CN107479177A - 高分辨率表面等离子体显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率表面等离子体显微镜(SPM)，该显微镜能对待测微纳样品实现高精度、高分辨率的无损检测。包括表面等离子体光学系统、位移操控系统、图像处理系统。表面等离子体光学系统通过微纳位移操作系统实现样品的聚焦以及横向方向上的逐点扫描，由图像传感器记录该点样品在显微物镜后焦面上的反射图谱，并由图像处理系统对该图谱的表面等离子体信号进行自动提取，从而实现样品特征的表征和表面形貌的重构。该显微镜在横向上可达到亚微米级别的分辨率，在纵向上可达到亚纳米级别的分辨率。

Description

高分辨率表面等离子体显微镜

技术领域

本发明涉及一种光学显微镜，尤其涉及一种基于表面等离子体的成像显微镜。

发明背景

当前纳米材料成像方法主要包括原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜 (SEM)、透射电子显微镜(TEM)、荧光检测等。其中AFM成像的分辨率较高，但是由于其探针易与样品接触，导致探针磨损并且难以保证实现无损检测。SEM 和TEM的成本高昂，且操作比较复杂。荧光检测很灵敏，但是对于有些材料来说很难使用荧光标记，而且难以实现无损检测。因此，该发明提出一种基于表面等离子体技术的高分辨率、免标记、快速的无损检测显微镜。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高灵敏度、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。典型的SPR系统是棱镜式SPR显微系统，其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。油浸显微物镜SPR检测系统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。本发明基于表面等离子体现象，使用一款高数值孔径油浸显微物镜，使用一种后焦面信号识别算法精确提取出后焦面上SPR吸收环的半径，从而得到样品的局部特征信息，并且根据通过扫描得到的样品的局部特征信息实现对样品表面形貌的重构。该发明具有系统简单、高分辨率、成本低以及能实现无损检测等优点，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

本发明是为了克服传统光学显微物镜纵向分辨率不足，以及棱镜式SPR显微成像技术横向分辨率不足的问题，提供一种基于高数值孔径显微物镜的高横向分辨率以及纵向分辨率的表面等离子体显微镜。

(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高数值孔径显微物镜的表面等离子体显微镜，实现了高分辨率的SPR显微成像。该显微镜主要由表面等离子体光学系统、位移操控系统、图像处理系统三部分组成。

其中表面等离子体光学系统由照明光路和成像光路组成。照明光路用于光路进行照明，由相干照明光源发出线性偏振态或者径向偏振态光束，由扩束透镜来扩大入射光半径以充满通光孔径。高数值孔径油浸显微物镜将扩束后的光聚焦到样品表面。成像光路用于对光路进行成像，主要包括成像透镜组和图像传感器。其中成像透镜组使得显微物镜后焦面与图像传感器共轭，图像传感器用于采集显微物镜后焦面的图像。

位移操控系统，包括样品夹持装置、表面等离子体样片、手动平移台以及微纳移动平台。其中样品夹持装置用于夹持表面等离子体样品；手动平移台用于对样品位置进行粗调；微纳移动平台可以在三维方向上进行微纳尺度下的平移，用于对样品进行定位以及扫描。手动平移台和微纳移动平台在轴向上进行移动，用于调节样品位于显微物镜焦点的位置；微纳移动平台在横向方向进行移动，每移动一步由图像传感器采集一次样品局部的后焦面反射图谱，用于实现对样品表面的扫描。

图像处理系统，包括对后焦面反射图谱上信号的高精度自动识别以及对扫描的图像进行重构。使用一种高精度的后焦面SPR激发角的提取算法对SPR吸收圆弧位置进行精确的拟合，获得样品折射率和厚度等局部特征信息。对扫描时图像传感器得到的所有局部的后焦面反射图谱进行处理，得到样品局部特征信息并使用重构的算法将该数据置入成像的矩阵中，扫描结束后便获得由信号提取算法和重构算法获得样品表面结构的图像。

以上描述了该显微镜的主要工作原理和特征。本仪器能对微纳样品材料进行超高分辨率的检测，在纵向上实现亚纳米级别，在横向上达到亚微米级别的检测。相比传统显微镜，除了高分辨率，本发明还具有免标记、能实现无损检测等优点。

附图说明

图1为表面等离子体显微镜的结构图；

图2为表面等离子体激发原理图；

图3为表面等离子体显微镜后焦面的反射图谱进行信号提取；其中左图为系统工作在线性偏振模态下信号的提取，右图为径向偏振模态下信号的提取；

图4为样品扫描与重构过程；

其中图1中：1为相干照明光源，2为扩束透镜组，3为分光镜，4为油浸显微物镜，5为待测表面等离子体样片，6为成像透镜组，7为图像传感器。

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表面等离子体显微镜，其表面等离子体光学系统如附图1所示，包括：相干照明光源(1)，扩束透镜组(2)，分光镜(3)，油浸显微物镜(4)，待测表面等离子体样片(5)，成像透镜组(6)，图像传感器(7)。相干照明光源(1)，扩束透镜组(2)，分光镜(3)的中心位于同一光轴上；油浸显微物镜(4)，待测表面等离子体样片(5)，成像透镜组(6)，图像传感器 (7)位于同一光轴上。

