CN110398479A - 一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置及方法，装置包括：照明激光光源、扩束镜头、近端激光反射镜、聚焦显微物镜、宽光谱耦合载物光学芯片、收集显微镜、二向色镜、成像镜头和CCD图像传感器。方法如下：制备具有色散功能的宽光谱耦合载物光学芯片；照明激光光源发出的激光被扩束后经近端反射镜和聚焦显微物镜反射聚焦到芯片上的待测物体；待测分子所发出的信号将被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片的表面并以多个角度向下出射，被收集显微物镜接收、二向色镜反射后，再被成像镜头成像于图像传感器，计算得出待测物体的光谱信号。本发明解决了传统光谱测量中收集速度慢，分析效率低的技术问题。

Description

一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置及方法
技术领域
本发明涉及显微光谱分析技术领域，特别涉及一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置及方法。
背景技术
基于表面光场调控的集成芯片技术在半导体、微加工、超材料等领域已经取得了一系列的突破，并从前端研究逐步走向实际应用。结合其定向传输特性的研究也在高对比度成像、暗场成像等显微成像领域中有所突破。其利用表面波导的束缚效应，可以很好的实现不同深度的样品形貌观测，但其并不能有效的反映出样品的成分以及定量分析。也正因为如此，被广泛应用在光化学、生物医学中的成像技术往往因为不能充分的表征物质足够多的生物物理特性，从而使得显微技术在现实使用中一直停留在初步诊断的阶段。解决此类问题的常规手段往往需要花更多时间收集探测对应样品的光谱信息，利用光谱分析技术来进一步研究。但如何高效的收集待测物质的光谱信息一直是现阶段研究的关键问题。
针对光谱信号的分析和处理，现有的实现方法一般都是利用商用的高灵敏度的光谱仪或者是光栅、棱镜等分光元件等手段来采集光谱。其主要存在的问题为：(1)收集效率低。由于光阑等光学元件，使远场激发照明光在入射时候难以全部被利用，造成能量损失。(2)性价比低。利用光学元件组等复杂设备实现的光谱测量功能，其由于多个光学元件的加入而导致成本的提升。(3)集成化低，常规的光谱测量光路都是为了光谱分析或者成像高光谱采集而专门搭建，要求苛刻，对光学系统的稳定性要求很高，在研究的过程中难以兼顾成像系统的扩展。因而常规的方法目前都存在着一定的局限性，不利于本领域技术人员的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置及方法以解决传统光谱测量中收集速度慢，分析效率低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，包括照明激光光源、扩束镜头、近端激光反射镜、聚焦显微物镜、宽光谱耦合载物光学芯片、收集显微物镜、二向色镜、成像镜头和图像传感器，所述照明激光光源、扩束镜头和近端激光反射镜在第一方向上依次设置，所述近端激光反射镜、聚焦显微物镜、收集显微物镜和二向色镜在与所述第一方向垂直的第二方向上依次设置，所述宽光谱耦合载物光学芯片位于聚焦显微物镜和收集显微物镜之间，所述二向色镜、成像镜头和图像传感器在与所述第一方向相反的第三方向上依次设置，照明激光光源所出射的激光经过所述扩束镜头扩束后经近端激光反射镜反射后进入聚焦显微物镜聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片上的待测物，待测物所发出的信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片的表面并向下辐射，经过收集显微物镜接收后经二向色镜反射，然后被成像镜头成像于图像传感器。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片包括自上而下设置的聚合物层、金属层、缺陷层和光子晶体层。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片的聚合物层为聚甲基丙烯酸甲酯层，其厚度不大于35nm。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片的金属层厚度≤50nm。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片的缺陷层为氮化硅层或者二氧化硅层。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片的光子晶体层为交替的氮化硅层和二氧化硅层。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片中的缺陷层折射率为各向异性。
