CN114200636B - 物镜、光学成像设备、光学系统以及光学系统检测方法 - Google Patents

物镜、光学成像设备、光学系统以及光学系统检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物镜、光学成像设备、光学系统以及光学系统检测方法，涉及光学检测领域，用以优化物镜的结构。物镜包括壳体以及光学聚焦组件。壳体具有内腔，内腔具有第一开口和第二开口。光学聚焦组件，安装于内腔中，光学聚焦组件的焦点位于第二开口处，光学聚焦组件被构造为使得经由第一开口进入到壳体内的光线聚焦于焦点处。上述技术方案提供的物镜，其具有壳体和光学聚焦组件，光学聚焦组件基于反射原理、折射原理中的一种实现光线聚焦，激发角度的范围可以很大，以满足不同需求样品的激发需求。

Description

物镜、光学成像设备、光学系统以及光学系统检测方法
技术领域
本发明涉及光学光谱技术领域，具体涉及一种物镜、光学成像设备、光学系统以及光学系统检测方法。
背景技术
光学光谱技术，如振动光谱和荧光/光致发光光谱等，采用光学系统将激发光束聚焦在样品区域，通过分析散射光(反射或透射光)相对激发光的频率和强度的变化，解析样品的物理化学性质。光学光谱探测技术具有不损伤样品、环境要求低、灵敏度高和易于搭载在现有分析装置中实现关联功能等优势，在生产和生活中具有广泛用途。
线偏振垂直激发样品是光学光谱技术中最常用方式。例如在食品卫生检测和公共安全检测等领域，经过预处理后样品位于平整的衬底表面。微观大量无序排列的样品分子在宏观上表现为均匀分布，这种平均效果降低了样品对激发光的入射角度和偏振态的敏感度。但当测试的样品表现出周期性排列或样品的量降低时，激发光的偏振态和激发角对光谱逐渐产生显著影响，并给检测带来不利影响。
相关技术中，光学检测设备的偏振态和偏振角是确定的，当光学检测设备的偏振态和偏振角正好与样品所要求的偏振态和偏振角一致时，可以实现样品的检测。但样品的特性不相同，所需要的激发光线的偏振态和偏振角也不相同。相关技术中的光学检测设备，都只可以检测特定的样品。
发明人发现，目前业内亟需研发一种可以适用于多种不同特性样品检测的光学光谱装置。
发明内容
本发明提出一种物镜、光学成像设备、光学系统以及光学系统检测方法，用以优化物镜的结构。
本发明一些实施例提供一种物镜，包括：
壳体，具有内腔，所述内腔具有第一开口和第二开口；以及
光学聚焦组件，安装于所述内腔中，所述光学聚焦组件的焦点位于所述第二开口处，所述光学聚焦组件被构造为使得经由所述第一开口进入到所述壳体内的光线聚焦于所述焦点处。
在一些实施例中，所述光学聚焦组件包括：
透镜组，包括至少两个透镜，其中，激发光经过所述透镜后聚焦于所述壳体外侧的同一点；或者，激发光经过各个所述透镜后聚焦于所述第二开口所在的平面上的同一点。
在一些实施例中，所述透镜组的各个所述透镜成排设置且各个所述透镜的凹面均朝向所述焦点所在的一侧，并且，沿着朝向所述焦点的方向：各个所述透镜的折射率逐渐升高。
在一些实施例中，所述透镜组存在至少一个所述透镜，该透镜凹面和凸面中的至少其中之一为二次曲面。
在一些实施例中，所述光学聚焦组件包括：
金属板，包括弧面；所述金属板与所述壳体是一体的。
在一些实施例中，所述弧面的曲线函数满足抛物线方程。
在一些实施例中，物镜还包括：
全反射透镜，安装于所述壳体，且所述全反射透镜的球心位于所述光学聚焦组件的焦点。
在一些实施例中，所述全反射透镜包括半球棱镜，所述半球棱镜的凸面远离焦点所在的一侧，所述半球棱镜的平面朝向所述焦点所在的一侧，所述全反射透镜的平面设置有用于激发出表面电磁波模式的增强层。
在一些实施例中，所述增强层包括沉积于所述全反射透镜的平面的第一金属层或者制备于所述全反射透镜的平面的二维材料膜层。
在一些实施例中，所述第一金属层的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铂、钯；或者，所述二维材料膜层的材质选自以下其中一种或者多种：石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫族化合物构成的异质结。
在一些实施例中，所述全反射透镜包括半球棱镜，所述半球棱镜的凸面远离所述焦点所在的一侧，所述半球棱镜的平面朝向所述焦点所在的一侧，所述全反射透镜的平面沉积有半反射半透过膜层，所述半反射半透过膜层被构造为使得部分光线被反射且其余的光线被透射，以在所述半反射半透过膜层远离所述壳体的表面形成表面全反射。
在一些实施例中，所述半反射半透过膜层的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铝、铁、铂、钯、铑。
在一些实施例中，所述半反射半透过膜层的厚度为5纳米～50纳米。
在一些实施例中，所述全反射透镜采用半球棱镜，所述半球棱镜的凸面远离所述焦点所在的一侧，所述半球棱镜的平面朝向所述焦点所在的一侧，所述全反射透镜的平面沉积有波导材料层。
在一些实施例中，所述波导材料层包括：
第二金属层，沉积于所述半球棱镜的平面；以及
波导介质层，沉积于所述第二金属层远离所述半球棱镜的表面。
在一些实施例中，物镜还包括：
支架，所述支架与所述壳体固定连接，所述全反射透镜通过所述支架安装于所述壳体。
在一些实施例中，所述全反射透镜包括：
第一透镜部，与所述壳体固定或者可拆卸连接；以及
第二透镜部，与所述第一透镜部可拆卸连接，所述第二透镜部远离所述第一透镜部的表面用于支撑样品。
在一些实施例中，所述光学聚焦组件的激发角的角度为0°～85°。
在一些实施例中，所述光学聚焦组件的覆盖角度调节范围为0.5°～5°。
在一些实施例中，所述物镜的通光孔径是显微物镜通光孔径的1.2倍～10倍。
本发明另一些实施例提供一种光学成像设备，包括本发明任一技术方案所提供的物镜。
在一些实施例中，光学成像设备还包括：
衬底，设置于所述壳体的外部，所述衬底被构造为放置待检测的样品。
所述衬底被构造为金属的，或者，所述衬底朝向所述壳体的一侧设置有第三金属层或者二维材料膜层。
所述第三金属层的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铂、钯。
所述二维材料膜层的材质选自以下其中一种或者多种：石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫族化合物构成的异质结。
在一些实施例中，所述光学聚焦组件的焦点位于所述衬底的表面。
在一些实施例中，所述衬底位于所述光学聚焦组件的焦点之外。
在一些实施例中，所述衬底位于所述光学聚焦组件的焦点之外，且所述衬底与所述光学聚焦组件的全反射透镜之间夹设有用于调整间距的微纳米球。
在一些实施例中，光学成像设备还包括：
