CN114152569A - 一种基于spr角谱的成像光学系统 - Google Patents

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CN114152569A CN202111362027.1A CN202111362027A CN114152569A CN 114152569 A CN114152569 A CN 114152569A CN 202111362027 A CN202111362027 A CN 202111362027A CN 114152569 A CN114152569 A CN 114152569A
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Abstract

本发明公开了一种基于SPR角谱的成像光学系统，包括：依次设置的发光单元、第一扩束准直镜组、消相干镜组、起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元；发光单元包括光源和单模光纤，光源输出的光束经过单模光纤生成入射点光源输出；第一扩束准直镜组接收入射点光源进行扩束和准直；消相干镜组接收准直光束进行消相干；起偏镜组接收消相干光束进行偏振；前置柱面会聚镜组接收P偏振光进行会聚；SPR传感器接收会聚光束进行SPR检测；后置柱面准直镜组接收楔形光束进行准直后输出至投影单元成像。通过实施本发明，提高了SPR角谱谱的投影成像分辨率及图像的明锐度。实现了带有SPR角谱信息的光束成像。

Description

一种基于SPR角谱的成像光学系统
技术领域
本发明涉及成像领域，具体涉及一种基于SPR角谱的成像光学系统。
背景技术
表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测技术是一种基于SPR原理的新型生物化学传感分析技术。由于该项技术具有灵敏度高、实时响应、动态监测、高通量、样品量少且无需标记等特点，使其在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、兴奋剂检测、毒品检测以及环境监测等领域具有广泛的应用需求。
SPR检测传感器的物理模型如图1(a)和图(b)所示。其中，SPR传感器的主体是反射面镀金膜的棱镜。SPR传感器的棱镜有两种构型：柱面棱镜构型和梯形棱镜构型，如图1(a)和图1(b)所示。这两种构型的传感原理相同，但可以针对不同的检测光学体统，选择适当的构型。
针对SPR传感器，首先考虑棱镜反射面未镀膜时的情况。棱镜为光密介质，折射率为n，被检样本为光疏介质，折射率为n′，则n′<n。根据全反射定律，可以得到光密和光疏介质分界面(即棱镜反射面)的全反射临界角为为θC＝arcsin(n′/n)。当入射光从棱镜一侧进入棱镜且射向棱镜反射面时，只要棱镜内的入射光与棱镜反射面的法线夹角(内入射角)θ≥θC，入射光就会被棱镜反射面全部反射，反射光没有能量损失。
再考虑棱镜反射面镀金膜后的情况。棱镜反射面镀一层厚度约几十纳米的金膜。由于这层金膜的厚度超薄，不会改变棱镜反射面的全反射条件。也就是说，只要棱镜的内入射角满足θ≥θC，仍然会发生全反射，但反射光的能量会出现亏损，这部分能量亏损正是由于发生在金膜上的表面等离子体谐振(SPR)所导致的。
如图1(a)和图(b)所示，自然光自棱镜一侧入射，其可分解为两个极化方向的偏振光：P光和S光，P光表示垂直于光轴且与入射面即棱镜截面平行的偏振光；S光表示垂直于光轴且与入射面垂直的偏振光。P光和S光入射到金膜平面上都会引发金膜内的等离子体(自由电子)的谐振，但由于极化方向不同，P光和S光所导致的介质界面的反射光效应是有区别的。
首先，S光的极化方向与金膜平面重合，且S光激发的金膜表面等离子体谐振的方向也与S极化方向相同，这部分谐振等离子体会在金膜表面自由流动，即S光引发的等离子体谐振的阻抗为零，不吸收能量，从而使S光反射后，能量没有损失。
而P光的极化方向与金膜平面相交，同样地P光激发的等离子体谐振的方向与P极化方向相同，则P光激发的等离子体谐振的方向也与金膜平面相交。由于金膜的厚度仅为光波长的约十分之一量级，远小于等离子体谐振的波长(谐振波长与光波长相同)，使其谐振空间受限，等离子体谐振无法在金膜中形成回路，从而使等离子体谐振波在与金膜相交的方向上以表面渐逝波的形式，自金膜表面向光疏介质中辐射出去，这部分辐射出去的能量就体现为P反射光的能量损失。这部分损失的能量可以在P反射光的四项基本参数(相对光强I、反射角θ、波长λ及相位φ)中反应出来。
