CN109932162B - 一种基于白光配准的腔模参数检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于白光配准的腔模参数检测方法与装置，检测装置包括待测光学芯片、油浸物镜、带通滤波片、分束镜、成像透镜、CCD图像传感器、配准光源、旋转平台、准直透镜组和偏振膜。待测光学芯片在被激光辐照后，荧光分子受到芯片调制并耦合泄露辐射出荧光，其在被油浸物镜收集后经过带通滤波片、偏振膜、成像透镜完成荧光成像；另一方面，配准光源所发出的光由准直透镜组校正后，由偏振膜和分束镜反射至样品，经过耦合后被收集探测。通过转动旋转平台，可以完成全角度的收集。依据对配准光源所成像和荧光像的配准，完成荧光像中难以准确观察和测量的外边缘值，从而计算出腔膜的相关参数。本发明结构简单，适用性强。

Description

一种基于白光配准的腔模参数检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学参数测量领域，尤其涉及一种基于白光配准的腔模参数检测装置及检测方法。

背景技术

在集成光学应用中，由于工艺的革新和传统光系统微型化的快速发展，集成光学的器件及系统尺寸更小、扩展性更强、功耗更低、稳定性更高，并且也逐渐地商业化。但在保证光学芯片小型化和高性能化、设计应用新型集成光路的同时准确测量其中的光参数也是研究人员所必须考虑的问题。细微的误差往往也会带来级联影响，从而导致器件失效。同时，在多层膜结构芯片中，利用荧光手段研究其中的光行为已经是一个普遍趋势，而根据这些光传输特性来分析其中的结构参数更能有效的引导集成芯片设计。但是，荧光由于信号弱，波长选择高，依旧在很多具体应用中有着局限性，尤其在腔模耦合辐射角度的测量中，沿着任意方向的辐射角度不一定能百分百测算。在所采集信号具有高信噪比，不同信道对比度高的时候，所成的图像在特定方向的边缘难以观测到具体数值，对计算像的各项数据会产生一定的误差。因此在对荧光信号进行各项分析前，往往需要先行测量各个模式的半径比。现有的辐射角测量多是直接扫描分析发，激光反射法，或者白光测算法。其主要存在的问题为：(1)速度慢，由于机械扫描，在完成整个测算角度的过程中需要对各个角度进行扫描，同时需要额外光学器件和匹配器材，工序繁琐不易清理。(2)分辨率低，扫描过程中对机械转动精度要求高，分辨率提升空间小。(3)散斑干扰严重，激光反射成像中的杂散信号会降低信噪比，干扰辐射信号的测量。在部分复杂芯片结构中，其强干涉效应也会覆盖待测信号。(4)校准不易，白光直接测量由于波长分布广，准直校准难，所测定的角度误差也比较大，难以保证多个不同芯片间切换时依旧准确。(5)模式缺失，相对与荧光耦合辐射探测，在反射探测中由于紧聚焦和偏振选择，面对特殊方向的偏振模式，对应角度的信号无法测量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于白光配准的腔模参数检测装置及检测方法，利用光学芯片中的荧光分子实现腔模的耦合辐射，利用一束准直白光补充配准多个导波模式实现腔模的光束参数测量，有效避免了信息串扰，同时利用配准白光的边缘数值显著提升各个方向的光参数测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于白光配准的腔模参数检测装置，所述装置包括待测光学芯片、油浸物镜、带通滤波片、分束镜、成像透镜、荧光CCD图像传感器、配准光源、旋转平台、准直透镜组和偏振膜，所述待测光学芯片、油浸物镜、带通滤波片、分束镜、成像透镜和荧光CCD图像传感器依次设置，所述配准光源、准直透镜组和分束镜依次设置，所述分束镜、配准光源和准直透镜组固设于旋转平台上，所述偏振膜紧贴于所述分束镜上表面，被辐照光源辐照后的待测光学芯片中的荧光分子发出荧光，所述荧光被待测光学芯片调制且耦合泄露辐射，再被油浸物镜收集后依次经过带通滤波片、偏振膜、成像透镜完成荧光成像，再由荧光CCD图像传感器采集荧光成像，配准光源发出的光由准直透镜组校正后，由偏振膜和分束镜经过油浸物镜反射至待测光学芯片，经过待测光学芯片耦合后被收集探测。