进一步地，所述照明激光光源的波长与待测物的吸收谱相对应，能够保证待测物的出射光谱信号被有效激发。
采用如上述所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置的显微光谱测量方法，包括以下步骤：
步骤一：依据待测物的发射谱范围制备具有直接计算光谱功能的宽光谱耦合载物光学芯片，将被测物置于宽光谱耦合载物光学芯片上方，所述宽光谱耦合载物光学芯片的制备包括：在透明基底上交替沉积出光子晶体层，缺陷层，并蒸镀金属层，再旋涂PMMA聚合物层，烘干后再嵌入显微系统制成宽光谱耦合载物光学芯片；
步骤二：选择合适波长的照明激光光源并调节其出射角度，其所发出的激光被扩束镜头扩束后经近端激光反射镜和聚焦显微镜反射聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片上的待测物，并激发出光谱信号，光谱信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片表面并向下泄露辐射，收集显微物镜收集所述光谱信号后经二向色镜滤去照明激光后反射，被成像镜头成像于图像传感器，实现收集显微物镜的前后焦面信号的采集探测；
步骤三：通过所采集的信号，提取出后焦面像中不同方向的轮廓线，利用宽光谱耦合载物光学芯片的固有色散特性计算得出被测物质的出射光谱。
进一步地，所述步骤三中的计算方法具体为：利用宽光谱耦合载物光学芯片的色散曲线中不同波长的反射率强度分布Rm，n，构建叠加方程组：
其中反射率强度分布Rm，n是不同角度入射的不同波长光的反射率在各个角度、波长下的反射率强度分布，其是宽光谱耦合载物光学芯片的固有属性，下标m，n分别对应表示第m个出射角度和第n个波长，其中m≥n，在后焦面像中不同方向上沿径向提取灰度值得出轮廓线，进一步在轮廓线中随机取出波长与强度相关的离散点Tm，并与反射率强度分布中对应行列联立解出一组解λ1,λ2,λ3,···,λn，此解即为各波长的叠加系数，再次随机取出离散点Tm，并多次迭代并去除解方程过程中产生的奇异点，利用此随机光谱重建法反复计算直到得出所有波长的叠加系数，即所需要测量的光谱。
本发明在传统显微成像技术中通过替换传统的载玻片为功能性的宽光谱耦合载物光学芯片，使系统在成像的同时可以采集到多角度、大范围的出射信号，进而计算被测物的不同波长分量的强度比值。通过设计改进显微系统记录下收集显微物镜的后焦面像，提取特定方向的轮廓信息并利用宽光谱耦合载物光学芯片的色散特性计算出所测物质的出射光谱特性。
本发明和现有技术相比的优点在于：
(1)基于芯片技术的光谱采集：在传统显微成像技术中引入宽光谱耦合载物光学芯片辅助成像技术并扩展了显微成像系统，提供了一种新的光谱测量手段，拓展了后焦面技术的应用范围，在对物质观测的同时可以利用采集的后焦面像收集光谱信息，同时其可以针对各向异性介质有选择的逐点测量，而传统的基于表面等离激元泄露辐射技术的收集手段其出射角度在可见光范围随波长改变很小，难以解析出光谱；
(2)结构简单、集成性高：无需光栅、光阑、棱镜等分光元件或者扫描振镜、高速采集设备等传统光谱仪所需的部件，而宽光谱耦合载物光学芯片的设计也仅仅采用多层结构，相较于工艺复杂，对光刻精度和条件要求非常高的多维光子晶体，避免了面内多种微结构的加工，而宽光谱耦合载物光学芯片由于其波长和偏振选择性可以适当减弱背景照明光的影响，同时在后焦面中观测光传输行为的同时实现光谱的解析；
(3)成本低廉、稳定性强：在传统的显微镜中替换普通的载玻片为宽光谱耦合载物光学芯片则可以实现光谱的测量分析，制作简单易行，扩展性好，无需单独配置光谱分析设备，成本较低，从而实现了适于研究的新型光谱检测成像技术，同时所采用的材料不易氧化，使用寿命长，可以反复使用；
(4)操作方便，速度快：普适的宽光谱耦合载物光学芯片满足常见的可见光全波段的光谱测量，为适合不同环境下样品的分段光谱测量可以更换不同结构的宽光谱耦合载物光学芯片以提高测量精度，利用迭代反射率曲线解析出待测物的光谱信息，计算量小，运算速度快，硬件需求小，比传统傅里叶变换光谱解析要更方便；
(5)可控性好：本发明中金属层的厚度可以改变，在不影响光谱解析的情况下，可以调节出射光角度，提高光谱的收集和探测效率，并且的PMMA层旋涂于金属层的上方使其具有更好的生物相容性，又可以控制被测物于光子晶体层的间隔，微调宽光谱耦合载物光学芯片的色散效果，使其更利于光谱的解析，考虑有待测物的时候，宽光谱耦合载物光学芯片的色散曲线可以通过现有技术直接测量，进一步的，在保证制备精度的前提下，宽光谱耦合载物光学芯片的色散曲线可以依据其厚度参数直接获取，而无需实际测量验证，同时能在多个角度表征样品，对于各项同性的结构可以增加信噪比，提高光谱分析的效率；
