本發(fā)明涉及一種關(guān)于儀器應(yīng)用中的光學(xué)濾波器，特別是中心波長和波長帶寬可變的電壓調(diào)制光學(xué)濾波器。

背景技術(shù)：

熒光顯微術(shù)常用三個分立光學(xué)濾波器：一個激發(fā)光濾波器用于從系統(tǒng)的照明光源選出合適波長光，一個發(fā)射濾波器限制探測器接收的從被照射樣品發(fā)出的熒光波長光譜，一個二向色性濾波器位于激發(fā)光濾波器和樣品之間，同時也位于樣品與發(fā)射濾波器之間。二向色性濾波器用于從發(fā)射光波段中分離出激發(fā)光波段。拉曼光譜術(shù)用類似濾波器組合。流式細(xì)胞術(shù)用大量分立發(fā)散濾波器來提取通過儀器的細(xì)胞“流”的特定波長相關(guān)信息。

上述這些成像系統(tǒng)中的濾波器元件需具有極好的性能來獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果。特別是當(dāng)今的高光譜熒光顯微術(shù)提供了多光譜段信號采集產(chǎn)生連續(xù)光譜輸出。不同于傳統(tǒng)光譜術(shù)，高光譜顯微術(shù)需要使用各種不同濾波器。已有技術(shù)集合了光柵、棱鏡和機械可調(diào)濾波器，提供所需帶寬內(nèi)的特征。但存在信號丟失問題，流式細(xì)胞術(shù)使用大量分立濾波器也有相同顧慮。

當(dāng)前為這些用途而創(chuàng)造可調(diào)光學(xué)濾波器的嘗試依賴于機械結(jié)構(gòu)，如馬達或微機電器件。這些方案的局限性包括移動部件，元件間角度錯位和較低響應(yīng)時間，限制了這些機械結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用。基于聲光結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波器也被開發(fā)，但已知也存在響應(yīng)較慢和體積大，而且可調(diào)波長范圍也有限制。于是，各種不同應(yīng)用的專業(yè)領(lǐng)域需要可調(diào)光學(xué)濾波器具有較快響應(yīng)時間，寬調(diào)制范圍。

已有技術(shù)中的需要由本發(fā)明實現(xiàn)，包括儀器應(yīng)用中的光學(xué)濾波器，特別是電壓調(diào)制光學(xué)濾波器，中心波長和帶寬獨立可變，能夠為各種儀器應(yīng)用提供實時，高速變化濾波響應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明中含有系列短波通濾波器(swp)和長波通濾波器(lwp)，濾波器由電壓分別獨立控制。施加電壓改變相應(yīng)濾波器的濾波響應(yīng)。獨立調(diào)制短波通濾波器和長波通濾波器的能力允許他們的系列組合可以改變中心波長(cwl)和帶寬(bw)。

具體實例中，發(fā)明的電壓調(diào)制濾波器用于熒光顯微系統(tǒng)的激發(fā)光濾波器。在本實例中，可控制加在短波通和長波通濾波器上的電壓，產(chǎn)生窄帶寬濾波器響應(yīng)，在大光譜范圍內(nèi)調(diào)諧中心波長。這種改變激發(fā)濾波器中心波長的能力簡化了用戶改變評估特定染料的能力，也提供了高光譜激發(fā)的應(yīng)用，而不需要已有技術(shù)那樣的濾波器件的物理變化。

在另一個實例中，發(fā)明的電壓可調(diào)光學(xué)濾波器用作熒光光譜系統(tǒng)中的發(fā)射濾波器。在本實例中，調(diào)節(jié)電壓控制短波通和長波通濾波器，來改變中心波長和帶寬響應(yīng)，從而找到儀器探測器接收到最大輸出功率的波長范圍。

在另一個實例中，發(fā)明的電壓可調(diào)光學(xué)濾波器用作二向色性濾波器，具有從發(fā)射光波長中分離出激發(fā)光波長的功能，并在激發(fā)光和發(fā)射光的其中之一或全部的中心波長和帶寬發(fā)生變化時，保持激發(fā)光和發(fā)射光分離。

其它實例應(yīng)用電壓可調(diào)光學(xué)濾波器組合實現(xiàn)這些系統(tǒng)中包括兩個或多個特定濾波器。各種儀器從本發(fā)明濾波器的應(yīng)用中受益，包括拉曼光譜儀，流式細(xì)胞儀，和相類似的儀器。

