發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于成像的集成設(shè)備領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及無(wú)透鏡成像設(shè)備和用于對(duì)物體成像的相關(guān)方法，例如，在放大的情況下對(duì)物體成像，諸如顯微鏡熒光成像和/或全息成像。

發(fā)明背景

為了獲得在放大情況下的圖像，諸如在線全息圖(in-linehologram)，通常需要光點(diǎn)源。例如，本領(lǐng)域已知通過(guò)使用聚焦于針孔的大數(shù)值光圈(na)目鏡來(lái)提供高質(zhì)量點(diǎn)源。然而，這需要大型光學(xué)設(shè)定，其可能是昂貴且難以縮小的。因此，可縮放的、微米大小的替代品將是有利的。這種可縮放的替代品在其中大量物體要被同時(shí)成像的應(yīng)用中(例如在并行片上全息成像中(parallelon-chipholography))甚至是更優(yōu)選的。

本領(lǐng)域已知使用具有非常小的內(nèi)核直徑的拉伸光纖來(lái)創(chuàng)建具有基本一致的球形波前的高na光錐。然而，更高的片上集成度在半導(dǎo)體光電器件(photonic)中將是有利的，例如由于隱含的成本降低、制造效率和可伸縮性。

發(fā)明概述

本發(fā)明的實(shí)施例的目標(biāo)是提供對(duì)待成像物體的良好且高效的照明，例如在微米尺度結(jié)構(gòu)(諸如生物細(xì)胞)的顯微成像、在線全息成像和/或熒光成像中。

本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于：可避免大的光學(xué)設(shè)定，大的光學(xué)設(shè)定可能是昂貴且難以縮小的。

本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于：提供用于照亮被成像物體的可伸縮的(例如微米大小的)集成系統(tǒng)。

本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于：可以高效方式同時(shí)對(duì)大量物體成像。

本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于：可實(shí)現(xiàn)高片上集成度。

本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于：提供用于照亮被成像物體的基本一致的球形波前。

上述目的通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的方法和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在第一方面中，本發(fā)明涉及一種成像設(shè)備(例如無(wú)透鏡成像設(shè)備)，其包括至少一個(gè)光電集成電路。此光電集成電路包括用于引導(dǎo)光信號(hào)的集成波導(dǎo)以及被光學(xué)耦合至該集成波導(dǎo)且被適配成用于將該光信號(hào)作為光束引導(dǎo)出該集成波導(dǎo)的平面的光耦合器。該成像設(shè)備還包括用于包含浸沒(méi)在流體介質(zhì)中的物體的微流通道。從而，該成像設(shè)備可包括用于在流體(例如液體)中傳輸該物體的微流通道。例如，微流通道可被適配成用于包含其中浸沒(méi)有待成像物體的流體介質(zhì)(例如以將該物體在該流體介質(zhì)的流體流中傳送)。微流通道被配置成在該設(shè)備的操作中使能(例如被適配成用于使能)光束對(duì)物體的照明。微流通道例如可通過(guò)以下被適配成用于此目的：具有對(duì)光束透明的區(qū)段，以及被定位成使得在該物體存在于該微流通道的透明區(qū)段中時(shí)由光耦合器定向出集成波導(dǎo)的平面的光束沖擊到該物體上并且使得該光束在已經(jīng)與該物體交互時(shí)沖擊在至少一個(gè)成像檢測(cè)器。成像設(shè)備還包括被定位成用于對(duì)被該光束照射的物體成像的至少一個(gè)成像檢測(cè)器。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，所述光耦合器可以是被適配成用于使光信號(hào)作為匯聚在焦平面中的聚焦光束聚焦出所述集成波導(dǎo)的平面外的聚焦光耦合器。該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被定位成用于在被聚焦光束照射的物體關(guān)于聚焦光束的傳播方向被定位在所述焦平面的下游的物體成像位置時(shí)對(duì)該物體成像。例如，該物體成像位置可對(duì)應(yīng)于微流通道中的位置，例如，在該微流通道的成像部分中的該微流通道的中心區(qū)域。例如，物體成像區(qū)域可包括沿微流通道的中心軸的點(diǎn)或由所述點(diǎn)構(gòu)成。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該光耦合器可以是散焦光耦合器(例如，向后聚焦光耦合器)，該散焦光耦合器被適配成用于將光信號(hào)作為從在波導(dǎo)下的焦點(diǎn)發(fā)散的發(fā)散光束引導(dǎo)出該集成波導(dǎo)的平面，例如模仿由在波導(dǎo)下方(例如，關(guān)于光束被引導(dǎo)出該集成波導(dǎo)的平面的方向在該基板的相對(duì)側(cè)上)的虛擬點(diǎn)源發(fā)射的發(fā)散光束。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，聚焦光耦合器可包括制造在集成波導(dǎo)中的微結(jié)構(gòu)的圖案。此圖案可被適配成補(bǔ)償在聚焦光耦合器中傳播的光信號(hào)的衰減。微結(jié)構(gòu)可包括通孔、柱和/或腔，例如局部的凹陷或凹痕。這樣的微結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)的平面中可具有小于5μm，例如在10nm到800nm的范圍內(nèi)，例如在20nm到500nm的范圍內(nèi)，例如在50nm到200nm的范圍內(nèi)的直徑，例如在波導(dǎo)的平面中的最大直徑或最大橫跨維度。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，光耦合器可包括光柵耦合器，例如聚焦光柵耦合器。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)光電集成電路可進(jìn)一步包括光學(xué)耦合至該集成波導(dǎo)并被適配成用于從該光信號(hào)生成基本圓形的波前的光錐形物。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，所述聚焦光耦合器可被光學(xué)耦合至該光錐形物且可被適配成用于使基本圓形的波前作為匯聚在焦平面中的聚焦光束聚焦出所述集成波導(dǎo)的平面外。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該聚焦光耦合器(例如聚焦光柵耦合器)可具有1mm或更小的長(zhǎng)度，例如500μm或更小、400μm或更小、300μm或更小、200μm或更小、150μm或更小、100μm或更小、80μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、20μm或更小，例如在1μm到10μm范圍內(nèi)。聚焦光耦合器可進(jìn)一步被適配成用于生成在焦平面中的具有10μm或更小的直徑(例如，在1μm到5μm的范圍內(nèi)，或優(yōu)選地甚至更小，例如在0.5μm到1.0μm的范圍內(nèi))的焦點(diǎn)。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)光電集成電路可進(jìn)一步包括光學(xué)耦合至該集成波導(dǎo)并被適配成用于將該光信號(hào)作為光束定向出該集成波導(dǎo)的平面的至少一個(gè)附加光耦合器。該光耦合器和該至少一個(gè)附加光耦合器可被定位成使得分別被該光耦合器和該至少一個(gè)附加光耦合器生成的光束從不同角度同時(shí)照射該物體，例如重合并由此從不同角度同時(shí)照射該物體。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可包括反射面，其中該反射面和該至少一個(gè)成像檢測(cè)器被定位成使得來(lái)自被照射物體的光和該光束被該反射面反射并在反射后被該至少一個(gè)成像檢測(cè)器檢測(cè)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可進(jìn)一步包括被定位在該至少一個(gè)光電集成電路和該至少一個(gè)成像檢測(cè)器之間的至少一個(gè)針孔，該至少一個(gè)針孔用于對(duì)該光束進(jìn)行空間濾波，例如用于在光束到達(dá)物體之前對(duì)該光束進(jìn)行空間濾波。例如，該至少一個(gè)針孔可被定位在該光束在該焦平面中的焦點(diǎn)處，例如，在其中光柵耦合器是聚焦光柵耦合器的實(shí)施例中。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可進(jìn)一步包括激勵(lì)波導(dǎo)。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)光電集成電路的集成波導(dǎo)可經(jīng)由分束裝置(例如分束器，例如波導(dǎo)分束器)被光學(xué)耦合至該激勵(lì)波導(dǎo)。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被適配成用于同時(shí)對(duì)多個(gè)物體成像，其中每個(gè)物體被定位成使得每個(gè)物體被不同光耦合器照射。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，多個(gè)光耦合器可被定位成使得多個(gè)物體可被同時(shí)照射。例如，每個(gè)光耦合器可照射相應(yīng)的物體。例如，一個(gè)物體或多個(gè)物體可傳播并通過(guò)多個(gè)光耦合器，例如當(dāng)與流體流一起在微流通道中行進(jìn)時(shí)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可包括輸入耦合器，該輸入耦合器包括分束裝置(例如波導(dǎo)分光器)，該分束裝置用于使光信號(hào)分布在多個(gè)集成波導(dǎo)上，以將該光信號(hào)透射到相應(yīng)的多個(gè)聚焦光耦合器，以將光信號(hào)作為相應(yīng)的多個(gè)聚焦光束耦合出集成波導(dǎo)的平面。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被適配成用于同時(shí)對(duì)多個(gè)物體成像，其中該多個(gè)物體中的每個(gè)物體被定位成使得每個(gè)物體被相應(yīng)的光耦合器發(fā)出的相應(yīng)的聚焦光束照射。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，多個(gè)光耦合器可被定位成使得多個(gè)物體可被同時(shí)照射。例如，每個(gè)光耦合器可照射相應(yīng)的物體，且該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被適配成用于同時(shí)對(duì)該多個(gè)物體成像。例如，一個(gè)物體或多個(gè)物體可傳播并通過(guò)多個(gè)光耦合器，例如當(dāng)與流體流一起在微流通道中行進(jìn)時(shí)。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被適配成用于獲得該物體的全息衍射圖像。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被適配成用于獲得該物體的熒光圖像。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的不同部分，由此增加該光束的一致性。例如，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的預(yù)定的、離散數(shù)量的部分。例如，集成波導(dǎo)可被從光耦合器的相對(duì)側(cè)(例如，位于波導(dǎo)的平面中的相對(duì)側(cè))光學(xué)耦合至光耦合器。集成波導(dǎo)可在聚焦光耦合器周圍間隔開的光學(xué)互連處光學(xué)耦合至光耦合器的多個(gè)不同部分。例如，光學(xué)互連可在聚焦光耦合器周圍間隔開，例如，以使得每個(gè)光學(xué)互連與其鄰居間隔開預(yù)定的、有限的角度間隔，例如360％的n間隔，其中n是大于1的有限自然數(shù)，例如大于1且小于21，例如小于16，例如小于11，例如其中n為2、3、4或5。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可包括至少部分相干光源，該至少部分相干光源用于將該光信號(hào)提供給該至少一個(gè)光電集成電路，例如以使得該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可獲得該物體的全息衍射圖像。

