DE4411998A1 - Kollektor für optische Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kollektor für optische Strahlung gemäß der Gattung der Patentansprüche, der überall dort verwendet werden kann, wo möglichst viel Licht einer mit geringer Intensität strahlenden, vorzugsweise nahezu punktförmigen Lichtquelle aufgenommen und fortgeleitet werden soll. Der erfindungsgemäße Kollektor wird insbesondere zur Aufnahme von Fluoreszenzlicht aus einer dünnen Kapillare für die Auswertung der Kapillarelektrophorese verwendet und ermöglicht in vorteilhafter Weise die Untersuchung fluoreszierend markierter Gensequenzen.

Bekannt ist eine Anordnung zur Kapillarelektrophorese, bei der Fluoreszenzlicht über einen Hohlspiegel auf einen Empfänger geleitet wird, siehe Ztschr. Technisches Messen 58 (1991) 11, S. 421-422, R. Oldenbourg Verlag. Der fluoreszierende Abschnitt der Kapillarführung befindet sich dabei im Brennpunkt des Hohlspiegels (EP 0510824 A1) oder im Fokus einer Sammellinse (WO 92/13229). Das der Anregung der Fluoreszenz dienende Licht wird im ersten Fall über eine Lichtleitfaser zugeführt, die rechtwinklig und unmittelbar auf die Kapillare stößt, und im zweiten Fall über ein Strahlenteilersystem eingespiegelt. Die EP 0497468 A1 enthält eine technologisch aufwendige Methode zur Verbesserung der optischen Effizienz durch Verspiegelung eines kleinen Bereiches der sehr dünnen und nur begrenzt wiederverwendbaren Kapillare.

Der bisher aufgezeigte und bekannte Stand der Technik hat folgende Mängel:

• 1. Die Fluoreszenzanregung führt meist zu einer unerwünschten Zerstörung der fluoreszierenden Substanz, die umso größer ist, je höher die Intensität des Anregungslichtes ist. Die Anregungsintensität darf deshalb nicht beliebig gesteigert werden. Andererseits ist die Fluoreszenzintensität oft so gering, daß aufwendig mit den Methoden der Einzelphotonenzählung gearbeitet werden muß.
• 2. In ihrer Intensität entfernungs- und richtungsabhängige Streustrahlungen führen bei den bekannten Anordnungen zu einem relativ hohen Störlichtanteil, der sich mit den Nutzlichtsignalen überlagert und damit zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch- Verhältnisses, wodurch der Empfang und die Aussagekraft der empfangenen Signale negativ beeinflußt werden.

Die Erfindung soll die vorstehend genannten Mängel beheben und durch die geeignete und angepaßte Ausbildung eines Kollektors die optische Effizienz erhöhen und den Einfluß störender Streustrahlung verringern. Außerdem soll der technologische Aufwand bei der Herstellung des Kollektors reduziert werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Zielstellung durch das Kennzeichen des ersten Patentanspruchs erreicht. Das sich in einem Brennpunkt der elliptisch gebogenen Mantelfläche befindende, optische Strahlen aussendende Element kann grundsätzlich ein punktförmiger Primär- oder Sekundärstrahler sein. Die Dicke des Lichtleiters gleicht vorteilhaft dem Durchmesser eines Wellenleiters. Dadurch übertrifft der erfindungsgemäße Kollektor trotz geringer Dicke die herkömmlichen Kollektoren, da der erfaßte Strahlungswinkel in der Ebene der Lichtleiterscheibe zumindest nahezu 360° und senkrecht dazu etwa 60° beträgt. Wird der Kollektor zur kapillarelektrophoretischen Auswertung verwendet, so ist die Anregungsstrahlung vorteilhaft rechtwinklig zur Lichtleiterscheibe gerichtet, um Streustrahlungen aus der Kapillarwand im Kollektor zu minimieren. Das im anderen Brennpunkt der bspw. verspiegelten, vorzugsweise totalreflektierenden elliptischen Mantelfläche angeordnete Empfangselement kann ein optoelektronischer Empfänger sein. Vorteilhaft ist es jedoch ein Reflektor oder ein die Strahlung auskoppelndes optisches Gitter. Der Reflektor ist vorzugsweise ein Kegel, dessen reflektierende Mantelfläche die allseitig einfallende Strahlung gebündelt rechtwinklig aus der Lichtleiterscheibe herausreflektiert. Die Grundfläche dieses Kegels ist vorteilhaft in der einen Begrenzungsfläche der Lichtleiterscheibe angeordnet und seine Spitze im Schnittpunkt der anderen Begrenzungsfläche der Lichtleiterscheibe mit einer durch den anderen Brennpunkt gehenden Senkrechten zur Lichtleiterscheibe.