本發(fā)明的一個特定實例由電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器構(gòu)成，包含短波通(swp)濾波器規(guī)定呈現(xiàn)選定截止波長λs和長波能濾波器(lwp)規(guī)定呈現(xiàn)選定截止波長λl，λl小于λs，其中短波通等離子濾波器和長波通等離子濾波器中至少有1個呈現(xiàn)電壓控制光譜響應(yīng)，短波通和長波通等離子濾波器組合生成可調(diào)光學(xué)濾波器，呈現(xiàn)截止波長λl和λs之間的波長范圍，依靠選定λl和λs數(shù)值，實現(xiàn)中心波長可調(diào)，帶寬獨立可調(diào)。

本發(fā)明的其它特定實例可呈現(xiàn)為光學(xué)成像系統(tǒng)包含至少1個電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器，系統(tǒng)包含短波通(swp)濾波器，規(guī)定呈現(xiàn)選定截止波長λs和長波能濾波器(lwp)規(guī)定呈現(xiàn)選定截止波長λl，λl小于λs，其中短波通等離子濾波器和長波通等離子濾波器中至少有1個，呈現(xiàn)電壓控制光譜響應(yīng)，短波通和長波通等離子濾波器組合生成可調(diào)光學(xué)濾波器，呈現(xiàn)截止波長λl和λs之間的波長范圍，依靠選定λl和λs數(shù)值，實現(xiàn)中心波長可調(diào)，帶寬獨立可調(diào)。

本發(fā)明其它具體實例包括電壓控制可調(diào)濾波器，包含短波通(swp)濾波器，規(guī)定呈現(xiàn)選定截止波長λs和長波能濾波器(lwp)規(guī)定呈現(xiàn)選定截止波長λl，λl小于λs,其中至少有短波通等離子濾波器和長波通等離子濾波器中的1個，呈現(xiàn)電壓控制光譜響應(yīng)，短波通和長波通等離子濾波器組合生成可調(diào)光學(xué)濾波器，呈現(xiàn)截止波長λl和λs之間的波長范圍，依靠選定λl和λs數(shù)值，實現(xiàn)中心波長可調(diào)，帶寬獨立可調(diào)。

本發(fā)明的有益效果為能夠為各種儀器應(yīng)用提供實時變化的濾波響應(yīng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細(xì)的說明。

圖1是已有技術(shù)中的熒光顯微系統(tǒng)。

圖2是特定染料的吸收和發(fā)射光譜分布。

圖3是不同染料的吸收和發(fā)射光譜分布。

圖4描繪了圖3中的吸收和發(fā)射光譜，以及熒光光譜儀中傳統(tǒng)激發(fā)光濾波器的光譜響應(yīng)。

圖5顯示圖4中相同的響應(yīng)和熒光光譜儀中二向色濾波器和發(fā)射光濾波器的光譜分布。

圖6是本發(fā)明實例的熒光光譜儀。

圖7是短波通(swp)濾波器和長波通(lwp)濾波器的光譜響應(yīng)實例。

圖8是本發(fā)明的電壓控制短波通和長波通濾波器組合。

圖9顯示圖8中1對短波通和長波通濾波器的光譜響應(yīng)疊加。

圖10顯示短波通和長波能濾波器組合的變化響應(yīng)，改變?nèi)繛V波器的帶寬。

圖11顯示短波通和長波能濾波器組合的其它變化響應(yīng)，改變?nèi)繛V波器的帶寬。

圖12相對窄帶寬濾波器，通過改變本發(fā)明中的短波通和長波通濾波器的電壓實現(xiàn)。

圖13描繪本發(fā)明特定實例，電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器在熒光光譜儀中用作激發(fā)光濾波器。

圖14描繪本發(fā)明另一實例，電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器在熒光光譜儀中用作發(fā)射光濾波器。

圖15顯示圖14實例的變化結(jié)構(gòu)，用“固定”發(fā)射光濾波器組合可調(diào)發(fā)射光濾波器，可調(diào)發(fā)射光濾波器用于精細(xì)調(diào)節(jié)發(fā)射光濾波器的光譜響應(yīng)。

圖16描繪本發(fā)明另一實例，包含用電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器作激必光濾波器，二向色性濾波器和發(fā)射光濾波器的熒光光譜儀。