在第二方面中，本發(fā)明還涉及一種用于對(duì)物體成像的方法。此方法包括將光信號(hào)耦合到集成波導(dǎo)中(例如集成在集成電路的基板中或基板上的波導(dǎo)中)，以及使用光耦合器從光信號(hào)生成光束，由此所述光束被定向出集成波導(dǎo)的平面。本方法進(jìn)一步包括通過(guò)將該物體浸沒(méi)于在微流通道中流動(dòng)的流體中來(lái)傳輸該物體。微流通道例如可被配置成允許在該物體在該微流通道中傳輸時(shí)由該光束對(duì)物體照射。該方法進(jìn)一步包括使用該光束照射該物體并對(duì)被照射的物體成像。

在根據(jù)實(shí)施例的方法中，生成該光束可包括使用聚焦光耦合器從該光信號(hào)生成聚焦光束，例如用于將該光信號(hào)作為匯聚在焦平面中的聚焦光束定向出該集成波導(dǎo)的平面。該方法可進(jìn)一步包括在關(guān)于該聚焦光束的傳播方向在該焦平面下游的物體成像位置中用該聚焦光束照射該物體并且對(duì)被照射的物體成像。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括在該集成波導(dǎo)中形成具有基本圓形的波前的光波。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，生成可包括使用聚焦光耦合器來(lái)聚焦光束，例如使用光耦合器從光信號(hào)生成該光束可包括將光波引導(dǎo)到聚焦光耦合器(諸如聚焦光柵耦合器)中以將光波作為匯聚在焦平面中的聚焦光束耦合出該集成波導(dǎo)的平面。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，該生成可包括使該光信號(hào)作為從在該集成波導(dǎo)下方的焦點(diǎn)發(fā)散的發(fā)散光束定向出該集成波導(dǎo)的平面，例如模仿由在該波導(dǎo)下方(例如關(guān)于該光束被引導(dǎo)出該集成波導(dǎo)的平面外的方向在該基板的相對(duì)側(cè)上)的虛擬點(diǎn)源發(fā)射的發(fā)散光束。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括在其焦點(diǎn)中對(duì)光束進(jìn)行空間過(guò)濾，由此獲得從焦點(diǎn)朝物體傳播的基本一致的球形波。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，所述步驟可使用多個(gè)不同集成波導(dǎo)和多個(gè)不同光耦合器針對(duì)多個(gè)物體并行執(zhí)行。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的方法中，光信號(hào)可被耦合到多個(gè)集成波導(dǎo)中且成像可包括同時(shí)對(duì)多個(gè)物體成像，每個(gè)物體被由不同光耦合器生成的光束照射。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，光信號(hào)到集成波導(dǎo)中的耦合可包括將光信號(hào)分布在多個(gè)集成波導(dǎo)上，其中在該多個(gè)波導(dǎo)的每個(gè)集成波導(dǎo)中，具有基本圓形波前的光波被形成。而且，將光波引入到聚焦光耦合器中可包括將每個(gè)光波引入到相應(yīng)聚焦光耦合器中，以將該光波作為匯聚在焦平面中的相應(yīng)聚焦光束耦合出集成波導(dǎo)的平面。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括使用至少一個(gè)附加光耦合器(例如，附加聚焦或散焦光耦合器)從該光信號(hào)生成至少一個(gè)附加光束，以將所述光信號(hào)作為所述附加光束定向出該集成電路的平面，并且用所述光束和所述至少一個(gè)附加光束從不同角度同時(shí)照射所述物體。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，該成像可包括同時(shí)對(duì)多個(gè)物體成像，每個(gè)物體被由相應(yīng)光耦合器生成的相應(yīng)聚焦光束照射。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，該成像可包括獲得該物體的全息衍射圖像。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，該成像可包括獲得該物體的熒光圖像。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括提供至少部分相干光束，以供耦合到集成波導(dǎo)中，例如作為對(duì)輸入耦合器的輸入。

光信號(hào)可由此以該至少部分相干光束的形式被耦合到該集成波導(dǎo)中。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，該光束可以是至少部分相干光束。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括提供至少部分相干光束，以供耦合到集成波導(dǎo)中。

本發(fā)明的特別和優(yōu)選方面在所附獨(dú)立和從屬權(quán)利要求中闡述。從屬權(quán)利要求中的技術(shù)特征可以與獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征以及其他從屬權(quán)利要求的技術(shù)特征適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合，而不僅僅是其在權(quán)利要求中明確闡明的那樣。

本發(fā)明的這些以及其他方面從下文所描述的(諸)實(shí)施例中將變得顯而易見(jiàn)并且將參考這些實(shí)施例來(lái)進(jìn)行闡明。

附圖簡(jiǎn)述

圖1解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中的示例性集成光電設(shè)備。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于在成像設(shè)備中使用的另一示例性集成光電設(shè)備。

圖4解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法。

圖5解說(shuō)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中包括包含在微流通道中的被浸沒(méi)生物樣本的流體被成像。