进一步地，所述准直透镜组包括两个双凸消色差透镜。

进一步地，所述偏振膜仅紧贴于分束镜上表面的下半部，且能将所有偏正配准光反射至所述待测光学芯片。

进一步地，所述的带通滤波片滤波带宽为10nm。

进一步地，所述的带通滤波片滤波波长范围涵盖辐射荧光的峰值波长。

进一步地，用于配准的白光可选择地替换为匹配波长的部分相干光。

进一步地，所述待测光学芯片能够被辐射光源的辐照激发表面模和腔模。

进一步地，所述荧光CCD图像传感器带有滤去辐照光源的滤波片。

一种根据上述的基于白光配准的腔模参数检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：辐照光源辐照待测光学芯片后，待测光学芯片中的荧光分子发出荧光并被待测光学芯片调制且耦合泄露辐射，再被油浸物镜收集后依次经过带通滤波片、偏振膜、成像透镜完成荧光成像，由荧光CCD图像传感器采集荧光成像；

步骤二：配准光源发出的光由准直透镜组校正后，由偏振膜和分束镜反射至待测光学芯片，经过待测光学芯片的耦合后被油浸物镜再次收集，再次经过带通滤波片后透过分束镜和成像透镜完成配准信号成像，由荧光CCD图像传感器采集配准信号成像；

步骤三：水平翻转旋转平台，重复上述步骤一和步骤二，实现完整的荧光成像以及配准成像，在荧光CCD图像传感器中选择配准区域，以及对应的图像配准算法，将配准信号相对于荧光信号进行对比调整，记录配准后的边缘半径，最后切换回荧光像，利用记录下的参数完成腔模参数的计算。

进一步地，所述旋转平台的旋转角度范围为0°-180°。

本发明利用光学芯片中的荧光分子的实现腔模的耦合辐射，利用一束准直白光补充配准多个导波模式实现腔模的光束参数测量，有效避免了信息串扰，同时利用配准白光的边缘数值显著提升各个方向的光参数测量精度。还利用转动平台和偏振器件，成功实现任意方向的耦合信息分析，充分展示了在荧光耦合辐射中各个模式分析可能性，为实现集成光学芯片中结构参数的计算奠定了基础。结合计算机编译对应的配准算法进行对比检测，结构紧凑精度高，使用方便成本低。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)结构简单速度快：仅需额外的配准光路装置，解决了常规扫描探测速度慢的问题，同时旋转平台可以整装拆卸，不影响其他光路；