圖17描繪圖14實例的另一結(jié)構(gòu)，用一對分立濾波器構(gòu)成可調(diào)二向色性濾波器。

圖18由本發(fā)明的短波通和長波通濾波器構(gòu)成的電壓可調(diào)等離子光學(xué)濾波器實例。

圖19圖18中濾波器的俯視圖。

圖20圖18中等離子光學(xué)濾波器光譜響應(yīng)實例。

圖21顯示改變?yōu)V波器幾何結(jié)構(gòu)獲得等離子濾波器光譜響應(yīng)實例。

圖22顯示圖18濾波器成對組合構(gòu)成電壓可調(diào)光學(xué)濾波器，用作熒光光譜儀中的激發(fā)光或發(fā)射光濾波器。

圖23顯示圖22中濾波器組合的一對不同光譜響應(yīng)，圖(a)對應(yīng)施加電壓相似，和圖(b)對應(yīng)施加電壓不相似。

圖24顯示不同濾波器幾何結(jié)構(gòu)得到更寬帶寬。

圖25電壓控制光學(xué)濾波器變化實例，短濾通和長波通濾波器由分立基片構(gòu)成。

圖26圖19中偏振不敏感光學(xué)濾波器實例的俯視圖。

圖27偏振不敏感實例的俯視圖，濾波器由大量石墨烯量子點組成。

圖28用本發(fā)明的電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器構(gòu)成的拉曼光譜儀實例。

圖29拉曼光譜儀響應(yīng)曲線。

圖30拉曼光譜儀多光源實例。

圖31按本發(fā)明原理的拉曼光譜儀中可調(diào)二向色濾光片實例的側(cè)視圖。

圖32是圖31濾波器的俯視圖。

圖33傳統(tǒng)已有技術(shù)的流式細(xì)胞儀的示意圖。

圖34包含本發(fā)明的電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器流式細(xì)胞儀示意圖。

圖35顯示圖34中電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器構(gòu)成流式細(xì)胞儀的實例。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明做進一步說明。

如下所述，熒光成像系統(tǒng)中的可調(diào)光學(xué)濾波器有各種不同應(yīng)用。圖1描繪已有技術(shù)的熒光顯微鏡1實例，受益于使用本發(fā)明的電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器。熒光顯微鏡提供組織、細(xì)胞或其它樣品元件的放大圖，用到了能附著于樣品某組分的各種熒光染料的光發(fā)射。對照圖1，樣品2用1種或多種已知熒光染料制備(如dapi，gfp，rfp，yfp和alexa染料，cy2，cy3，atto488，熒光素等)。寬帶光源3用于照射樣品2。光源3輸出寬帶先通過激發(fā)光濾波器4，只有特定波長范圍(用1指示)與樣品中特定“激活”染料相互作用。

樣品被激發(fā)，發(fā)射出第2個波長范圍(指示為2)的光信號，通過發(fā)射光濾波器5，最終導(dǎo)入探測器6，分析顯微術(shù)結(jié)果。在多數(shù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，二向色性濾波器7(也稱作“二向色鏡”)將1和2光導(dǎo)向合適方向。即二向色性濾波器7“反射”1附近波長的光(例如，將這個信號再次導(dǎo)向樣品)，“透射”2附近波長的光(例如，將這個信號導(dǎo)向探測器)。

三種濾波器(激發(fā)光、發(fā)射光和二向色性)組合經(jīng)常安裝在方塊形狀的結(jié)構(gòu)中，并作為獨立元件銷售。此時，該元件稱為“濾波器方塊”。類似濾波器方塊可用于拉曼光譜儀。

熒光顯微術(shù)(特別是高光譜熒光顯微術(shù))的難點是調(diào)節(jié)這些濾波器，特別是用到多種染料(每種染料對應(yīng)不同波長)。圖2是alexafluor555染料的吸收和發(fā)射光譜分布。圖3顯示另一種染料的吸收和發(fā)射光譜分布(dapi熒光素)，顯然，對比dapi染料時，alexa染料的熒光作用需要用到不同帶寬的激發(fā)光和發(fā)射光濾波器。圖4包含與圖3相同的吸收和發(fā)射光譜分布，也描繪了dapi染料熒光系統(tǒng)中的傳統(tǒng)激發(fā)光濾波器(圖1中的濾波器4)的濾波器響應(yīng)例子。此處激發(fā)光濾波器是帶通波長從350nm到400nm的帶通型濾波器。這種濾波器響應(yīng)適用于使用dapi染料的系統(tǒng)，但相同濾波器不能用于alexa染料。已知許多不同染料可能被用到，于是不同特征濾波器問題變得很繁重。

圖5顯示圖4提出的各種光譜分布，補充了傳統(tǒng)二向色濾波器和發(fā)射光濾波器的光譜分布。如圖，激發(fā)光譜與樣品的發(fā)射光譜極可能會有些重疊，在探測器的接收響應(yīng)中產(chǎn)生不希望的噪聲。圖5中重疊(出現(xiàn)在0-10％透射區(qū)間)相對輕微，在對數(shù)座標(biāo)中，重疊變得明顯，并能造成測量輸出錯誤。可調(diào)發(fā)射光濾波器的響應(yīng)可以在軟件中反卷積，減少重疊效應(yīng)，給出更準(zhǔn)確的結(jié)果(增加成本，可能還會響應(yīng)延遲)。這個問題在已有技術(shù)中用到了非常苛刻要求的激發(fā)光濾波器(額外延伸)。

