CN106872413A - 基于光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及*** - Google Patents

基于光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，包括沿光路依次布置的：线性偏振照明相干光源、扩束投影装置、空间光调制器、样品夹持与微纳移动平台、高数值孔径显微物镜、成像透镜组、共聚焦光阑与图像传感器组成的成像光路。在样品离焦过程中，与显微物镜的焦面共轭的图像传感器上检测到共聚焦干涉信号即V(z)曲线。由于***通光孔径有限造成的边缘干扰效应和背景噪音对V(z)曲线的周期存在影响，本发明采用后焦面光瞳函数调制的方式消除其影响。本***具有***简单、成本低、高信噪比以及能够实现高分辨率成像等优点。

Description

基于光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***
技术领域
本发明涉及纳米光学检测领域，尤其涉及一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微***。
发明背景
表面等离子体(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一种沿金属和电介质表面传播的电磁波，它对金属和电解质的折射率和厚度的变化十分敏感，能够对亚细胞结构、亚纳米量级的薄膜、大分子结构、分子与分子的相互作用等进行检测，而且检测的结果具有突出的准确性、稳定性和高重复性，在化学、医疗、生物、半导体材料、信息等领域有广泛的应用。该技术的不足之处在于其横向分辨率受制于SPR波的传播长度，通常在十多个微米，远大于常规光学***的衍射极限即半波长量级，典型的***是棱镜式SPR显微***。油浸显微物镜SPR检测***能够将入射光严格聚焦到亚微米尺度的焦点并在焦点的局域范围内激发SPR，实现亚微米尺度的横向分辨率。油浸显微物镜SPR检测***目前有干涉式和非干涉式两种，其中干涉式SPR显微***可以对带有样品信息的SPR信号的相位进行检测，能够有效减弱常规的非干涉式SPR显微***的横向分辨率与轴向灵敏度相悖的问题，实现更好的横向分辨率和信噪比，本发明属于干涉式SPR显微***，采用油浸显微物镜实现SPR的激发。
相比较于目前常用的双臂差分干涉式SPR显微***，本发明依然采用了V(z)理论，不同之处在于本发明采用了共轴干涉方法，能够有效降低环境噪音的影响，而且***简单、成本低、容易产业化应用。针对干涉式SPR显微***中，由于***的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应与其在V(z)曲线上对应的***噪音，本发明提出了一种在物镜后焦面或其共轭面上采用光瞳调制函数对入射光的无效背景噪音、边缘效应带来的***噪音，以及角向偏振入射光带来的背景噪音进行有效的滤除。本发明具有***简单、高信噪比、高分辨率、成本低等优点，能够实现横向分辨率和轴向分辨率分别在半波长和亚纳米尺度的高显微分辨成像。
发明内容
(一)要解决的技术问题
目前的干涉式SPR显微***复杂度高、信噪比低，且由于***的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应以及入射光中的无效背景会产生一系列的***干扰，使得***复杂、成本高、对环境要求苛刻而且检测精度较低。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光瞳调制的共轴干涉表面离子体显微方法及***，主要由包括照明***、样品夹持与微纳移动平台、成像***三部分组成。
其中照明***用于对样品进行照明，包括相干照明光源、偏振调制装置、扩束装置、空间光调制器、投影装置。偏振调节装置可对照明光源的偏振态进行调节，得到偏振方向沿着特定方向的线性偏振光，偏振调节装置一般是由起偏器和半玻片构成。扩束装置由偶数个透镜组成，能够扩大入射光的半径，以充满***显微物镜的通光孔径并可满足表面等离子体的激发角度的要求。空间光调制器与高数值孔径显微物镜的后焦面共轭，用于对入射光的波前进行调制。投影装置由偶数个透镜组成，用于满足空间光调制器与显微物镜后焦面共轭。
样品夹持与微纳移动平台，包括样品夹持装置、样片和微纳移动扫描装置。
成像***用于采集显微物镜焦面附近的信号，包括油浸显微物镜、成像透镜组、共聚焦光阑和图像传感器。图像传感器感光面、显微物镜的焦面以及共聚焦光阑共轭，成像光路中光束经显微物镜、奇数个成像透镜和共聚焦光阑后，被图像传感器采集。
参考臂与信号臂位于成像光路同一束光路中，其中参考臂位于入射光束的中心，信号臂为入射光在样品表面产生的表面等离子体波，图像传感器可对待测样品在焦点附近移动时参考臂和信号臂的干涉信号进行探测。在样品离焦的过程中，在共聚焦光阑的作用下仅***的参考臂与所述样品对应的表面等离子体波在显微物镜的焦面及其共轭面上发生干涉，图像传感器在其共轭面上记录该干涉效应即V(z)曲线。
空间光调制器通过在显微物镜后焦面或其共轭面上添加光瞳函数，对入射光束的波前进行调制。光瞳函数对入射光边缘进行模糊化，滤除掉边缘效应产生的噪音。进一步的，所述光瞳函数可以取为仅允许激发表面等离子体角度附近的光以及入射光中心用作参考的光束通过，滤除掉大量的背景噪音。再进一步的，光瞳函数可取为在后焦面上二维表面等离子体激发角对应的二维圆环中沿偏振方向(即径向偏振方向)上光强最强，垂直偏振方向(即角向偏振方向)上光强最弱，滤除掉入射光中的无法激发表面等离子体现象的角向偏振光带来的背景噪音。
本发明的上述技术方案有如下优点：
1.提供了一种高精度的显微检测方法，横向和轴向分辨率分别在亚微米和亚纳米量级，而且二者不互扰；
2.***结构简单，所用到的光学器件少，成本低；
3.免去了双臂干涉表面等离子体显微方法中的频率调制；
4.***的信噪比提高，对环境的要求降低，解决了必须在严苛的实验条件下才能实现的问题；
5.采用了光瞳调制的方式，能够有针对性对不同数值孔径下的边缘效应进行有效的滤除；
6.可以根据需要滤除的噪音种类选择合适的光瞳调制函数进行滤波。