(2)精确度可控：显微微区成像，精度可依据物镜及成像光路而选择；

(3)测量角度全：提出了一种新的白光配准辅助荧光成像方式，可以完成各个方向荧光传输参数的测量；

(4)快速计算：结合计算机编译的配准算法，直接实现边缘值的提取，计算迅速；

(5)本发明中所用带通滤波片让配准光两次经过，更有效的过滤杂散波长，同时还用于对辐射的荧光进行偏振选择，过滤效果好、复用率高；

(6)本发明使用的宽带光源，不局限于白光，也可以包括相应波段的部分偏振光，可以有效的去除激光散斑等杂散信号，在复杂光子芯片结构中不会对有效信号带来干扰；

(7)本发明中所用待测光学芯片，可以产生不同的传输模式，以完成白光的配准；

(8)本发明中充分利用偏振元件，有效的甄别荧光模式，提取出高效配准区域，提高了测量准确度。

附图说明

图1为本发明基于白光配准的腔模参数检测装置示意图。

图2为荧光后焦面成像示意图。

图3为配准光成像示意图。

图4为图2中配准区域图。

图5为图3中配准区域图。

图6为荧光像和配准前后像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种基于白光配准的腔模参数检测装置，所述装置包括待测光学芯片1、油浸物镜2、带通滤波片3、分束镜4、成像透镜5、荧光CCD图像传感器6、配准光源7、旋转平台8、准直透镜组9和偏振膜10，所述待测光学芯片1、油浸物镜2、带通滤波片3、分束镜4、成像透镜5、荧光CCD图像传感器6依次设置，所述配准光源7、准直透镜组9和分束镜4依次设置，所述分束镜4、配准光源7、准直透镜组9、偏振膜10位于旋转平台8上，且可以随着旋转平台8转动而转动；所述的偏振膜10，紧贴于分束镜4下半部。所述待测光学芯片1为多层含荧光分子膜结构，其在被激光辐照后，其中的荧光分子发出荧光并被待测光学芯片1调制且耦合泄露辐射，再被油浸物镜2收集后经过带通滤波片3、偏振膜10、成像透镜5完成荧光成像，如图2。另一方面，配准光源7所发出的光由准直透镜组9校正后，由偏振膜10和分束镜4反射至待测光学芯片1，经过耦合后被收集探测。所述旋转平台8可以围绕油浸物镜2中轴转动，从而在荧光CCD图像传感器收集到对应的待配准图像，如图3，再利用表面波匹配，分辨选择对应的高效配准区域进行的图像配准，如图4和图5。

进一步地，所述辐照光为激光。

进一步地，所述辐照激光为532nm，待测光学芯片荧光分子可以被此波段激光激发。

进一步地，所述待测光学芯片的结构满足其在532nm光激发下包含表面模式和多个腔模，且其结构和所选取荧光分子对应。

进一步地，所述油浸物镜用于收集所用荧光信号，同时聚焦反射的准直配准信号。

进一步地，所述的带通滤波片滤波范围为10nm，可以选择辐射荧光峰值波长的信号，且保证配准光信号与荧光信号处于同一波长。

进一步地，所述成像透镜位置在分别成荧光像和配准像时候上下微调以至成像最清晰。

进一步地，所述荧光CCD图像传感器带有高通激光滤波片，可以滤去532nm的辐照激光。

进一步地，所述配准光源为宽带光源，更优选地为宽带白光或者匹配波长的部分相干光，其经过准直透镜组被准直后通过偏振膜、分束镜，此同轴光学元件都固定于旋转平台上，且可以绕油浸物镜中轴旋转。

进一步地，所述偏振膜紧贴于分束镜下侧，将所有偏振配准光反射至光学芯片后再被油浸物镜收集，二次通过滤波片有效的滤波后穿过分束镜的上侧，被成像透镜成像于荧光CCD图像传感器上，由于成像透镜的位置微调以及荧光信号较弱，径向和角向分布的荧光信号不会对偏振化的配准信号构成影响。

根据上述基于白光配准的腔模参数检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：所述待测光学芯片在被激光辐照后，其中的荧光分子发出荧光并被待测光学芯片调制且耦合泄露辐射。在被油浸物镜收集后经过带通滤波片、偏振膜、成像透镜完成荧光成像，调节荧光CCD图像传感器的曝光采集荧光像(如图2)；

步骤二：所述配准光源所发出的光由准直透镜组校正后，由偏振膜和分束镜反射至待测光学芯片，经过耦合后被油浸物镜再次收集，再次经过带通滤波片后透过分束镜和成像透镜后调节荧光CCD图像传感器的曝光，完成配准信号成像(如图3)；

步骤三：将旋转平台转至另一侧，重复步骤一和步骤二，实现完整的荧光成像以及配准成像，在荧光CCD图像传感器中选择配准区域，如图4和图5，利用边缘特征灰度变化，找出配准点，将配准信号相对于荧光信号进行对比调整，记录配准后的视场半径为边缘参数，最后切换回荧光像，利用记录下的参数完成腔模参数的计算。

本发明技术方案的相关原理为：

荧光和配准光成像：待测光学芯片中的荧光分子在匹配激光的辐照下，会产生表面等离激元波泄露辐射，由于结构的复杂性，其他模式也会被耦合辐射。每个点源的信号会在特定结构下以不同角度耦合转换为平面波导中传输的各种模式。然后由油浸物镜的收集，以及滤光片和偏振元件筛选，在荧光CCD图像传感器中形成后焦像，如图6左；同样，配准光源在准直偏振化后以大角度入射到待测光学芯片，其在不同的角度可以耦合为不同的模式，因而在返回收集光中，对应的角度会有损失，形成暗弧，如图6中。