圖6解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備。

圖7解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備。

圖8示出用于提供對(duì)點(diǎn)源的良好逼近的向外耦合功率分布，以解說(shuō)本發(fā)明的實(shí)施例的方面。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性光柵耦合器。

圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通過(guò)光柵耦合器傳播的光的目標(biāo)功率分布。

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定供在光耦合器中使用的微結(jié)構(gòu)的散射截面的仿真模型。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的因變于供在光耦合器中使用的微結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)的經(jīng)仿真的散射截面。

圖13示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的供在光耦合器中使用的散射微結(jié)構(gòu)的示例性目標(biāo)分布。

圖14示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的從供在光耦合器中使用的散射微結(jié)構(gòu)的示例性目標(biāo)分布對(duì)散射微結(jié)構(gòu)位置的隨機(jī)采樣。

圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的從供在光耦合器中使用的散射微結(jié)構(gòu)的示例性目標(biāo)分布對(duì)散射微結(jié)構(gòu)位置的隨機(jī)采樣，其中這些隨機(jī)采樣的位置被調(diào)整為諸如落在最近的光柵線上。

圖16示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通過(guò)仿真光耦合器獲得的散射光的等強(qiáng)度表面(iso-intensivesurface)。

圖17示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光耦合器的仿真的散射強(qiáng)度繪圖。

圖18示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的各散射中心位置的示例性目標(biāo)分布，其中散射微結(jié)構(gòu)的各向異性被納入考慮。

圖19示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的根據(jù)補(bǔ)償微結(jié)構(gòu)的各向異性散射的目標(biāo)密度分布對(duì)微結(jié)構(gòu)的隨機(jī)采樣。

圖20示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的根據(jù)補(bǔ)償微結(jié)構(gòu)的各向異性散射的目標(biāo)密度分布對(duì)微結(jié)構(gòu)的隨機(jī)采樣，其中隨機(jī)采樣的微結(jié)構(gòu)位置被調(diào)整到光柵線上的最近位置。

圖21解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的迭代改善仿真光耦合器的符合度的網(wǎng)格。

圖22示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的仿真光耦合器中的散射微結(jié)構(gòu)的第一定位，其對(duì)應(yīng)于迭代網(wǎng)格優(yōu)化仿真中的一次迭代。

圖23示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的仿真光耦合器中的散射微結(jié)構(gòu)的第二定位，其對(duì)應(yīng)于迭代網(wǎng)格優(yōu)化仿真中的另一次迭代。

圖24示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光耦合器的仿真的向外耦合的光場(chǎng)，其解說(shuō)了在耦合器的平面上方的聚焦距離處形成的聚焦點(diǎn)。

圖25示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光耦合器的仿真的向外耦合的光場(chǎng)，其解說(shuō)了在平行于耦合器的平面的焦平面中的聚焦點(diǎn)。

圖26示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的仿真光耦合器的向外耦合的光的遠(yuǎn)場(chǎng)。

圖27解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備的部分，其包括自由光傳播區(qū)域。

圖28解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備的部分，其包括散焦(defocus)光耦合器。

圖29解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中的第一示例性集成波導(dǎo)。

圖30解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中的第二示例性集成波導(dǎo)。

圖31解說(shuō)用于解說(shuō)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備的方面的示例。

這些附圖只是示意性而非限制性的。在附圖中，出于解說(shuō)性目的，可將一些元素的尺寸放大且未按比例繪制。

權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。

在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記指相同或相似的元件。

解說(shuō)性實(shí)施例的詳細(xì)描述

本發(fā)明將針對(duì)特定實(shí)施例且參考一些附圖進(jìn)行描述，但是本發(fā)明不限于此，而是只通過(guò)權(quán)利要求限定。所描述的附圖只是示意性的而非限制性的。在附圖中，出于解說(shuō)性目的，可將一些元素的尺寸放大且未按比例繪制。尺寸和相對(duì)尺寸不對(duì)應(yīng)于本發(fā)明實(shí)踐的實(shí)際縮減。

此外，說(shuō)明書中和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)第一、第二等等用于在類似的元素之間進(jìn)行區(qū)分，而不一定要在時(shí)間上、空間上、以排名或任何其他方式描述某個(gè)順序。應(yīng)該理解，如此使用的這些術(shù)語(yǔ)在合適環(huán)境下可以互換，并且本文描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以除了本文描述或解說(shuō)的之外的其他順序來(lái)操作。

此外，說(shuō)明書和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)頂部、下方及類似術(shù)語(yǔ)用于描述性的目的并且不一定用于描述相對(duì)位置。應(yīng)該理解，如此使用的這些術(shù)語(yǔ)在合適環(huán)境下可以互換，并且本文描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以除了本文描述或解說(shuō)的之外的其他取向來(lái)操作。

應(yīng)當(dāng)注意，權(quán)利要求中所使用的術(shù)語(yǔ)“包括”不應(yīng)被解釋為限于此后列出的手段；它不排除其他元件或步驟。由此其解讀為指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟或組件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟或組件，或其群組的存在或添加。由此，表達(dá)器件包括裝置“a和b”的范圍不應(yīng)限于僅僅由部件a和b組成的器件。其意指關(guān)于本發(fā)明，設(shè)備的唯一相關(guān)組件是a和b。貫穿本說(shuō)明書對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意味著結(jié)合實(shí)施例所描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、或者特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。由此，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”在貫穿本說(shuō)明書的各個(gè)地方出現(xiàn)不一定都引用相同的實(shí)施例，但是可以如此。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)從本公開中顯而易見(jiàn)的，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以用任何合適的方式進(jìn)行組合。

類似地，應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例的描述中，出于精簡(jiǎn)本公開和輔助對(duì)各個(gè)發(fā)明性方面中的一者或多者的理解的目的，本發(fā)明的各個(gè)特征有時(shí)被一起編組在單個(gè)實(shí)施例、附圖或其描述中。然而，這種公開方法不應(yīng)被解讀為反映所要求保護(hù)的本發(fā)明需要比每項(xiàng)權(quán)利要求中所明確記載的更多特征的意圖。相反，如所附權(quán)利要求反映的，各發(fā)明性方面存在于比單個(gè)前述公開的實(shí)施例的全部特征更少的特征。由此，詳細(xì)描述之后所附的權(quán)利要求由此被明確納入該詳細(xì)描述中，其中每一項(xiàng)權(quán)利要求本身代表本發(fā)明的單獨(dú)實(shí)施例。

此外，盡管本文描述的一些實(shí)施例包括其他實(shí)施例中所包括的一些特征但沒(méi)有其他實(shí)施例中包括的其他特征，但是不同實(shí)施例的特征的組合意圖落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且形成如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的不同實(shí)施例。例如，在所附的權(quán)利要求書中，所要求保護(hù)的實(shí)施例中的任何實(shí)施例均可以任何組合來(lái)使用。

在本文所提供的描述中，闡述了眾多具體細(xì)節(jié)。然而應(yīng)理解，在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下也可實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例。在其他實(shí)例中，公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)未被詳細(xì)示出以免混淆對(duì)本描述的理解。

在本發(fā)明的實(shí)施例中對(duì)“成像”進(jìn)行了引用之處，對(duì)獲得物體的空間屬性的表示或再現(xiàn)(例如，二維圖像的形成)的過(guò)程進(jìn)行了引用。這種圖像可包括針對(duì)多個(gè)位置(例如在二維格上)獲得的標(biāo)量值，例如形成灰度圖像表示，但是也可包括多個(gè)位置的向量值，例如形成彩色圖像表示。例如，這種向量值可編碼不同的頻譜分量，例如，所述頻譜分量與多個(gè)不同熒光團(tuán)(fluorophore)的所記錄的發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。所獲得的圖像可形成物體的結(jié)構(gòu)的直接表示，例如顯微實(shí)體的放大的光學(xué)表示，但是也可形成物體的結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜的表示，例如，編碼物體的空間屬性的全息干涉圖案。盡管成像可涉及記錄物體的靜態(tài)空間表示，成像也可涉及圖像的時(shí)間系列的獲得，例如，編碼被研究物體的光學(xué)屬性的時(shí)間以及空間變化兩者的視頻序列的獲得。