本發(fā)明解決這些波長相關(guān)濾波器響應(yīng)問題；特別是使用電壓調(diào)制濾波器作為熒光成像系統(tǒng)的激發(fā)光、發(fā)射光和二向色性濾波器。圖6按本發(fā)明一個實例描繪了熒光顯微鏡10。如圖，光源3，樣品2，顯微鏡10的探測器6，類似于圖1中已有技術(shù)相似編號的部件。然后與已有技術(shù)安排不同，本發(fā)明的顯微鏡10包含了1個或多個電壓調(diào)制濾波器，電壓可調(diào)激發(fā)光濾波器12，電壓可調(diào)發(fā)射光濾波器14和電壓可調(diào)二向色濾波器16。

圖6中系統(tǒng)電壓控制器20用于產(chǎn)生可調(diào)電壓輸出(包括系列電壓)給每個濾波器(用戶控制)，生成給定應(yīng)用的預(yù)期濾波器響應(yīng)。第1個可調(diào)電壓源22產(chǎn)生可調(diào)電壓vex(t)給激發(fā)光濾波器12，第2個可調(diào)電壓源24產(chǎn)生可調(diào)電壓vem(t)給發(fā)射光濾波器14，第3個可調(diào)電壓源26產(chǎn)生可調(diào)電壓vdi(t)給二向色濾波器16。本發(fā)明中每個電壓源分別控制(按相連接的計算機系統(tǒng)21指令反應(yīng))每個濾波器(每個濾波器的中心波長和帶寬獨立調(diào)節(jié))。例如，計算機系統(tǒng)21可對用戶輸入(和/或探測器)響應(yīng)，決定是否需要調(diào)節(jié)某些電壓。圖6中顯示設(shè)備19可用于可視化指示，控制器20和計算機系統(tǒng)21組合產(chǎn)生的結(jié)果。

本發(fā)明實例，每個可調(diào)濾波器包含系列短波通(swp)濾波器和長波通(lwp)濾波器組合，分別控制電壓，分別改變每個濾波器的通帶?；蛘撸３制渲?個濾波器作為“固定”濾波器，調(diào)節(jié)另1個濾波器參數(shù)。當(dāng)中心波長和帶寬變化時，可以方便地保持1個濾波器不變，作為“固定”濾波器，只調(diào)節(jié)1個濾波器能提供足夠的濾波器應(yīng)用的靈活度。

圖7描繪了短波通濾波器施加電壓vs1和長波通濾波器施加電壓vl1。兩個濾波器的通帶疊加很少。然而，按本發(fā)明原理，改變每個濾波器上的電壓，可增加(“微調(diào)”)重疊量(規(guī)定組合濾波器帶寬)和調(diào)節(jié)(“微調(diào)”)重疊區(qū)的中心波長。

圖8描述本發(fā)明的電壓控制短波通和長波通濾波器系列組合的可調(diào)濾波響應(yīng)，用于上述成像應(yīng)用中。比較圖8和圖7的曲線，在短波通濾波器上加不同電壓(或系列電壓)，可擴展短波通濾波器帶寬。在長波通濾波器上加不同電壓(或系列電壓)，可擴展長波通濾波器帶寬。這些器件組合的結(jié)果是兩種濾波器響應(yīng)疊加，呈現(xiàn)出帶寬介于長波通濾波器截止波長l和短波通濾波器截止波長s之間。圖9顯示重疊區(qū)域，也顯示了濾波響應(yīng)的中心波長和帶寬。

如上所述，在每個濾波器(或只有1個濾波器)上調(diào)節(jié)電壓，可能調(diào)節(jié)(獨立)組合響應(yīng)的帶寬和中心波長。圖10描述圖8的曲線變化，改變短波通和長波通濾波器的響應(yīng)，變化組合響應(yīng)的帶寬。圖11描繪調(diào)節(jié)電壓改變組合響應(yīng)帶寬。如圖12所示，可以控制短波通和長波通濾波器上電壓產(chǎn)生極窄帶響應(yīng)。同步調(diào)節(jié)短波通和長波通濾波器的濾波響應(yīng)，具有產(chǎn)生窄帶響應(yīng)的能力，于是產(chǎn)生可調(diào)濾波器“掃描”類型，可用于如圖6所示結(jié)構(gòu)中發(fā)射濾波器輸出監(jiān)測結(jié)果。窄帶掃描能力可用于高速應(yīng)用，實時測量生物醫(yī)學(xué)樣品的反應(yīng)。