纳米颗粒，沉积于所述衬底，所述纳米颗粒位于所述光学聚焦组件的焦点区域。
在一些实施例中，光学成像设备还包括：
激光器，被构造为发射激光；
扩束器，设于所述光学聚焦组件的上游，且位于所述激光器的下游，以对所述激光器发出的光线进行扩束。
在一些实施例中，光学成像设备还包括：
变束器，包括第一锥镜和第二锥镜，所述第一锥镜和所述第二锥镜的距离可调节；所述第一锥镜位于所述变束器和所述第二锥镜之间，所述第一锥镜包括内凹锥面，所述第二锥镜包括外凸锥面，所述内凹锥面和所述外凸锥面相对设置；其中，所述变束器被构造为改变经由所述扩束器出来的光线的半径。
在一些实施例中，光学成像设备还包括：
偏振器，包括线偏振片、半波片和涡旋波片；所述半波片位于所述线偏振片和所述涡旋波片之间；所述偏振器位于所述变束器和所述壳体之间，所述偏振器被构造为把经由所述变束器出来的光线的偏振态调整为以下其中一种：线偏振、径向偏振、角向偏振。
在一些实施例中，所述偏振器还包括：
支撑件，所述线偏振片、所述半波片和所述涡旋波片均可转动地安装于所述支撑件。
在一些实施例中，光学成像设备还包括：
第三反射镜，包括二向色镜，所述二向色镜位于所述偏振器和所述物镜之间。
在一些实施例中，从所述半波片输出的光线的偏振方向与所述涡旋波片的快轴重合，所述偏振器输出径向偏振光。
在一些实施例中，从所述半波片输出的光线的偏振方向与所述涡旋波片的快轴垂直，所述偏振器输出角向偏振光。
在一些实施例中，所述光学系统包括以下其中之一：光学切片显微镜、双光子显微镜。
本发明又一些实施例提供一种光学系统，包括本发明任一技术方案所提供的光学成像设备。
在一些实施例中，光学系统还包括：
照明设备，被构造为提供可见照明光；和/或
光谱检测设备，被构造为采集样品在激光激发下的散射光并分析。
在一些实施例中，所述照明设备包括：
可见光光源，被构造为发出可见光；
透镜，布置于所述可见光光源和所述物镜之间；以及
环形挡板，布置于所述透镜和所述物镜之间。
在一些实施例中，所述照明设备还包括：
第一反射镜，布置于所述环形挡板和所述物镜之间；
半反射半透过透镜，与所述第一反射镜的反射面平行布置；
第二反射镜，可移动地布置于所述光学成像设备的第三反射镜和所述物镜之间，且所述第二反射镜被构造为在以下两个位置之间切换：位于所述第三反射镜和所述物镜之间的光路上以将来自于所述可见光光源的光线反射至所述物镜中、位于所述第三反射镜和所述物镜之间的光路之外，以免阻碍所述第三反射镜和所述物镜之间光线的传播；
第一聚焦镜，位于所述半反射半透过透镜远离所述第二反射镜的一侧；
成像传感器，位于所述第一聚焦镜远离所述半反射半透过透镜的一侧。
在一些实施例中，光学系统还包括：
显微物镜，被构造为采集所述光学成像设备的激发图像；
其中，所述照明设备包括两条：第一照明设备和第二照明设备；所述第一照明设备被构造为给所述光学成像设备提供照明以实现所述光学成像设备的物镜聚焦，所述第二照明设备被构造为给所述显微物镜提供照明，以使得所述显微物镜的聚焦。
在一些实施例中，光学系统还包括照明设备，所述照明设备被构造为提供可见照明光；其中，所述照明设备包括：
可见光光源，被构造为发出可见光；
透镜，布置于所述可见光光源和所述物镜之间；
环形挡板，布置于所述透镜和所述物镜之间；
第一反射镜，布置于所述环形挡板和所述物镜之间；
第二反射镜，可移动地布置于所述第一反射镜和所述物镜之间，且所述第二反射镜被构造为在以下两个位置之间切换：位于所述第一反射镜和所述物镜之间的光路上以将光线反射至所述光学成像设备的第三反射镜、位于所述光学成像设备的偏振器和所述物镜之间的光路之外以避免阻挡所述偏振器输出的光线射至第三反射镜；
荧光显微镜，布置于所述第三反射镜远离所述物镜的一侧；
第一聚焦镜，位于所述荧光显微镜远离所述第三反射镜的一侧；以及
成像传感器，位于所述第一聚焦镜远离所述荧光显微镜的一侧。
在一些实施例中，包括两套所述的光学成像设备，两套所述光学成像设备的焦点重合；且至少其中一套所述光学成像设备安装于延迟线，以使得两套所述光学成像设备发出的激光的光程差可调节。
在一些实施例中，光学系统还包括：
并束器，被构造为将两套所述光学成像设备发出的两路激发光耦合为一路。
本发明又一些实施例提供一种光学系统检测方法，采用本发明任一技术方案所提供的光学系统实现，所述光学系统检测方法包括以下步骤：
启用照明设备，调节所述光学成像设备的物镜以实现聚焦；
调整所述光学成像设备的激光光路的偏振态、激发角、覆盖角度调节范围，以使得激发光的特性满足样品的激发要求；
采集所述样品在激光激发下的成像并分析。
在一些实施例中，所述使得激发光的特性满足所述样品的激发要求，包括以下步骤：
根据样品的激发要求确定采用以下激发模式中的其中一种：环形矢量偏振激发模式、环形矢量偏振激发全反射模式、环形矢量偏振激发KR-SPP模式、环形矢量偏振激发Otto-SPP模式、环形矢量偏振激发平面波导模式、环形矢量偏振激发光学切片显微镜、环形矢量偏振激发切片双光子显微镜模式。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发模式下，所述激发光的偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振、线偏振。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发全反射模式下，所述激发光的偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发KR-SPP模式下，所述激发光的偏振态被调整为径向偏振。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发Otto-SPP模式下，所述激发光的偏振态被调整为径向偏振。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发平面波导模式下，所述激发光偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振、线偏振。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发光学切片显微镜下，所述激发光振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振。
在一些实施例中，在环形矢量偏振激发切片双光子显微镜模式下，所述激发光的偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振。