(6)应用范围广：本发明中的基于光学芯片基底的显微光谱测量方法，对于光谱的测量并不局限于荧光光谱的解析，还可以直接计算解析拉曼光谱等有效信息，对于处于气态环境或者处于液体环境中样品的光谱，也可以有效的表征。
附图说明
图1为本发明基于光学芯片基底的显微光谱测量装置结构示意图。
图2为实施例中收集的后焦面示意图。
图3为本发明的基于光学芯片基底的显微光谱测量方法的流程图。
图4为实施例中依照本发明而解析出的光谱。
其中，1、照明激光光源，2、扩束镜头，3、近端激光反射镜，4、聚焦显微物镜，5、宽光谱耦合载物光学芯片，6、收集显微物镜，7、二向色镜，8、成像镜头，9、图像传感器。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
如图1所示，一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，包括照明激光光源1、扩束镜头2、近端激光反射镜3、聚焦显微物镜4、宽光谱耦合载物光学芯片5、收集显微物镜6、二向色镜7、成像镜头8和图像传感器9，所述照明激光光源1和扩束镜头2依次同轴设置，聚焦显微物镜4和收集显微物镜6依次同轴设置，宽光谱耦合载物光学芯片5设于聚焦显微物镜4和收集显微物镜6之间，成像镜头8和图像传感器9依次同轴设置，照明激光光源1所出射的激光经过所述扩束镜头2扩束后经近端激光反射镜3反射后进入聚焦显微物镜4聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片5上的待测物，待测分子所发出的信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片5的表面并向下辐射，经过收集显微物镜6接收后经二向色镜7反射，然后被成像镜头8成像于图像传感器9。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片5包括自上而下设置的聚合物层、金属层、缺陷层和光子晶体层。所述宽光谱耦合载物光学芯片5的各层厚度可以根据待测物质的发射谱范围进行更换。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片5的聚合物层为聚甲基丙烯酸甲酯层，其厚度不大于35nm。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片5的金属层厚度≤50nm。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片5的缺陷层为氮化硅层或者二氧化硅层。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片5的光子晶体层为交替的氮化硅层和二氧化硅层。
进一步地，所述照明激光光源1的波长与待测物的吸收谱相对应，且保证待测物的出射光谱信号被有效激发。
进一步地，所述宽光谱耦合载物光学芯片5中的缺陷层折射率为各向异性。
进一步地，所述成像镜头8可以调节焦距分别将物镜的前后焦面的像成于CCD上。
采用上述基于光学芯片基底的显微光谱测量装置的显微光谱测量方法，包括以下步骤：
(1)依据待测物的发射谱范围制备具有直接计算光谱功能的宽光谱耦合载物光学芯片5，将被测物置于宽光谱耦合载物光学芯片5上方；所述宽光谱耦合载物光学芯片的制备包括：在透明基底(例如载玻片)上交替沉积出光子晶体层，缺陷层，并蒸镀金属层，再旋涂PMMA聚合物层，烘干后再嵌入显微系统制成宽光谱耦合载物光学芯片；
(2)选择合适波长的照明激光光源1并调节其出射角度，其所发出的激光被扩束镜头2扩束后经近端激光反射镜3和聚焦显微镜4反射聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片5上的待测物，并且激发出光谱信号，光谱信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片5表面并向下泄露辐射，收集显微物镜6收集所述光谱信号后经二向色镜7滤去照明激光后反射，被成像镜头8成像于图像传感器9，实现收集显微物镜6前后焦面信号的采集探测；
(3)通过所收集的信息，提取出后焦面像中不同方向的轮廓线，利用宽光谱耦合载物光学芯片5的固有色散特性计算得出被测物质的出射光谱。
