专利名称：：具有用于将信号光映射到探测器上的衍射光学元件的光学系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于将信号光从至少一个光源映射(mapping)到目标位置上的光学系统和方法。
背景技术：
：在WO02/059583A1中给出了对来自发光样本的信号光通过玻璃衬底的传播的详细分析。所述分析表明，其强度的大部分包含在所谓的"SC模式"中，根据定义，所述"SC模式"包括在全内反射角下抵达玻璃衬底的背面(即，与样本相反的一侧)的信号光。因此，从探测目的来讲，SC模式的信号光通常会受到损耗。为了防止这一损耗，在WO02/059583A1中建议在玻璃衬底的背面设置衍射光学元件，其通过衍射将SC模式的光从玻璃衬底中耦合出来。但是，这一方案的问题在于离开玻璃衬底的信号光分布在一个大角度范围上，探测器必须覆盖这一大角度范围才能收集所有可用的信号光。此外，从不同光源发出的信号光混合，因此不能通过探测器对所述光进行空间分离。
发明内容基于这一情况，本发明的目的在于提供用于对信号光进行改进的处理，尤其是空间分解处理的装置。这一目的是通过根据权利要求1所述的光学系统和根据权利要求11所述的方法实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据其第一方面，本发明包括具有成像单元的光学系统，所述成像单元用于将来自至少一个光源的光(在下文中出于参考的目的将其称为"信号光")映射到目标位置上，其中，所述目标位置对应于光源的图像。例如，所述光源可以是(生物)化学检验中样本材料的光点或者诸如LED的技术部件。典型地，所述成像单元根据几何光学原理将信号光聚焦到图像平面上。具体地，其可以包括一个或多个透镜，其中，所述成像单元(即，面对所述光源的透镜)的数值孔径(NA)优选大于0.8，最优选与围绕所述透镜的介质的折射率(index)—样大。所述光学系统还包括下述部件a)至少一个第一衍射光学元件(在下文中縮写为DOE)，其相对于信号光的光路位于成像单元的"前面"，即，信号光在进入成像单元之前受到所述第一DOE的衍射。b)至少一个第二DOE，其相对于所述信号光的光路位于所述成像单元的"后面"，即，信号光必须离开所述成像单元才能进入所述第二D0E。在下文中将相对于本发明的优选实施例更详细地描述第一和第二DOE的适当实现。上述类型的光学系统的优点在于提供了第一DOE的预期功能，例如，所述第一DOE可以是能够实现小波长范围的显著透射(pronouncedtransmission)的波长滤波器，同时还能够通过第二DOE补偿第一DOE不尽人意的效果。具体地，可以布置和设计所述第一DOE和第二DOE,从而由第二DOE逆转(reversed)第一DOE对穿过其的光线的路径的作用。换言之，所述光学系统作为一个整体通过类似于几乎不存在光栅的方式对输入点成像，所述成像单元(例如，透镜)在对输入点成像的同时仍然能够得益于第一DOE。因而能够保持第一DOE对信号光的预期效果(例如，波长滤波)，同时能够获得对这一光的未受扰动的光学成像。所述第一和第二DOE从原理上可以具有不同的设计(g卩，形式和/或尺寸)。但是，在优选实施例中，所述第一和第二DOE在设计上相同。根据另一任选实施例，按照镜像布局使用所述第一和第二DOE。如果所述DOE也是相同的，那么第二DOE将逆转第一DOE对信号光光路的作用。在本发明的优选实现中，所述光学系统还包括具有(弯曲或平坦)背面的至少半透明的衬底，其中，可以将来自光源的信号光耦合到所述衬底内，并且其中，这一信号光的至少部分能够通过所述背面离开所述衬底。所述"背面"是所述衬底的面之一，给出这一名称的目的在于参考，该名称是以从光源观察为基础的。光源相对于衬底的位置不受任何形式的限制，具体地，所述光源可以远离、接近甚至嵌入到衬底内。在很多种情况下，所述衬底基本上是由玻璃或透明聚合物构成的平板。此外，第一衍射光学元件DOE位于衬底的背面，并且适于将SC模式的信号光从衬底中耦合出来。根据定义，"SC模式"包括在不存在第一DOE的情况下在所述背面处受到全内反射的信号光。可以在WO02/059583Al中找到对SC模式的详细说明和对第一DOE的适当实现。具体地，可以将所述光学系统(尤其是其成像单元和第二DOE)设计为，将从所述衬底中耦合出来的所述SC模式的信号光的80%以上，优选90%以上，最优选将全部所述光引导至目标位置。