上述技术方案提供的物镜，其具有壳体和光学聚焦组件，光学聚焦组件基于反射原理、折射原理中的一种实现光线聚焦，在样品的激发角为0°～85°范围内，光学聚焦组件均可实现聚焦，所以可以适用不同要求的光学检测要求，使用范围十分广泛。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一些实施例提供的折射型物镜结构示意图；
图2为本发明另一些实施例提供的折射型物镜结构示意图；
图3为本发明又一些实施例提供的带有全反射透镜的折射型物镜结构示意图；
图4a为本发明一些实施例提供的带有增强层的折射型物镜的全反射透镜带有第一金属层的结构示意图；
图4b为图4a的全反射透镜处的放大示意图；
图5a为本发明一些实施例提供的物镜的全反射透镜的固定示意图；
图5b为本发明另一些实施例提供的物镜的全反射透镜的固定示意图；
图6a为本发明又一些实施例提供的折射型物镜的结构示意图；
图6b为图6a的全反射透镜处的放大示意图；
图7a为本发明再一些实施例提供的带有半透过半反射层的折射型物镜的结构示意图；
图7b为图7a的全反射透镜处的放大示意图；
图8a为本发明又一些实施例提供的带有波导层的折射型物镜结构示意图；
图8b为图8a的全反射透镜处的放大示意图；
图9为本发明又一些实施例提供的反射型物镜结构示意图；
图10为本发明一些实施例提供的带有全反射透镜的反射型物镜结构示意图；
图11a为本发明一些实施例提供的带有衬底、纳米颗粒和反射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图11b为本发明一些实施例提供的带有衬底、纳米颗粒和折射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图12a为本发明一些实施例提供的带有衬底、探针和反射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图12b为本发明一些实施例提供的带有衬底、探针和折射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图13a为本发明一些实施例提供的衬底与全反射透镜间隔布置的反射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图13b为本发明一些实施例提供的衬底与全反射透镜间隔布置的折射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图14a为本发明一些实施例提供的衬底与全反射透镜之间夹设有微纳米球的反射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图14b为本发明一些实施例提供的衬底与全反射透镜之间夹设有微纳米球的折射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图15a为本发明一些实施例提供的倒置式带有反射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图15b为本发明一些实施例提供的倒置式带有折射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图16a为本发明一些实施例提供的衬底表面设置有增强层的带有反射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图16b为本发明一些实施例提供的衬底表面设置有增强层的带有折射型物镜的光学成像设备结构示意图；
图17为本发明又一些实施例提供的光学成像设备结构示意图；
图18为本发明又一些实施例提供的光学成像设备扩束器原理示意图；
图19为本发明又一些实施例提供的光学成像设备变束器原理示意图；
图20a为本发明又一些实施例提供的光学成像设备偏振器原理示意图；
图20b为本发明又一些实施例提供的光学成像设备偏振器的各个波片结构示意图；
图21a为本发明一些实施例提供的光学系统原理示意图；
图21b为采用图21a所示的光学系统在环形矢量偏振激发粒子或环形激发增强探针模式下进行光学检测的流程示意图；
图22为本发明又一些实施例提供的光学成像设备二向色镜处的原理示意图；
图23为本发明另一些实施例提供的环形矢量偏振激发全反射模式下检测方法的流程示意图；
图24为本发明另一些实施例提供的环形矢量偏振激发KR-SPP模式下检测方法的流程示意图；
图25为本发明另一些实施例提供的环形矢量偏振激发Otto-SPP模式下检测方法的流程示意图；
图26a为本发明另一些实施例提供的实现环形矢量偏振激发平面波导模式的光学系统原理示意图；
图26b为本发明另一些实施例提供的环形矢量偏振激发平面波导模式的光学检测方法的流程示意图；
图27a为本发明另一些实施例提供的实现环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式的光学系统原理示意图；
图27b为本发明另一些实施例提供的环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式的光学检测方法的流程示意图；
图28a为本发明另一些实施例提供的实现环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式的光学系统原理示意图；
图28b为本发明另一些实施例提供的环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式的光学检测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合图1～图28b对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
本文所使用的名词、术语解释。
光学光谱技术，如振动光谱和荧光/光致发光光谱等，是指采用光学系统将激发光束聚焦在样品区域，通过分析散射光(反射或透射光)相对激发光的频率和强度等信息的变化，解析样品的物理化学性质。光学光谱探测技术具有不损伤样品、环境要求低、灵敏度高和易于搭载在现有分析装置中实现关联功能等优势，在生产和生活中具有广泛用途。
偏振态包括线偏振、椭圆偏振、圆偏振和矢量偏振。其中，矢量偏振包括径向偏振和角向偏振等。在光学光谱检测领域，主要使用的偏振态为线偏振、径向偏振和角向偏振。发明人发现，偏振态和激发角直接影响光学光谱特性。例如在表面增强拉曼(Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS)光谱中，优化偏振态和激发角度可实现单分子水平的检测。