Die elliptische Mantelfläche kann sowohl in einer als auch in zwei Koordinatenrichtungen elliptisch gestaltet sein. Wegen der geringen Dicke des scheibenförmigen Lichtleiters genügt es jedoch aus Fertigungsgründen, wenn die Mantelfläche scheibenparallel elliptisch gebogen ist, wobei auch die Scheibe eine Ellipse ist. Rechtwinklig zur Scheibe kann die Mantelfläche eine Zylindermantelfläche oder eine Doppelkegelmantelfläche sein, wobei die gemeinsame Kegelgrundfläche zwischen den ebenen Außenflächen (Deckfläche und Grundfläche) der Lichtleiterscheibe liegt.

Vorteilhaft ist die Lichtleiterscheibe an ihren ebenen ellipsenförmigen, zueinander parallelen Begrenzungsflächen mit Schichten bedeckt, deren Brechungsindizes niedriger sind als der Brechungsindex der Lichtleiterscheibe. Damit das die optische Strahlung aussendende Element in einem Brennpunkt angeordnet werden kann, besitzt der scheibenförmige Lichtleiter an dieser Stelle ein Loch oder einen vom Rand her parallel zur die beiden Brennpunkte enthaltenden Achse gerichteten Schlitz, so daß das optische Strahlung aussendende Element ein- oder durchgeführt werden kann. Damit der scheibenförmige Lichtleiter eine große optische Effizienz zeigt, ist der Durchmesser des Loches oder die Breite und Tiefe des Schlitzes dem Durchmesser des optische Strahlung aussendenden Elements angepaßt und der Zwischenraum zwischen dem Lichtleiter und dem optische Strahlung aussendenden Element vorteilhaft mit einem Immersionsmittel benetzt.

Der erfindungsgemäße Kollektor kann auch mindestens zwei scheibenförmige ebene Lichtleiter aufweisen, die eine Strahlungsmessung in einer entsprechenden Anzahl von Ebenen zulassen. Vorteilhaft haben dabei die Lichtleiter unterschiedliche Größen und eine solche gegenseitige Zuordnung, daß sie mit jeweils einem ihrer Brennpunkte auf einer gemeinsamen Geraden liegen, die im wesentlichen rechtwinklig zu den Lichtleiterscheiben gerichtet ist. Die großen, die Brennpunkte jeder Lichtleiterscheibe enthaltenden Achsen sind dabei vorteilhaft parallel zueinander ausgerichtet. Bei Verwendung von optischen Gittern im anderen Brennpunkt zum Auskoppeln des Meßlichtes, bei Verwendung von mehreren scheibenförmigen Lichtleitern übereinander und bei Scheibendicken von ca. 0,1 mm und weniger ist es empfehlenswert, den erfindungsgemäßen Kollektor in intergriert-optischer Planartechnologie herzustellen.

Zur Verwendung des Kollektors zur Kapillarelektrophorese-Auswertung ist in den Schlitz des Lichtleiters bis zum einen Brennpunkt eine zur Lichtleiterscheibe geneigt angeordnete Kapillare eingeführt. Das in der Kapillare befindliche, zu untersuchende Medium wird von einer Lichtquelle zur Fluoreszenzanregung vorteilhaft so bestrahlt, daß die Anregungsstrahlung rechtwinklig zur Lichtleiterscheibe gerichtet ist. Das Fluoreszenzlicht wird durch die elliptische Mantelfläche und die ebenen ellipsenförmigen Begrenzungsflächen der Lichtleiterscheibe zum anderen Brennpunkt und von dort zu einem Empfänger reflektiert, der auf die Fluoreszenzstrahlung und ihre Veränderungen anspricht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Kollektors in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen die Brennpunkte enthaltenden Längsschnitt durch Fig. 1,

Fig. 3 einen in Planartechnik ausgeführten erfindungsgemäßen Kollektor in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 einen die Brennpunkte enthaltenden Längsschnitt durch Fig. 3,

Fig. 5 zwei auf einem gemeinsamen Substrat angeordnete Kollektoren in perspektivischer Darstellung,

Fig. 6 einen die Brennpunkte enthaltenden Längsschnitt durch Fig. 5,

Fig. 7 einen längsgeschnittenen Kollektor zur Verdeutlichung einer günstigen Richtung der Anregungsstrahlen und

Fig. 8 einen längsgeschnittenen Kollektor unter Verwendung eines Immersionsmittels.