上述类型的光学系统的优点在于提供了信号光的高产出率(highyield),因为第一DOE将那些通常会被衬底内部俘获的光耦合了出来。此外，通过第二DOE反转由第一DOE引入的、将损害光源的正常几何成像的信号光分散，从而使SC模式的信号光(或者至少其大部分)抵达目标位置。因此，可以使用于测量来自光源的光的探测器保持小于光分散不受限制的情况。此外，有可能在没有(或降低)串扰的情况下通过空间分解的(spatiallyresolved)方式使多个不同的光源在分立的目标位置上成像。具体地，第一DOE和/或第二DOE可以是一维光栅，根据定义，其沿第一方向具有(周期性)结构，并且沿第二垂直方向具有恒定外形。或者，所述第一和/或第二DOE可以是沿两个垂直方向具有(周期性)结构的二维光栅。每一衍射光学元件在受到光的平面波照射时均表现出衍射光的特征强度图案，其中，所述图案由DOE的设计参数决定(例如，由多狭缝光栅中狭缝的宽度和距离决定)。可以通过衍射级描述强度图案，所述衍射级对发生在DOE后面的相长或相消干涉的影响进行分类。就这里描述的光学系统而言，优选将第一和/或第二DOE设计为，使离开DOE的衍射光的强度的80。/。以上，最优选为95%以上均包含在一个衍射级内。因此，有可能专注于处于该级内的信号光，即，将所述光学系统设计为，将该级的光引导至目标位置，而可以忽略在其他衍射级内传播的光。可以将所述^:学系统用于很多种不同的任务。对于最为重要的一类应用而言，所述光学系统可以包括与上述衬底相邻的样本室，其中，可以在所述样本室内提供发光样本材料。在这种情况下，可以以高效率收集来自发光(例如荧光)样本材料的信号光，并通过空间分解的方式将其映射到目标位置上。根据本发明的另一项开发，所述光学系统包括设置于目标位置的探测器元件的阵列(即，设置为使目标位置按照阵列排布)。具体地，所述探测器元件的阵列可以是CCD摄像机的灵敏区。凭借探测器元件的阵列，有可能区分来自不同光点的信号光，因为所述点的图像被映射到所述阵列的不同探测器元件上。本发明还包括用于将来自至少一个光源的信号光映射到对应于光源的图像的目标位置上的方法，其包括下述步骤a)例如，采用第一DOE，第一次衍射信号光。b)根据几何光学原理，将所述受衍射的信号光成像到目标位置。c)第二次衍射所述受到聚焦的信号光(例如，采用第二DOE)，从而使其(全部或部分)在目标位置处相长干涉，这样形成了处于所述位置的点(即光源的图像)。所述方法可以任选包括下述其他步骤-将来自光源的信号光耦合到衬底内，所述衬底具有背面，所述信号光可以通过所述背面至少部分地离开所述衬底。-通过第一次衍射过程将所述信号光的所谓的SC模式从所述衬底中耦合出来，根据定义，所述"SC模式"包括在不发生衍射的情况下将在所述衬底的所述背面受到全内反射的光。就一般的形式而言，所述方法包括能够通过上述类型的光学系统执行的步骤。因此，参考上述说明了解有关所述方法的细节、优点和改进的更多信息。通过下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并且将参考下文中描述的实施例对本发明的这些和其他方面予以说明。在下文中，将借助于附图通过举例的方式描述本发明，在附图中图1示出了具有正弦光栅的根据本发明的光学系统；图2针对所传输的衍射级示出了处于正弦光栅处的衍射的原理；图3示出了由一维正弦光栅衍射的SC模式内的光强度分布的透视图；图4示出了用于计算光学系统的强度分布的设置；图5示出了具有根据本发明的光学系统的用于对发光材料进行检验的检验设备。具体实施方式图1示意性地示出了根据本发明的优选实施例的光学系统的设置。邻近透明衬底11设置光源1，例如，所述透明衬底11可以是平玻璃板。光源1可以是所要研究的发射信号光(例如荧光)的样本材料的点。但是，应当注意，这样的研究系统只是本发明的应用的一个例子。可以在WO02/059583A1中找到对发光颗粒1发射的信号光通过玻璃衬底ll的传播的详细分析，在此将其引入到本申请中以供参考。根据这一分析，由光源1发射的信号光的相当大的部分将包含在SC模式内，其通过代表性光线L。L2表示，并且其包括在全内反射角下抵达玻璃衬底11的背面10的信号光(假设接触背面10的介质具有比玻璃衬底低的折射率，例如，所述介质为空气)。因而，SC模式的光通常被玻璃衬底11的内部俘获(可能沿侧面方向离开所述衬底)，从而对探测用途造成损失。