圖13描繪本發(fā)明的電壓控制短波通濾波器12-s和電壓控制長波通濾波器12-l系列組合，用于可調(diào)激發(fā)光濾波器12。分別加在濾波器12-s和12-l上的電壓(系列電壓)vex,s和vex,l。調(diào)制激發(fā)光濾波器12響應(yīng)的能力，可以連續(xù)調(diào)節(jié)達到樣品2的照明光波長，記作λex(t)。本實例中，發(fā)射光濾波器14和二向色濾波器16都保持“固定”的光譜響應(yīng)。

圖13所示電壓控制器20包含可調(diào)電壓源22，改變加在濾波器12-s和12-l上的電壓(系列電壓)vex,s和vex,l。如圖7-12所述，改變短波通濾波器和長波通濾波器可以按要求調(diào)節(jié)激發(fā)光濾波器12的帶寬和中心波長。這種能力可實現(xiàn)在樣品2上使用各種光光譜不重疊的染料(不同激發(fā)波長)，而無需象已有技術(shù)那樣更換激發(fā)光濾波器。

圖13所示發(fā)明的電壓控制激發(fā)光濾波器12可在樣品2上以各種不同波長測量，上述控制帶寬和中心波長的能力也可以改變在樣品2上加不同波長激發(fā)光的工藝。還能控制激發(fā)波長光“開”和“關(guān)”，產(chǎn)生分析樣品2用的“快門”。如果改變電壓，移動短波通和長波通濾波器的帶寬，令它們的光譜不重疊，則沒有光信號照在樣品2上(產(chǎn)生“關(guān)”狀態(tài))。各種其它可能的短波通和長波通濾波器組合可由本領(lǐng)域技術(shù)人員展望，生成熒光應(yīng)用中的其它類型激發(fā)光源。

圖14顯示本發(fā)明的其它實例，使用電壓控制可調(diào)發(fā)射濾波器14。圖14中14-s(短波通濾波器)和14-l(長波通濾波器)。電壓控制器20中電壓源24的電壓控制信號vem,s和vem,l調(diào)節(jié)光譜響應(yīng)，生成發(fā)射濾波器的帶寬和中心波長。例如，圖12所示，極窄光譜響應(yīng)在相對寬波長范圍內(nèi)掃描，尋找具有最強響應(yīng)的特定波長。多種計算機系統(tǒng)能進行這種波長掃描和功能響應(yīng)測量。調(diào)節(jié)中心波長和帶寬，用戶能“微調(diào)”發(fā)射濾波器，鎖定到最強信號(如最大輸出的特定波長)。

某些案例中，發(fā)射濾光片14的調(diào)節(jié)需求不需要覆蓋擴展范圍(可能用作激發(fā)光濾波器12)。圖15描繪圖14實例的替代結(jié)構(gòu)，本例中“固定”濾波器和“可調(diào)”濾波器組合構(gòu)成發(fā)射光濾波器14。上述本發(fā)明實例中，1個濾波器固定(例如，短波通濾波器)，只調(diào)節(jié)另1個濾波器(長波通濾波器)的光譜響應(yīng)。只有1個濾波器在更小波長范圍提供相同類型的中心波長和帶寬調(diào)節(jié)。調(diào)制功能可認(rèn)為是“修剪”濾波器響應(yīng)在合適波長放大。

圖16描繪由本發(fā)明組成的另一種熒光光譜儀，其中3個濾波器12，14和16按本發(fā)明由電壓控制可調(diào)濾波器構(gòu)成。電壓控制器20包含3個分立可調(diào)電壓源22，24和26。圖13的實例，可調(diào)電壓源22在激發(fā)光濾波器12-s和12-l上提供可調(diào)電壓vex,s和vex,l，調(diào)節(jié)樣品2上的激發(fā)光波長(不同波長激活不同染料)。圖14的實例，可調(diào)電壓源24在短波通發(fā)射光濾波器14-s和長波通發(fā)射光濾波器14-l上，分別加可調(diào)電壓vem,s和vem,l。

給定激發(fā)光濾波器12和發(fā)射光濾波器14的調(diào)制能力，改變二向色濾波器16的響應(yīng)也是有利的。圖16中電壓控制器20包含可調(diào)電壓源26，可調(diào)節(jié)構(gòu)成可調(diào)二向色濾波器16的1對濾波器16-s和16-l的響應(yīng)。

圖17描繪了圖16實例的替換結(jié)構(gòu)。二向色濾波器16由1對濾波器組成。特別是本發(fā)明(如下所述)的濾波器用于系統(tǒng)中，透過特定波段，“吸收”其余波長。為了光源3，樣品2和探測器6之間各波長光的傳輸方向重新布置，二向色濾波器16由反射型電壓控制可調(diào)濾波器16-r和透射型電壓控制可調(diào)濾波器16-t組成?？烧{(diào)濾波器