当光疏介质(被检样本)在各类生化检测过程中发生互作反应时，其折射率n′就会发生微量变化，从而导致P反射光的四项基本参数同时发生变化。通过不同类型的调制手段，可以将这四项基本参数，相对光强I、反射角θ、波长λ及相位φ中的一至两项检测出来，从而能够定性、半定量或定量地导出被检样本折射率n′的微小变化。
根据反射光的四项基本参数(相对光强I、反射角θ、波长λ及相位φ)，可以建立SPR传感检测的四种调制类型，如图2(a)至(d)中所示。
图2(a)为光强调制型。当采用该调制类型时，采用单色P光入射，波长λ固定，入射角θin固定。当被检样本折射率n′发生变化时，如图2(a)中的光强调制谱所示，反射P光的相对光强I也随之发生变化，I是n′的函数，记为I(n′)。由于光强调制型的入射角是固定的，不能确定潜在的吸收谱的全部信息以及准确位置，只能检测出潜在吸收谱与θin位置线的交点处的光强，所以这种调制类型只能进行定性、半定量的检测，其应用范围受到限制。
图2(b)为角度调制型。当采用该调制类型时，采用单色P光入射，波长λ固定，连续改变入射角θin。当被检样本的折射率为n′，可得到反射P光的相对光强I随着反射角θ的改变而改变的光强-角度吸收谱线，这条谱线上的光强最小值所对应的反射角θ称为(SPR)谐振角，这个谐振角是被检样本折射率n′的函数，记为θ(n′)。图2(b)中示意的角度调制谱(简称SPR角谱；角谱)体现了被检样本折射率n′变化时谐振角θ(n′)的变化。角度调制型SPR检测方法的灵敏度较高，仪器结构相对简单，性价比高，所以在当前的工程实践中是应用最广泛的检测方法。
图2(c)为波长调制型。当采用该调制类型时，采用复色P光入射，入射角θin固定，入射光谱在可见光波长λ(400～700nm)范围内，不同光源有不同的特定光谱分布(图中示意的入射光谱为某型氙灯光谱分布)。当被检样本的折射率为n′，可得到反射P光的相对光强I随着反射波长λ的改变而改变的光强-波长吸收谱线，这条谱线上的光强最小值所对应的波长λ称为(SPR)谐振波长，这个谐振波长是被检样本折射率n′的函数，记为λ(n′)。图2(c)中示意的波长调制谱(简称SPR波长谱；波长谱)体现了被检样本折射率n′变化时谐振波长λ(n′)的变化。波长调制型SPR检测方法的灵敏度较高，但由于需要增加光谱分光扫描装置，仪器结构较为复杂，使得性价比不高，所以在当前的工程实践中较为少见。
图2(d)为相位调制型。当采用该调制类型时，采用单色自然光(包含S光和P光)入射，波长λ固定，入射角θin固定。入射光经棱镜反射面反射后，用极化分光镜将S光与P光分离为两路；这两路光再通过旋光镜使S光与P光的极化方向趋向一致，此时S光与P光的光路与双缝干涉的光路是等效的；随后用会聚透镜将这两路光聚焦到到投影屏上，就会得到一组S光与P光的干涉条纹(相位干涉谱)。这组干涉谱与被检样本的折射率n′相对应，其在屏幕上的位置x是被检样本折射率n′的函数，记为x(n′)。当n′改变时，S光的相位φS恒定不变，但P光的相位φP发生了改变，从而导致S光与P光的相位干涉谱发生位移。图2(d)中示意的相位调制谱(简称SPR相位谱；相位谱)体现了被检样本折射率n′发生变化时，干涉谱位置x(n′)也随之发生的变化。和以上三种调制类型比较，相位调制型的检测灵敏度是最高的，但被检样本折射率n′的绝对值标定困难，所以相位调制型一般只应用于某些特定场合。
对于上述角度调制型的检测，有两种技术路线：一种是SPR角谱同步角度扫描法；另一种是SPR角谱楔形光束投影法。
对于SPR角谱同步角度扫描法，采用梯形棱镜构型，以棱镜反射面的中心作为旋转中心，入射光束与反射光束绕旋转中心作同步对称往复摆转(摆转角满足全反射条件、反射角恒等于入射角)，即为同步角度扫描。在一个扫描周期(约5～10秒)内，可得一条光强随角度变化的光强-角度吸收谱。连续进行这种同步扫描，就得到了一系列SPR角度调制谱，其反映了被检样本折射率n′的变化。同步角度扫描法的优点是：棱镜反射面上的检测位点(反应池)可按二维阵列布置，位点容量较大。但它的缺点也很明显：由于存在一个5～10秒的扫描周期，所以无法做到真正的实时动态响应。