貫穿本說(shuō)明書，對(duì)“光”進(jìn)行引用。在本發(fā)明的上下文中光的意思是波長(zhǎng)在375和1000nm之間的電磁輻射，即，包括可見(jiàn)光、ir輻射、近ir和uv輻射。

貫穿本說(shuō)明書，對(duì)“光耦合器”進(jìn)行引用。這指代集成電路中的光傳播區(qū)域，例如，在集成波導(dǎo)中或與集成波導(dǎo)接觸(例如，在集成波導(dǎo)的頂上或下方)的區(qū)域，其中用于將光耦合進(jìn)和/或出集成電路的光發(fā)散結(jié)構(gòu)(諸如光柵)被提供。對(duì)于預(yù)定的入射角和光頻率，引導(dǎo)模式諧振可能發(fā)生，以使得光柵將光耦合到波導(dǎo)的引導(dǎo)模式中。由于對(duì)稱性，波導(dǎo)的此引導(dǎo)模式也可被耦合器沿著此預(yù)定角度耦合出波導(dǎo)。本發(fā)明的具體實(shí)施例涉及包括這種光耦合器的設(shè)備。

貫穿本說(shuō)明書，對(duì)“集成波導(dǎo)”進(jìn)行引用。這指代集成在集成電路之中或之上(例如集成光電電路之中)的光傳播區(qū)域。這可指代光波導(dǎo)，諸如平面波導(dǎo)，例如，介電板形波導(dǎo)(dielectricslabwaveguide)、條形波導(dǎo)、肋狀波導(dǎo)、分段波導(dǎo)、光電晶體波導(dǎo)、錐形波導(dǎo)、或已知的適于在集成電路中的片上集成的任何其它光傳播結(jié)構(gòu)。

在第一方面中，本發(fā)明涉及一種成像設(shè)備，例如，無(wú)透鏡成像設(shè)備，其包括至少一個(gè)光電集成電路，例如在至少一個(gè)光電集成電路設(shè)備中。此至少一個(gè)光電集成電路包括用于引導(dǎo)光信號(hào)的集成波導(dǎo)和光學(xué)耦合至該集成波導(dǎo)并適配成用于使光信號(hào)作為光束定向出集成波導(dǎo)的平面的光耦合器。成像設(shè)備進(jìn)一步包括被放置成對(duì)由該光束照明的物體成像的至少一個(gè)圖像檢測(cè)器。此物體可以例如包括流體，例如包括浸沒(méi)生物樣本的流體。成像設(shè)備可包括用于包含待成像物體的微流通道，例如包含待分析的流體介質(zhì)。

成像設(shè)備包括用于包含浸沒(méi)于流體介質(zhì)中的物體的微流通道。例如，微流通道可被適配成用于包含具有浸沒(méi)于其中的待成像物體的流體介質(zhì)(例如液體介質(zhì))，例如以將該物體在該流體介質(zhì)的流體流中運(yùn)送。微流通道被配置成在該設(shè)備的操作中使能(例如被適配成使能)光束對(duì)物體的照明。微流通道可通過(guò)以下被適配成用于此目的：具有對(duì)光束透明的區(qū)段，以及被定位成使得在該物體存在于該微流通道的透明區(qū)段中時(shí)由光耦合器定位出集成光導(dǎo)的平面的光束沖擊該物體，以及使得已經(jīng)與該物體交互的光束沖擊至少一個(gè)成像檢測(cè)器。

而且，光耦合器可以是被適配成用于將光信號(hào)作為焦平面中匯聚的聚焦光束聚焦出集成波導(dǎo)的平面的聚焦光耦合器。從而，該至少一個(gè)成像檢測(cè)器可被定位成用于在由聚焦光束照明的物體被定位在關(guān)于聚焦光束的傳播方向在焦平面下游的物體成像位置中時(shí)(例如，在該物體在微流通道的成像區(qū)段(例如與上文所指代的透明區(qū)段相對(duì)應(yīng)的區(qū)段)中時(shí))對(duì)該物體成像。

參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備1。具體而言，成像設(shè)備1可以是無(wú)透鏡成像設(shè)備，例如，用于通過(guò)觀察通過(guò)入射到物體上的光波的衰減、反射、折射、衍射和/或相位調(diào)制獲得的空間圖案而無(wú)需光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)來(lái)獲得物體的空間表示的設(shè)備。該設(shè)備例如可以被適配成對(duì)在放大的情況下對(duì)物體成像，例如用于在放大的情況下獲得物體的圖像，諸如顯微成像。

成像設(shè)備1包括用于包含浸沒(méi)在流體介質(zhì)中的物體12的微流通道98。例如，微流通道可被適配成用于包含其中浸沒(méi)有待成像物體的流體介質(zhì)(例如液體介質(zhì))，例如以將該物體在該流體介質(zhì)的流體流中傳送。微流通道被配置成在該設(shè)備的操作中使能(例如被適配成用于使能)光束對(duì)物體的照明。微流通道可通過(guò)以下被適配成用于此目的：具有對(duì)光束透明的區(qū)段，以及被定位成使得在該物體存在于該微流通道的透明區(qū)段中時(shí)由光耦合器定向出集成波導(dǎo)的平面的光束沖擊到該物體上并且使得在已經(jīng)與該物體交互的光束沖擊在至少一個(gè)成像檢測(cè)器。

此成像設(shè)備1包括至少一個(gè)光電集成電路2。根據(jù)各實(shí)施例的光電集成電路2(例如如圖2所示關(guān)于其基板平面處于橫向投影中)包括用于引導(dǎo)激勵(lì)光信號(hào)5的集成波導(dǎo)4。例如，光電集成電路設(shè)備2可包括適用于集成光電電路處理的基板，例如，絕緣體上硅(soi)基板，在該基板之上或之中提供集成波導(dǎo)4。本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：光源(例如提供具有類似點(diǎn)的焦點(diǎn)的聚焦光束的光源)可使用集成光電處理技術(shù)來(lái)提供。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于：多個(gè)(例如很大數(shù)量的)這種光源可在單個(gè)基板上提供，從而提供低成本且高效制造的光源以用于多個(gè)物體的并行成像。

例如，成像設(shè)備1可包括用于將激勵(lì)光信號(hào)5提供至至少一個(gè)光電集成電路2的光源，例如至少部分相干光源。例如，這一光源可包括激光器或發(fā)光二極管(led)以提供具有有限帶寬的至少部分相干光以耦合至光電集成電路上的集成波導(dǎo)。本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：可以高效且低成本的方式提供物體的全息成像，例如同時(shí)對(duì)大量物體的全息成像。

例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，集成波導(dǎo)可包括脊?fàn)罨蚶郀畈▽?dǎo)201，例如由布置在低折射率材料203區(qū)域之間的高折射率材料202的厚板限定的光傳導(dǎo)通道。光耦合器8例如可在光耦合至脊?fàn)罨蚶郀畈▽?dǎo)201的高折射率材料的厚板中提供。這種實(shí)施例的一示例在圖29中示出。例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，集成波導(dǎo)可包括錐形波導(dǎo)210，例如，由布置在低折射率材料212區(qū)域之間的高折射率材料213的錐形區(qū)域限定的光傳導(dǎo)通道。這種實(shí)施例的一示例在圖30中示出。例如，光耦合器8可在這種錐形波導(dǎo)210的錐形區(qū)域中形成。

