一种光纤传输的荧光分光装置的制作方法

1.本发明涉及光学设备领域，特别是涉及一种光纤传输的荧光分光装置。


背景技术：

2.共聚焦光路系统是一种非常成熟的光路方案，已经被广泛应用于各种常用仪器中，如共聚焦显微镜、荧光相关光谱仪、荧光寿命成像仪等。在光路中增加一个针孔，通过物理过滤的方式，把除聚焦点以外的杂散光过滤掉，从而提高信号的信噪比。
3.现有荧光分光装置的缺点有以下几个方面：1.增加光路的复杂性，从而导致光轴和部分光学器件的工作面不垂直。光路中荧光经二向色镜后透射的光路比较容易实现光轴和各光学器件工作面的垂直。但是经二向色镜后反射的光路，由于机械结构件加工差和装配误差的存在，无法精确保证二向色镜与光轴的夹角为45
°
，这就导致经二向色镜反射的光路中会引入不必要的像差，从而降低光路性能。2.对于像荧光相关光谱仪等对两个针孔定位有联动要求的技术，无法满足其需求。荧光相关光谱等技术对共聚焦光路要求非常高，尤其是对针孔的空间三维定位通常要求重复定位精度达到1μm左右。且对于多通道的荧光相关光谱技术，两个针孔需要有联动性，要求两个针孔在物空间的共轭像点重合率达到50％以上，而针孔在物空间的共轭像点横向直径大小只有几百纳米，这就对两个针孔的定位联动性提出了很高的要求。现有技术方案很难满足要求。3. 光路稳定性和可靠性比较差。为了保证荧光聚焦点大小和针孔大小匹配，通常光路中的透镜焦距会选择大于150mm，而针孔大小通常只有几十微米，这就会导致经二向色镜反射的光路对二向色镜的角度不稳定性非常敏感，二向色镜发生非常微小的角度偏移就会导致针孔无法接收到荧光聚焦点处的信号。因此，该光路对环境中的震动、温湿度波动等要求非常高，且基于现有方案开发的仪器很难通过运输测试。4.光路体积大，无法应用于便携式仪器。由于荧光分光等功能均加在共聚焦光路中，而多通道共聚焦光路还需要再增加新通道光路的空间，这就导致光路体积比较大，无法应用于便携式或小型仪器。5.可扩展性比较差。基于现有光路方案开发的仪器，需要提前计划好最多需要用到几个通道，单通道仪器适合小型化，但无法扩展多通道的新功能，只能实现单一功能；多通道仪器可扩展功能比较多，但是无法做到小型化、便携式。这就导致开发的仪器不得不考虑多个研发和生产方案，从而大大提高了企业采购、物料、生产等管理成本。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种光纤传输的荧光分光装置，其能够降低光路对装配工艺的要求，实现多通道共聚焦光路针孔联动的功能，提升光路的稳定性和可靠性，缩小光路体积，提升光路扩展的灵活性，降低研发、生产等的管理成本。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种光纤传输的荧光分光装置，包括至少一个荧光分光装置固定座，荧光分光装
置固定座为四面开孔、顶部开口的中空的立方体形，每个荧光分光装置固定座内均分别设有角度可调的二向色镜座，二向色镜座安装有二向色镜，二向色镜座为四面开孔的中空结构，二向色镜角度可调，至少一个荧光分光装置固定座四周设有至少三个多自由度光纤准直耦合器，每个多自由度光纤准直耦合器均分别对准一个位于荧光分光装置固定座的侧面的孔。
7.进一步，二向色镜座的侧壁与荧光分光装置固定座的侧壁留有缝隙，二向色镜座的底部与荧光分光装置固定座的底部之间设有滚珠式销轴，荧光分光装置固定座的底面设有用于容置滚珠式销轴的凹槽，二向色镜座的底部对应滚珠式销轴设有凹部。
8.进一步，二向色镜座包括相对设置且固接的第一半壳和第二半壳，第一半壳和第二半壳之间设有色镜安装框架，第一半壳和第二半壳与色镜安装框架之间留有缝隙，色镜安装框架与第一半壳和第二半壳之间的角度可调，二向色镜座以对角线为界分为第一半壳和第二半壳，色镜安装框架位于二向色镜座的对角线上。
9.进一步，二向色镜座的底部设有磁力装置，对应二向色镜座的磁力装置，荧光分光装置固定座的底部也设有磁极相反的磁力装置。