附图说明
图1为一种基于光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微***的结构示意图；
图2为共轴干涉表面等离子体显微***的原理图；
图3为共聚焦光阑的结构示意图；
图4为二维表面等离子体后焦面光束切面图；
图5为使用空间光调制器在物镜后焦面添加的光瞳函数一；
图6为使用空间光调制器在物镜后焦面添加的光瞳函数二；
图7为使用空间光调制器在物镜后焦面添加的光瞳函数三；
图8为不加光瞳函数时扫描得到的V(z)曲线图；
图9为使用光瞳函数一调制时扫描得到的V(z)曲线图；
图10为使用光瞳函数二调制时扫描得到的V(z)曲线图。
图11为使用光瞳函数三调制时扫描得到的V(z)曲线图。
图12为共轴干涉表面等离子体显微***扫描成像原理图。
其中图1中：1为激光发射器，2为偏振调制装置，3为扩束装置，4为空间光调制器，5为投影透镜，6为分光棱镜，7为油浸显微物镜，8为待测表面等离子体样片，9为成像透镜组，10为共聚焦光阑，11为图像传感器。
图2中：9为成像透镜组，10为共聚焦光阑，11为图像传感器，12为***噪音，13为信号臂，14为参考臂，15为背景噪音，701为显微物镜，702为显微物镜匹配油，801为玻璃，802为纳米金薄膜，803为待检测样片。
图3中：1001为虚拟孔径，1002为焦点边缘。
图4中：(a)方向为径向方向，(b)方向为角向方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微***，它包括：激光发射器(1)，偏振调制装置(2)，扩束装置(3)，空间光调制器(4)，投影透镜(5)，分光棱镜(6)，油浸显微物镜(7)，待测表面等离子体样片(8)，成像透镜组(9)，共聚焦光阑(10)，图像传感器(11)。
激光发射器(1)，偏振调制装置(2)，扩束装置(3)，空间光调制器(4)，投影透镜(5)，分光棱镜(6)的中心位于同一光轴上；油浸显微物镜(7)，待测表面等离子体样片(8)，成像透镜组(9)，共聚焦光阑(10)，图像传感器(11)。位于同一光轴上。
偏振调制装置(2)一般由半玻片和起偏器构成，图像传感器(11)的感光面与显微物镜焦面共轭。共聚焦光阑(10)与显微物镜的焦面共轭。
***使用激光进行照明，输出光为线性偏振，偏振调制装置(2)可对输出光的偏振方向进行调整，扩束装置(3)对激光进行扩束以充满油浸显微物镜的数值孔径。经过分光镜的反射后，油浸显微物镜(7)将扩束后的激光聚焦到样品表面。
空间光调制器(4)通过投影透镜(5)与高数值孔径显微物镜(7)的后焦面共轭，用于在后焦面上对入射光的波前进行调制。
图像传感器(11)位于显微物镜的焦面共轭面上。本***的样片固定在微纳移动扫描装置上，通过控制微纳移动扫描装置沿显微物镜中心轴线从物镜焦面一侧逐步移动到另一侧来实现离焦点。微纳移动扫描装置在扫描过程从靠近显微物镜一侧逐步移动到显微物镜焦面上再逐步远离显微物镜。在扫描的过程中靠近显微物镜一侧时图像传感器(11)上采集到V(z)曲线坐标轴负半轴信息，在显微物镜焦面位置图像传感器(11)上采集到V(z)曲线坐标轴零点处信息，在经过焦面并逐步远离显微物镜一侧时图像传感器(11)上采集到V(z)曲线坐标轴正半轴信息。显微***直接扫描得到V(z)曲线如图8所示，其中曲线正半轴的V(z)曲线的波动是由于显微物镜有限的数值孔径而造成的边缘效应，本发明在物镜后焦面的共轭面上添加光瞳函数处理边缘效应及背景噪音所带来的影响。为滤除边缘效应产生的噪音以及***噪音，实例中光瞳函数选取光瞳函数一、光瞳函数二以及光瞳函数三。光瞳函数一径向上的函数可表示为：
式中，r为自变量代表半径，小于r1或大于r2的区域代表表面等离子体激发角附近光束，的取值分别为集合[-n0,0]、[0,n0]，分别代表函数两侧的两个半高斯窗函数部分，其中n0取值为正整数，其物理含义为激发角附近光束及入射光中心光束高斯通带的宽度，取值越大代表通带越宽，反之越窄。a的取值代表边缘尖锐化程度，a取值越小边缘越尖锐，反之越缓和，其取值大小视边缘模糊的效果而定。实例中取光瞳函数一如图5所示，以此函数作为后焦面上的光瞳函数得到的V(z)曲线如图9所示，经光瞳函数一调制后由边缘噪音造成扰动消失。
为了进一步提高***的信噪比，可以采用光瞳函数二，如图6所示，除了滤除边缘效应产生的噪音，也滤除了入射光中的无效背景噪音。光瞳函数二径向上的函数可表示为：
式中，r为自变量代表半径，半径小于r1或大于r2的区域代表表面等离子体激发角附近光束，大于r3且大于r4的区域为入射光中心部分，的取值为集合[-n0,n0]、[-n1,n1]，分别代表函数两侧区域的两个高斯窗函数以及中心的高斯窗函数，n0、n1取值为正整数，其物理含义为激发角附近光束及入射光中心光束高斯通带的宽度，取值越大代表通带越宽，反之越窄。a的取值代表边缘尖锐化程度，a取值越小边缘越尖锐，反之越缓和，其取值大小视边缘模糊的效果而定。实例中取光瞳函数二如图6所示，以此函数作为后焦面上的光瞳函数得到的V(z)曲线如图10所示。
在上述基础上，为滤除入射光中无法激发SPR信号的角向偏振分量造成的背景噪音，设计光瞳函数三，其特征为入射光上角向偏振方向上的分量被滤除，其函数如图7所示。在入射光径向偏振分量上光瞳函数三与光瞳函数二分布相同，入射光角向偏振分量上光瞳函数三只有中心光束一个波峰。以光瞳函数三作为后焦面上的光瞳函数得到的V(z)曲线如图11所示。所示曲线正半轴光滑，边缘效应的影响被消除，且信噪比明显提升。
V(z)曲线的波动周期与SPR最优激发角θsp关系如下：
其中n是油浸显微物镜的折射率，λ是入射光在真空中的波长。最优激发角θsp唯一确定样品在该点的厚度或折射率的扰动。通过对待测样品上的不同点进行扫描，分别得到其V(z)曲线分别计算不同点的周期，即可得到样品的表面微形貌。
具体实施方式二：本具体实施方式的***布置如具体实施方式一中所述，但本实施方式提供一种对样品的表面微形貌快速扫描的方法。
如图12中所示，选择两条V(z)曲线差值最大点，控制微纳移动扫描装置使其固定离焦距离，这时对待测样品进行二维扫描，即可得到待测样品的表面微形貌。本实施方式可以通过选择不同的离焦距离，可以对成像的对比度进行控制。