参见图1，本发明实施例提供一种物镜100，适用于光学光谱检测。该物镜100包括壳体1以及光学聚焦组件2。壳体1具有内腔11，内腔11具有第一开口11a和第二开口11b。光学聚焦组件2安装于内腔11中，光学聚焦组件2的焦点位于第二开口11b处。光学聚焦组件2的焦点可以位于壳体1的外部、内部或者位于第二开口11b的最外侧所在的平面上，上述的设置方式均可满足后续检测需求。光学聚焦组件2被构造为使得经由第一开口11a进入到壳体1内的光线聚焦于焦点处。
内腔11的第一开口11a和第二开口11b的内径尺寸可以根据所需要的调节激发角θ和角度覆盖范围Δθ进行设定。所谓激发角θ是指：光束经过光学聚焦组件2后，光束中心线和物镜100光轴的夹角，参见图1、图9、图14a等图所示意的。所谓覆盖角度调节范围Δθ是指：光线经过光学聚焦组件2后，光线的内侧边缘和物镜100光轴M的夹角与光线的外侧边缘和物镜100光轴M的夹角之差。内腔11的第一开口11a的内径尺寸可以设置得远大于常用的显微镜成像物镜，即显微物镜800，比如内腔11的内径尺寸是显微物镜800的通光孔内径尺寸的1.2～10倍，具体比如为1.2倍、1.4倍、1.6倍、3倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍、10倍。
光学聚焦组件2可以使用反射原理(物镜100的结构为抛物面反射型物镜100)、折射原理(物镜100的结构为折射型物镜100)实现将光线聚焦于壳体1外部的设定位置。后文会分情况加以介绍。
在一些实施例中，光学聚焦组件2的激发角的角度为0°～85°。光学聚焦组件2的激发角范围特别大，能够适应各种激发角的激发光，大大提高了物镜100的适用范围。
在一些实施例中，光学聚焦组件2的覆盖角度调节范围Δθ为0.5°～5°，参见图1和图9所示。图9更清楚地显示了激发角θ、覆盖角度调节范围Δθ的位置。覆盖角度范围Δθ可被调节得非常小，这使得激发光能够调节的精度很高，甚至实现无级调节，这实现了对于要求各种不同覆盖角度调节范围的激发光，都可精准调节。
光学聚焦组件2具有多种实现方式，后文将分类给予详细的介绍。
参见图1，在一些实施例中，光学聚焦组件2包括透镜组21，透镜组21包括至少两个透镜。壳体1内部设置有多个台阶，每个透镜固定在其中一个台阶上。透镜组21的焦点聚焦于壳体1外侧一点。在这些实施例中，光学聚焦组件2利用光线的折射原理聚焦光线，故也称为折射型物镜100。参见图1，光学聚焦组件2采用透镜组21的实施例中，该折射型物镜100的通光孔半径r'大于20mm，具体比如为30mm。在没有后文介绍的全反射透镜3的这些实施例中，该折射型物镜100的光学聚焦组件2的焦点位于后文介绍的第五透镜215凹面的球心处。在后文介绍的具有全反射透镜3的各实施例中，折射型物镜100在全内反射工作模式下，可将半球棱镜置于后文介绍的第五透镜215包围的空间中。
此时通过透镜组21可实现从最后一个透镜(比如后文介绍的五个透镜组21中的第五透镜215、四个透镜组21中的第四透镜214)出来的入射光的激发角θ最大达80°。通过后文介绍的扩束器300和变束器400控制环形光束的壁厚d最小可达0.4mm，此时最边缘光线聚焦在样品上的激发角覆盖范围Δθ不超过2°，调节精度非常高。
参见图1，透镜组21的各个透镜成排设置且各个透镜的凹面均朝向焦点所在的一侧，并且，沿着朝向焦点的方向：各个透镜的折射率逐渐升高、各个透镜的阿贝数大小互补。在图1所示的实施例中，透镜组21包括五个透镜，顺着光线入射的方向分别为：第一透镜211、第二透镜212、第三透镜213、第四透镜214和第五透镜215。五个透镜沿着光轴方向的距离根据需要设定。第一透镜211的折射率最低，且第一透镜211的阿贝数最高。第五透镜215的折射率最高，且第五透镜215的阿贝数较低。在一些实施例中，从第一透镜211到第五透镜215：折射率从1.4到1.9递增，阿贝数从70到25表现为递减趋势。控制五片透镜的曲率半径，可使透镜组21具备优异的消色差能力。上述的设置方式，实现了光线有效聚集于设定的焦点处，以便后续进行光学检测。
参见图1，在一些实施例中，透镜组21存在至少一个透镜，该透镜凹面和凸面中的至少其中之一为二次曲面。具体可以选择全部的凸面和凹面均为二次曲面，以有效降低折射型物镜100的球差。二次曲面满足以下公式：
上述的公式(1)中，c为该透镜表面曲率半径的倒数，h为透镜表面上一点到透镜表面顶点(即透镜表面所在的曲面的顶点)的距离，k为二次曲面常数。
参见图2，下面给出透镜组21采用四个透镜的实现方式。
在图2所示意的情形中，透镜组21包括四个透镜，顺着光线入射的方向分别为：第一透镜211、第二透镜212、第三透镜213和第四透镜214。第一透镜211的折射率最低，第四透镜214的折射率最高。第一透镜211、第二透镜212、第三透镜213和第四透镜214的折射率为1.5～2，阿贝数为20～60，曲率半径为2～50。透镜组21采用四个透镜，缩小了入射孔径，降低了加工难度。上述的设置方式，使光线有效聚集于设定的焦点处，以便后续进行光学检测。
四个透镜组成的透镜组21，其二次曲面公式如下：
h2＝x2+y2 公式(4)
上述的公式(2)～(4)中，c为透镜表面的曲率半径的倒数；k为二次曲面常数；h为曲面上一点到透镜表面顶点的距离；x和y为曲面上一点相对透镜表面顶点的坐标。
参见图3至图4b，在一些实施例中，物镜100还包括全反射透镜3，全反射透镜3安装于壳体1。全反射透镜3的球心位于光学聚焦组件2的焦点。在全反射透镜3处，光线发生全内反射。具有全反射透镜3的各实施例中，样品900表面距离全反射透镜3的平面距离小于20微米。
参见图3，在一些实施例中，全反射透镜3包括半球棱镜，半球棱镜采用整体式结构，或者采用拼凑式的结构。半球棱镜的平面侧位于物镜100焦平面上。半球棱镜的折射率范围为1.40～1.99。上述技术方案增加了全反射透镜3，光线在全反射透镜3内形成全反射，尤其适用于需要在全反射模式下进行光学检测的产品。
本发明各实施例提供的物镜100，可以实现环形矢量偏振激发全反射模式，尤其适用于分子级别的光学检测，检测对象尺寸太小，肉眼很难观测到。将待检测的样品900直接沉积或者吸附在全反射透镜3的平面上。需要检测不同样品时，直接更换全反射透镜3。后文将结合该物镜100所在的光路，详细介绍光学检测方法。
参见图4a和图4b，在另一些实施例中，全反射透镜3包括第一透镜部31和第二透镜部32。第一透镜部31，与壳体1固定或者可拆卸连接。第二透镜部32与第一透镜部31可拆卸连接，第二透镜部32远离第一透镜部31的表面用于设置样品。安装后，第二透镜部32与第一透镜部31之间的缝隙采用折射率耦合溶液填补。全反射透镜3的平面是第二透镜部32远离第一透镜部31的表面。全反射透镜3的弧面是第一透镜部31远离第二透镜部32的弧面。
