CN106841122B - 一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及系统，包括沿光路依次布置的：相干照明光源、偏振调制装置、扩束装置、样品夹持装置、微纳移动扫描装置、共聚焦光阑、成像透镜组与图像传感器。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干涉信号即V(z)曲线。由于系统的通光孔径有限造成的边缘干扰效应对V(z)曲线的周期存在影响，本发明采用陷波滤波的方式消除其影响，其中陷波滤波器的带宽和中心频率与系统的数值孔径线性相关。本系统能够实现横向和轴向分辨率分别在半波长和亚纳米量级的超显微检测，具有免光瞳调制、系统简单、成本低，能够快速实现高分辨率成像等优点。

Description

一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及系统

技术领域

本发明涉及纳米光学检测领域，尤其涉及一种免入射光调制的共轴干涉表面等离子体显微系统。

发明背景

表面等离子体(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、新型纳米材料、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，远大于常规光学系统的衍射极限即半波长量级，典型的系统是棱镜式SPR显微系统。显微物镜SPR检测系统能够将入射光严格聚焦到亚微米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。显微物镜SPR检测系统目前有干涉式和非干涉式两种，其中干涉式SPR显微系统可以对带有样品信息的SPR信号的相位进行检测，能够有效减弱非干涉式SPR显微系统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显微系统，采用显微物镜实现SPR的激发。相比较于目前常用的双臂差分干涉式SPR显微系统，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，而且系统简单、成本低、容易产业化应用。针对干涉式SPR显微系统中，由于系统的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应与其在V(z)曲线上对应的系统噪音，本发明提出了陷波滤波的方法消除边缘效应，能够有效降低通光孔径的边缘效应带来的系统误差，而且具有免光瞳调制、系统简单、成本低，能够快速实现高分辨率成像等优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前的干涉式SPR显微系统复杂度高、信噪比低，且由于系统的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应带来一定的系统噪音，使得系统复杂、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，本发明提供了一种免入射光调制的共轴干涉表面等离子体显微系统，其主要由包括照明光路、样品夹持与控制、成像光路三部分组成。

其中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。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，以充满系统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。

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。

成像光路用于采集显微物镜焦面附近的信号，包括显微物镜、成像透镜组、共聚焦光阑和图像传感器。图像传感器感光面和显微物镜的焦面共轭，共聚焦光阑和显微物镜的焦面共轭，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系统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。

针对干涉式SPR显微系统由于系统的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应，使得在得到的V(z)曲线有一个频率与干涉信号非常接近的系统噪音，严重影响了系统的检测精确度。针对这一问题，本发明提出了陷波滤波的方法来消除此边缘效应的影响，所述陷波滤波器的表达式为：

其中：

其中，N(s)是一个严格正则且稳定的传递函数，s表示拉普拉斯算子，ω₀是误差信号的中心频率，是最佳相位角与误差相关，阻尼比ζ∈(0,1)，K(K>0)为最优相角滤波器正增益，陷波滤波器的带宽K与显微物镜数值孔径线性相关，陷波滤波器的中心频率ω与显微物镜数值孔径线性相关。

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.系统结构简单，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.系统的信噪比提高，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.采用了软件滤波的方式，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.减弱了对NA的要求，避免了以牺牲NA为代价的光瞳函数调制；

附图说明

图1为一种免入射光调制的共轴干涉表面等离子体显微系统的结构示意图；

图2为共轴干涉表面等离子体显微系统的原理图；

图3为共聚焦光阑的结构示意图；

图4为图像传感器接收的V(z)曲线时域图和频域图；

图5为陷波滤波器处理后的V(z)时域图；

图6为陷波滤波器拟合系统噪音的伯德图；

图7为共轴干涉表面等离子体显微系统扫描成像原理图。

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为分光棱镜，5为显微物镜，6为带样品的盖玻片，7为成像透镜，8为共聚焦光阑，9为图像传感器。

图2中：7为成像透镜，8为共聚焦光阑，9为图像传感器，10为系统噪音，11为信号臂，12为参考臂，501为显微物镜，502为显微物镜匹配油，601为玻璃，602为纳米金薄膜，603为待检测样片。