圖31進(jìn)一步示出了解說(shuō)這種實(shí)施例的方面的示例。具有波長(zhǎng)λ的激勵(lì)波傳播穿過(guò)波導(dǎo)202。波導(dǎo)中的圓柱相前(phasefront)傳播到光耦合器8中。隨后，光信號(hào)被耦合出波導(dǎo)的平面，例如，耦合出xy平面，朝向焦點(diǎn)230，例如，在(0,fy,fz)處。例如，平面外球形相前在具有折射率ntop的介質(zhì)中從光耦合器8向預(yù)定焦點(diǎn)傳播，其中例如針孔可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例被放置。從而，來(lái)自波導(dǎo)202(例如脊?fàn)罨蚶郀畈▽?dǎo))的光可被耦合至平面波導(dǎo)區(qū)域，在該處其與圓柱相前衍射。為了將此光耦合出平面并且將其聚焦在具有坐標(biāo)(0,fy,fz)的期望焦點(diǎn)中，光耦合器可具有被相應(yīng)成形的光柵線。例如，用于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)可能的形狀由以下定義：

m∈n

其中m是與不同光柵線相對(duì)應(yīng)的整數(shù)。

該至少一個(gè)光電集成電路可包括激勵(lì)波導(dǎo)。該至少一個(gè)光電集成電路的集成波導(dǎo)可經(jīng)由分束裝置(例如波導(dǎo)分光器)光學(xué)耦合至激勵(lì)波導(dǎo)。該至少一個(gè)光電集成電路可包括被適配成用于將激勵(lì)光信號(hào)5耦合到集成波導(dǎo)中的輸入耦合器。當(dāng)該設(shè)備包括經(jīng)由分束裝置(例如波導(dǎo)分光器)耦合至激勵(lì)波導(dǎo)的多個(gè)集成波導(dǎo)時(shí)，激勵(lì)波導(dǎo)可包括被適配成用于將激勵(lì)光信號(hào)5耦合到激勵(lì)波導(dǎo)中的輸入耦合器。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可包括輸入耦合器，該輸入耦合器包括分束裝置(例如波導(dǎo)分光器)，該分束裝置用于使光信號(hào)分布在具有相應(yīng)的多個(gè)光學(xué)錐形物的多個(gè)集成波導(dǎo)上，以將光信號(hào)透射到相應(yīng)的多個(gè)聚焦光耦合器，以將光信號(hào)作為相應(yīng)的多個(gè)聚焦光束耦合出集成波導(dǎo)的平面。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，該至少一個(gè)光電集成電路可進(jìn)一步包括光學(xué)耦合至集成波導(dǎo)4的自由傳播區(qū)域14。自由傳播區(qū)域14被適配成使得大的(例如圓形的)波前13在自由傳播區(qū)域中從在集成波導(dǎo)4中傳播的光信號(hào)5生成。自由傳播區(qū)域14可以是光耦合至集成波導(dǎo)4的大表面。優(yōu)選地，自由傳播區(qū)域14的材料具有與集成波導(dǎo)14的折射率相同的折射率。自由傳播區(qū)域14可以是用與集成波導(dǎo)4相同的材料制成的厚板。在這種實(shí)施例中，光耦合器8(例如，聚焦光耦合器，諸如聚焦光柵耦合器)可被定位在自由傳播區(qū)域14中，以使得在自由傳播區(qū)域14中生成的波前可使用光耦合器8被耦合出自由傳播區(qū)域14。例如，光耦合器8可被蝕刻在自由傳播區(qū)域14中。

本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)使用自由傳播區(qū)域14，可實(shí)現(xiàn)光耦合器8的經(jīng)改善的(例如最優(yōu)的)照明，由此有助于光耦合器8對(duì)光的高效向外耦合。這種實(shí)施例在圖27中解說(shuō)。

光電集成電路2可進(jìn)一步包括光學(xué)耦合至集成波導(dǎo)4的并被適配成用于從光激勵(lì)信號(hào)5生成加寬波前7的光錐形物6。光錐形物可在平面中創(chuàng)建二維球形波前。例如，波導(dǎo)的一部分可在形狀上被適配以形成用于將光信號(hào)作為具有基本圓形波前的光波透射到光耦合器8中(例如到聚焦光耦合器，諸如聚焦光柵耦合器中)的錐形區(qū)段。

替換地，光錐形物可被適配成用于從光信號(hào)5生成基本平面波前，例如平面波前。光錐形物可在平面中創(chuàng)建二維波前。例如，波導(dǎo)的一部分可在形狀上被適配以形成用于將光信號(hào)作為具有基本平面波前的光波透射到光耦合器8中(例如到聚焦光耦合器)的錐形區(qū)段。

光電集成電路2進(jìn)一步包括被光學(xué)耦合至集成波導(dǎo)并被適配成用于將光信號(hào)作為光束引導(dǎo)出集成波導(dǎo)的平面的光耦合器8，例如光柵耦合器或用于將光耦合出集成電路2的其它耦合器。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，光耦合器可以是被適配成將光信號(hào)作為匯聚在焦平面中的聚焦光束聚焦出集成波導(dǎo)的平面的聚焦光耦合器，例如，聚焦光柵耦合器或用于將光在聚焦光束中耦合出集成電路2的其它耦合器。例如，聚焦光柵耦合器可被適配成用于將基本圓形或平面的波前7(例如，具有基本圓形或平面波前7的光波)聚焦出平面波導(dǎo)的平面，例如聚焦出光電集成電路的基板的平面。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，光耦合器可以是被適配成將光信號(hào)作為發(fā)散光束聚焦出集成波導(dǎo)的平面的散焦光耦合器，例如，散焦光柵耦合器或用于將光在發(fā)散光束中耦合出集成電路2的其它耦合器。從而，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，光耦合器可被設(shè)計(jì)成使得光耦合器具有在光耦合器的一側(cè)上的虛擬焦點(diǎn)16，而光波前在該光耦合器的另一側(cè)上生成。例如，光耦合器可包括不同的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)結(jié)構(gòu)或每個(gè)結(jié)構(gòu)組被設(shè)計(jì)成將光向外耦合到不同方向。結(jié)構(gòu)的集合從而可共同地在光耦合器的一側(cè)上(例如在集成波導(dǎo)的平面的一側(cè)上)創(chuàng)建類似圓形的光波前，其中該波前的虛擬焦點(diǎn)16位于光柵耦合器的另一側(cè)上(例如在該集成波導(dǎo)的平面的相對(duì)側(cè)上)。

本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：物體可被定位成靠近光耦合器，這也有助于設(shè)備的緊致度。這種實(shí)施例在圖28中解說(shuō)。

在用于向外耦合光信號(hào)的光耦合器(諸如光柵耦合器)中，被波導(dǎo)饋送的該光信號(hào)在其傳播穿過(guò)光耦合器時(shí)可衰減。這提升了光的不一致分布，這對(duì)于在特定應(yīng)用中照射物體可能是不利的。在本發(fā)明的實(shí)施例中，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的不同部分，由此增加所生成的光束的一致性。例如，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的一部分，且集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的另一部分。通過(guò)在不同位置將集成波導(dǎo)耦合至光耦合器，光在光耦合器中衰減的問(wèn)題被解決且具有良好一致性的光束可被生成。到達(dá)光耦合器的不同光信號(hào)之間的相差(例如在不同位置處傳播入耦合器中的光之間的相差)優(yōu)選地基本為0，例如，可以優(yōu)選為0，例如可優(yōu)選地與在制造容差和成本約束范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的一樣小。