10.进一步，第一半壳或者第二半壳设有若干个螺纹副，螺纹副中螺栓的一端抵接于色镜安装框架，色镜安装框架的另外一侧设有弹簧。
11.进一步，螺纹副设置为三个，三个螺纹副呈等腰三角形排布于第一半壳或者第二半壳。
12.进一步，二向色镜座的出光方向的光路上设有滤光片。
13.进一步，多自由度光纤准直耦合器包括耦合器基座、光纤组件、透镜、透镜座以及透镜座支持件，透镜座中部设有用于容置透镜的通孔，透镜位于通孔内，透镜座支持件中部设有供光通过的通孔，透镜座支持件抵接于透镜座，耦合器基座设有容置腔，透镜座位于耦合器的容置腔内，耦合器基座设有轴向位置调整装置和轴截面位置调整装置，轴向位置调整装置用于调整透镜座在光轴方向上的位置，轴截面位置调整装置用于调整透镜座在垂直于光轴方向的平面内的位置。
14.进一步，轴向位置调整装置包括呈环形阵列设置于耦合器基座上的三个螺纹副，三个螺纹副的螺栓的长度方向与光轴平行，三个螺栓均分别穿过耦合器基座抵接于透镜座支持件，透镜座支持件与耦合器基座之间设有拉簧。
15.进一步，轴截面位置调整装置包括设置于耦合器基座上的两个螺纹副，两个螺纹副的螺栓相互垂直且位于同一个平面内，两个螺栓均分别穿过耦合器基座抵接于透镜座的侧壁，透镜座设有弹力装置，弹力装置给予透镜座的弹力的方向与轴截面位置调整装置的两个螺纹副的方向相反。
16.总的说来，本发明具有如下优点：
17.1、可以降低光路对零部件加工精度和装配工艺的要求，从而可以更好的保证仪器的质量并降低生产成本。由于本发明中使用了多自由度光纤准直耦合器，因此荧光分光装置对二向色镜的角度偏移不敏感。
18.2、对于多通道荧光光路的应用场景下，即两个以上荧光分光装置固定座并排连接，可以更好的实现不同波长荧光的聚焦点的统一。由于本发明中的共聚焦光路只有一个针孔，荧光都是经过针孔后分光，因此不论需要用到多少个光路通道，所有的荧光均聚焦至
同一个针孔处，这就可以实现不同通道的针孔在物空间的共轭像点重合度50％以上。
19.3、可以提升光路的稳定性和可靠性。本发明是通过光纤进行光的传输，且荧光分光装置固定座、二向色镜座、多自由度光纤准直耦合器等部件将整个荧光分光装置组装成一个整体，因此可以提升颠簸运输、震动、温湿度变化等环境中的可靠性。
20.4、可以有效缩小光路体积，有利于开发便携式或小型化光学仪器。
21.5、提升光路扩展的灵活性，降低研发、生产等的管理成本。本发明可以将单通道和多通道光路整合成同一种光路方案，不管需要用到多少个荧光通道，即多个荧光分光装置固定座组合起来，都可以灵活扩展通道数，使得同一个光路技术方案下可以扩展出多个型号、多个应用场景的仪器，从而降低采购、物料、生产等环节的管理成本。
附图说明
22.图1为本发明一种光纤传输的荧光分光装置的整体结构示意图。
23.图2为本发明一种光纤传输的荧光分光装置的拆掉上盖的分解结构示意图。
24.图3为本发明一种光纤传输的荧光分光装置的分解结构示意图。
25.图4为本发明一种光纤传输的荧光分光装置的多自由度光纤准直耦合器的结构示意图。
26.图5为本发明一种光纤传输的荧光分光装置的多自由度光纤准直耦合器的分解结构示意图。
27.图6为本发明一种光纤传输的荧光分光装置的多通道荧光光路的实施方式的结构示意图。
28.图7为发明一种光纤传输的荧光分光装置的吸收光谱或散射光谱测量扩展应用的结构示意图。
29.其中图1至图7中包括有：
30.1——耦合器基座、2——透镜、3——透镜座、4——透镜座支持件、5—— z向调整螺栓、6——沉孔、7——x向调整螺栓、8——y向调整螺栓、9——弹片、10——凹槽、11——光纤适配器、12——输入光纤、13——光纤适配器固定片、14——荧光分光装置固定座、15——二向色镜、16——滚珠式销轴、17 ——凹槽、18——色镜安装框架、19——磁力装置、20——第一半壳、21——第二半壳、22——色镜调节螺纹副、23——滤光片、24——输出光纤、25——比色皿座。
