CN113884466A - 基于弱测量的表面折射率成像传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于弱测量的表面折射率成像传感器及其测量方法，该成像传感器包括依次设置在光路上的光源模块、前选择模块、弱耦合作用模块、后选择模块以及成像模块，所述前选择模块经配置以实现对入射光频谱和偏振状态的前选择过程，即实现弱值放大原理的前选择，所述弱耦合作用模块经配置以实现偏振态和光频率间的弱耦合作用，所述后选择模块经配置以实现弱值放大原理的后选择，其中，通过所述前选择过程、所述弱耦合作用和所述后选择过程来引入相位差和旋光色散，并通过所述成像模块的成像信息获得高精度的相位测量结果，以便实现表面折射率分布的高精度测量。通过引入旋光色散效应能够进一步降低弱值以实现更大的弱值放大效应。

Description

基于弱测量的表面折射率成像传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种基于弱测量的表面折射率 成像传感器及其测量方法。

背景技术

表面波是在不同介质之间的界面处传播的波场。基于光学表面波的折 射率传感测量方法是一种经典的用于监测表面波的高精度折射率测量方法。 根据检测光的物理参数，表面波折射率传感机制可分为四种检测类型：相 位差、反射强度、共振角、和共振波长。同时，基于表面波的折射率传感 器在高灵敏度、良好的分辨率、优越的鲁棒性、非标记和非接触方面具有 优势。表面折射率光学成像方法具有高空间分辨率、高灵敏度、高通量、 真实性等优点。目前的表面反射传感器主要包括全内反射传感器、石墨烯 折射率传感器和表面等离子体共振传感器。

弱值放大技术自1988年被发现以来在高精度检测中发挥了重要作用。 2010年，有人进一步提出采用频域弱测量方法来提高检测精度。测量技术 中，被测物体的力对系统产生微弱的扰动，使系统与探测器之间产生弱耦 合。通过选择合适的前后偏振选择状态，可以放大和间接检测干扰以便实 现高精度检测。进一步将弱测量技术与反射检测系统结合，取得了良好的 效果。同时，还可以利用弱测量技术来提高检测效率。但是，通过进一步 减小弱值以提高方法效率和结合弱值放大的表面折射率光学成像传感器的 技术有待研究开发。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背 景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的 信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于弱测 量的表面折射率成像传感器及其测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于弱测量的表面折射率成像传感器，包括依次设置在光路上的 光源模块、前选择模块、弱耦合作用模块、后选择模块以及成像模块，所 述前选择模块经配置以实现对入射光频谱和偏振状态的前选择过程，即实 现弱值放大原理的前选择，所述弱耦合作用模块经配置以实现偏振态和光 频率间的弱耦合作用，所述后选择模块经配置以实现弱值放大原理的后选 择，其中，通过所述前选择过程、所述弱耦合作用和所述后选择过程来引入相位差和旋光色散，并通过所述成像模块的成像信息获得相位测量结果， 以便实现表面折射率分布的高精度测量。

进一步地：

所述前选择模块包括依次设置在光路上的前选择偏振片、光学棱镜和 消色差四分之一波片。

所述弱耦合作用模块包括旋光片。

所述后选择模块包括后选择偏振片。

所述光源模块包括超辐射二极管，所述成像模块包括成像相机。

所述成像相机采用面阵CCD。

还包括设置在所述光源模块和所述前选择模块之间的准直透镜。

还包括设置在所述光学棱镜的全反射面外侧的样品池。

还包括设置在所述光学棱镜与所述成像模块之间的成像透镜。

一种基于弱测量的表面折射率成像传感器的测量方法，使用所述的基 于弱测量的表面折射率成像传感器实现表面折射率分布的高精度测量。

本发明具有的有益效果：

本发明提供了一种基于弱测量原理的表面折射率成像传感及其测量 方法，通过弱值放大效应实现高精度的光学相位测量，得到超高精度的表 面折射率分布测量结果。

本发明首次提出了一种基于弱测量原理的表面折射率成像方案。该方 案的路线包括将弱测量技术与全内反射系统相结合，以产生高精度的表面 光学传感器。本发明的光学传感器实现基于弱测量原理的表面折射率分布 式成像测量，利用引入旋光色散和弱值放大的特性，大大提升了传感器测 量的分辨率，并且基于共光路的设计可以大大提高成像系统的鲁棒性。