本发明各实施例提供的物镜100，可以实现环形矢量偏振激发全反射模式，尤其适用于分子级别的光学检测，检测对象尺寸太小，肉眼很难观测到。将待检测的样品900直接沉积或者吸附在第二透镜部32的平面上，需要检测不同样品时，直接更换第二透镜部32，这样可以简化检测操作。后文将结合该物镜100所在的光路，详细介绍光学检测方法。
参见图5a和图5b，在上文介绍的各个实施例中，为了便于安装全反射透镜3，物镜100还包括支架7，支架7与壳体1固定连接，具体可以为焊接、粘贴、一体式的、可拆卸连接。可拆卸连接具体比如卡扣连接、螺纹连接等。全反射透镜3安装于支架7。根据使用状态下，全反射透镜3所在的位置不同，在图4b所示意的情形中，全反射透镜3位于光学聚焦组件2的下方。此时，支架7设置有台阶，全反射透镜3放置在该台阶上，参见图5a所示。在后文图15a和图15b所示意的情形中，全反射透镜3位于光学聚焦组件2的上方。此时，支架7设置有台阶以及卡持部，全反射透镜3放置在该台阶上，并被卡持部卡持住，如图5b所示。
在光谱探测时，将样品置于物镜100的焦点处可有效激发样品，并产生所需检测的光谱信号。在全内反射工作模式下，样品直接黏附在半球棱镜的球心处，将半球棱镜的圆心与物镜100的焦点重合。另外，物镜100在全内反射模式下，也可将样品置于距离全反射透镜3的球心一定距离处，亦可获得比较高的激发效率。样品距离全反射透镜3表面的距离一般不大于20微米。
本发明各实施例提供的技术方案，采用全反射透镜3提高激发光的激发效率，将激发光束能量集中在壁厚极窄的环形光束环中。通过控制光束偏振，可根据样品的特征，灵活控制激发角和激发角覆盖范围。特别适用于对激发角和偏振有特殊要求的应用，如壳层隔绝纳米粒子增强光谱、单颗粒增强光谱、探针增强光谱等领域，并且有效提升了光谱探测的灵敏度。另外，上述技术方案，将传统的大型复杂转角装置达到的角度控制能力，缩小在了高度集成的光学装置中，极大简化了装置结构，可直接应用于现有显微光谱系统中。
参见图6a和图6b，下面介绍物镜100的另外一些实施例，这些实施例中，物镜100不仅具有全反射透镜3，还具有提高激发效率的增强层4。
参见图6a和图6b，在一些实施例中，全反射透镜3包括半球棱镜，半球棱镜的弧面朝向壳体1，全反射透镜3的平面设置有增强层4。增强层4用于激发出表面电磁波模式。
增强层4比如为沉积于全反射透镜3平面的第一金属层或者制备于全反射透镜3的平面二维材料膜层。
在一些实施例中，第一金属层的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铂、钯。设置第一金属层可为表面电磁场的传播提供支持金属层。
在另一些实施例中，二维材料膜层的材质选自以下其中一种或者多种：石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫族化合物构成的异质结。异质结厚度为0.2纳米～50纳米。设置二维材料膜可为表面电磁场的传播提供支持材料层。
参见图7a和图7b，根据不同光学检测的不同要求，在另一些实施例中，全反射透镜3采用半球棱镜，半球棱镜的凸面远离焦点所在的一侧，半球棱镜的平面朝向焦点所在的一侧，全反射透镜3的平面沉积有半反射半透过膜层5，半反射半透过膜层5被构造为使得部分光线被反射且其余的光线被透射，以在半反射半透过膜层5远离壳体1的表面形成表面全反射
参见图7，具体地，半反射半透过膜层5的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铝、铁、铂、钯、铑。
参见图7，具体地，半反射半透过膜层5的厚度为5纳米～50纳米。
参见图8a和图8b，在另一些实施例中，物镜100可以实现波导模式。全反射透镜3采用半球棱镜，半球棱镜的凸面远离焦点所在的一侧，半球棱镜的平面朝向焦点所在的一侧，全反射透镜3的平面沉积有波导材料层6。
参见图8a和图8b，波导材料层6包括第二金属层61和波导介质层62。第二金属层61沉积于半球棱镜的平面；波导介质层62沉积于第二金属层61远离半球棱镜的一侧。
波导模式下，第二金属层61的材质为金、银、铜、铝、铁、铂、钯、铑等金属，厚度为5纳米～50纳米。波导介质层62的材质为二氧化硅及其掺杂材料、氧化铝及其掺杂材料、硒化锌及其掺杂材料、硫化镉及其掺杂材料等可见和红外波长下透明的介质材料。波导介质层62的厚度为50纳米～30微米。
参见图9，下面介绍光学聚焦组件2的其他实现方式。
在一些实施例中，光学聚焦组件2包括金属板，金属板包括弧面，金属板与壳体1是一体的。
金属板为表面粗糙度足够低的板材，具体为金属镜面。光线直接被金属板反射，而后聚焦于焦点处。
参见图9，在一些实施例中，弧面的曲线函数满足抛物线方程。物镜100焦点位于金属板的抛物面焦点处。
抛物线方程为：
x2＝2×p×y 公式(5)
其中，x轴为物镜100的光轴方向，y轴垂直于x轴。p表示焦点到准线的距离，2mm≤p≤100mm。抛物面的焦点位置为(0，),焦平面160位置为/>抛物面为y＞p/2的部分，其中沿轴向入射的光束经抛物面反射后聚焦在焦点处，入射角度范围30°到90°。
在图9中，激发角θ与环形光束的半径r关联，通过后文介绍的变束器400调节。激发角的覆盖范围Δθ与环形光束的壁厚d关联，通过扩束器300调节。环形光束的偏振态可由偏振器500调节为线偏振态、角向偏振态和径向偏振态中的一种。各个部件具体的调节方式，请参见后文光学系统部分的介绍。
p、r、d、θ和Δθ之间的关系满足以下公式(6)和公式(7)：
上述的公式(6)和(7)中，r为环形光束的半径，d为环形光束的壁厚。
p、r、d、θ和Δθ之间的关系满足的公式(6)和(7)，适用于光学聚焦组件2采用反射原理实现聚集、采用折射原理实现聚焦的各个实施例中。
上文介绍的全反射透镜3、以及设置于全反射透镜3的各个膜层，同样也适用于反射型的物镜100。下面举例加以说明，未解释说明之处，请参见上文关于折射型的物镜100部分的介绍。
参见图10，反射型的物镜100还包括全反射透镜3，全反射透镜3至少部分位于壳体1的外部，且全反射透镜3的球心位于光学聚焦组件2的焦点处。半球棱镜的球心与抛物面焦点重合。
全反射透镜3可为半球棱镜，半球棱镜采用整体式结构，或者采用拼凑式的结构。设置全反射透镜3，光线在全反射透镜3平面一侧形成全反射，故尤其适用于需要在全反射模式下进行光学检测的场景。
参见图10，全反射透镜3通过支架7与壳体1固定连接。支架7为环形的，支架7的内壁设置有用于支撑全反射透镜3的凸台71，全反射透镜3放置在该凸台71上。
参见图11a和图11b，本发明另一些实施例提供一种光学成像设备750，包括本发明任一技术方案提供的物镜100。该光学成像设备750针对不同特征的样品，可以独立设定激发角和偏振态，而合适的激发角和激发偏振态可显著提高光学光谱的灵敏度。