16-r接收來自激發(fā)光濾波器12的激發(fā)光波長信號，將這個波長光導(dǎo)向樣品2(其它波長光被可調(diào)濾波器16-r吸收)?？烧{(diào)濾波器16-t接收從樣品2發(fā)射來的光信號，發(fā)射波長光通過濾波器16-t并導(dǎo)向透射濾波器14。其余發(fā)射光波段外的光被濾波器16-t吸收。

根據(jù)各種熒光顯微應(yīng)用理解，可以使用電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器，下列部分規(guī)格(結(jié)合圖18-27)說明實際電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器的例子。

圖18是電壓可調(diào)光學(xué)濾波器50的側(cè)視圖，短波通濾波器或長波通濾波器(基于電壓，器件中條寬和間距)。本實例中，光學(xué)濾波器50是在基片52上構(gòu)成的等離子器件，在需要波長范圍內(nèi)都透光。大量石墨烯條56疊加在石墨烯層54上，在石墨烯層54和石墨烯條56之間有絕緣材料58。1對電接頭60和62提供可調(diào)電壓在結(jié)構(gòu)上。在等離子濾波器中用石墨只是一例，還有各種透明導(dǎo)電材料可用(例如，氧化銦錫(ito))作等離子器件中的電壓控制單元。

已有技術(shù)中“可調(diào)”光學(xué)濾波器只能提供khz調(diào)制速度(最好)。本發(fā)明的等離子石墨烯光學(xué)濾波器能夠以幾十ghz或更高(受限于石墨烯和與導(dǎo)電層的電容的rc時間常數(shù)和導(dǎo)線電阻)的速度調(diào)制。基片52的材料受限于需要的透射光波長范圍。二氧化硅是紫外到近紅外波段可用的基片材料；藍寶石(al2o3)用于150nm-5500nm。氮化硅是另外透射材料。單晶或多晶化學(xué)氣相沉積金剛石也是優(yōu)異的材料選擇，因為透射波長范圍最寬，可以在表面上生成石墨烯層。當(dāng)然，這個材料昂貴，限制它只用于“重大任務(wù)”應(yīng)用中。有些情況下，可折疊高分子材料(如聚甲基丙烯酸甲酯)可用作基片，用于三維彎曲濾波器。

圖19是光學(xué)濾波器50的俯視圖，在濾波器50中有大量n型石墨烯條56。單條56-1的寬度d1如圖19所示，圖19中相鄰條間隔s1。電接頭60和62是金屬導(dǎo)體延伸到濾波器50表面，并垂直于石墨烯條56。圖20描述濾波器50光譜響應(yīng)，在電接頭60上加給定電壓v1，在電接頭62上加給定電壓v2。響應(yīng)曲線是波長函數(shù)的反射率(或吸收)百分比。石墨烯等離子濾波器，反射率是石墨烯電導(dǎo)率的函數(shù)。高導(dǎo)電石墨烯有反射共振；低導(dǎo)電石墨烯有吸收供振。

圖21描繪多個共振光譜響應(yīng)，由加在接頭60和62上的電壓改變而生成，或者是改變?yōu)V波器50幾何結(jié)構(gòu)。例如，改變條寬54(和/或相鄰條的間距)可產(chǎn)生多種共振響應(yīng)。

圖22是本發(fā)明電壓控制光學(xué)濾波器70實例，例如熒光顯微應(yīng)用中的激發(fā)光和發(fā)射光濾波器。濾波器70用1對類似于圖18和19的器件構(gòu)成，其中1個濾波器沉積在另1個濾波器(如1對濾波器制作在同1片基片上)上。圖22實例，長波通濾波器72在基片74上，短波通濾波器76在長波通濾波器72上。每個濾波器都包含石墨烯空間分離層(最上層由許多長條組成)，額外介電層78在兩個濾波器72和76之間。本結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)是圖23中的透射百分比，圖23(a)中濾波器72和76中電壓緊密間隔，因此濾波器的響應(yīng)重疊大(產(chǎn)生寬帶輸出濾波器響應(yīng))。圖(b)是另1種結(jié)構(gòu)，兩個濾波器電壓產(chǎn)生濾波器光譜響應(yīng)重疊很小(產(chǎn)生窄帶輸出濾波器響應(yīng))。其它v1和v2產(chǎn)生介于兩種極端情況之間的光譜響應(yīng)。

圖24是濾波器結(jié)構(gòu)80俯視圖，可以在濾波器結(jié)構(gòu)中，結(jié)合不同寬度d和/或分隔s，創(chuàng)造二級和三級共振得到更寬帶寬。另外結(jié)構(gòu)中，可以分別在濾波器結(jié)構(gòu)分立區(qū)域加分立電壓。濾波器80在基片82(長波通和短波通濾波器相互疊加)上制作。第1組石墨烯條84-1的直徑d1，相鄰條的間隔s1。第2組石墨烯條84-2的直徑d2，相鄰條的間隔s2。