本发明利用旋光色散效应进一步降低弱值提高弱测量放大效率，实现 了基于弱测量技术的表面折射率成像传感器，可用于包括生命科学、化学、 材料、电化学、物理学、医学等涉及到包括体折射率或者面折射的高精度 检测的领域中，并具有重要的应用价值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术优势：

(1)通过引入旋光色散效应能够进一步降低弱值以实现更大的弱值 放大效应。

(2)实现基于弱测量技术的表面折射率分布检测系统，首次实现了 基于弱值放大技术的表面折射率分布检测传感器。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于弱测量的表面折射率成像传感器的结 构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅 是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件， 它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称 为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接 至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合 或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实施例和 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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或 暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第 一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本 发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具 体的限定。

参阅图1，本发明实施例提供一种基于弱测量的表面折射率成像传感 器，包括依次设置在光路上的光源模块1、前选择模块、弱耦合作用模块、 后选择模块以及成像模块10，所述前选择模块经配置以实现对入射光频谱 和偏振状态的前选择过程，即实现弱值放大原理的前选择，所述弱耦合作 用模块经配置以实现偏振态和光频率间的弱耦合作用，所述后选择模块经 配置以实现弱值放大原理的后选择，其中，通过所述前选择过程、所述弱耦合作用和所述后选择过程来引入相位差和旋光色散，并通过所述成像模 块的成像信息获得高精度的相位测量结果，以便实现表面折射率分布的高 精度测量。

如图1所示，在优选的实施例中，所述前选择模块包括依次设置在光 路上的前选择偏振片3、光学棱镜4和消色差四分之一波片6。

如图1所示，在优选的实施例中，所述弱耦合作用模块包括旋光片7。

如图1所示，在优选的实施例中，所述后选择模块包括后选择偏振片 8。

如图1所示，在优选的实施例中，所述光源模块1包括超辐射二极管， 所述成像模块10包括成像相机。在一个实施例中，所述成像相机采用面阵 CCD。

如图1所示，在优选的实施例中，所述表面折射率成像传感器还包括 设置在所述光源模块1和所述前选择模块之间的准直透镜2。

如图1所示，在优选的实施例中，所述表面折射率成像传感器还包括 设置在所述光学棱镜4的全反射面外侧的样品池5。应理解，本发明也可 以不包括样品池，待测品放置在所述光学棱镜4的全反射面外侧即可。

如图1所示，在优选的实施例中，所述表面折射率成像传感器还包括 设置在所述光学棱镜4与所述成像模块10之间的成像透镜9。应理解，成 像透镜9不限制在后选择偏振片8和所述成像模块10之间，只要位于在光 学棱镜4和所述成像模块10之间即可。

本发明实施例还提供一种基于弱测量的表面折射率成像传感器的测量 方法，使用前述任一实施例的基于弱测量的表面折射率成像传感器实现表 面折射率分布的高精度测量。

以下进一步描述本发明的具体实施例及工作原理。

一种基于弱测量原理设计的表面折射率成像传感器，具备发光装置、 偏振态产生与检测装置、相位差和旋光色散引入装置以及光电探测装置， 其中采用了实现全内反射的棱镜。通过弱值放大的方法对入射光频谱和偏 振状态选择，得到高精度的相位测量结果，以便实现表面折射率分布的高 精度测量。