此方法通过所记录的后焦面像中不同波长的出射强度不同，利用结构特征可以直接解析出所需要测量的光谱信息，包括荧光光谱和拉曼光谱。
宽光谱耦合载物光学芯片可以将出射光谱信号以多角度、大范围的方式向下辐射。结合待测物质的折射率，通过选择改变所述宽光谱耦合载物光学芯片5的各膜层厚度，能够实现不同波段范围的光谱收集计算，实现高光谱的测量。
此方法可以解析液体环境下样品的光谱，可以在多个角度完成光谱分析。
具体实施例1
一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置包括照明激光光源1、扩束镜头2、近端激光反射镜3、聚焦显微物镜4、宽光谱耦合载物光学芯片5、收集显微物镜6、二向色镜7、成像镜头8和图像传感器9，其中照明激光光源1的波长为532nm，可以激发待测物中的羧酸荧光分子。宽光谱耦合载物光学芯片5由聚合物层、金属层、缺陷层和光子晶体层构成，其中聚合物层为PMMA，厚度5nm；金属层材料为银，厚度30nm；缺陷层为二氧化硅，厚度为165nm；光子晶体层为二氧化硅和氮化硅交替沉积而成，厚度分辨为125nm和71nm，总层数为12层。其中图像传感器为CCD图像传感器，收集显微物镜为油浸物镜，二向色镜为低通二向色反射镜。切换成像镜头的焦距，以采集后焦面像，如图2所示。其中右侧颜色条表示了后焦面图中的灰度分布值。
如图3所示，本发明方法的实现步骤为：
第一步，构建系统：计算并制备在待测物质波段内具有强色散功能的光学芯片，并且将待测样品置于光学芯片上方；光学芯片的制备包括为：在玻璃基底上利用等离子体增强化学的气相沉积法交替沉积一定厚度的高折射率介质和低折射率介质，在本实施例中，可选的，交替沉积氮化硅71nm和二氧化硅125nm，再沉积一定厚度的缺陷层，本实施例中，依照计算，可选的为165nm二氧化硅。进一步的蒸镀一层金属层，在此实施例中选取金属银，厚度为30nm。再旋涂一层5nm厚度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)构成的聚合物薄膜层,，烘干后嵌入显微系统构成光学芯片。再放置待测物准备测量。
第二，观测采集：选择对应波长的照明激光光源，在本实施例中，选取波长为532nm激光光源，进而可以照明并激发羧酸荧光染料Cy3.5(carboxylic acid/cy3.5)。照明激光光源所出射的激光经过扩束镜头扩束后经近端激光反射镜3和聚焦显微物镜4反射聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片5上的待测物。所出射信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片表层并向下泄露辐射。经过收集显微物镜和二向色镜采集反射后，调节成像镜头将出射信号在显微物镜前后焦面的像记录于CCD图像传感器。
第三步，计算解析：在所记录的后焦面中沿径向采集轮廓线的强度分布，如图2虚线。由于介质各向同性，我们在后焦面中取多个径向角度进行信号叠加，以提高信噪比，从而得出各波段的相对总反射率曲线。在本实施例中，可选的，光谱范围离散选取450nm至650nm共100个波段，利用宽光谱耦合载物光学芯片的色散曲线中不同波长的反射率强度分布Rm，n，构建叠加方程组：
其中反射率强度分布Rm，n是不同角度入射的不同波长光的反射率在各个角度、波长下的反射率强度分布，其是宽光谱耦合载物光学芯片5的固有属性参数，由具体结构参数唯一确定，下标m，n分别对应表示第m个出射角度和第n个波长，这里取100个波段，所以n最大值为100。在后焦面像中不同方向的轮廓线中随机取出波长与强度相关的离散点Tm，并与色散曲线矩阵中对应行列联立解出一组解λn。
进一步的，本实施例所述的随机光谱重建法，包括随机选取小于等于采集后焦面像的图像传感器的像素数(此处为2000)的单一波长，共100个，线性叠加各个反射率曲线去匹配总反射率曲线。多次迭代取值取交集并去除解方程过程中产生的奇异点，直到计算出总反射率曲线中各波长的叠加系数λ1,λ2,λ3,···,λ100，即所需要测量的光谱，本实施例中迭代次数为20次。
如图4中的光谱所示，本发明很好的实现了被测物光谱的解析。通过设计合适的宽光谱耦合载物光学芯片可以更多的扩展探测光谱的范围。
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)