In den Fig. 1 und 2 ist ein dünner, planparalleler, scheibenförmiger Lichtleiter 1 mit einem Schlitz 2 versehen. Der Lichtleiter 1 hat eine Dicke von ca. 0,5 mm, weist eine Deckfläche 3 und eine Grundfläche 4 auf und wird seitlich von einer elliptisch gebogenen Mantelfläche 5 begrenzt. Deck- und Grundfläche 3, 4 sind Ellipsen; die Brennpunkte der Deckfläche 3 und der Grundfläche 4 sowie der elliptischen Mantelfläche 5 sind mit 6 und 7 bezeichnet, als zusammenfallend angenommen und bestimmen die große Achse 8 der Ellipse. In den Schlitz 2 ist eine Kapillare 9 mit einem Außendurchmesser von 150 µm und einem Innendurchmesser von 50 µm so eingeführt, daß sie am inneren Ende des Schlitzes 2 anliegt und dabei ihre geometrische Achse 10 die große Achse 8 im Brennpunkt 6 schneidet. Die Breite des Schlitzes 2 ist im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Kapillare 9. Im Brennpunkt 7 befindet sich die Spitze eines Reflexionskegels 11, dessen Grundfläche in der Grundfläche 4 des Lichtleiters 1 liegt. Mit 12 ist ein optoelektronischer Empfänger mit einer durch den Brennpunkt 7 gehenden optischen Achse 13 bezeichnet. Die Mantelfläche 5 ist mit einer Verspiegelung 14 versehen, und auf der Deck- bzw. Grundfläche 3 bzw. 4 befindet sich je eine Schicht 15, deren Brechungsindex kleiner als der des Lichtleiters 1 ist. Wegen der Einfachheit der Darstellung ist angenommen, daß sich die Brennpunkte 6, 7 und die große Achse 8 in der Deckfläche 3 befinden.

Wird eine in der Kapillare 9 befindliche gelartige Substanz im Brennpunkt 6 zur Fluoreszenz angeregt, so wird die entstehende mehr oder weniger schwache Fluoreszenzstrahlung von der Mantelfläche 5 zum anderen Brennpunkt 7 reflektiert. Die Schichten 15 gewährleisten ähnlich wie bei Lichtwellenleitern innerhalb eines großen Winkelbereiches eine Totalreflexion des auf die Deck- und Grundfläche 3, 4 auftreffenden Fluoreszenzlichtes, so daß dieses ebenfalls zum Brennpunkt 7 gelangt. Vom Reflexionskegel 11 wird das zum anderen Brennpunkt 7 geleitete Fluoreszenzlicht zum Empfänger 12 reflektiert, der die auszuwertenden elektrischen Signale erzeugt. Anstelle der fluoreszierenden Substanz kann im Brennpunkt 6 auch eine Primärlichtquelle angeordnet sein.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen in Planartechnik ausgeführten optischen Kollektor 16. In ein Substrat 17 ist ein planarer optischer Wellenleiter 18 mit einer elliptischen Randfläche 19 eingebracht. Der Wellenleiter 18 weist zwei Brennpunkte 20 und 21 auf. In den Brennpunkt 20 kann eine primäre oder sekundäre Lichtquelle durch einen im Substrat 17 und Wellenleiter 18 befindlichen Schlitz 22 eingeführt werden. Im anderen Brennpunkt 21 werden die an der elliptischen Randfläche 19 reflektierten Strahlen gesammelt und durch ein dort befindliches Radialgitter 23 ausgekoppelt. Der optische Kollektor 16 ist besonders kostengünstig, weil er mit den Mitteln der Planartechnologie hergestellt worden ist. Im übrigen ist seine Wirkungsweise ähnlich wie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben.

