所述第一底端为光输入端，所述第一顶端为光输出端，第二中空多面棱锥台包含第二顶端和第二底端，所述第二底端为光输入端，所述第二顶端为光输出端，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台采用玻璃或金属制作而成，所述第二中空多面棱锥台位于第一中空多面棱锥台的中空部内，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台通过若干辐条连接，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台具有相同数量的侧面，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台共有多对侧面，且每对侧面互相平行；所述第一中空多面棱锥台的内侧壁镀设针对370nm光的增反膜，所述第二中空多面棱锥台的外侧壁镀设针对370nm光的增反膜。

以七灯系统的聚光器组，将四周的6束光经两次反射后平移至中心光束周围，移光器2为两个中空六棱锥台的组合，如图4所示，这样聚光器组外围的6束光便可分别经过这6对平面反射镜平移到中心附近，聚光器组中心处的光束不需平移。对于九灯系统的聚光器组，移光器2则为两个中空八棱锥台的组合

从移光器2出来的光虽然是彼此接近的平行光，但还是多束分离的平行光束，在横截面上的照射面积还是较大，不能满足照射UV胶的需求，因此将这些平行光束射入混光器3中，将它们合在一起并同时压缩直径。如图5所示，所述混合器3为一中空圆锥筒，其包含第三顶端和第三底端，所述第三底端为光输入端，所述第三顶端为光输出端；为了能接收所有光束，所述第三底端的直径为30mm～40mm；对于UV胶的需求，所述第三顶端的直径为小于5mm；在所述第三顶端设有第三透镜9，为了使最终照射光学胶的光束能量密度达到最大，所述第三透镜的直径为3mm，所述第三透镜的焦距3.34mm；为了减小杂散光的损失，所述中空圆锥筒的内壁镀设针对370nm光的增反膜。

为了简化整个光源系统空间体积，可以在条件容许的情况下，将聚光器组本身做成倾斜的，即在前端使用圆盘支架将聚光器疏散排列，但在后端使用捆绑方式紧密排列；这样从聚光器组出射的光束不再是平行光束，除中心光束仍是水平方向以外，其余光束都发生了偏转，而指向中心光束；这时在横截面上的光照范围缩小了，可直接将光束射入混光器中，从而省去移光器。

本实用新型的面向UV胶固化微透镜的多波长近紫外光源系统通过控制改变干涉滤光片的薄膜厚度和层数从而实现发射多谱段紫外光，并且通过多个氙灯聚光器组合排列从而实现发射高能量紫外光，因此可以进而代替紫外激光束。由于不同的UV胶的最大吸收峰值所在的光谱位置大不相同，感光范围差别很大。此多波长近紫外光源系统不仅降低了传统光源成本，还可以针对不同UV胶实现固化效率的最大化。所以建立多波长近紫外光源系统对光学微透镜制造有很重要意义，可以获得最佳物理性能(表面光洁度,固化硬度等)的光学微透镜，具有研究价值。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多波长近紫外光源系统，其特征在于，包括：聚光器组、移光器和混合器，聚光器组由多个氙灯聚光器组成；其中，

所述氙灯聚光器包括：外壳、球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片；所述外壳为密闭式金属圆筒，在所述密闭式金属圆筒内自左向右依次安装所述球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片，所述球面反射镜、氙灯、大透镜、小透镜和干涉滤光片均固定在所述密闭式金属圆筒内壁上；所述氙灯出射的光依次经大透镜、小透镜、干涉滤光片、移光器和混合器。

2.如权利要求1所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，所述球面反射镜半径为120mm，氙灯半径为10mm，大透镜孔径为100mm，大透镜的焦距为50mm，小透镜孔径为6mm，小透镜焦距为30mm，干涉滤光片孔径为100mm；氙灯与球面反射镜顶端间的距离为60mm，氙灯与大透镜间的距离为150mm，大透镜与小透镜间的距离为105mm，小透镜与干涉滤光片间的距离为5mm。

3.如权利要求1所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，多个氙灯聚光器排列成一个圆。

4.如权利要求1所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，所述移光器包含：第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台，第一中空多面棱锥台包含第一顶端和第一底端，所述第一底端为光输入端，所述第一顶端为光输出端，第二中空多面棱锥台包含第二顶端和第二底端，所述第二底端为光输入端，所述第二顶端为光输出端，所述第二中空多面棱锥台位于第一中空多面棱锥台的中空部内，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台通过若干辐条连接，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台具有相同数量的侧面，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台共有多对侧面，且每对侧面互相平行。

5.如权利要求1所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，所述混合器为一中空圆锥筒，其包含第三顶端和第三底端，所述第三底端为光输入端，所述第三顶端为光输出端；所述第三底端的直径为 30mm～40mm，所述第三顶端的直径为小于5mm。

6.如权利要求5所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，在所述第三顶端设有第三透镜，所述第三透镜的直径为3mm，所述第三透镜的焦距3.34mm。

7.如权利要求4所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，所述第一中空多面棱锥台的内侧壁镀设增反膜，所述第二中空多面棱锥台的外侧壁镀设增反膜。

8.如权利要求4所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，所述第一中空多面棱锥台和第二中空多面棱锥台采用玻璃或金属制作而成。

9.如权利要求5所述的多波长近紫外光源系统，其特征在于，所述中空圆锥筒的内壁镀设增反膜。