1.一种基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，包括照明激光光源(1)、扩束镜头(2)、近端激光反射镜(3)、聚焦显微物镜(4)、宽光谱耦合载物光学芯片(5)、收集显微物镜(6)、二向色镜(7)、成像镜头(8)和图像传感器(9)，所述照明激光光源(1)、扩束镜头(2)和近端激光反射镜(3)在第一方向上依次设置，所述近端激光反射镜(3)、聚焦显微物镜(4)、收集显微物镜(6)和二向色镜(7)在与所述第一方向垂直的第二方向上依次设置，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)位于聚焦显微物镜(4)和收集显微物镜(6)之间，所述二向色镜(7)、成像镜头(8)和图像传感器(9)在与所述第一方向相反的第三方向上依次设置，照明激光光源(1)所出射的激光经过所述扩束镜头(2)扩束后经近端激光反射镜(3)反射后进入聚焦显微物镜(4)聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片(5)上的待测物，待测物所发出的信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片(5)的表面并向下辐射，经过收集显微物镜(6)接收后经二向色镜(7)反射，然后被成像镜头(8)成像于图像传感器(9)。
2.根据权利要求1所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)包括自上而下设置的聚合物层、金属层、缺陷层和光子晶体层。
3.根据权利要求2所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)的聚合物层为聚甲基丙烯酸甲酯层，其厚度不大于35nm。
4.根据权利要求2所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)的金属层厚度≤50nm。
5.根据权利要求2所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)的缺陷层为氮化硅层或者二氧化硅层。
6.根据权利要求2所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)的光子晶体层为交替的氮化硅层和二氧化硅层。
7.根据权利要求2所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)中的缺陷层折射率为各向异性。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置，其特征在于，所述照明激光光源(1)的波长与待测物的吸收谱相对应，能够保证待测物的出射光谱信号被有效激发。
9.采用如权利要求1-8任一项所述的基于光学芯片基底的显微光谱测量装置的显微光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：依据待测物的发射谱范围制备具有直接计算光谱功能的宽光谱耦合载物光学芯片(5)，将被测物置于宽光谱耦合载物光学芯片(5)上方，所述宽光谱耦合载物光学芯片(5)的制备包括：在透明基底上交替沉积出光子晶体层，缺陷层，并蒸镀金属层，再旋涂PMMA聚合物层，烘干后再嵌入显微系统制成宽光谱耦合载物光学芯片(5)；
步骤二：选择合适波长的照明激光光源(1)并调节其出射角度，其所发出的激光被扩束镜头(2)扩束后经近端激光反射镜(3)和聚焦显微镜(4)反射聚焦到宽光谱耦合载物光学芯片(5)上的待测物，并激发出光谱信号，光谱信号被束缚于宽光谱耦合载物光学芯片(5)表面并向下泄露辐射，收集显微物镜(6)收集所述光谱信号后经二向色镜(7)滤去照明激光后反射，被成像镜头(8)成像于图像传感器(9)，实现收集显微物镜(6)的前后焦面信号的采集探测；
步骤三：通过所采集的信号，提取出后焦面像中不同方向的轮廓线，利用宽光谱耦合载物光学芯片(5)的固有色散特性计算得出被测物质的出射光谱。
10.根据权利要求9所述的显微光谱测量方法，其特征在于，所述步骤三中的计算方法具体为：利用宽光谱耦合载物光学芯片(5)的色散曲线中不同波长的反射率强度分布Rm，n，构建叠加方程组：
其中反射率强度分布Rm，n是不同角度入射的不同波长光的反射率在各个角度、波长下的反射率强度分布，下标m，n分别对应表示第m个出射角度和第n个波长，其中m≥n，在后焦面像中不同方向上沿径向提取灰度值得出轮廓线，进一步在轮廓线中随机取出波长与强度相关的离散点Tm，并与反射率强度分布中对应行列联立解出一组解λ1,λ2,λ3,···,λn，此解即为各波长的叠加系数，再次随机取出离散点Tm，并多次迭代并去除解方程过程中产生的奇异点，利用此随机光谱重建法反复计算直到得出所有波长的叠加系数，即所需要测量的光谱。
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