对于SPR角谱楔形光束投影法，如图3所示，当采用柱面棱镜构型时，入射光束为会聚的楔形光束，反射光束为发散的楔形光束；楔形顶角与棱镜反射面中心线重合；入射光束与反射光束镜像对称；在反射光路的适当位置，安放一面与光路垂直的半透明投影屏(如磨砂玻璃、乳白胶片等)。棱镜反射面上的检测位点注入被检样本后，反射的楔形光束就包含了与检测位点内被检样本折射率n′相关的吸收谱信息，在投影屏上能够观察到光强I随反射角θ变化的角度吸收谱的投影像。在投影屏的背面安置一部工业相机用于拍摄投影屏的角谱图像，相机按照帧频的速率，逐帧记录了随着被检样本折射率n′变化而变化的的角度调制谱。
SPR角谱楔形光束投影法的优点是，能够以每秒几十帧图像(按相机帧频)的速率，完全实时动态地记录SPR角谱，从而能够实时动态地检测被检样本折射率n′的变化。然而由于光源选择的困难及光路设计的不完善，使其图像分辨率和明暗对比度仍有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于SPR角谱的成像光学系统，以解决现有技术中当采用SPR角度调制谱进行SPR传感检测时光路设计不完善导致图像分辨率和明暗对比度较差的技术问题。
本发明实施例提供了一种基于SPR角谱的成像光学系统，包括：依次设置的发光单元、第一扩束准直镜组、消相干镜组、起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元；所述发光单元包括光源和单模光纤，所述光源的光功率大于预设值，所述光源输出的光束经过单模光纤生成入射点光源输出；所述第一扩束准直镜组接收所述入射点光源进行扩束和准直，输出准直光束；所述消相干镜组接收所述准直光束进行消相干，输出消相干光束；所述起偏镜组接收所述消相干光束进行偏振，输出P偏振光；所述前置柱面会聚镜组接收所述P偏振光进行会聚，输出会聚光束；所述SPR传感器接收所述会聚楔形光束进行SPR检测，输出包含SPR角谱信息的发散楔形光束；所述后置柱面准直镜组接收所述发散楔形光束进行准直，输出准直光束至所述投影单元进行成像。
可选地，基于SPR角谱的成像光学系统还包括：球差镜组，所述球差镜组设置在所述消相干镜组和所述起偏镜组之间，所述球差镜组接收所述消相干光束进行像差校正，输出近似无衍射光束。
可选地，基于SPR角谱的成像光学系统还包括：第二扩束准直镜组，所述第二扩束准直镜组设置在所述球差镜组和所述起偏镜组之间，所述第二扩束准直镜组接收所述近似无衍射光束进行扩束和准直，输出准直光束。
可选地，所述消相干镜组包括：依次设置的一次消相干镜组和二次消相干镜组，所述一次消相干镜组和/或二次消相干镜组包括半透半反镜、第一反光镜和第二反光镜，所述第一反光镜和所述第二反光镜分别接收经过所述半透半反镜的反射光和透射光反射回所述半透半反镜。
可选地，所述投影单元包括：CCD成像单元，所述CCD成像单元接收准直光束进行成像。
可选地，所述投影单元还包括：物镜组和目镜组，所述物镜组和目镜组用于将所述准直的楔形光束进行预设倍率压缩后，输出压缩后的准直光束至所述CCD成像单元进行成像。
可选地，所述球差镜组包括：依次设置的球差正透镜和球差负透镜，所述球差正透镜和所述球差负透镜的玻璃牌号不同。
可选地，所述第一扩束准直镜组包括：一级扩束准直透镜组，所述一级扩束准直透镜组扩束负透镜和双胶合准直透镜。
可选地，所述第二扩束准直镜组包括：依次设置的二级扩束准直透镜组、三级扩束透镜组和三级准直透镜组。
可选地，所述物镜组包括：依次设置的第一平凹透镜、平凸透镜和第一凸透镜；所述目镜组包括：依次设置的第二平凹透镜、第二凸透镜和第三平凹透镜。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的基于SPR角谱的成像光学系统，采用光源和单模光纤的结构取代了现有SPR角谱楔形光束投影技术中的LED光源。和LED光源的发光面(1×1mm)相比，从单模光纤输出的点光源的模场直径只有不到5微米，这个极小的光斑尺寸完全可以视为近似理想点光源，其可以最大限度地改善其后光学系统的准直度，从而大幅提高了SPR角度调制谱的投影成像分辨率及图像的明锐度。其次，设置光源的光功率大于预设值，对于提高图像明暗对比度或反差有很大帮助。并且，通过设置第一扩束准直镜组、消相干镜组，实现了光束的扩束、准直以及消相干，使得光束中个随机散斑得到匀化，降低甚至消除散斑对后续成像的影响；而起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元的设置，实现了带有SPR角谱信息的光束成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)和图1(b)为SPR检测传感器的物理模型示意图；