图3中：801为虚拟孔径，802为焦点边缘。

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：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种免入射光调制的共轴干涉表面等离子体显微系统，它包括：激光发射器(1)，偏振调制装置(2)，扩束装置(3)，分光棱镜(4)，显微物镜(5)，带样品的盖玻片(6)，成像透镜(7)，共聚焦光阑(8)，图像传感器(9)。

激光发射器(1)、偏振调制装置(2)、扩束装置(3)和分光棱镜(4)的中心位于同一光轴上；显微物镜(5)、带样品的盖玻片(6)、成像透镜(7)、共聚焦光阑(8)和图像传感器(9)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(9)的感光面与显微物镜焦面共轭。共聚焦光阑(8)与显微物镜的焦面共轭。

系统使用激光进行照明，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，显微物镜(5)将扩束后的激光聚焦到样品表面。

本系统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(9)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(9)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(9)上采集到V(z)曲线坐标轴正半轴信息，V(z)曲线如图4所示。

本系统使用共聚焦光阑(8)来保证只有参考臂和信号臂能够在显微物镜焦面的共轭面附近干涉。本实施方式采用的物理共聚焦光阑，即在显微物镜焦面的共轭面位置放置共聚焦光阑，其孔径直径为艾里斑直径的0.1-0.8倍。也可使用虚拟共聚焦光阑，即图像传感器所采集到的艾里斑边缘部分剔除，只保留原艾里斑直径0.1-0.8倍的中心部分。最后得到离焦过程中每一步所得到图像传感器探测到的光强之和即是V(z)曲线的初步形态。

显微系统直接扫描得到V(z)曲线如图4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，本发明使用陷波滤波器处理边缘效应所带来的影响。如图5所示，用陷波滤波的波形去拟合系统噪音的频谱，陷波滤波器的带宽与显微物镜数值孔径线性相关，陷波滤波器的中心频率ω与显微物镜数值孔径线性相关。使用陷波滤波器对包含系统噪音的V(z)曲线(如图4所示)处理，可以的得到不含系统噪音的V(z)曲线(如图5所示)。

所述陷波滤波器的表达式为：

其中：

其中，N(s)是一个严格正则且稳定的传递函数，s表示拉普拉斯算子，ω₀是误差信号的中心频率，是最佳相位角与误差相关，阻尼比ζ∈(0,1)，K(K>0)为最优相角滤波器正增益。

将上述含系统噪音的V(z)曲线变换到频域之后与相应的陷波滤波器相乘进行滤波，将滤波之后的频谱转换到时域即可得到如图5所示的不带噪音的V(z)曲线，所示曲线正半轴光滑，边缘效应的影响被消除。

V(z)曲线的波动周期与SPR最优激发角θ_sp关系如下：

其中n是显微物镜的折射率，λ是入射光在真空中的波长。最优激发角θ_sp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：本具体实施方式的系统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7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 (4)

1.一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法，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、分光棱镜；

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；

成像光路，用于采集显微物镜焦面附近的信号，包括显微物镜、成像透镜组、共聚焦光阑和图像传感器；

所述相干照明光源、偏振调制装置、扩束装置和分光棱镜的中心位于同一光轴上；

所述显微物镜、样片、成像透镜组、共聚焦光阑和图像传感器位于同一光轴上；

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，图像传感器可对样片在焦点附近移动时参考臂和信号臂的干涉信号进行探测，在样片离焦的过程中，在共聚焦光阑的作用下仅系统的参考臂与所述样片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)信号；

所述的免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法，其特征还在于，采用陷波滤波的方式消除图像传感器探测的V(z)信号中由系统的通光孔径有限造成的边缘干扰噪音，所述陷波滤波器的表达式为：

其中：

其中，N(s)是一个严格正则且稳定的传递函数，s表示拉普拉斯算子，ω₀是误差信号的中心频率，是最佳相位角与误差相关，阻尼比ζ∈(0,1)，K(K>0)为最优相角滤波器正增益即陷波滤波器的带宽，陷波滤波器的带宽K与显微物镜数值孔径线性相关，陷波滤波器的中心频率ω与显微物镜数值孔径线性相关。

2.如权利要求1所述的一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法，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。

3.如权利要求1所述的一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法，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，以充满系统显微物镜的通光孔径并满足表面等离子体的激发角度的要求。

4.如权利要求1所述的一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法，其特征在于，显微物镜的焦面和图像传感器感光面、共聚焦光阑所在平面共轭，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。