具体实施方式
31.下面来对本发明做进一步详细的说明。
32.实施例1、
33.如图1至图3所示，一种光纤传输的荧光分光装置，包括至少一个荧光分光装置固定座14，荧光分光装置固定座14为四面开孔、顶部开口的中空的立方体形，每个荧光分光装置固定座14内均分别设有角度可调的二向色镜座，二向色镜座安装有二向色镜15，二向色镜座为四面开孔的中空结构，二向色镜15角度可调，至少一个荧光分光装置固定座14四周设有至少三个多自由度光纤准直耦合器，每个多自由度光纤准直耦合器均分别对准一个位于荧光分光装置固定座14的侧面的孔。本荧光分光装置中，光的输入输出均通过光纤实现。
在本光纤式荧光分光装置中，可以选用焦距为10mm甚至更小的透镜，这样当二向色镜由于震动发生非常微小的角度偏移时，不会导致聚焦点完全偏离出光纤端面。
34.如图2所示，二向色镜座的侧壁与荧光分光装置固定座14的侧壁留有缝隙，二向色镜座的底部与荧光分光装置固定座14的底部之间设有滚珠式销轴16，荧光分光装置固定座14的底面设有用于容置滚珠式销轴16的凹槽17，二向色镜座的底部对应滚珠式销轴16设有凹部。当将二向色镜座放置入荧光分光装置固定座14时，凹部对准滚珠式销轴16，用于定位二向色镜座。
35.如图2、图3所示，二向色镜座包括相对设置且固接的第一半壳20和第二半壳21，第一半壳20和第二半壳21之间设有色镜安装框架18，第一半壳20 和第二半壳21与色镜安装框架18之间留有缝隙，色镜安装框架18与第一半壳 20和第二半壳21之间的角度可调，二向色镜座以对角线为界分为第一半壳20 和第二半壳21，色镜安装框架18位于二向色镜座的对角线上。二向色镜座的底部设有磁力装置19，对应二向色镜座的磁力装置19，荧光分光装置固定座14 的底部也设有磁极相反的磁力装置19。第一半壳20或者第二半壳21设有若干个色镜调节螺纹副22，色镜调节螺纹副22中螺栓的一端抵接于色镜安装框架 18，色镜安装框架18的另外一侧设有弹簧(图中未示出)。色镜调节螺纹副22 设置为三个，三个色镜调节螺纹副22呈等腰三角形排布于第一半壳20或者第二半壳21。二向色镜座的出光方向的光路上设有滤光片23。通过调节三个色镜调节螺纹副22，能够调整二向色镜15的角度。
36.安装时，首先将二向色镜15安装于色镜安装框架18，然后将第一半壳20、带有二向色镜15的色镜安装框架18以及第二半壳21通过螺钉组装在一起组成二向色镜座。二向色镜座的底部设有磁力装置19，荧光分光装置固定座14的底部也设有磁极相反的磁力装置19，当将二向色镜座放入荧光分光装置固定座14 时，位于二向色镜座底部的磁力装置19和位于荧光分光装置固定座14底部的磁力相反的磁力装置19相互吸引，与准滚珠式销轴16配合定位二向色镜座，由于磁力装置19位置是固定好的，所以二向色镜座安装定位准确，安装简单。
37.1、可以降低光路对零部件加工精度和装配工艺的要求，从而可以更好的保证仪器的质量并降低生产成本。由于本发明中使用了多自由度光纤准直耦合器，因此荧光分光装置对二向色镜的角度偏移不敏感。
38.2、可以提升光路的稳定性和可靠性。本发明是通过光纤进行光的传输，且荧光分光装置固定座14、二向色镜座、多自由度光纤准直耦合器等部件将整个荧光分光装置组装成一个整体，因此可以提升颠簸运输、震动、温湿度变化等环境中的可靠性。
39.3、可以有效缩小光路体积，有利于开发便携式或小型化光学仪器。
40.4、提升光路扩展的灵活性，降低研发、生产等的管理成本。本发明可以将单通道和多通道光路整合成同一种光路方案，不管需要用到多少个荧光通道，即多个荧光分光装置固定座14组合起来，都可以灵活扩展通道数，使得同一个光路技术方案下可以扩展出多个型号、多个应用场景的仪器，从而降低采购、物料、生产等环节的管理成本。