图2(a)至图2(d)为SPR传感检测的四种调制类型示意图；
图3为SPR角谱楔形光束投影法示意图；
图4为本发明实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的结构框图；
图5为本发明实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的结构原理图；
图6为本发明实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的发光单元的结构示意图；
图7为本发明另一实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的结构示意图；
图8为本发明另一实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的结构示意图；
图9为本发明另一实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的结构示意图；
图10(a)和图10(b)为本发明实施例的基于SPR角谱的成像光学系统的投影单元的结构示意图。
具体实施方式
正如在背景技术中所述，目前的SPR角谱楔形光束投影技术虽然有着能够完全实时动态地记录SPR角谱的优势，但由于光源选择的困难及光路设计的不完善，使其图像分辨率和明暗对比度仍有待提高。
首先是光源的问题，目前的SPR楔形光束角谱投影法一般采用高功率单色发光二极管(LED)作为光学系统的光源，其后的光学系统对其发出的发散光束进行扩束准直，然后通过柱面镜组将准直光束会聚成楔形光束，射入柱面棱镜传感器。虽然LED光源成本较低，便于控制，但它也有不可避免的缺陷：LED不是点光源，它的光是从一个约1×1毫米的小发光面发出的，这个发光面虽然很小，但和理想点光源的差距还是很大，其后的光学系统无法对其进行真正的准直，这个“准直”光束其实是有一定发散度的，这就导致了角度吸收谱的投影图像不清晰，造成分辨率下降、灵敏度降低及噪声较高等不利影响。另外LED的光功率不高，最多1毫瓦左右，而且其光束的发散角很大，所以传输到像面的光功率较低，致使图像的明暗对比度不足，明暗反差小，这就造成了吸收谱曲线趋于平缓，深度不够，降低了谐振角θ(n′)的解算精度。
其次是接收角谱图像的投影屏。目前的结构中，相机是从屏幕的背面拍摄图像的，这幅图像只获得了透过屏幕的部分光能，其余大部分能量在投影屏正面被反射了；此外构成屏幕的微观材料颗粒也会产生光的散射及图像干扰。这两个因素叠加，也会使相机拍摄的图像分辨率和明暗对比下降。
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于SPR角谱的成像光学系统，包括：依次设置的发光单元、第一扩束准直镜组、消相干镜组、起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元；所述发光单元包括光源和单模光纤，所述光源的光功率大于预设值，所述光源输出的光束经过单模光纤生成入射点光源输出；所述第一扩束准直镜组接收所述入射点光源进行扩束和准直，输出准直光束；所述消相干镜组接收所述准直光束进行消相干，输出消相干光束；所述起偏镜组接收所述消相干光束进行偏振，输出P偏振光所述前置柱面会聚镜组接收所述P偏振光进行会聚，输出会聚光束；所述SPR传感器接收所述会聚楔形光束进行SPR检测，输出包含SPR角谱信息的发散楔形光束；所述后置柱面准直镜组接收所述发散楔形光束进行准直，输出准直光束至所述投影单元进行成像。