In den Fig. 5 und 6 sind auf einem Substrat 24 in Planartechnik zwei elliptische optische Wellenleiter 25, 26 in zwei Ebenen übereinander aufgebracht, die sich in einem geringen Abstand voneinander befinden. Die Dicken der Wellenleiter 25, 26 liegen in der Größenordnung der Wellenlänge des zu leitenden Lichts. Der Wellenleiter 25 weist Brennpunkte 27, 28 auf der großen optischen Achse 29 und eine vom Brennpunkt 27 zum Brennpunkt 28 Strahlung reflektierende elliptische Randfläche 30 auf. Ein im Brennpunkt 28 angeordnetes Radialgitter 31 dient der Auskopplung der dort gesammelten optischen Strahlung zu einem nicht dargestellten optoelektronischen Empfänger.

Der Wellenleiter 26 besitzt Brennpunkte 32, 33 auf der großen Achse 34, die parallel zur großen Achse 29 gerichtet, jedoch kürzer als diese ist. Der Brennpunkt 32 liegt mit dem Brennpunkt 27 auf einer Geraden 38, die senkrecht zum Substrat 24 bzw. zu den Ebenen der Wellenleiter 25, 26 angeordnet ist. Eine elliptische Begrenzungsfläche 35 des Bereiches mit dem größeren Brechungsindex reflektiert die optische Strahlung vom Brennpunkt 32 zum Brennpunkt 33, wo sich ein Radialgitter 36 befindet, das die reflektierte Strahlung zu einem nicht dargestellten optoelektronischen Empfänger auskoppelt.

Die in Ebenen angeordneten Wellenleiter 25, 26 ermöglichen eine gleichzeitige Untersuchung von in diesen Ebenen befindlichen Strahlungsquellen und sich nicht gegenseitig störende Auskopplungen der zu untersuchenden Strahlungen. Ein im Substrat 24 und in den Wellenleitern 25, 26 an gleicher Stelle vorgesehener Schlitz 37 gewährleistet ein einfaches Anordnen der nicht dargestellten, optische Strahlung aussendenden Elemente in den Brennpunkten 27, 32.

Bei der Verwendung von zwei Auskoppelstellen (Radialgittern 31, 36) wird bei Fluoreszenzuntersuchungen die erfaßte Gesamtstrahlung verdoppelt, und es wird möglich, aus der Messung an eng benachbarten Stellen den Konzentrationsgradienten der elektrophoretisch wandernden, fluoreszierenden Substanz unmittelbar zu erfassen. Bei drei planartechnisch hergestellten Kollektoren verdreifacht sich nicht nur die erfaßte Gesamtstrahlung, sondern es läßt sich auch die zweite Ableitung der Konzentration unmittelbar messen. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere elliptische optische Wellenleiter gleicher oder verschiedener Größen sowie Orientierungen zueinander in verschiedenen Ebenen des Substrats anzuordnen. Anstelle des bis zum Rand durchgehenden Schlitzes 37 können auch Löcher in den Brennpunkten 27, 32 vorgesehen sein.

In Fig. 7 ist ein scheibenförmiger elliptischer Lichtleiter 39 mit einer totalreflektierenden Mantelfläche 40 und mit Grundfläche 41 und Deckfläche 42 dargestellt, von denen letztere je mit einer Schicht 43 versehen sind, deren Brechungsindex kleiner ist als der des Lichtleiters 39. Der Lichtleiter 39 weist ferner ein Loch 44 auf, in dem sich der eine Ellipsenbrennpunkt 45 des Lichtleiters 39 befindet. Er weist außerdem im anderen Ellipsenbrennpunkt 46 eine oberflächenverspiegelte kegelförmige Einsenkung 47 auf. Durch das Loch 44 ist eine Kapillare 48 mit der Achse 49 geführt, die im Brennpunkt 45 von einem Lichtbündel 50 mit der optischen Achse 51 getroffen wird, das die in der Kapillare 48 befindlichen Substanzen in der Umgebung des Brennpunkts 45 zur Fluoreszenz anregt. Die optische Achse 51 steht senkrecht auf dem planparallelen Lichtleiter 39 bzw. seiner Grund- und Deckfläche 41, 42. Da die Streustrahlung (insbesondere Raman-Streustrahlung) senkrecht zur Anregungsrichtung und in Richtung des Feldstärkevektors des Anregungslichtes Null ist und die Kollektorstruktur 52 in der Zeichenebene der Fig. 7 einen Aperturwinkel hat wie ein Lichtwellenleiter, ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Minimierung der Streustrahlung in Richtung des Lichtleiters 39.