光学成像设备750可以为需要使用物镜100的任何光学成像设备，比如光谱分析仪、显微镜等。
参见图11a和图11b，在一些实施例中，光学成像设备750还包括衬底8，衬底8设置于壳体1的外部，衬底8被构造为放置待检测的样品900。
不管物镜100是否设置有全反射透镜3，均可设置衬底8。如图11a所示，如果没有全反射透镜3，衬底8直接放置于物镜100的焦点处，即物镜100的光线焦点位于衬底8的上表面。物镜100可以为上文介绍的反射型的物镜100如图11a所示、透射型的物镜100如图11b所示。设置衬底8便于放置、沉积、制备待检测的样品900。
参见图11a和图11b，在一些实施例中，衬底8承载有纳米颗粒9，纳米颗粒9位于光学聚焦组件2的焦点区域。焦点区域是指焦点为中心的小块区域。设置纳米颗粒有效增强了激发效率，改善了光学检测性能。
位于焦点区域的纳米颗粒9材质为金、银、铜等贵金属，纳米颗粒9的尺寸为20纳米～500纳米。
参见图12a和图12b，在另一些实施例中，光学成像设备750的物镜100没有设置全反射透镜3，其衬底8上也没有设置纳米颗粒9，此情况下，可借助激发增强光谱探针12实现检测。
图12a所示为抛物面反射型的物镜100。物镜100的聚焦平面、衬底8和增强光谱探针12相对位置示意图。衬底8的上表面与聚焦平面重合，样品900为分子，待测的分子位于此平面，激发增强光谱探针12置于焦点处。探针增强光谱中所用的激发增强光谱探针12的尖端材质为金、银、铜、铝、铁、铂、钯、铑等金属，针尖半径为5纳米～1500纳米。激发光穿过衬底8后以角度θ激发上述的激发增强光谱探针12，源自聚焦区域的样品散射光信号再被物镜100收集，后续被检测分析仪器采集并检测。检测分析仪器比如为光谱仪701。激发角θ的角度大小由后文介绍的扩束器300控制调节。
图12b所示为折射型的物镜100。物镜100的聚焦平面、衬底8和激发增强光谱探针12相对位置示意图。衬底8的上表面与聚焦平面重合，待测分子位于此平面，激发增强光谱探针12置于焦点处。激发光经第五透镜215后，穿过衬底8以激发角θ激发上文的激发增强光谱探针12。具体的激发角θ的角度大小由后文介绍的扩束器300控制调节。
参见图13a和图13b，图13a中物镜100为反射型物镜100，图13b中物镜100为透射型物镜100。下面介绍衬底8与全反射透镜3间隔设置的实施例。
具体地，光学成像设备750的物镜100设置有全反射透镜3，衬底8与全反射透镜3间隔设置，衬底8位于物镜100的焦点之外。待测的样品900设置于衬底8朝向全反射透镜3的表面。
参见图14a和图14b，图14a中物镜100为反射型物镜100，图14b中物镜100为透射型物镜100。下面介绍衬底8与全反射透镜3间隔设置、且两者之间夹设有微纳米球10的实施例。
在另一些实施例中，光学成像设备750的物镜100设置有全反射透镜3，衬底8与全反射透镜3间隔设置，衬底8位于物镜100的焦点之外。衬底8与全反射透镜3之间夹设有微纳米球10。样品设置于衬底8朝向全反射透镜3的表面。微纳米球10用于控制衬底8和全反射透镜3之间的间距。
参见图15a和图15b，图15a中物镜100为反射型物镜100，图15b中物镜100为透射型物镜100。下面介绍倒置型的物镜实现方式。
图15a中的反射型物镜结构与上文介绍的图10中的反射型物镜结构相同，图15b中的折射型物镜结构与上文介绍的图3中的折射型物镜结构相同。差别在于：物镜100的朝向不同。图3和图10中，全反射透镜3位于壳体1的下方。而在图15a和图15b中，全反射透镜3位于壳体1的上方。
图15a和图15b中，全反射透镜3位于壳体1的上方。为了清楚示意全反射透镜3表面设置的波导材料层6，对支架7采用了简略画法。
其他地方参见上文关于图3和图10的介绍，此处不再赘述。
参见图16a和图16b，在另一些实施例中，衬底8位于光学聚焦组件2的焦点之外。待检测的样品900位于衬底8朝向全反射透镜3的一侧。
衬底8为金属材质或者非金属材质。如果衬底8采用金属材质，则可以不在衬底8表面设置金属层和二维材料膜层。如果衬底8采用非金属材质，可选地，衬底8朝向壳体1的一侧设置有第三金属层13或者二维材料膜层14。
第三金属层13的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铂、钯。
二维材料膜层14的材质选自以下其中一种或者多种：石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫族化合物构成的异质结。
上述技术方案提供的光学成像设备750可用在后文介绍的光学切片显微镜中。
参见图17，在一些实施例中，光学成像设备750还包括激光器200和扩束器300。激光器200被构造为发射激光。扩束器300设于光学聚焦组件2的上游，且位于激光器200的下游，以对激光器200发出的光线进行扩束。
激光器200发出激发光束，以激发样品。激光器200发出的激光为单波长光，波长比如为325nm～1064nm。光束为单模TEM00，光束能量分布满足高斯方程。光束为线性偏振，偏振比不低于30：1。光束直径范围为1mm～3mm。
参见图18，扩束器300用于扩大激光光束的半径，扩束器300的扩束倍率根据物镜100性能决定，扩束器300的光束直径放大倍数为1.5～10倍。扩束器300包括前透镜301和后透镜302。
扩束器300的扩束倍率满足以下公式(8)：
其中，d为扩束后光束半径，d'为初始光束直径，f为前透镜301的焦距，f'为后透镜302的焦距。
激光器200发出的激光经过扩束器300后的激光为实心激光。实心激光的半径被扩束器300扩大至半径d。半径扩大后的激发光束经变束器400转化为半径为r的环形光束。环形光束是指在光束前方设置挡板或者检测器，挡板或者检测器上获得的光斑是环形的。环形光束经过偏振器500转化为环形矢量偏振光束。环形矢量偏振光束经过第三反射镜550入射进物镜100。经过物镜100后矢量光束按照θ角锥状聚焦在焦平面(160)处的样品区域。变束器400调节r，进而调节入射锥角θ，扩束器300调节d，进而调节入射锥角的覆盖范围Δθ，即覆盖角度调节范围Δθ。依据样品特性的不同，调节偏振器500以选择合适的激发光偏振态，调节扩束器300和变束器400以调节激发角θ和激发角覆盖范围Δθ。激发角θ在0～85°范围内均可调节，调节范围非常广泛，故能够适用的场景得到很大的扩展；覆盖角度调节范围Δθ为0.5°～5°，最小调节量可达到1°以下，调节精度非常高。上述技术方案，在与激发角和偏振态相关的光学光谱领域有重要的应用价值，如等离激元增强光谱、纳米红外光谱等领域。
