CN107219191A - 一种基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，该装置包括：周期性调制入射光偏振状态的入射光路，检测反射光偏振状态的反射光路，进行数据采集、处理和***控制的设备管理单元。本装置的设备管理单元采用傅里叶变换方法分析信号，有效替代两台锁相放大器，具有小型化、简易化、成本低、精度高等优点，是制备便携式斜入射光反射差装置的前提，将进一步拓宽该装置在原位实时检测薄膜生长和高通量表征生物分子相互作用等领域的广泛应用。

Description

一种基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种利用光学方法对薄膜厚度变化做原位实时探测的检测装置。

背景技术

斜入射光反射差技术是近年来发展起来的高灵敏的光学检测方法，具有灵敏度高、无损伤、原位实时测量等突出特点，已经在原位实时监控薄膜生长和高通量探测生物分子相互作用等领域获得了广泛的应用。本发明人与合作者发展了原位实时监测薄膜生长的斜入射光反射差技术，已获得授权发明和实用新型专利共两项（专利号：ZL03153938.6和Z103276452.9）。本发明人与合作者发展了全自动控制的斜入射光反射差成像技术，实现了生物芯片的快速高通量检测，已经申请发明专利（专利申请号：CN201510211220.3）。斜入射光反射差装置对入射光的偏振状态进行周期性调制，并通过测量偏振调制频率的基频信号振幅和倍频信号振幅来获得薄膜厚度和折射率等信息。到目前为止，斜入射光反射差装置通常使用两台锁相放大器测量基频信号振幅和倍频信号振幅。锁相放大器不但体积庞大，而且价格昂贵，阻碍了斜入射光反射差装置的小型化、简易化和高效率，是发展便携式斜入射光反射差装置的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型、高效、低价的斜入射光反射差装置。

本发明提供的斜入射光反射差装置，采用傅里叶变换来代替锁相放大器等交流信号测量仪器，具体包括：周期性调制入射光偏振状态的入射光路，检测反射光偏振状态的反射光路，进行数据采集、处理和***控制的设备管理单元；其中：

所述的周期性调制入射光偏振状态的入射光路，包括单色光发生器和偏振调制器。

所述的单色光发生器包括连续光谱光源与分光器件，或为单色发光器件。

所述分光器件为光谱仪或滤光片，所述单色发光器件为激光器或发光二极管。

所述的偏振调制器为光弹调制器、电光相位调制器、旋转波片、旋转偏振器或旋转反射面。

所述的周期性调制入射光偏振状态的入射光路，还包括用于产生确定偏振状态的起偏器。

所述的起偏器为偏振棱镜、散射型偏振器或二向色性线性偏振器。

所述的周期性调制入射光偏振状态的入射光路，还包括用于引入可调相位改变的相移器。

所述的相移器为泡克尔斯盒、克尔盒、液晶相位延迟器、波片、巴比涅补偿器、索雷补偿器或贝雷克补偿器。

单色光发生器、扩束器、起偏器、偏振调制器、相移器依次排列，其中，单色光发生器与扩束器之间，扩束器与起偏器之间分别设置反射镜；组成所述的周期性调制入射光偏振状态的入射光路。

所述的检测反射光偏振状态的反射光路，包括检偏器和光电探测器。

所述的检偏器为偏振棱镜、散射型偏振器或二向色性线性偏振器。

所述的光电探测器为线形光电二极管、光电二极管阵列、电荷藕合器件图像传感器或互补金属氧化物半导体图像传感器。

检偏器之前设置透镜，检偏器与光电二极管之间设置有狭缝，组成所述的检测反射光偏振状态的反射光路。

所述的进行数据采集、处理和***控制的设备管理单元，包括放大电路、数据采集单元和***控制单元。

所述的数据采集单元包括数据采集卡和数据采集器。

所述的***控制单元可以是一微型计算机，其中，采用傅里叶变换方法测量斜入射光反射差信号。

所述的傅里叶变换为离散傅里叶变换。

所述的离散傅里叶变换为快速傅里叶变换。

所述的傅里叶变换分析随时间周期变化的信号并得到特定频率信号的振幅。

傅里叶变换分析斜入射光反射差装置的时域离散信号，得到频域离散信号，并获得频率谱上基频和倍频的振幅。

傅里叶变换分析包括：斜入射光反射差装置中光电探测器输出信号包含直流成分、偏振调制频率的基频信号和倍频信号以及更高阶谐波信号：

其中，是光电探测器输出信号，A₀、A₁、A₂分别是直流信号振幅、基频信号振幅和倍频信号振幅，f_M是偏振调制器的调制频率，和分别是基频信号和倍频信号的初始相位，t是时间。