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种基于SPR角谱的成像光学系统，如图4所示，包括：依次设置的发光单元L1、第一扩束准直镜组L20、消相干镜组L30、起偏镜组L8、前置柱面会聚镜组L9、SPR传感器M1、后置柱面准直镜组R1以及投影单元R20；所述发光单元L1包括光源和单模光纤，所述光源的光功率大于预设值，所述光源输出的光束经过单模光纤生成入射点光源输出；所述第一扩束准直镜组L20接收所述入射点光源进行扩束和准直，输出准直光束；所述消相干镜组L30接收所述准直光束进行消相干，输出消相干光束；所述起偏镜组L8接收所述消相干光束进行偏振，输出P偏振光；所述前置柱面会聚镜组L9接收所述P偏振光进行会聚，输出会聚光束；所述SPR传感器M1接收所述会聚楔形光束进行SPR检测，输出包含SPR角谱信息的发散楔形光束；所述后置柱面准直镜组R1接收所述发散楔形光束进行准直，输出准直光束至所述投影单元R20进行成像。
具体地，预设值可以是大于等于100毫瓦。在一实施方式中，所述光源由激光二极管(LD)构成，光源和单模光纤之间设置有光纤耦合器，光纤耦合器用于将光源输出的光束耦合进入单模光纤。其中，采用LD作为光源，由于LD的光功率可达100毫瓦量级，经过单模光纤的衰减，单模光纤输出端的光功率仍可达到10毫瓦量级，且单模光纤输出端的光能比较集中，光纤出射的光束为高斯光束，其数值孔径NA约为0.12。这一光功率特征对提高图像明暗对比度有很大帮助；其次，单模光纤的出射模场直径不大于5微米，所以单模光纤的出射端可以看做是近似理想点光源，这个近似理想点光源可大幅提高其后光学系统的准直度，从而明显提高投影图像的明锐度和分辨率。
然后，采用LD作为光源时，需要克服LD的特有缺陷，即投影图像中的微小随机蠕动散斑。这个缺陷是LD发光过程中特有的量子涨落和光纤短相干特性造成的，单模光纤出射光束的相干长度δl<10mm，由此第一扩束准直镜组后设置的消相干镜组可以对其进行消相干，克服该缺陷。
本发明实施例提供的基于SPR角谱的成像光学系统，采用光源和单模光纤的结构取代了现有SPR角谱楔形光束投影技术中的LED光源。和LED光源的发光面(1×1mm)相比，从单模光纤输出的点光源的模场直径只有不到5微米，这个极小的光斑尺寸完全可以视为近似理想点光源，其可以最大限度地改善其后光学系统的准直度，从而大幅提高了SPR角度调制谱的投影成像分辨率及图像的明锐度。其次，设置光源的光功率大于预设值，对于提高图像明暗对比度或反差有很大帮助。并且，通过设置第一扩束准直镜组、消相干镜组，实现了光束的扩束、准直以及消相干，使得光束中个随机散斑得到匀化，降低甚至消除散斑对后续成像的影响；而起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元的设置，实现了带有SPR角谱信息的光束成像。
在一实施方式中，该基于SPR角谱的成像光学系统还包括：球差镜组和第二扩束准直镜组，所述球差镜组设置在所述消相干镜组和所述起偏镜组之间，所述第二扩束准直镜组设置在所述球差镜组和所述起偏镜组之间，第二扩束准直镜组包括：依次设置的二级扩束准直透镜组、三级扩束透镜组和三级准直透镜组；所述球差镜组接收所述消相干光束进行像差校正，输出近似无衍射光束。所述第二扩束准直镜组接收所述近似无衍射光束进行扩束和准直，输出准直光束。
通过设置球差镜组，可以在校正像差时，保留适当的球差。这个保留的球差可以使前述匀化准直光束聚焦后产生近似无衍射光束，这个近似无衍射光束可以进一步改善其后光学系统的准直度和聚焦质量，并获得更长的准直区间。通过球差镜组聚焦后的焦点被这个透镜组聚焦后产生的光点就是其后光学系统的入射点光源，简称系统点光源，其与当前的LED发光面和光功率相比，光斑可近似为理想点光源，且光功率大幅提高。
在一实施方式中，投影单元包括：物镜组、目镜组和CCD成像单元，述物镜组和目镜组用于将所述准直的楔形光束进行预设倍率压缩后，输出压缩后的准直光束至所述CCD成像单元进行成像。
其中，物镜组和目镜组共同构成了典型的伽利略望远系统，这个系统将前述出射光束以适当倍率压缩后，仍以准直光束出射，投影到CCD上进行成像。这个目镜组在光轴上的位置是可调的，调整目镜组沿光轴的位置，可以改变投影像的放大率，以适应其后CCD的H-V的不同安置方向。