为了使SC模式的光可用，将第一衍射光学元件21设置在玻璃衬底11的背面10上，其将包含在SC模式内的光L,和L2耦合出来。在图1的实施例中，通过(一维)正弦光栅21实现所述衍射光学元件，例如，可以将所述正弦光栅21蚀刻到所述玻璃表面内。图2示意性地示出了正弦光栅21的工作原理。在采用平面光波Lo照射时，所述光受到光栅21的衍射，并在光栅21的后面按照特定强度图案沿各个方向传播。这一图案的不同方向以干涉级-N……-m……-1、+1……+m+N为特征，并携带不同的光强。出于本发明的目的，将光栅21(或用来替代其的任何其他光栅)设计为，基本上使所有的光都包含在一个主导衍射级内，例如，m=2nd级(由图2中的宽箭头表示)。此外，优选使光栅的反射尽可能小。在图1所示的光学系统中，由处于这一光栅的主导级的角度下的SC模式L,、L2照射图2所示的类别的正弦光栅21。在这种情况下，将具有SC模式Li的光从玻璃衬底ll中耦合出来，所述光主要以射线束Ln(对应于图2中的-m级)和射线束L12(对应于图2中的入射光Lo)在衬底后面传播。第二光束L2通过类似的方式以射线束L21、L22在玻璃衬底11后面传播。在图1所示的布局中，由光源1发射并从玻璃衬底11中耦合出来的所有信号光均由聚焦透镜31俘获并在所述透镜后面朝向图像平面P会聚(如果在与衬底11相同的衬底上不存在光栅41，那么所述图像平面可能处于不同的位置)。如果没有正弦光栅41和透镜31，衍射级Lu、L12、L21、L22将不会被衍射到级Li3、L23(其为具有适当相位的光线I^和L2的反转，从而使光源1成像为点51)内。如果存在多个光源，其将导致跨越图像平面P散布的重影点(ghostspots),并导致不符合要求的串扰。为了防止上述串扰，图1的光学系统包括具有正弦光栅41的形式的第二衍射光学元件DOE，所述正弦光栅41相对于透镜31和第一光栅21按照镜像布局设置。此外，第二正弦光栅41优选与第一光栅21具有相同的类型和尺度。第二光栅逆转了第一光栅对来自光源l的信号光的光路的作用(即，对射线束"、L2的实际延长路径的作用)，因而在第二光栅41之后存在两个会聚至目标位置51的光束L,3、L23。因而，由光源l发射的所有信号光均集中在一个像点，并且可以通过空间分解的方式将多个光源映射到像平面P上。根据图1的方案的功能依赖于互易(reciprocity)原理的实施，以及所有的衍射光Ln、L12、L21、L22均由透镜31俘获的事实，艮口，这一透镜具有足够大的NA的事实。在互易原理(或可逆原理，参考E.Hecht,"Optics,"2ndedition,Addison-Wesley,Reading,Massachusetts,chapter4，1987)的作用下，对于具有很多输入光线(平面波)和输出(例如，散射、反射、透射)光线的指定构造而言，逆转所有输出光线的方向导致了现在输入光线沿反向传输。图3示出了由光源1发射并受到一维正弦光栅21衍射的具有SC模式的光"、L2构成的光锥的透视草图。如处于光栅21之上的强度分布所示，光栅21将具有SC模式的光强的大约50%的量耦合了出来。与1D光栅相比，凭借二维光栅，能够获得更大的用来将光耦合出来的角范围。但是，其将导致产生五个光斑，其中的四个为重影光斑。图4示出了根据本发明的光学系统的主要设置，其允许在不影响图像质量的情况下使用第一光栅21的功能，因为第二光栅41能够在不生成重影点的情况下将所述级折返(foldsback)至原始图像。第一光栅21可以是，例如，破坏全内反射的光栅引出耦合器，或者其可以是能够实现小波长范围显著传输的波长滤波器。为了得到更为详细的数值分析，假设图4的模型系统由两个等同的具有处于玻璃中的沟槽的光栅21和41构成，光栅21和41由透镜31分隔。使光栅21的衍射图案在光栅41上1-1成像。箭头表示输入光I、衍射级DO、由透镜IDA成像的衍射级、成像输入II和重影GI的光线。此外，采用下述参数折射率玻璃，n=1.5;Air，n=l;光栅10微米的周期，250mn的光栅深度。波长l微米。偏振TE'输入法向入射的平面波。采用严格的光栅解算器(solver)计算光栅的衍射效率。作为近似仅包括光栅21的前5个衍射级(级-2、-1、0、1、2)。从下面的表1可以看出这是一种合理近似。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>第一光栅21的总透射率为96%。