所述斜入射光反射差装置的工作原理如下：

当薄膜厚度d远小于入射光波长λ时，基频信号振幅A₁与倍频信号振幅A₂的比值与薄膜性质间的关系为：

其中，θ是入射角，是基底介电常数，是环境介电常数，是薄膜介电常数。所以，通过测量基频信号和倍频信号的振幅可以获得薄膜厚度或折射率等信息，使OI-RD在原位实时监控薄膜生长和高通量探测生物分子相互作用等领域中获得广泛应用。

本发明相对于已有技术具有以下优点：

本发明的装置采用傅里叶变换代替两台锁相放大器测量两个频率相应的振幅，具有如下突出优点：

（1）节约空间：斜入射光反射差装置通常采用两台锁相放大器分别测量偏振调制频率的基频信号振幅和倍频信号的振幅。锁相放大器尺寸庞大，占据大量的空间。本发明装置采用傅里叶变换来代替锁相放大器，大大节省空间，使发展小型化、简易化、便携式的斜入射光反射差装置成为可能；

（2）降低成本：两台锁相放大器成本高（~30%斜入射光反射差装置成本）；本发明装置不再使用锁相放大器，大大降低斜入射光反射差装置的成本；

（3）增强灵活性：锁相放大器仅能测量偏振调制频率的基频信号振幅和倍频信号振幅，而傅里叶变换方法可以分析偏振调制频率的所有谐波信号振幅，极大增强了斜入射光反射差装置测量的灵活性；

（4）提高性能；与锁相放大器相比，傅里叶变换的采样速率更快，信噪比更高。本发明的装置采用傅里叶变换，大大提高了斜入射光反射差装置的性能，实现该装置更快、更精确的测量。

附图说明

图1是本发明基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置示意图。

图2是采用快速傅里叶变换和锁相放大器同时测量斜入射光反射差装置的基频信号的标准偏差比较图。

图3是采用快速傅里叶变换和锁相放大器同时测量斜入射光反射差装置基频信号的生物芯片反应差值图像和实时反应曲线比较图。

图中标号：1为单色光发生器，2、4为反射镜，3为扩束器，5为起偏器，6为光弹调制器，7为相移器，8为透镜，9为透镜，10为检偏器，11为狭缝，12为光电二极管，13为放大电路，14为数据采集单元（数据采集板），15为***控制单元（微型计算机），16为样品。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明：

实施例1：

按图1所示，制作一台本发明的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置。单色光发生器1采用输出波长为632.8nm的氦氖激光器；激光器的输出光经过扩束器3扩展为准直光；该扩束准直光经过透光轴与水平方向成45 º放置的起偏器5后成为线偏振光，其振动方向与水平方向成45 º；偏振调制器6采用水平放置的光弹调制器对偏振状态进行50kHz的周期性调制；出射光经过相移器7，该相移器7采用零级二分之一波片，其快轴沿p偏振方向，以快轴为旋转轴旋转二分之一波片能够在p偏振分量和s偏振分量之间引入可调节的相位差；出射光被透镜8聚焦，透镜8通过扫描场镜与振镜来实现，扫描场镜焦距是7.5cm，将入射光以65º入射角（在空气与样品16界面上的入射角）聚焦到样品16的下表面，扫描场镜结合振镜能够实现入射光在竖直方向的快速线扫描；反射光经过成像透镜9，成像透镜9采用单个物镜透镜构成，它将反射光聚焦到狭缝11；聚焦光经过透光轴与水平方向成-45º的检偏器10进行偏振状态的检测，狭缝11选择通过样品16下表面的反射光；光电二极管12接收样品16下表面反射光，光电探测器12采用将光信号转换为电信号的线形光电探测器；电信号随后被放大电路13过滤直流信号，并放大交流时域信号；数据采集卡14采集数据并将时域信号进行离散化处理，得到离散周期性信号；采样频率是625kHz，采样点数是500个。通过快速傅里叶变换时域的离散信号，得到频域的离散信号，最终获得频率谱上光弹调制频率基频信号和倍频信号的振幅。斜入射反射差装置中光电二极管12输出信号包含直流成分、光弹调制器6调制频率的基频信号和倍频信号和更高阶谐波信号：

（1）

其中A₀、A₁、A₂分别为直流信号振幅、光弹调制器调制频率的基频信号振幅和倍频信号振幅，斜入射光反射差装置通常采用两台锁相放大器分别精确测量A₁和A₂从而进行薄膜厚度或折射率等物理量的表征。公式（1）中f_M是光弹调制器的调制频率，和分别为基频信号和倍频信号的初始相位。

以基频分量为例说明采用傅里叶变换代替锁相放大器测量该频率信号振幅A₁的原理和过程。首先，数据采集板14以采样频率f_s（采用周期为T_s）对时域的周期信号进行采样并将其离散化，信号的第n（整数）个离散点可以表示为：