参见图17和图19，在一些实施例中，光学系统还包括变束器400，变束器400包括第一锥镜401和第二锥镜402，第一锥镜401和第二锥镜402的距离可调节。比如将第一锥镜401和第二锥镜402中的至少一个设置为可移动的，以方便调节两者之间的距离。在图19所示意的情形中，第二锥镜402设置为可沿着自身轴向移动，即在光路方向上可移动，通过步进电机403带动第二锥镜402移动，以调节第一锥镜401和第二锥镜402两者之间的距离。第一锥镜401位于变束器400和第二锥镜402之间，第一锥镜401包括内凹锥面，第二锥镜402包括外凸锥面，内凹锥面和外凸锥面相对设置。其中，变束器400被构造为改变经由扩束器300出来的光线的半径。
第一锥镜401和第二锥镜402的折射率相同，均为n。第一锥镜401和第二锥镜402的锥角相等，均为α。半径为d的实心光束，经过变束器400后转换为半径为r的环形光束。环形光束边缘厚度为d″。r和d″满足如下公式(9)和公式(10)：
d″＝d 公式(10)
其中，L为第一锥镜401和第二锥镜402沿着各锥镜的光轴方向的最小轴向距离；通过步进电机403带动第二锥镜402沿着电动滑轨404，可以调节第二锥镜402的位置，进而调节第一锥镜401和第二锥镜402之间距离L的大小，最终实现调节环形光束的半径r。
参见图17、图20a和图20b，在一些实施例中，光学成像设备750还包括偏振器500，偏振器500包括线偏振片501、半波片502和涡旋波片503。半波片502位于线偏振片501和涡旋波片503之间；偏振器500位于变束器400和壳体1之间，偏振器500被构造为使得经由变束器400的光线变为以下其中一种：线偏振光、径向偏振光、角向偏振光。
波片有两个主轴：快轴和慢轴。两轴上的折射率不同，因此光速也不同。当线偏振光入射到半波片502，且偏振方向不与快轴或慢轴重合时，出射光仍是线偏振光，但相对于入射光偏振方向发生了旋转。当圆偏振光入射到半波片502时，顺时针(逆时针)圆偏振光将会转化为逆时针(顺时针)圆偏振光。
半波(λ/2)片用于旋转入射光束的线偏振方向。半波片502安装到旋转安装座上时，可用作能够连续调节的偏振旋光器。此外，与偏振分束器配合使用时，可以用作可变比例的分束器。出射光偏振方向和入射光的偏振方向的夹角为入射光的偏振方向与波片主轴夹角的两倍。当入射光的偏振方向与快轴或慢轴重合时，偏振方向保持不变。
线偏振片501、半波片502和涡旋波片503之间的距离根据需要设定。通过调节线偏振片501、半波片502和涡旋波片503之间的旋转角度，调节环形激发光的偏振态。
偏振器500将线偏振环形光束转换为径向偏振或角向偏振光束。如图20a和图20b所示的偏振器500结构。激光器200发出的环形线偏振光束依次穿过线偏振片501、半波片502和涡旋波片503。线偏振片501的透射偏振方向和激发光偏振方向保持一致。通过旋转半波片502的方向，可调节激发光的偏振方向。选定合适的偏振方向，环形光束穿过涡旋波片503后成为环形径向或角向偏振光束。
要得到线偏振光，偏振器500满足以下关系：二分之一波片的快轴与涡旋波片503快轴垂直，并且半波片502的快轴与线偏振片501偏振方向夹角为β时，出射光偏振方向与线偏振方向夹角为2β。
要得到径向偏振光，偏振器500满足以下关系：经过二分之一波片(即半波片502)后线偏振光束的偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
要得到角向偏振光，偏振器500满足以下关系：经过二分之一波片(即半波片502)后线偏振光束的偏振方向与与涡旋波片503快轴垂直时，出射光为角向偏振光。
继续参见图17、图20a和图20b，偏振器500还包括支撑件504，线偏振片501、半波片502和涡旋波片503均由支撑件504支撑，且半波片502可转动地安装于支撑件504。具体地，可以通过旋转筒505实现可转动地安装各个波片各自安装在一个旋转筒505上，旋转筒505通过铰接等方式与支撑件504可转动地安装。
在一些实施例中，从半波片502输出的光线的偏振方向与涡旋波片503的快轴重合，偏振器500输出径向偏振光。
在一些实施例中，从半波片502输出的光线的偏振方向与涡旋波片503的快轴垂直，偏振器500输出角向偏振光。
参见图21a至图22，本发明另一些实施例提供一种光学系统，包括本发明任一技术方案所提供的光学成像设备750。该光学系统所检测的样品900可以处于气体环境或者液体环境中。其他实施例介绍的检测方法，其样品900可以处于气体环境或者液体环境中。
参见图21a和图21b，本实施例介绍的光学系统尤其适用于环形矢量偏振激发纳米粒子、环形激发增强探针。纳米粒子、环形激发增强探针择一采用。如果光学成像设备750采用环形激发增强探针，则为环形矢量偏振激发环形激发增强探针。如果光学成像设备750的衬底8表面设置有纳米颗粒9，则为环形矢量偏振激发粒子。关于光学成像设备750的物镜100的详细介绍，请参见上文关于图11a至图12b的介绍。
参见图21a，光学系统包括照明设备600、光学成像设备750、光谱检测设备700。
参见图21a，在一些实施例中，照明设备600包括可见光光源601、透镜602以及环形挡板603。如果需要改变光线的传播方向，照明设备600还包括第一反射镜604、半反射半透过透镜605以及可移动的第二反射镜606。第二反射镜606沿着垂直于自身平面的方向移动，以将光线根据需要移入、移出光路。
参见图21a，具体来说，透镜602布置于可见光光源601和物镜100之间。环形挡板603布置于透镜602和物镜100之间。第一反射镜604布置于环形挡板603和物镜100之间。半反射半透过透镜605与第一反射镜604的反射面平行布置。第二反射镜606可移动地布置于光学成像设备750的第三反射镜550和物镜100之间，且第二反射镜606被构造为在以下两个位置之间切换：位于第三反射镜550和物镜100之间的光路上以将来自于可见光光源601的光线反射至物镜100中、位于第三反射镜550和物镜100之间的光路之外，以免阻碍第三反射镜550和物镜100之间光线的传播。第一聚焦镜607位于半反射半透过透镜605远离第二反射镜606的一侧。成像传感器608位于第一聚焦镜607远离半反射半透过透镜605的一侧。
在需要将来自于半反射半透过透镜605的光线反射至物镜100中时，第二反射镜606位于第三反射镜550和物镜100之间的光路中。可以理解的是，光路是可逆的，在需要将光路按照上述介绍的方向反向传播时，同样需要将第二反射镜606移动至光路中。在需要将来自物镜100的光传播至光谱检测设备700中时，将第二反射镜606移出第三反射镜550和物镜100之间的光路。第二反射镜606的移动为直线往复移动，通过设置直线往复驱动装置即可实现，比如直线电机等。为了提高设备的自动化程度以及移动控制的精准性，亦可设置位移传感器、PLC等控制装置，实现对第二反射镜606位移的精准控制。