Fig. 8 unterscheidet sich von Fig. 7 nur dadurch, daß das Loch 44 mit einem Immersionsmittel ausgefüllt ist, wodurch eine verlustarme Einkopplung des Fluoreszenzlichtes oder eines anderen Lichtes im Brennpunkt 45 in den ellipsenförmigen Lichtleiter 39 ermöglicht wird.

Ist der Außendurchmesser 2R der Kapillare 48 z. B. 150 µm und der Aperturwinkel des ellipsenförmigen Lichtleiters 39 aufgrund der Lichtleitereigenschaften 30°, so ergibt sich die erforderliche Dicke des Lichtleiters 39 zu H = 0,0866 mm. In einem anderen Fall kann diese Dicke H = 0,5 mm sein. Für die Ellipsenform des Lichtleiters 39 ergibt sich eine günstige Bemessung, wenn die große Halbachse a = 20 mm und die kleine Halbachse b = 15 mm ist.

Bezugszeichenliste

1, 39 - Lichtleiter
2, 22, 37 - Schlitze
3, 42 - Deckflächen
4, 41 - Grundflächen
5, 40 - Mantelflächen
6, 7, 20, 21, 27, 28, 32, 33 - Brennpunkte
8, 29, 34 - große Achsen
9, 48 - Kapillaren
10, 13, 49, 51 - Achsen
11 - Reflexionskegel
12 - Empfänger
14 - Verspiegelung
15, 43 - Schichten
16 - Kollektor
17, 24 - Substrate
18 - Wellenleiter
19, 35 - Randflächen
23, 31, 36 - Radialgitter
25, 26 - Wellenleiter
38 - Gerade
44 - Loch
45, 46 - Ellipsenbrennpunkte
47 - Einsenkung
50 - Lichtbündel
52 - Kollektorstruktur
53 - Immersionsmittel

Claims (15)

1. Kollektor für optische Strahlung, gekennzeichnet durch einen scheibenförmigen ebenen Lichtleiter, der seitlich von einer elliptisch gebogenen Mantelfläche begrenzt wird, in dessen einem Brennpunkt sich ein optische Strahlung aussendendes Element und in dessen anderen Brennpunkt sich ein Empfangselement befindet.

2. Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die elliptische Mantelfläche Teil eines Zylinders ist.

3. Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die elliptisch gebogene Mantelfläche als Doppelkegelfläche mit gemeinsamer Grundfläche gestaltet ist.

4. Kollektor nach Anspruch 2. oder 3., dadurch gekennzeichnet, daß die elliptische Mantelfläche totalreflektierend ausgebildet ist.

5. Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Begrenzungsflächen des Lichtleiters mit Schichten versehen sind, deren Brechungsindex niedriger ist als der des Lichtleiters.

6. Kollektor nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Brennpunkt eine Kapillare als optische Strahlung aussendendes Element geführt ist, die gegenüber dem ebenen Lichtleiter unter einem Winkel geneigt ist.

7. Kollektor nach Anspruch 6., dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare eine fluoreszierende Substanz enthält, und im Brennpunkt von Anregungslicht getroffen wird, das rechtwinklig zum ebenen Lichtleiter gerichtet ist.

8. Kollektor nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ebene Lichtwellenleiter in dem einen Brennpunkt eine Öffnung zur Ein- und Durchführung des optische Strahlung aussendenden Elements aufweist.

9. Kollektor nach Anspruch 8., dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung als Schlitz parallel zu der durch die beiden Brennpunkte bestimmten großen Ellipsenachse ausgebildet ist, der von der Mantelfläche bis zu dem einen Brennpunkt reicht.

10. Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß im anderen Brennpunkt ein kegelförmiger Reflektor angeordnet ist, dessen Grundfläche parallel zu den ebenen Flächen des Lichtleiters gerichtet ist.

11. Kollektor nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß im anderen Brennpunkt eine Gitterstruktur angeordnet ist.

12. Kollektor nach Anspruch 10. oder 11., dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Lichtleiter übereinander angeordnet sind.

13. Kollektor nach Anspruch 12., dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtleiter mit jeweils dem einem ihrer Brennpunkte eine Gerade bestimmen, die im wesentlichen rechtwinklig zu den Lichtleiterscheiben gerichtet ist.

14. Kollektor nach Anspruch 13., dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtleiter unterschiedliche Größen haben.

15. Kollektor nach mindestens einem der Ansprüche 11. bis 14., dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter in integriert-optischer Planartechnologie hergestellt sind.