CCD成像单元实际上是整个光学系统的成像面，也即SPR角谱的投影成像面。通常CCD的幅面尺寸用H和V表示，H为幅面宽度，V为幅面高度，标准幅面宽高比为H:V＝4:3。当CCD的H立向、V横向安置时，其与前述物镜组和目镜组构成的系统的标准放大率相对应，此时SPR角谱的角度方向可获得较多的CCD像素数，从而使角谱图像的分辨率处于高位，但其可容纳的检测位点数相对较少。反之，当CCD的V立向、H横向安置时，其与前述物镜组和目镜组构成的系统的较小放大率(目镜后移)相对应，此时，可容纳的检测位点数增多，但SPR角谱的角度方向获得的CCD像素数和前述安装状态相比下降了四分之一，从而使图像的分辨率处于低位。CCD的这两种安置状态可按照不同的应用进行选择。
在一实施方式中，该基于SPR角谱的成像光学系统中的发光单元、第一扩束准直镜组、消相干镜组、球差镜组、第二扩束准直镜组、起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元具体可以采用如图5所示的结构。
首先，如图5和图6所示，发光单元L1由激光二极管L1.1(LD)、光纤耦合器L1.2及单模光纤L1.3构成。LD发出的单色激光通过光纤耦合器耦合进入单模光纤，从光纤的出射端射出。第一扩束准直镜组包括：一级扩束准直透镜组L2，如图5和图7所示，一级扩束准直透镜组L2由一级扩束负透镜L2.1和一级双胶合准直透镜L2.2构成。一级扩束负透镜对前述光纤出射点光源进行第一次扩束，再由一级双胶合准直透镜对其进行准直，得到一级准直光束射入其后的消相干镜组。
如图5和图7所示，消相干镜组包括：依次设置的一次消相干镜组L3－1和二次消相干镜组L3－2，这两个消相干镜组构造完全相同，且两者光路串联使用。一次消相干镜组L3－1和二次消相干镜组L3－2分别由半透半反镜L3.0、第一反射镜L3.1和第二反射镜L3.2构成。前述的一级准直光束射入消相干镜组的入射端后，由一个倾斜45°安置的半透半反镜L3.0分成两束光：由半透半反镜L3.0反射的光束被第一反射镜L3.1反射后回到半透半反镜L3.0且透过半透半反镜L3.0射向消相干镜组的出射端；透过半透半反镜L3.0的透射光束被第二反射镜L3.2反射后回到半透半反镜L3.0且由半透半反镜L3.0反射后也射向消相干镜组的出射端。由此，回到半透半反镜的光束，相对入射光转折90°后，再合成为一束光。两个反射镜的安装位置保证分出的两束光的光程差ΔS＞＞δl，使这两束光不发生干涉，完成消相干过程。而二次消相干镜组能够对经过一次消相干镜组的消相干光束进行第二次消相干。经过两次消相干后，其出射光束与四束非相干光合束后的效果等效，从而消除了前述光纤点光源的短相干性，成为非相干准直光束出射，从而能够减弱以致消除由LD和光纤产生的随机散斑对图像清晰度的影响。
具体地，如图7所示，用S1、S2分别表示L3.1、L3.1各自到L3.0的光程，那么一级准直光束被消相干镜组分束后的两束光的光程差为ΔL＝2(S1－S2)，和前述的光纤点光源相干长度δl比较，只要满足条件ΔL＞＞δl，这两束光合并后就是消相干的。经过L3－1和L3－2两个消相干镜组依次消相干后，一级准直光束等效于被分成四束光后再重新合并为一束准直光，也就相当于前述(一个)光纤出射点光源变成了四个同位的光纤出射点光源共同准直后出射，这个从L3-2出射端射出的准直光束称为匀化准直光束，其使LD的随机散斑得到匀化，降低直至消除散斑对后续成像的影响。
如图5和图7所示，球差镜组L4包括：依次设置的球差正透镜L4.1和球差负透镜L4.2，所述球差正透镜和所述球差负透镜的玻璃牌号不同，且球差正透镜和所述球差负透镜的折射率不同。球差镜组L4将前述匀化准直光束进行聚焦。这组透镜在校正像差时，保留适当的球差。这个保留的球差可以使前述匀化准直光束聚焦后产生近似无衍射光束，这个近似无衍射光束可以进一步改善其后光学系统的准直度和聚焦质量，并获得更长的准直区间。球差镜组L4聚焦后的焦点被这个透镜组聚焦后产生的光点就是其后光学系统的入射点光源，简称系统点光源，其与当前的LED发光面和光功率相比，光斑可近似为理想点光源，且光功率大幅提高。
如图5和图8所示，二级扩束准直透镜组L5由二级扩束负透镜L5.1和二级双胶合准直透镜L5.2构成。二级扩束负透镜L5.1其对前述系统点光源进行扩束(也是光纤点光源的第二次扩束)，再由二级双胶合准直透镜L5.2对其进行准直，得到二级准直光束射入其后的三级准直透镜组。
如图5和图8所示，三级扩束透镜组L6由负透镜L6.1和弯月透镜L6.2构成。三级扩束透镜组L6对前述的二级准直光束进行第三次扩束，射入其后的三级准直透镜组。