例如，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的預(yù)定的、離散的且有限數(shù)量的部分。例如，集成波導(dǎo)可被從光耦合器的相對(duì)側(cè)(例如，位于波導(dǎo)的平面中的相對(duì)側(cè))光學(xué)耦合至光耦合器。集成波導(dǎo)可在聚焦光耦合器周圍間隔開的光學(xué)互連處光學(xué)耦合至光耦合器的多個(gè)不同部分。例如，光學(xué)互連可在聚焦光耦合器周圍間隔開，例如以使得每個(gè)光學(xué)互連與其鄰居間隔開預(yù)定的、有限的角度間隔，例如360°/n的間隔，其中n是大于1的有限自然數(shù)。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至第一和第二波導(dǎo)。從而，在集成波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)將在光學(xué)上分開且穿過(guò)第一和第二波導(dǎo)傳播。第一波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光耦合器的一側(cè)，例如一個(gè)末端，而第二波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至同一光耦合器的另一側(cè)，例如另一末端。通過(guò)將集成波導(dǎo)分為兩個(gè)波導(dǎo)，穿過(guò)該波導(dǎo)傳播的相同光信號(hào)可在不同位置處被兩次饋送到光耦合器，以補(bǔ)償或至少減少光耦合器中的光信號(hào)的衰減的不利影響。優(yōu)選地，到達(dá)光耦合器的兩個(gè)光信號(hào)之間的相差基本為0。從而，第一和第二波導(dǎo)可被制造成使得到達(dá)光耦合器的光信號(hào)之間的相差基本為0，例如等于0，例如在預(yù)定容差范圍內(nèi)(例如在制造容差內(nèi))等于0。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，集成波導(dǎo)可在光耦合器的多個(gè)位置處被光學(xué)耦合至光耦合器，以甚至進(jìn)一步增加光束的一致性。例如，集成波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至多個(gè)波導(dǎo)，例如三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)或者甚至更多波導(dǎo)。從而，在集成波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)將在光學(xué)上分開且穿過(guò)此多個(gè)波導(dǎo)中的每一個(gè)傳播。該多個(gè)波導(dǎo)可被光學(xué)耦合至光柵耦合器上的多個(gè)位置。

聚焦光耦合器可被適配成用于將基本圓形或平面的波前7作為匯聚在焦平面10上的聚焦光束9耦合出波導(dǎo)的平面。例如，聚焦光耦合器可以是具有被適配成將具有基本圓形或平面的波前的被引導(dǎo)的光信號(hào)向外耦合入在自由空間中聚焦的球形波前的啁啾(chirped)和彎曲的光柵圖案的聚焦光柵耦合器。

替換地，聚焦光耦合器可包括制造(例如圖案化)在集成波導(dǎo)中的微結(jié)構(gòu)圖案。微結(jié)構(gòu)可包括通孔、柱和/或腔，例如局部的凹陷或凹痕。這樣的微結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)的平面中可具有小于5μm，例如在10nm到800nm的范圍內(nèi)，例如在20nm到500nm的范圍內(nèi)，例如在50nm到200nm的范圍內(nèi)的直徑，例如在波導(dǎo)的平面中的最大直徑或最大橫跨維度。

微結(jié)構(gòu)可至少部分被制造(例如蝕刻)在波導(dǎo)中。微結(jié)構(gòu)可以是波導(dǎo)中的通孔。通孔可具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，例如矩形。微結(jié)構(gòu)也可以是被制造到波導(dǎo)中的不同類型的微結(jié)構(gòu)(例如完全(例如通孔)或部分(例如凹痕)制造到波導(dǎo)中的微結(jié)構(gòu))的組合。圖案可以是矩形圖案。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖案可被配置成在從波導(dǎo)接收到光信號(hào)時(shí)補(bǔ)償該光信號(hào)由于其通過(guò)光柵耦合器傳播的衰減。此被配置的圖案確保了所生成的光錐具有增加的一致性，這準(zhǔn)許使用比使用常規(guī)圖案時(shí)更大的針孔。作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，被用來(lái)照射物體的光的能量被增大，從而引起對(duì)物體的更好的照明。從而，聚焦光耦合器可以是如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的聚焦光耦合器。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，不同光耦合器可被用來(lái)同時(shí)從不同角度照射物體。不同光耦合器可被連接至同一集成波導(dǎo)，該集成波導(dǎo)向所有光耦合器提供光信號(hào)。例如，該至少一個(gè)光電集成電路2可包括光學(xué)耦合至集成波導(dǎo)4的至少一個(gè)其它光耦合器8a。該至少一個(gè)附加光耦合器8a可被適配成用于將光信號(hào)5作為光束9a定向出集成波導(dǎo)4的平面。光耦合器8和至少一個(gè)附加光耦合器8a被定位成使得光耦合器8和至少一個(gè)附加光耦合器8a生成的光束重合并由此同時(shí)從不同角度照射物體。這種實(shí)施例在圖6中解說(shuō)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：從不同角度照射物體允許記錄該物體的3d信息。通過(guò)結(jié)合3d信息以標(biāo)識(shí)物體，可實(shí)現(xiàn)更高的精確度。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，每個(gè)光耦合器可具有將光信號(hào)饋送到該光耦合器中的其自己的集成波導(dǎo)，且其中不同光耦合器被定位以從不同角度照射物體。例如，該至少一個(gè)光電集成電路可進(jìn)一步包括用于引導(dǎo)光信號(hào)的至少一個(gè)其它集成波導(dǎo)，以及光學(xué)耦合至該至少一個(gè)其它集成波導(dǎo)的至少一個(gè)其它光耦合器。該其它光耦合器可被適配成用于將光信號(hào)作為另一光束定向出該至少一個(gè)其它波導(dǎo)的平面。該光耦合器和該其它光耦合器可被定位成使得由該光耦合器和該其它光耦合器生成的光束重合且由此同時(shí)從不同角度照射該物體。

本領(lǐng)域中已知用于設(shè)計(jì)和制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的聚焦光耦合器的技術(shù)，例如可使用電子束處理技術(shù)來(lái)在集成光電設(shè)備2的基板上創(chuàng)建適當(dāng)?shù)墓鈻艌D案。聚焦光柵耦合器的周期性可根據(jù)位置而改變，以使得向外耦合的光被聚焦在焦平面中的單個(gè)匯聚點(diǎn)中。大的數(shù)值光圈和小的點(diǎn)大小可通過(guò)足夠大的光柵和短的聚焦距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，約10μm到100μm的光柵可提供5μm到100μm的斑點(diǎn)。

例如，聚焦光柵耦合器可具有在10μm到1000μm的范圍中的長(zhǎng)度，且可被適配成用于生成在焦平面中的具有在5μm到100μm的范圍中的直徑的焦點(diǎn)。聚焦光柵耦合器可具有500μm或更小的長(zhǎng)度，例如，在1μm到100μm的范圍內(nèi)。聚焦光柵耦合器可進(jìn)一步被適配成用于生成在焦平面中的具有10μm或更小的直徑(例如，在1μm到5μm的范圍內(nèi)，或優(yōu)選地更小，例如在0.5μm到1.0μm的范圍內(nèi))的焦點(diǎn)。

成像設(shè)備1進(jìn)一步包括被定位成用于對(duì)被光束9照射的物體12成像的至少一個(gè)成像檢測(cè)器11，諸如cmos圖像檢測(cè)器。在其中所生成的光束是聚焦光束的實(shí)施例中，該至少一個(gè)成像檢測(cè)器11例如可被適配成用于在物體被定位在關(guān)于光束的傳播方向在焦平面下游時(shí)對(duì)該物體成像。而且，成像設(shè)備可包括諸如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于執(zhí)行圖像獲得、圖像的數(shù)字化和/或傳輸和/或存儲(chǔ)的其它部分。成像設(shè)備還可包括被適配成用于執(zhí)行圖像處理操作(諸如舉例而言圖像濾波、圖像轉(zhuǎn)換、模式識(shí)別和/或圖像壓縮)的處理裝置，例如，處理器，諸如專用集成電路設(shè)備。