圖24實例，3個較細(xì)石墨烯條84-1位于濾波器80上表面。3個較粗石墨烯條84-2位于較細(xì)石墨烯條84-1旁邊。如圖，這種3條1組交替模式延伸到整個濾波器80表面。工作中，第1個電極86-1加可調(diào)電壓v1到較細(xì)石墨烯條84-1上。第2個電極86-2加可調(diào)電壓v2到較粗石墨烯條84-2(圖24顯示類似電壓連接)上。

圖25描繪本發(fā)明的電壓控制濾波器90實例。每個濾波器由自身基片構(gòu)成，當(dāng)增加濾波器尺寸時，簡化加工制程。濾波器90包含長波通濾波器92，在第1個基片94上構(gòu)成，和短波通濾波器96，在第2個基片98上構(gòu)成。每個濾波器由沉積在石墨烯平片(平板和條之間有絕緣層分隔)上的1組石墨烯條構(gòu)成。上述結(jié)構(gòu)中，每個濾波器分別被所施電壓控制。

某些情況，需要控制(或保持)激發(fā)光源(舉例)的光信號偏振態(tài)。最好選用偏振不敏感電壓控制可調(diào)濾波器。圖26是圖19中等離子器件偏振不敏感變化實例的俯視圖。大量石墨烯條56被二維石墨烯方塊56s(在石墨烯層上用光刻圖案加工成形)替代。或者如圖27中偏振不敏感結(jié)構(gòu)，用二維石墨烯點56d(用不同光刻圖案)，構(gòu)成量子點鏈。

上述其它類型儀器中成像系統(tǒng)，也能從本發(fā)明的電壓控制濾波器使用中獲益。例如，拉曼光譜術(shù)不同于上述熒光顯微術(shù)，用高功率光信號照射樣品，拉曼分析探測樣品(特別是構(gòu)成樣品的分子)的振動和旋轉(zhuǎn)共振。拉曼光譜術(shù)直接作用于待研究樣品，不需要任何熒光染料或標(biāo)記。

拉曼光譜儀測量分子的振動或轉(zhuǎn)動變化，樣品發(fā)射的拉曼信號比熒光發(fā)射信號小幾個數(shù)量級。因此，需要用高功率激光照射樣品(能產(chǎn)生非常窄線寬信號)。本發(fā)明調(diào)制激發(fā)光濾波器產(chǎn)生窄線寬信號，減少自發(fā)輻射(ase)噪聲。發(fā)射濾波器由很深的陷波濾波器(如，高光學(xué)密度)組成(電壓控制)，陷波范圍調(diào)節(jié)到激光激發(fā)源的波長。

圖28是典型拉曼光譜儀，類似前述的熒光光譜儀，用“濾波器方塊”100來保持各光信號的完整和方向。如圖，拉曼濾波器方塊100包含電壓調(diào)制激發(fā)光濾波器102，電壓調(diào)制二向色分束器104和電壓調(diào)制發(fā)射光濾波器106。低能量光信號達到接收器108時，發(fā)射光濾波器106是陷波濾波器，陷波的波長調(diào)節(jié)到激發(fā)光波長。

圖29是拉曼光譜實例，典型信號供給接收器108。有雙峰在12.5μm(800cm^-1)，和另1個峰9μm(1100cm^-1)，對應(yīng)樣品的振動能級的光作用。已有技術(shù)系統(tǒng)中信號峰很窄，難以檢測。類似的“雙峰”或矮峰也難以分辨。

需要高功率激光源110來獲取探測器108上的任何有用信號，激光工作特定波長產(chǎn)生樣品的振動共振。本發(fā)明中改變電壓控制激發(fā)光濾波器102，壓窄激光源110的“線寬”，保證放大自發(fā)輻射(ase)噪聲充分減小。

除提供阻止激光源110波長的截止濾波器外，本發(fā)明中的電壓控制濾波器也可用于拉曼光譜系統(tǒng)的濾波器方塊100中，拉曼系統(tǒng)包含多個激光光源，分別工作在不同波長。圖30描繪圖28簡單示意圖的多光源拉曼光譜儀實例。實例中有激發(fā)光濾波器102，二向色濾波器104，發(fā)射光濾波器106。光源110包含多個分立高功率激光源，不同波長探測不同分子(或相同分子的不同波長響應(yīng))。電壓控制器114類似上述工作方式，給短波通和長波能濾波器提供電壓，基于探測信號所用特定激光波長來產(chǎn)生調(diào)制。計算機處理器116和顯示118也用于改變每個濾波器的電壓產(chǎn)生期望的濾波響應(yīng)。