如图5和图8所示，三级准直透镜组L7由平凹透镜L7.1、平凸透镜L7.2和凸透镜L7.3构成。三级准直透镜组L7对前述第三次扩束后的发散光束进行准直，得到三级准直光束。至此，光学系统的扩束准直工作全部完成，自单模光纤点光源出射的高斯光束经过两次消相干、一次生成近似无衍射光束及三次扩束准直后，光束口径满足要求、光束准直度得到优化、光束已经消相干且近似无衍射、光束轴线上的亮度与光束边缘的亮度之比即光束渐晕系数已超过85％，完全满足后续的投影成像要求。
如图5和图8所示，起偏镜组L8由一对直角棱镜L8.1、L8.2通过棱镜的斜面胶合而成，两个直角棱镜的斜面镀P极化偏振膜。前述三级准直光束通过起偏镜组L8后，S光被阻断，只有P光能够通过起偏镜组。前述的三级准直光束通过起偏镜组L8后，得到P极化准直光束射入其后的双胶合柱面镜组。
如图5和图9所示，前置柱面会聚镜组L9由柱面凸透镜L9.1和柱面凹透镜L9.2胶合而成，其作用是将前述P极化准直光束会聚成一束楔形光束，入射到其后的SPR传感器中用于检测。至此，整个光学系统中的入射楔形光束调制完成。
如图5和图9所示，SPR传感器M1由柱面棱镜构成，是成像系统的核心。其中棱镜M1.1采用柱面棱镜构型，棱镜反射面镀几十纳米厚度的金膜。从图9的SPR传感器俯视图可以看出，金膜表面敷设一层惰性膜片M1.2，膜片沿棱镜中心线开设一排槽孔，其以金膜为底一起构成传感器的检测位点(反应池)，所有的生化互作反应在这些反应池内发生，由此引发SPR响应。图中反应池的宽度及数量仅为示意，具体的反应池宽度和数量由特定的生化应用所决定，反应池宽度大，可安排的位点数量少；反之，反应池宽度小，可安排的位点数量多。
如图5和图9所示，入射楔形光束经棱镜M1.1反射面反射后，相对入射楔形光束，完全镜像地以发散楔形光束的模式射出，出射的发散楔形光束包含了全部SPR角谱信息。
如图5和图9所示，后置柱面准直镜组R1与前置柱面会聚镜组L9的构造完全相同，但其与L9互为镜像对称安置。后置柱面准直镜组R1将M1反射的发散楔形光束进行准直，准直后的出射光束与前述P极化准直光束完全镜像对称且光路互逆，这个光束称为出射SPR准直光束。和现有的投影屏截像技术相比，后置柱面准直镜组R1出射的的SPR准直光束保留了SPR传感器M1反射的全部光功率和SPR角谱信息。
如图5、图10(a)和图10(b)所示，物镜组R2、目镜组R3及CCD成像单元R4构成了整个光学系统中的无焦投影成像系统。物镜组R2构造与前述三级准直透镜组L7完全相同，但其沿光路方向相对L7三级准直透镜组为对向安置。目镜组R3由平凹透镜R3.1、平凸透镜R3.2及平凹透镜R3.3组成。
如图5、图10(a)和图10(b)所示，物镜组R2、目镜组R3共同构成了一个典型的伽利略望远系统，这个系统将前述出射SPR准直光束以适当倍率压缩后，仍以准直光束出射，投影到CCD上进行成像。CCD成像单元R4是整个光学系统的成像面，或者说是SPR角谱的投影成像面。通常CCD的幅面尺寸用H和V表示，H为幅面宽度，V为幅面高度，宽高比为H﹕V＝4﹕3，同样地，像素数比值同样为NH﹕NV＝4﹕3。
如图10(a)所示，示意了无焦投影成像系统在标准成像放大率状态时，CCD立向安置所得的SPR角谱投影情形。当物镜组R2和目镜组R3的间距为P0时，成像系统的放大率为标准放大率，CCD立向安置，如图10(a)所示。此时SPR角谱的θ值由像素数NH表达，从而可得到相对较高的角度分辨率，但可容纳的检测位点数较少。
如图10(b)所示，示意了无焦投影成像系统在减小成像放大率状态时，CCD横向安置时所得的SPR角谱投影情形。当物镜组R2和目镜组R3的间距增大为P1时，成像系统的放大率变小，CCD横向安置，如图10(b)所示。此时SPR角谱的θ值由像素数NV表达，使角度分辨率下降，但可容纳的检测位点数较多。
本发明实施例提供的基于SPR角谱的成像光学系统，采用LD和单模光纤取代了现有SPR角谱楔形光束投影技术中的LED光源。和LED光源的发光面(1×1mm)相比，发光单元的光纤输出端的模场直径只有不到5微米，这个极小的光斑尺寸完全可以视为近似理想点光源，其可以最大限度地改善其后光学系统的准直度，从而大幅提高了SPR角度调制谱的投影成像分辨率及图像的明锐度。其次，LD耦合光纤点光源的输出光功率与LED光源相比提高了一个数量级，这一光功率特征对提高图像明暗对比度/反差有很大帮助。