因而，4%的功率处于受反射的级中，所述受反射的级与法向入射光在玻璃/空气界面上的菲涅耳反射(4%)符合得很好。采用5级作为第二光栅41的输入计算处于光栅41的玻璃层内的级的光功率，其中，采用"n"表示与输入具有相同角度的级，将其他级看作是重影点(GI)。为了得到良好的图像，处于n中的功率值与GI的功率相比应当为大功率值。NA=1的透镜表2示出了处于光栅41后面的被划分为重影图像(GI)和图像(II)的级内的输入百分率<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>从表2可以推断，采用NA4的透镜得到了输入光束的几乎理想的图像，其没有重影图像。处于中央点(II)的输入功率的总量稍微小于法向入射光在玻璃一空气界面处受到两次菲涅耳反射后得到的功率92.16%。这一细小差别可能归因于并非光栅21生成的所有衍射级均包含在内这一事实。能够对前三级-1、0、1成像的NA〈1的透镜表3示出了处于光栅41后面的被划分为重影图像(GI)和图像(II)的级内的输入百分率<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>第一级重影点内的百分比仍然几乎为零；这表明处于第一级重影点内的功率由下面两种成分之间的干涉决定i)受到光栅21的第一级衍射和光栅41的基本级衍射的成分(contribution);以及ii)受到光栅21的基本级衍射和光栅21的第一级衍射的成分。能够对#0的级成像的NA<1的透镜表4示出了处于光栅41后面的被划分为重影图像(GI)和图像(II)的级内的输入百分率<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>将透镜的NA进一步降至只能对基本级成像的程度得到了类似于单点(singlespot)图像的图像。模拟表明，在采用两个等同的光栅的情况下，其中，使第一光栅的衍射图案在第二光栅上成像，有可能在不存在重影点的情况下在第二光栅的后面对第一光栅的输入成像，其中假设成像透镜的NA足够高，从而使相邻衍射级发生干涉。基于这一事实，例如，可以采用第一衍射光栅作为破坏全内反射的引出耦合光栅，并采用第二光栅将每一角度的辐射收集到单个衍射级内，由此获得荧光珠粒的几乎理想的图像。由于处于第二光栅后面的图像几乎是理想的，因而可以采用这种方法对多个珠粒进行成像/空间分解(spatiallyresolve)o由于上述原理对正弦光栅有效，而不管光栅周期如何，并且由于可以将任何光栅形状表示为正弦光栅之和，因而所述原理也对任何其他光栅形状有效。因而，可以采用(例如)闪耀光栅替代图1中的正弦光栅21和41。图5示出了在检验设备中对上述光学系统的应用。所述设备主要包括多点发生器MSG100，其在生物感测单元300的样本层302内生成样本光点阵列(其中，在图5中只示出了所述阵列中的一个代表性样本光点1)。例如，可以通过照射孔径的阵列的光源实现MSG100，由此在MSG的输出处形成源光点阵列。将来自MSG100的一个源光点的激发光504(通过图5中未示出的光学部件)聚焦到样本室303的样本层302内的样本光点1上，其中，所述样本室303形成于玻璃衬底11和盖板304之间。样本室303含有具有荧光样本材料的流体，在样本光点1内由激发光504激发所述荧光样本材料的荧光。之后，所激发的荧光光的部分传播到玻璃衬底11内，这一点在上文中已经针对这一类型的一般布局得到了讨论。根据上述原理，通过诸如正弦光栅的第一衍射光学元件21将以SC模式传播的荧光信号光从衬底ll中耦合出来。在图5中，仅示出了SC模式的荧光的射线束L,、L2。这些束的光在二向色分束器206、207的棱镜207的背面受到了反射，将所述二向色分束器设计为使激发光504能够不受影响地通过，而荧光光则受到反射。如上所述，聚焦透镜31连同第二衍射光学元件41将样本光点1发射的所有信号光聚焦到探测器单元的阵列50(例如，CCD阵列)内的单个像点51上。因而，将样本层302内的多个样本光点中的每一个映射到阵列50上的不同位置(像素)上，从而能够以高产出率对其进行单独测量。最后，应当指出，在本申请中，"包括"一词不排除其他元件或步骤，单数冠词不排除复数，单个处理器或其他单元可以完成几个装置的功能。本发明归属于每一新颖的特征要素和所述特征要素的组合。此外，不应将权利要求中的附图标记推断为对其范围的限制。