弱值放大原理可以分成三个组成部分：前选择、弱耦合作用和后选择。 如图1所示的装置光路结构，光束经光纤从光源导入，通过消色差透镜形 成准直光束，再经过第一个偏振片。之后光束以大于全反射角的入射角在 棱镜内表面反射，反射后p光和s光间的相位差受反射界面另一侧的折射 率影响。随后光束先后透过消色差四分之一波片、旋光片和偏振片。在这 里，将偏振片、反射界面和四分之一波片的作用视为前选择过程；旋光片 实现偏振态和光频率间的弱耦合作用；后偏振片实现后选择。在这里，使 用的光源是一个超辐射二极管，其频谱波函数近似满足中心频率为ω₀，标 准差为Δ的正态分布

第一个偏振片的偏振方 向设定与垂直方向夹角为π/4，偏振态可以写成

|H>和|V> 分别表示水平线偏振态和垂直线偏振态。之后光束以入射角θ(略大于全 反射角θ₀)打到棱镜内表面，反射光中p光和s光间增加了一定的相位差

由菲涅尔定理可知

其中n＝n₁/n₂，n₁＝1.73为棱镜的折射率，n₂为反射界面另一侧的等效 折射率,因此反射光的偏振态可以写作

之后，光束穿 过快轴方向设定在与垂直方向夹角为π/4的消色差四分之一波片，光束与其 的相互作用可以写作

因此前选择后光束的耦合态可以写作

这里，弱耦合作用是通过石英旋光片实现的。偏振态和频域间的耦合 作用可以用一个酉算子表示U＝e^-iτAω，其中τ是耦合强度，与旋光片的厚度 d相关,这里悬着的旋光片厚度为d＝1mm。ω是光频率，A是偏振算子 A＝-i|H><V|+i|V><H|。

弱耦合之后系统的状态可以写成

在之前工作中，通过测量中心波长的偏移来实现对其他物理量的高精 度测量。后选择过程是通过另一个偏振片来实现的，假定后选择态为

其中ε为小值，前后偏振态接近正交。 由弱值放大理论可知，中心波长偏移的放大倍数与弱值相关

当ε,

时，后选择能够放大中心波长的偏移。在反线性区域能够 得到最高的放大倍数。但是，许多工作显示在

处仍处于弱测 量区域，分析此时后选择的相对光强与相位

间的关系

可以得到经过后选择的光强与相位

间的精确解。选择

作为测量区域，近似可知这时光强与相位有着较好的线性关系。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而 不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请 人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这 些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当 视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施 例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点 包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的 示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、 结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结 合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的 不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已 经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请 的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种基于弱测量的表面折射率成像传感器，其特征在于，包括依次设置在光路上的光源模块、前选择模块、弱耦合作用模块、后选择模块以及成像模块，所述前选择模块经配置以实现对入射光频谱和偏振状态的前选择过程，即实现弱值放大原理的前选择，所述弱耦合作用模块经配置以实现偏振态和光频率间的弱耦合作用，所述后选择模块经配置以实现弱值放大原理的后选择，其中，通过所述前选择过程、所述弱耦合作用和所述后选择过程来引入相位差和旋光色散，并通过所述成像模块的成像信息获得相位测量结果，以便实现表面折射率分布的高精度测量。

2.如权利要求1所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，所述前选择模块包括依次设置在光路上的前选择偏振片、光学棱镜和消色差四分之一波片。

3.如权利要求1或2所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，所述弱耦合作用模块包括旋光片。

4.如权利要求1至3任一项所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，所述后选择模块包括后选择偏振片。

5.如权利要求1至4任一项所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，所述光源模块包括超辐射二极管，所述成像模块包括成像相机。

6.如权利要求5所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，所述成像相机采用面阵CCD。

7.如权利要求1至6任一项所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，还包括设置在所述光源模块和所述前选择模块之间的准直透镜。

8.如权利要求2至7任一项所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，还包括设置在所述光学棱镜的全反射面外侧的样品池。

9.如权利要求2至8任一项所述的表面折射率成像传感器，其特征在于，还包括设置在所述光学棱镜与所述成像模块之间的成像透镜。

10.一种基于弱测量的表面折射率成像传感器的测量方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的基于弱测量的表面折射率成像传感器实现表面折射率分布的高精度测量。

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