本发明实施例提供的基于SPR角谱的成像光学系统，采用能够生成近似无衍射光束的球差透镜组来获得更长的准直区间，从而进一步改善了光学系统的准直度和聚焦质量。
本发明实施例提供的基于SPR角谱的成像光学系统，接收端取消了现有SPR角谱楔形光束投影技术中的投影屏，直接将SPR传感器反射的楔形光束进行准直，然后通过无焦投影成像系统将包含SPR角谱的准直光束直接投射到CCD接收面上，从而避免了投影屏的光能损失和图像散射干扰，使CCD接收到的图像最大限度地保留了SPR角谱的全部能量和信息，提高了角谱图像的明暗对比度和明锐度，这对SPR角度调制谱的分析解算大有裨益。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，包括：依次设置的发光单元、第一扩束准直镜组、消相干镜组、起偏镜组、前置柱面会聚镜组、SPR传感器、后置柱面准直镜组以及投影单元；
所述发光单元包括光源和单模光纤，所述光源的光功率大于预设值，所述光源输出的光束经过单模光纤生成入射点光源输出；
所述第一扩束准直镜组接收所述入射点光源进行扩束和准直，输出准直光束；
所述消相干镜组接收所述准直光束进行消相干，输出消相干光束；
所述起偏镜组接收所述消相干光束进行偏振，输出P偏振光；
所述前置柱面会聚镜组接收所述P偏振光进行会聚，输出会聚楔形光束；
所述SPR传感器接收所述会聚楔形光束进行SPR检测，输出包含SPR角谱信息的发散楔形光束；
所述后置柱面准直镜组接收所述发散楔形光束进行准直，输出准直光束至所述投影单元进行成像。
2.根据权利要求1所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，还包括：球差镜组，所述球差镜组设置在所述消相干镜组和所述起偏镜组之间，所述球差镜组接收所述消相干光束进行像差校正，输出近似无衍射光束。
3.根据权利要求2所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，还包括：第二扩束准直镜组，所述第二扩束准直镜组设置在所述球差镜组和所述起偏镜组之间，所述第二扩束准直镜组接收所述近似无衍射光束进行扩束和准直，输出准直光束。
4.根据权利要求1所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，所述消相干镜组包括：依次设置的一次消相干镜组和二次消相干镜组，所述一次消相干镜组和/或二次消相干镜组包括半透半反镜、第一反光镜和第二反光镜，所述第一反光镜和所述第二反光镜分别接收经过所述半透半反镜的反射光和透射光反射回所述半透半反镜。
5.根据权利要求1所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，所述投影单元包括：CCD成像单元，所述CCD成像单元接收准直光束进行成像。
6.根据权利要求5所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，所述投影单元还包括：物镜组和目镜组，所述物镜组和目镜组用于将所述准直的楔形光束进行预设倍率压缩后，输出压缩后的准直光束至所述CCD成像单元进行成像。
7.根据权利要求2所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，所述球差镜组包括：依次设置的球差正透镜和球差负透镜，所述球差正透镜和所述球差负透镜的玻璃牌号不同。
8.根据权利要求1所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，所述第一扩束准直镜组包括：一级扩束准直透镜组，所述一级扩束准直透镜组扩束负透镜和双胶合准直透镜。
9.根据权利要求3所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，所述第二扩束准直镜组包括：依次设置的二级扩束准直透镜组、三级扩束透镜组和三级准直透镜组。
10.根据权利要求6所述的基于SPR角谱的成像光学系统，其特征在于，
所述物镜组包括：依次设置的第一平凹透镜、平凸透镜和第一凸透镜；
所述目镜组包括：依次设置的第二平凹透镜、第二凸透镜和第三平凹透镜。
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