系统使用相干照明光源进行照明，扩束透镜组(2)对照明光源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(4)将扩束后的光线聚焦到样品表面。

图像传感器(7)经成像透镜组(6)与油浸显微物镜(4)的后焦面共轭，用于采集物镜后焦面上的图像。

本实施方式所述的一种表面等离子体显微镜，样品夹持装置用于夹持表面等离子体样品，并将其连接在移动平台上；手动平移台和微纳扫描移动平台沿显微物镜中心轴线移动，共同调节将样品平移到焦点位置。

本实施方式所述的一种表面等离子体显微镜，对图像传感器采集到的后焦面的反射图谱使用一种精确的信号提取算法对样品的局部特征信息进行计算。使用线性偏振模态的入射光激发SPR时，在与显微物镜后焦面共轭的图像传感器上得到的反射图谱，其特征为在通光孔径内产生一对对称的SPR吸收圆弧。线性偏振下后焦面反射图谱产生原理图如附图2所示。当样品的折射率或者厚度发生变化时，SPR吸收角度会变化，对应在后焦面上产生的SPR吸收圆弧的位置也会发生变化。通过提取后焦面上SPR激发角的位置信息，使用后焦面SPR 激发角的提取算法对该圆弧位置进行精确的拟合，获得样品局部的折射率或者厚度等特征信息。使用这种高精度提取算法对线性偏振模态下的后焦面反射图谱上信号识别的实现如附图3左图所示。

本实施方式所述的一种表面等离子体显微镜，扫描与重构过程如附图4所示：使用计算机设定步长与扫描路径，利用微纳移动平台在横向方向移动样品在x-y方向进行逐点的扫描，并在扫描的过程中保存每一个单点所对应的后焦面反射图谱。使用上述后焦面反射图谱上的信号提取算法对采集到的扫描后焦面的反射图谱进行处理，获得扫描区域内每一点所对应的SPR激发角，通过计算可得到样品上每一个点的折射率或者厚度等局部特征信息，并将该数据置入生成的重构图像矩阵，从而得到样品的表面形貌图，实现对样品的微纳成像。

具体实施方式二：

所述照明光路的输出光可以为径向偏振光。当系统工作在径向偏振模态下时，后焦面上产生的图片中SPR的吸收带是一个完整的圆环。径向偏振下的信号识别如附图3右图所示。该表面等离子体显微镜在此模态下进行的扫描、信号识别方法与图像重构过程与具体实施方式一相同。

Claims (8)

1.一种高分辨率表面等离子体显微镜，包括：表面等离子体光学系统，用于进行表面等离子体共振(SPR)的激发与检测，包括照明系统和成像系统；位移操控系统，包括样品夹持装置、表面等离子体样片和手动平移台、微纳移动平台；图像处理系统，用于对采集到的后焦面上的反射图谱进行信号的自动提取以及提取后的图像重构。

2.如权利要求1所述的一种高分辨率表面等离子体显微镜，其特征在于，所述表面等离子体光学系统包括相干照明光源、扩束装置、分光镜、高数值孔径油浸显微物镜、成像透镜组和图像传感器。

3.如权利要求1所述的一种高分辨率表面等离子体显微镜，其特征在于，所述扩束装置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；所述光源、扩束装置与分光镜位于同一光轴；图像显微物镜的后焦面经成像透镜组与传感器感光面共轭，成像光路中光束经显微物镜和成像透镜后，被图像传感器采集。

4.如权利要求1所述的一种高分辨率表面等离子体显微镜，其特征在于，所述表面等离子体光学系统的相干照明光源为线性偏振光或径向偏振光。

5.如权利要求1所述的一种高分辨率表面等离子体显微镜，其特征在于，所述样品夹持装置用于夹持表面等离子体样品；手动平移台用于粗调样品的位置；微纳移动平台用于对将样品精确调节于焦点位置并在横向上对样品表面进行逐点的扫描。

6.如权利要求1所述的一种高分辨率表面等离子体显微镜，其特征在于，所述图像处理系统用于对显微系统扫描采集到的后焦面上的反射图谱进行SPR吸收带的半径提取，得到样品的局部特征信息；所述图像处理系统实现对样品表面形貌的重构。

7.如权利要求6所述的图像处理系统，其特征在于，针对图像传感器获得的后焦面上的SPR反射图谱，通过一种高精度的后焦面SPR激发角的提取算法实现对样品局部特征信息的计算。

8.如权利要求6所述的图像处理系统，其特征在于，所述的重构过程是按照对样品表面的扫描的顺序和其对应样品局部特征信息，对样品表面形貌进行重构，从而实现对样品的成像。