41.如图4、图5所示，一种多自由度可调节光纤耦合器，包括耦合器基座1、光纤组件、透镜2、透镜座3以及透镜座支持件4。光纤准直耦合器选用短焦距的消色差透镜。光纤准直耦合器既用于光的准直，又用于光的聚焦，为了达到这一目的并提高光的耦合效率，方案中选用的光纤和光纤准直耦合器里的透镜2 需要计算匹配，使得光纤和光纤准直耦合器的na
值基本相等，如选用的光纤的na值为0.30，则光纤准直耦合器选用的透镜2的焦距为10mm，口径为6mm。耦合器基座1，作为光纤耦合器的基体，起到对整个光纤耦合器的支撑、连接和集成作用。透镜座3中部设有用于容置透镜2的通孔，透镜2位于通孔内，透镜座支持件4中部设有供光通过的通孔，透镜座支持件4抵接于透镜座3，耦合器基座1设有容置腔，透镜座3位于耦合器的容置腔内，耦合器基座1设有轴向位置调整装置和轴截面位置调整装置，轴向位置调整装置用于调整透镜座3 在光轴方向上的位置，轴截面位置调整装置用于调整透镜座3在垂直于光轴方向的平面内的位置。本光纤耦合器将光纤组件、透镜2、透镜座3及透镜座支持件4集成在耦合器基座1内，整体性好，使整个光纤耦合器稳定、可靠，能经受颠簸运输和跌落等环境。本光纤耦合器的轴向位置调整装置和轴截面位置调整装置能够快速、精确的调节光轴的位置，使其落在光纤聚焦点上，且结构紧凑，容易调节，便于设备的小型化和便携化。
42.如图2、图3所示，轴向位置调整装置包括呈环形阵列设置于耦合器基座1 上的三个螺纹副。如图4所示，z轴调节由平行于z轴方向的3个螺纹副实现。我们将这个方向的螺纹副称为z轴方向螺纹副。z轴方向螺纹副的螺栓称为z 向调整螺栓5。三个z轴方向螺纹副的螺栓的长度方向与z轴平行，三个z向调整螺栓5均分别穿过耦合器基座1抵接于透镜座支持件4。当三个z轴方向螺纹副不同距离的调节时，就可以改变透镜2的角度，从而可以使得光纤端面尽量和光轴垂直。
43.透镜座支持件4对应螺栓设有沉孔6，螺栓抵接透镜座支持件4的一端设置为圆滑端面。从而可以避免对透镜座3及透镜座支持件4的划伤。螺栓的圆滑端面位于沉孔6内。沉孔6设计为内凹球面型。从而可以保证透镜座支持件4 不会滑动。
44.轴截面位置调整装置包括设置于耦合器基座1上的两个螺纹副。两个螺纹副的螺栓相互垂直且位于同一个平面内。我们将两个方向的螺纹副分别称为x 轴方向螺纹副和y轴方向螺纹副。x轴方向螺纹副、y轴方向螺纹副分别可以调节透镜座3在x轴、y轴方向的位置移动。两个螺栓分别称为x向调整螺栓 7和y向调整螺栓8。x向调整螺栓7和y向调整螺栓8均分别穿过耦合器基座 1抵接于透镜座3的侧壁。透镜座3设有弹力装置，弹力装置给予透镜座3的弹力的方向与轴截面位置调整装置的x轴方向螺纹副、y轴方向螺纹副的方向相反。
45.透镜座3与x向调整螺栓7和y向调整螺栓8接触的面设为平面，作为x 轴、y轴方向的导向平面。x向调整螺栓7和y向调整螺栓8抵接透镜座3的一端设置为圆滑端面。弹力装置包括固接于透镜座3的弹片9，耦合器基座1 设有用于容置弹片9的凹槽10，弹片9位于凹槽10内并抵接于凹槽10侧壁。透镜2为双胶合消色差透镜，如图3、图4所示，透镜2位置和角度通过x轴方向螺纹副、y轴方向螺纹副以及z轴方向螺纹副调节，通过调节x轴方向螺纹副、y轴方向螺纹副，可以调节透镜座3在x、y轴方向的位置；透镜座3 和耦合器基座1之间放置合适弹性的弹片9，透镜座支持件4通过合适弹性的拉簧(图中未示出)和耦合器基座1连接，透镜座支持件4直接压在透镜座3上，通过轴向位置调整装置的三个z轴方向螺纹副来调节透镜座支持件4在z轴方向的位置和其角度，从而调节透镜2在z轴方向上的位置和角度。弹片9在x 轴、y轴方向上起到能量蓄积的作用，当x轴方向螺纹副、y轴方向螺纹副向内调节时，即将x向调整螺栓7和y向调整螺栓8向透镜座3的方向调节时，透镜座3挤压弹片9，弹片9变形蓄积势能，当x轴方向螺纹副、y轴方向螺纹副往外调节时，由弹片9已经蓄积的弹性势能保证透镜座3可以随x轴、y 轴螺纹副的调节移动。