配准与参数测量：在荧光像中，沿着纵向y方向，可以清晰的观测到视场边缘以及不同模式对应的白色亮弧，因而在此方向的传输参数可以计算并推出结构参数。但是在水平方向，仅仅可以观测到不同模式所对应的亮弧，而视场边缘却难以分辨，如图6左，这就导致此模式的绝对参数无法测量。而配准光所成待配准像中的边缘则十分清晰，如图6中，如果直接利用此边缘的绝对数值，其测算结果并不准确，因为白光成像和荧光成像因为成像时间与光路的不同，会有一定的偏差，这一点如果将二图直接重合或者仔细分辨图6虚线框中图像的大小则可以明显看出。因而本发明利用其中的高效配准区域进行配准，如图4和图5。利用弧的边缘和灰度分布的特异性，提取图像的特征，再生成并根据描述子的相似程度对两幅图像的特征之间进行匹配，结合选取的典型特征点，将荧光图像和白光待配准图像进行配准，其结果如图6右。

因为圆弧存在一定的半高宽，简化处理中，取圆弧宽度中心与横轴交点的两个位置与圆心的距离从而得到两个圆弧半径，得到两个圆弧半径与边缘半径的比值为0.91和0.73，本实施例选择计算的腔模参数为耦合辐射角度，经过观测数据的比值得出，腔模中的两个TE模式所对应的辐射角分别为58.26°和42.87°。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述装置包括待测光学芯片(1)、油浸物镜(2)、带通滤波片(3)、分束镜(4)、成像透镜(5)、荧光CCD图像传感器(6)、配准光源(7)、旋转平台(8)、准直透镜组(9)和偏振膜(10)，所述待测光学芯片(1)、油浸物镜(2)、带通滤波片(3)、分束镜(4)、成像透镜(5)和荧光CCD图像传感器(6)依次设置，所述配准光源(7)、准直透镜组(9)和分束镜(4)依次设置，所述分束镜(4)、配准光源(7)和准直透镜组(9)固设于旋转平台(8)上，所述偏振膜(10)紧贴于所述分束镜(4)上表面，被辐照光源辐照后的待测光学芯片(1)中的荧光分子发出荧光，所述荧光被待测光学芯片(1)调制且耦合泄露辐射，再被油浸物镜(2)收集后依次经过带通滤波片(3)、偏振膜(10)、成像透镜(5)完成荧光成像，再由荧光CCD图像传感器(6)采集荧光成像，配准光源(7)发出的光由准直透镜组(9)校正后，由偏振膜(10)和分束镜(4)经过油浸物镜(2)反射至待测光学芯片(1)，经过待测光学芯片(1)耦合后被收集探测。

2.根据权利要求1所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述准直透镜组(9)包括两个双凸消色差透镜。

3.根据权利要求1所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述偏振膜(10)仅紧贴于分束镜(4)上表面的下半部，且能将所有偏振配准光反射至所述待测光学芯片(1)。

4.根据权利要求1所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述的带通滤波片(3)滤波带宽为10nm。

5.根据权利要求4所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述的带通滤波片(3)滤波波长范围涵盖辐射荧光的峰值波长。

6.根据权利要求1所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，用于配准的白光替换为匹配波长的部分相干光。

7.根据权利要求1所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述待测光学芯片(1)能够被辐射光源的辐照激发表面模和腔模。

8.根据权利要求1所述的基于白光配准的腔模参数检测装置，其特征在于，所述荧光CCD图像传感器带有滤去辐照光源的滤波片。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于白光配准的腔模参数检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：辐照光源辐照待测光学芯片(1)后，待测光学芯片(1)中的荧光分子发出荧光并被待测光学芯片(1)调制且耦合泄露辐射，再被油浸物镜(2)收集后依次经过带通滤波片(3)、偏振膜(10)、成像透镜(5)完成荧光成像，由荧光CCD图像传感器(6)采集荧光成像；

步骤二：配准光源(7)发出的光由准直透镜组(9)校正后，由偏振膜(10)和分束镜(4)反射至待测光学芯片(1)，经过待测光学芯片(1)的耦合后被油浸物镜(2)再次收集，再次经过带通滤波片(3)后透过分束镜(4)和成像透镜(5)完成配准信号成像，由荧光CCD图像传感器(6)采集配准信号成像；

步骤三：水平翻转旋转平台(8)，重复上述步骤一和步骤二，实现完整的荧光成像以及配准成像，在荧光CCD图像传感器(6)中选择配准区域，以及对应的图像配准算法，将配准信号相对于荧光信号进行对比调整，记录配准后的边缘半径，最后切换回荧光像，利用记录下的参数完成腔模参数的计算。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述旋转平台(8)的旋转角度范围为0°-180°。

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