物體12例如可包括包含在微流通道98中的流體，例如包括浸沒(méi)的生物樣本的流體，例如如在圖5中所示。

該至少一個(gè)成像檢測(cè)器例如可被適配成用于獲得物體12的全息衍射圖像。

該至少一個(gè)成像檢測(cè)器11例如可被適配成用于獲得物體12的熒光圖像。例如，成像設(shè)備1可包括被適配成用于在光譜上隔離熒光劑的熒光波長(zhǎng)(例如用于對(duì)入射在該至少一個(gè)成像檢測(cè)器上的光進(jìn)行帶通濾波，諸如以拒絕或顯著衰減在通帶之外的波長(zhǎng)，包括熒光波長(zhǎng))的至少一個(gè)光譜濾光器。

光電集成電路2可進(jìn)一步包括被定位在光電集成電路2和該至少一個(gè)成像檢測(cè)器11之間的、用于對(duì)光束9進(jìn)行空間濾波(例如用于在光束到達(dá)物體之前對(duì)光束進(jìn)行濾波)的至少一個(gè)針孔準(zhǔn)直器15(例如至少一個(gè)針孔15)。例如，聚焦光束的波前可在焦平面處被針孔清理，例如，針孔準(zhǔn)直器可實(shí)現(xiàn)低空間頻率帶通濾波器。該至少一個(gè)針孔準(zhǔn)直器從而可被定位在焦平面中以用于對(duì)聚焦光束進(jìn)行空間濾波。

該至少一個(gè)成像檢測(cè)器11可被適配成用于同時(shí)對(duì)多個(gè)物體12成像，其中該多個(gè)物體中的每個(gè)物體被定位成諸如允許由相應(yīng)光耦合器發(fā)出的相應(yīng)光束照射每個(gè)物體，例如，當(dāng)每個(gè)物體被定位成關(guān)于相應(yīng)光耦合器發(fā)出的相應(yīng)聚焦光束的傳播方向在焦平面的下游時(shí)。從而，激勵(lì)波導(dǎo)(例如，單個(gè)激勵(lì)波導(dǎo))可在多個(gè)集成波導(dǎo)中劃分，例如經(jīng)由光學(xué)分束裝置，其連接至相應(yīng)的錐形物和相應(yīng)的聚焦光耦合器以便劃分光并將光引導(dǎo)到多個(gè)物體。例如，圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光電集成設(shè)備2，其包括例如被適配成用于將光信號(hào)耦合到光電集成設(shè)備2中的激勵(lì)波導(dǎo)20以及用于將光信號(hào)引導(dǎo)到4個(gè)點(diǎn)的多個(gè)集成波導(dǎo)4。例如，多個(gè)聚焦光耦合器8所提供的每個(gè)聚焦光束可生成點(diǎn)源，點(diǎn)源例如可被用來(lái)照射物體。在照射之后，物體的全息圖像可被記錄。

而且，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備可包括反射面，其中該反射面和該至少一個(gè)成像檢測(cè)器被定位成使得來(lái)自被照射物體的光和該光束被該反射面反射并在反射后被該至少一個(gè)成像檢測(cè)器檢測(cè)。

參考圖5，示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中成像設(shè)備包括沉積在基板上的具有適當(dāng)?shù)姆瓷湟蜃拥倪@樣的反射面99，例如鏡面或金屬層。本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：該至少一個(gè)集成電路2和該至少一個(gè)成像檢測(cè)器11可被集成在單個(gè)基板97中，例如在單個(gè)集成光電芯片上。成像檢測(cè)器11中的盲點(diǎn)可例如被用來(lái)實(shí)現(xiàn)集成光電器件。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：集成光電器件和成像檢測(cè)器可使用cmos兼容處理步驟來(lái)制造。這簡(jiǎn)化了處理并減少了設(shè)備的生產(chǎn)成本。而且，其中提供有針孔光圈的針孔準(zhǔn)直器15(例如層，諸如金屬層)可被提供在微流通道98和基板97之間。這種設(shè)備的制造在下一段中解釋。

針孔準(zhǔn)直器15(例如，針孔15)可被提供在基板97上，例如被布置在基板97上方的透明間隔層(例如氧化層)上方。微流通道98也可被提供在同一基板97上，例如，第二透明間隔層(例如氧化層)可被提供在針孔準(zhǔn)直器15上方，在其中形成微流通道98。同樣，反射面可作為微流通道98上方的層被提供，例如，由第三透明間隔層(例如氧化層)與微流通道98間隔開。這具有允許操作中的容易對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，例如，可能對(duì)對(duì)準(zhǔn)誤差高度敏感的組件可被集成在單個(gè)基板上。

在第二方面，本發(fā)明也涉及一種用于對(duì)物體成像的方法。此方法包括將光信號(hào)耦合到集成波導(dǎo)中，例如到基板中或基板上的集成波導(dǎo)中，以及使用光耦合器從光信號(hào)生成光束，所述光束被定向出集成波導(dǎo)的平面。本方法進(jìn)一步包括通過(guò)將該物體浸沒(méi)于在微流通道中流動(dòng)的流體中來(lái)傳輸該物體。微流通道例如可被配置成允許在該物體通過(guò)該微流通道傳輸時(shí)由該光束對(duì)物體照射。該方法進(jìn)一步包括使用該光束照射該物體并對(duì)被照射的物體成像。本領(lǐng)域技術(shù)人員參考上文的關(guān)于根據(jù)各實(shí)施例的成像設(shè)備的描述，也將理解根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的細(xì)節(jié)。例如，根據(jù)實(shí)施例的方法或其一部分可在實(shí)踐中由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備或其相應(yīng)部分執(zhí)行。圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于對(duì)物體成像的示例性方法100。此方法100包括將光信號(hào)耦合102到集成波導(dǎo)中，例如基板(諸如集成光電電路基板)中或該基板上的集成波導(dǎo)。將光信號(hào)耦合102到集成波導(dǎo)中可包括將光信號(hào)分布在多個(gè)波導(dǎo)上。例如，光信號(hào)可被分布成使得在該多個(gè)集成波導(dǎo)中的每個(gè)集成波導(dǎo)中具有基本圓形波前的光波被形成。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括提供101至少部分相干光束，例如以耦合到集成波導(dǎo)中，例如作為對(duì)輸入耦合器的輸入。光信號(hào)從而可以至少部分相干光束的形式被耦合到集成波導(dǎo)中。方法100也可包括在集成波導(dǎo)中形成具有基本圓形或平面波前的光波，例如以饋送到光耦合器中(例如聚焦光耦合器，諸如舉例而言聚焦光柵耦合器)。

該方法還包括使用光耦合器從光信號(hào)生成106光束，以使得光束被定向出集成波導(dǎo)的平面。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，生成106可包括使用聚焦光耦合器來(lái)聚焦104光束，例如使用光耦合器從光信號(hào)生成該光束可包括將光波引導(dǎo)到聚焦光耦合器中以將光波作為匯聚在焦平面中的聚焦光束耦合出波導(dǎo)的平面。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，該生成106可包括使用散焦光耦合器來(lái)生成該光束，例如使用該光耦合器從該光信號(hào)生成光束可包括將光波引入到散焦光耦合器中以將光波作為發(fā)散光束耦合出波導(dǎo)的平面，例如從波導(dǎo)的平面下的虛擬點(diǎn)源發(fā)散，例如在此虛擬點(diǎn)源關(guān)于波導(dǎo)所處的側(cè)面相對(duì)的方向上將光作為發(fā)散光束耦合出波導(dǎo)的平面。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法可進(jìn)一步包括在其焦點(diǎn)中對(duì)光束進(jìn)行空間濾波107，以獲得從焦點(diǎn)朝物體傳播的基本一致的球形波，例如一致球形波。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，例如將光耦合102到波導(dǎo)中、生成106光束、照射108物體和/或?qū)ξ矬w成像109的步驟可使用多個(gè)不同波導(dǎo)和多個(gè)不同光耦合器針對(duì)多個(gè)物體并行執(zhí)行。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，光信號(hào)可被耦合到多個(gè)集成波導(dǎo)中且成像可包括同時(shí)對(duì)多個(gè)物體成像，每個(gè)物體被由不同光耦合器生成的光束照射。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，將光信號(hào)耦合到集成波導(dǎo)中可包括將光信號(hào)分布在多個(gè)波導(dǎo)上，其中在該多個(gè)波導(dǎo)的每個(gè)集成波導(dǎo)中，具有基本圓形或平面波前的光波被形成。而且，將光波引入到聚焦光耦合器中可包括將每個(gè)光波引入到相應(yīng)聚焦光耦合器中以將光波作為匯聚在焦平面中的相應(yīng)聚焦光束耦合出波導(dǎo)的平面。