圖31是和圖28和30關(guān)聯(lián)，用于拉曼光譜儀的可調(diào)二向色濾波器104實例側(cè)視圖。圖32是相同器件的俯視圖。可調(diào)二向色濾波器104由1對電壓控制濾波器構(gòu)成，分別是透射濾波器104-t和反射濾波器104-r，優(yōu)先制作在相同基片105上。1對電壓vt+和vt-分別加在導(dǎo)體107+和107-上，調(diào)節(jié)(微調(diào))透射濾波器104-t的濾波響應(yīng)。類似的，1對電壓vr+和vr-分別加在導(dǎo)體109+和109-上，調(diào)節(jié)(微調(diào))透射濾波器104-r的濾波響應(yīng)。如上所述，圖31和32濾波器是等離子器件，用石墨烯條陣列與下石墨烯片絕緣?；蛘叨蛏珵V波器是可調(diào)長波通濾波器用(高導(dǎo)電)石墨烯提供透射和反射波長帶寬。

除了用于光譜學(xué)領(lǐng)域，發(fā)明的電壓控制可調(diào)光學(xué)濾波器在其它成像類儀器中也極為有用，如流式細(xì)胞術(shù)。流式細(xì)胞術(shù)是基于激光(或發(fā)光二極管)技術(shù)的細(xì)胞分析，如計數(shù)，篩選，生物標(biāo)記檢測和蛋白質(zhì)工程。細(xì)胞排成流線通過某種檢測裝置。細(xì)胞束流可以每秒進行上千個粒子的物理和化學(xué)多參量分析。

熒光光譜術(shù)中廣泛熒光素能用作流式細(xì)胞術(shù)的標(biāo)簽。熒光素連接到細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞目標(biāo)特性的抗體上。每種熒光素有特征激發(fā)峰和發(fā)射峰，各種熒光素的發(fā)射光譜經(jīng)常重疊。于是，基于激發(fā)熒光素的光源波長和可得探測器波長使用標(biāo)簽組合。

圖33是傳統(tǒng)已有流式細(xì)胞儀的示意圖，用于理解本發(fā)明的電壓調(diào)制濾波器在這類儀器中的應(yīng)用。如圖一串細(xì)胞120通過激光源122。結(jié)果是不同波長分離(散射)，第一個波段通過濾波器124，接著進入“前向”散射探測器126。剩下的波段在正交信號通路中傳輸，依次經(jīng)過二向色性濾波器128-1，128-2，……，128-n，分離出具體波長段，將每個波段分別導(dǎo)入對應(yīng)的“側(cè)向”散射探測器130-1，130-2，……，130-n。

圖34是按本發(fā)明將大量二向色性濾波器替換成可調(diào)濾波器構(gòu)成的新型流式細(xì)胞儀。特別是流體源127的“上部”(允許穩(wěn)定的細(xì)胞流120穿過系統(tǒng))描繪成位于激光源142和可調(diào)濾波器140之間。流體源側(cè)視圖127(顯示細(xì)胞流120)作為圖34的插入。如圖，“前向”可調(diào)濾波器140位于激光源142和前向散射探測器144之間的信號通路中?！皞?cè)向”可調(diào)濾波器146位于細(xì)胞流120散射光信號和散射光探測器148之間的信號通路內(nèi)。如上述各種實例，濾波器的中心波長和帶寬調(diào)節(jié)能力提供了調(diào)制特定波長給前向散射探測器144和側(cè)向散射探測器148接收的能力。

圖35是基于圖34示意圖的本發(fā)明構(gòu)成的流式細(xì)胞儀實例圖?！扒跋颉笨烧{(diào)濾波器140是激發(fā)光濾波器，含有分立可調(diào)的短波通和長波通元件。電壓控制器150在實例中，給器件140-l和140-s提供電壓調(diào)制。第一個波長穿過流體，導(dǎo)入附加的可調(diào)濾波器143(包含短波通濾波器143-s和長波通濾波器143-l，都是由電壓控制器150控制電壓)，進入前向散射光探測器144。剩余波長光散射進“側(cè)向”可調(diào)濾波器146，也是由短波通和長波通濾波器組成(分別是146-s和146-l)。電壓控制器150用于控制通過濾波器146的具體波長，讓濾波器146掃描大量不同波段，用1個側(cè)向探測器148接收(時間函數(shù))大量不同波段信息。測量結(jié)果經(jīng)電壓控制器150到計算機152(可能能顯示器154)生成流式細(xì)胞儀輸出結(jié)果。

盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。