权利要求1、用于将来自至少一个光源(1)的信号光映射到目标位置(51)上的具有成像单元(31)的光学系统，其包括a)至少一个第一衍射光学元件DOE(21)，其相对于所述信号光的光路位于所述成像单元(31)的前面；b)至少一个第二衍射光学元件DOE(41)，其相对于所述信号光的光路位于所述成像单元(31)的后面。2、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，将所述第一DOE(21)和所述第二DOE(41)布置和设计为，使所述第二DOE(41)逆转所述第一DOE(21)对通过其的光线的路径的作用。3、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一DOE(21)和所述第二DOE(41)具有等同的设计，和/或使它们相对于所述成像单元(31)按照镜像布局设置。4、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于其包括具有背面(10)的衬底(11)，其中，信号光可以被耦合到所述衬底(11)内，并至少部分地通过所述背面(10)离开所述衬底；所述第一衍射光学元件DOE(21)处于所述衬底(11)的背面(10)，并适于将"SC模式"的信号光耦合出来，根据定义，所述"SC模式"的信号光包括如果不被耦合出来就会在所述背面(10)处受到全内反射的信号光(LPL2)。5、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一DOE(21)和/或所述第二DOE(41)为一维或二维光栅。6、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一200680009989.6权利要求书第2/2页DOE和域所述第二DOE包括正弦光栅(21，41)或闪耀光栅。7、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，将所述第一DOE(21)和/或第二DOE(41)设计为，使所述输出强度的80%以上，优选95%以上包含在一个衍射级内。8、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像单元包括透镜(31)，所述透镜的数值孔径NA优选大于0.8，最优选与围绕所述透镜的介质的折射率一样大。9、根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，其包括与所述衬底(11)相邻的样本室(303)，可以在所述样本室(303)内提供发光样本材料。10、根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，将探测器元件的阵列(50)设置在所述目标位置(51)处。11、一种用于将来自至少一个光源(1)的信号光映射到目标位置(51)上的方法，其包括a)第一次衍射信号光(LpL2);b)使受到衍射的信号光成像；c)第二次衍射所述受到聚焦的信号光(L，L12，L21，L22)，从而使其相长干涉至处于所述目标位置(51)的点。12、根据权利要求ll所述的方法，包括将信号光耦合到具有背面(10)的衬底(11)内，所述信号光可以通过所述背面(10)至少部分地离开所述衬底(11);通过所述第一次衍射将所述信号光的SC模式从所述衬底(11)中耦合出来。全文摘要本发明涉及光学系统，具体地，所述光学系统能够实现对从光源(1)通过平玻璃衬底(11)传播的信号光的改进探测。通过第一衍射光学元件DOE(21)将这一信号光中通常会在所述衬底(11)的所述背面(10)处受到全内反射的SC模式耦合出来。为了将离开所述衬底(11)的所有信号光映射到单个目标位置(51)上，将聚焦透镜(31)和第二DOE(41)设置在处于所述衬底(11)后面的光路内。例如，所述DOE(21，41)可以是1D正弦光栅或2D闪耀光栅。具体地，可以将所述光学系统应用到用于探测荧光样本材料的多点的检验设备中。文档编号G01N21/64GK101151519SQ200680009989公开日2008年3月26日申请日期2006年3月27日优先权日2005年3月30日发明者D·J·W·克隆德,M·巴利斯特雷里,M·范赫佩恩申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司