該方法100進(jìn)一步包括使用該光束照射108該物體并對(duì)被照射的物體成像109。而且，方法100還可包括同時(shí)對(duì)多個(gè)物體成像，每個(gè)物體被由相應(yīng)光耦合器生成的相應(yīng)光束照射。對(duì)被照射的物體成像109可包括獲得全息衍射圖像和/或獲得該物體的熒光圖像。

本發(fā)明的實(shí)施例可包括或以其它方式涉及聚焦光耦合器，其包括制造(例如圖案化或形成)在波導(dǎo)中的微結(jié)構(gòu)的圖案。微結(jié)構(gòu)可至少部分被制造(例如蝕刻)在波導(dǎo)中。微結(jié)構(gòu)可包括波導(dǎo)中的通孔。這種通孔可具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，例如矩形。微結(jié)構(gòu)也可包括被制造到波導(dǎo)中的不同類型的微結(jié)構(gòu)(例如完全(例如通孔)或部分(例如凹痕)制造到波導(dǎo)中的微結(jié)構(gòu))的組合。例如，微結(jié)構(gòu)可被制造在波導(dǎo)中諸如以完全橫穿波導(dǎo)(例如通孔)，或者微結(jié)構(gòu)可被制造在波導(dǎo)中諸如以延伸到波導(dǎo)中(例如凹痕)。圖案可以是矩形圖案。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖案可被配置成在從波導(dǎo)接收到光信號(hào)時(shí)補(bǔ)償該光信號(hào)由于其傳播穿過(guò)光耦合器時(shí)的衰減。此被配置的圖案可確保所生成的光錐具有增加的一致性，這準(zhǔn)許使用比使用常規(guī)圖案時(shí)更大的針孔。作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，被用來(lái)照射物體的光的能量被增大，從而引起對(duì)物體的更好的照射。例如，為了提供光的一致的向外耦合，微結(jié)構(gòu)可形成分散的中心。從而，取代使用包括多個(gè)彎曲光柵線的完全形成的聚焦光柵耦合器，微結(jié)構(gòu)可根據(jù)被適配用于局部控制向外耦合的光強(qiáng)度的密度分布被提供在各光柵線上(例如在與同現(xiàn)有的光耦合器具有基本等同的光耦合屬性的完全形成的聚焦光柵耦合器的光柵線上的位置相對(duì)應(yīng)的位置處)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，光耦合器可具有根據(jù)密度分布被定位在光耦合器上的微結(jié)構(gòu)，該密度分布是被適配成用于(例如被優(yōu)化以用于)提供預(yù)定的目標(biāo)向外耦合光功率分布的連續(xù)密度分布的離散采樣逼近。在本發(fā)明的另一方面中，本發(fā)明還可涉及一種用于設(shè)計(jì)這種聚焦光耦合器的方法和/或一種用于生產(chǎn)這種聚焦光耦合器的方法。

參考圖8，示出了可提供點(diǎn)源的良好逼近的向外耦合功率分布r。例如，在該平面的要形成光耦合器的中心區(qū)域101中，向外耦合的功率可低于外圍區(qū)域102，例如以便考慮向外耦合的波在達(dá)到中心區(qū)域101上方的焦點(diǎn)之前行進(jìn)的較大距離，例如以克服距離平方反比損耗因子。此向外耦合的功率分布r(r)可與光耦合器中的功率分布p相關(guān)，例如通過(guò)數(shù)學(xué)模型：

從而，針對(duì)圖8中示出的向外耦合的功率分布r，分布p(r)可通過(guò)此模型確定。例如，圖9中示出的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光耦合器的部件103上方的分布p(r)在圖10中示出。因此，為了獲得點(diǎn)源的向外耦合的功率分布逼近，如圖8中所示，范圍從高105到低104的功率分布梯度p(r)可在如圖10中示出的耦合器中提供。因?yàn)橄蛲怦詈系墓β史植紃也與散射截面和散射器密度相關(guān)，如下：

目標(biāo)散射器密度n在截面σ已知時(shí)可被定義。此截面例如可通過(guò)仿真獲得，例如使用lumerical。例如，圖11示出仿真模型，其包括模式源110和擔(dān)當(dāng)散射器的微結(jié)構(gòu)111，例如淺蝕刻。該模型還包括用于測(cè)量散射場(chǎng)以計(jì)算仿真散射截面的場(chǎng)監(jiān)視盒112。仿真模型使用sio2114平臺(tái)上的sin113。圖12示出因變于波長(zhǎng)λ的散射截面σ的示例性仿真結(jié)果。

圖13示出根據(jù)上文的數(shù)學(xué)關(guān)系的對(duì)應(yīng)于圖12中示出的示例性仿真結(jié)果和圖10中示出的目標(biāo)功率分布p的散射中心的示例性分布n。此分布例如可被用于隨機(jī)采樣要制造在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的波導(dǎo)中的微結(jié)構(gòu)的位置，例如在圖14中所示。而且，每個(gè)這樣隨機(jī)采樣的位置的定位可被調(diào)整以便落在最近的光柵線上，例如如圖15中所示。

因?yàn)樯⑸淦骺赡懿皇歉飨蛲缘?，各向異性散射也可被納入考慮。圖16示出通過(guò)仿真獲得的散射光的等強(qiáng)度表面。圖17示出相同仿真的2d散射強(qiáng)度圖，該圖示出了從微結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域118到外圍區(qū)域119的不斷減小的散射強(qiáng)度。例如，所建模的微結(jié)構(gòu)蝕刻的矩形形狀所導(dǎo)致的各向異性可在圖16和17中看到。圖18示出在將微結(jié)構(gòu)的這種各向異性納入考慮之后的散射中心的示例性分布n。圖19和圖20分別示出補(bǔ)償微結(jié)構(gòu)的各向異性的根據(jù)此分布n的微結(jié)構(gòu)的隨機(jī)采樣，且這些隨機(jī)采樣的微結(jié)構(gòu)位置被調(diào)整到光柵線上的最近位置。

而且，用于提供逼近的點(diǎn)源的光柵耦合器的符合度可被進(jìn)一步通過(guò)以下方式來(lái)改善：使用柵格化工具來(lái)例如調(diào)整微結(jié)構(gòu)位置間的間隔(例如通過(guò)如上文討論的初始隨機(jī)采樣獲得的)以便在每次迭代中改善仿真向外耦合場(chǎng)與目標(biāo)點(diǎn)源分布的符合度。圖21解說(shuō)了這樣的網(wǎng)格，而圖22和圖23解說(shuō)了在兩個(gè)網(wǎng)格糾正迭代中定位的微結(jié)構(gòu)。

圖24-26示出在包括如通過(guò)上文描述的規(guī)程獲得的微結(jié)構(gòu)的光耦合器上方的仿真場(chǎng)。仿真耦合器在仿真坐標(biāo)系的z＝0平面中具有維度10μm乘以10μm。耦合器被設(shè)計(jì)成提供在10μm的距離處的在(x,y,z)＝(0,0,10)μm處的焦點(diǎn)。圖24示出在坐標(biāo)系原點(diǎn)上方的此距離處形成的焦點(diǎn)。圖25示出在焦平面中形成的約250nm的焦點(diǎn)。圖26示出由光柵耦合器耦合出波導(dǎo)的光的遠(yuǎn)場(chǎng)。