（2）

对包含N个离散点（N为采样点数）的时域离散信号进行傅里叶变换可得：

（3）

其中，是抽样间隔，k为频域信道。当时,公式（3）各项为零，所以X₁(k)=0。当时，公式（3）两项不为零，最终表达式为：

（4）

（5）

上述分析表明，斜入射光反射差装置需要测量的基频信号幅度可以通过对时域离散周期信号进行傅里叶变换得到离散频域信号中第通道对应频率的振幅来获得，如式（5）所示。倍频信号幅度可以根据类似原理进行测量。

图2是采用快速傅里叶变换和锁相放大器同时测量斜入射光反射差装置的基频信号的标准偏差比较图。图2的横坐标是快速傅里叶变换的采样点数，是傅里叶变换使用的样品点数。采样点数越大，采样时间越长。图2的纵坐标是OI-RD信号的标准偏差。标准偏差越大，OI-RD信号的噪声越大。图中黑色实心方块代表锁相放大器测量信号的标准偏差，空心圆代表快速傅里叶变换测量信号的标准偏差。图2表明，采样点数小于600时，傅里叶变换测量的斜入射光反射差信号的标准偏差小于锁相放大器测量信号的标准偏差，因此傅里叶变换的信噪比优于锁相放大器的测量结果。当采样数目大于2000时，傅里叶变换测量信号的标准偏差与锁相放大器测量的标准偏差接近。这表明，快速傅里叶变换可以比锁相放大器更快地获得相同的信噪比测量，这将大大提高斜入射光反射差装置的扫描速度。

图3是斜入射光反射差装置采用快速傅里叶变换和锁相放大器同时测量生物芯片与蛋白质相互作用的实时反应曲线和差值图像。生物芯片包含20个生物样品点。图3中的反应差值图像，样品点越亮，该样品点与蛋白质之间的反应幅度越大。图3中的实时反应曲线，横坐标是时间，纵坐标是斜入射光反射差的基频信号幅度。每条曲线分别代表与图像对应位置上的样品点与蛋白质之间相互作用随时间的实时变化。图3表明，采用快速傅里叶变换可以替代锁相放大器对生物芯片进行高通量、免标记的测量。

实施例2：

按实施例1实施，起偏器5的透光轴沿着水平方向，偏振调制器6与水平方向成45º放置，相移器7放在成像透镜9后面；透镜8，使用柱透镜替代扫描场镜与振镜，透镜焦距为5cm；光电探测器12，使用包含152个光电二极管的二极管阵列替代线形光电二极管；采用离散傅里叶变换方法分析时域周期信号，采样频率为625kHz、采样点数为1000个。

Claims (10)

1.一种基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，包括：周期性调制入射光偏振状态的入射光路，检测反射光偏振状态的反射光路，进行数据采集、处理和***控制的设备管理单元；其中，所述的周期性调制入射光偏振状态的入射光路由单色光发生器、扩束器、起偏器、偏振调制器、相移器依次排列组成，其中，单色光发生器与扩束器之间，扩束器与起偏器之间分别设置反射镜；所述的检测反射光偏振状态的反射光路由检偏器和光电探测器组成，且检偏器之前设置有透镜，检偏器与光电探测器之间设置有狭缝；所述的进行数据采集、处理和***控制的设备管理单元由放大电路、数据采集单元和***控制单元依此连接组成，所述的***控制单元采用傅里叶变换方法测量斜入射光反射差信号。

2.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的单色光发生器包括连续光谱光源与分光器件，或为单色发光器件。

3.根据权利要求2所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述分光器件为光谱仪或滤光片，所述单色发光器件为激光器或发光二极管。

4.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的偏振调制器为光弹调制器、电光相位调制器、旋转波片、旋转偏振器或旋转反射面。

5.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的起偏器为偏振棱镜、散射型偏振器或二向色性线性偏振器。

6.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的相移器为泡克尔斯盒、克尔盒、液晶相位延迟器、波片、巴比涅补偿器、索雷补偿器或贝雷克补偿器。

7.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的检偏器为偏振棱镜、散射型偏振器或二向色性线性偏振器。

8.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的光电探测器为线形光电二极管、光电二极管阵列、电荷藕合器件图像传感器或互补金属氧化物半导体图像传感器。

9.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的数据采集单元为数据采集卡和数据采集器。

10.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置，其特征在于，所述的***控制单元采用傅里叶变换方法测量斜入射光反射差信号；其中，

所述的傅里叶变换为离散快速傅里叶变换，通过傅里叶变换分析斜入射光反射差装置的时域离散信号，得到频域离散信号，并获得频率谱上基频和倍频的振幅，具体如下：

斜入射光反射差装置中光电探测器输出信号包含直流成分、偏振调制频率的基频信号和倍频信号以及更高阶谐波信号：

其中，是光电探测器输出信号，A₀、A₁、A₂分别是直流信号振幅、基频信号振幅和倍频信号振幅，f_M是偏振调制器的调制频率，和分别是基频信号和倍频信号的初始相位，t是时间。