Claims (8)

1.一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，包括沿光路依次布置的：
照明光路，用于对样品进行照明，包括相干照明光源、偏振调制装置、扩束装置、空间光调制器、投影装置；
样品夹持与微纳移动平台，包括样品夹持装置、表面等离子体样片和微纳移动扫描装置；
成像光路，用于采集显微物镜焦面附近的信号，包括油浸显微物镜、成像透镜组、共聚焦光阑和图像传感器；
图像传感器感光面、共聚焦光阑分别和显微物镜的焦面共轭，图像传感器可对待测样品在焦点附近移动时参考臂和信号臂的干涉信号进行探测。
2.如权利要求1所述的一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，所述偏振调节装置可对照明光源的偏振态进行调节，得到偏振方向沿着特定方向的线性偏振光。
3.如权利要求1所述的一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，所述扩束装置由偶数个透镜组成，能够扩大入射光的半径，以充满***显微物镜的通光孔径并可满足表面等离子体的激发角度的要求。
4.如权利要求1所述的一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，图像传感器感光面、显微物镜的焦面以及共聚焦光阑共轭，成像光路中光束经显微物镜、奇数个成像透镜和共聚焦光阑后，被图像传感器采集。
5.如权利要求1所述的一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，所述空间光调制器与高数值孔径显微物镜的后焦面共轭，用于在后焦面上对入射光的波前进行调制。
6.如权利要求5所述的后焦面光瞳调制，其特征在于所设计的调制函数使得满足入射光束中满足表面等离子体激发角附近的光束以及入射光中心附近的光束通过。
7.如权利要求1所述的一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，所述参考臂与信号臂位于同一束光路，其中参考臂位于入射光束的中心，信号臂为入射光在样品表面产生的表面等离子体波。
8.如权利要求1所述的一种基于后焦面光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及***，其特征在于，在样品离焦的过程中，在共聚焦光阑的作用下仅***的参考臂与所述样品对应的表面等离子体波在显微物镜的焦面及其共轭面上发生干涉，图像传感器在其共轭面上记录该干涉效应即V(z)曲线。
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