46.光纤组件包括光纤适配器11和光纤。光纤耦合器设有容置光纤适配器11 的凹部，光纤适配器11一端位于该凹部内并对准透镜2，光纤适配器11的另外一端连接光纤。光纤适配器11，用于连接光纤，并和耦合器基座1固定在一起。光纤，用于光的采集。光纤适配器11一侧设有光纤适配器固定片13，该光纤适配器固定片13用于与耦合器基座1连接，并固定光纤适配器11。
47.x、y、z轴均可精细、稳定的调节透镜2的位置，以实现光纤端面位于光聚焦点上。由于本发明方案中使用了精密螺纹副，因此可以实现精细、稳定的调节。通过三个z轴方向螺纹副可以自由调节透镜2角度，从而使得光纤端面尽量和光轴垂直。光纤耦合器的调节校准工作简单、易行，只需要调节耦合器设计的几个螺纹副，就可以快速调好耦合器性能。光纤耦合器整体结构紧凑、小巧，从而便于在便携式仪器中使用。本发明方案采用了小直径、短焦距的透镜2，且各个方向的调节均使用了精度高、体积小的螺纹副作为传动机构，同时采用透镜座3的导向平面来导向，而放弃了位移台、旋转台、高精度导轨等虽然精度高，但是体积同样巨大的机构。耦合器稳定性、可靠性高，在遇到颠簸、震动等环境时，依旧能正常工作。本发明方案把光纤耦合器各组成部分均集成在一个耦合器基座1内，从而可以避免现有技术方案一中可能会出现的各零部件之间发生漂移的问题；同时，本发明方案是通过螺纹副调节透镜2的位置和角度，只要耦合器调好后，螺纹副的位置不发生变化，就可以保证耦合器的稳定。因此，为了保证耦合器足够稳定，在耦合器调好后，会在每个螺纹副上添加螺丝胶，从而降低螺纹副发生变化的可能性。
48.如图1至图3所示，为双通道荧光分光装置，包括一根输入光纤12和两根输出光纤24。由于荧光光谱范围比较宽，为了提高荧光耦合效率，会选用多模光纤。输入光纤12和输出光纤24均分别和光纤准直耦合器通过光纤适配器连接。
49.二向色镜座是荧光分光装置的核心部分，起到荧光分光的关键作用。为了降低零部件的加工精度要求，二向色镜座设计成角度可调式。二向色镜座和荧光分光装置固定座14通过磁铁连接、球珠式销定位，可以为更换二向色镜座大大提供便利。
50.为了提高荧光耦合效率，光纤准直耦合器会选用双胶合消色差透镜，且透镜位置和角度可调。光纤准直耦合器和荧光分光装置固定座14通过螺丝连接和固定。
51.该装置在使用时，工作方式如下：
52.通过调节连接输入光纤12的光纤准直耦合器，可以让输入光纤12输入的荧光转变为空间平行光进入二向色镜座；经二向色镜座透射的荧光直接进入直线方向的光纤准直耦合器中，通过调节该光纤准直耦合器，可以把空间平行光聚焦至输出光纤24；经二向色镜座反色的荧光会进入垂直方向的光纤准直耦合器中，此时需要联动调节二向色镜的角度和光纤准直耦合器的角度，把空间平行光聚焦至输出光纤24。
53.实施例2、
54.本实施例与实施例1的主要结构相同，相同之处在此不再赘述，不同之处在于：
55.增加荧光通道：当需要用到三通道或更多通道时，共聚焦光路保持不变，只需要如图6所示对荧光分光装置进行扩展，增加一个荧光分光装置固定座14 和二向色镜座即可。此时为一个输入光纤12，三个输出光纤24。
56.对于多通道荧光光路的应用场景下，即两个以上荧光分光装置固定座14并排连接，可以更好的实现不同波长荧光的聚焦点的统一。由于本发明中的共聚焦光路只有一个
针孔，荧光都是经过针孔后分光，因此不论需要用到多少个光路通道，所有的荧光均聚焦至同一个针孔处，这就可以实现不同通道的针孔在物空间的共轭像点重合度50％以上。
57.实施例3、
58.本实施例为实施例1的扩展应用，如图7所示，用于吸收光谱或散射光谱测量，把二向色镜座改成比色皿座25，并在比色皿座25内放置比色皿即可把该装置扩展成吸收光谱或散射光谱测量装置，其中透射输出光纤24可以采集吸收光谱信号，垂直输出光纤24可以采集散射光谱信号。
59.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。