下面介绍照明装置600工作时的具体光路：先将第二反射镜606移动至光路中，随后，调节至照明装置600工作。可见光光源601发出的带宽可见光经过透镜602后变为平行光，后经过环形挡板603变为环形光、经过第一反射镜604改变方向后射向半反射半透过透镜605、而后部分光线照至可移动的第二反射镜606，然后进入到光学成像设备750的物镜100中。在图21a所示意的实施例中，光学成像设备750包括衬底8，物镜100的焦点位于衬底8的表面。所以，照明设备600发出的可见光进入到物镜100中后，会在衬底8的表面形成亮斑,通过观测亮斑实现了检测前的聚焦调试。
继续参见图21a，光学成像设备750包括上文介绍的激光器200、扩束器300、变束器400、偏振器500以及物镜100。为了便于设置各个部件的位置关系以及调节光路方向，光学成像设备750还包括第三反射镜550。光学成像设备750的激光器200发出的光顺次经过扩束器300、变束器400、偏振器500、第三反射镜550、物镜100、聚焦于衬底8的上表面，以激发此处的样品。通过调节扩束器300、变束器400、偏振器500，实现了激发光按照所需要的激发角θ、角度覆盖范围Δθ和偏振态激发去激发样品900。
光谱检测设备700采集衬底8表面形成的样品的散射光，并用于后续的光学检测分析。此时，第二反射镜606位于光路之外。光谱检测设备700的采集光路顺序为：衬底8表面的散射光经由物镜100后，传递至第三反射镜550处，第三反射镜550的二向色镜550a将光线透射至滤光镜703处，而后经过第二聚焦镜702聚焦、最后进入到光谱仪701中。其中，参见图22，第三反射镜550包括二向色镜550a，二向色镜550a可以45°反射激发光到物镜100，反射率超过98％，同时可以完全透射来自样品900和物镜100方向发射的散射光信号，透射效率大于75％。
先需要说明的是，在本实施例以及后文各个实施例中，光学检测方法的基本步骤都包括以下几个步骤：采用照明设备600调节光学成像设备的物镜，以实现聚焦；调整成像设备750的激光光路的偏振态、激发角、覆盖角度调节范围，以使得激发光的特性满足样品的激发要求；采集样品在激光激发下的成像并分析。根据具体检测要求的不同，对激发光的调节方式也有所不同，后文对各个实施例的具体情况会详加分类介绍，未提及之处，如不矛盾，请参照本段描述的检测过程。
参见图21b，下面介绍如何采用本实施例提供的光学系统实现的第一种光学检测方法：环形矢量偏振激发粒子或纳米探针模式下的光学检测方法。该检测方法，其物镜100可以采用抛物面反射物镜或折射型物镜100。物镜100对于正向放置、倒向放置的光谱仪均适用。
步骤S1100、使得白光照明设备600工作，直至在成像传感器608上观察到纳米颗粒或探针清晰的成像。
此步骤中，第二反射镜606位于光路中。照明设备600的光路如下：照明设备600的可见光光源601发出的带宽可见光经过透镜602后变为平行光，后经过环形挡板603变为环形光、第一反射镜604、半反射半透过透镜605、可移动的第二反射镜606后进入到光学成像设备750的物镜100中。如果是激发纳米颗粒9，光线就聚焦在纳米颗粒9附近。如果是激发探针，光线就聚焦在探针的针尖附近。采用探针增强光谱的方式常用倒置光谱仪结构，激发光偏振采用径向偏振态。照明设备600的光路同样适用于后文各个实施例。
以纳米颗粒9为例：纳米颗粒9散射的光被物镜100收集，后续经过可移动第二反射镜606和反射半透过透镜605，再经过第一聚焦镜607，最后成像透镜成像在成像传感器608表面。通过观测成像来判断样品是否位于物镜100的焦点处。
步骤S1200、使得光学成像设备750和光谱检测设备700工作，此时照明设备600不再起作用。光学成像设备750发出的激光会高角度环状照射在纳米颗粒9区域或激发增强光谱探针12区域。
步骤S1300、调节激发光的角度覆盖范围。根据所需要的激光光束的半径，计算得到扩束比，选择满足扩束比要求的扩束器300。比如激光光束半径为0.25mm，扩束器300扩束比为1.6，使输出光束半径为0.4mm。
步骤S1400、调节激发光的激发角。具体地，通过调节变束器400电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角。
步骤S1500、确定激发光的光线偏振态，并将偏振器500调节至使得激发光满足所需要的偏振态。
具体来说，根据待检测的样品900的特性和目标特征，分别设置：
情况一：如果待测的样品900对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用径向偏振。此时将偏振器500调节至经过二分之一波片(即半波片502)的光束偏振与涡旋波片503快轴重合。
情况二、如果待测的样品900对平行衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用角向偏振或线偏振。此时将偏振器500调节至经过二分之一波片(即半波片502)的光束偏振与涡旋波片503快轴垂直。
上述的步骤S1300、S1400、S1500不限定先后执行顺序。
步骤S1600、将收集到的来自于纳米颗粒或探针区域的样品信号聚焦于光谱仪701中。
在上述的步骤S1200至步骤S1600中，偏振态、激发角、覆盖角度范围都确定之后，光学成像设备750可以工作，光学成像设备750工作过程中光路如下：此步骤中，第二反射镜606位于光路之外。激光器200发出的激发光束直径由扩束器300增大至2d。随后，变束器400将直径增大后的光束转变为环形光束，其光束壁厚为d，光束半径为r。偏振器500可控制环形光束的偏振态在线偏振和矢量偏振之间转换，如转变为径向偏振。第三反射镜550将环形偏振光束反射向物镜100，接着以激发角θ聚焦于衬底8表面。此时位于衬底8表面的单个纳米颗粒9位于焦点中心。此时单个纳米颗粒9会增强附近的局域电磁场，提高局域场中样品分子的激发效率，同时放大局域场中分子辐射向远场的光谱信号。光谱信号经过物镜100后转变为平行光束，平行光束透射穿过第三反射镜550后，被滤光镜703过滤掉激发光部分，只留下信号光部分。留下的信号光波长经过第二聚焦镜702聚焦后，进入光谱仪701之中被记录下来。
步骤S1700、分析光谱仪701采集到的谱图，获得样品的化学组分。
上述技术方案提供的检测方法，激发角θ和激发角覆盖范围Δθ分别由扩束器300和变束器400控制，激发光偏振由偏振器500控制，故实现了聚焦平面处线偏振的任意方向、角向偏振和径向偏振等多种矢量偏振光场的控制。
参见图23，下面介绍第二种光学检测方法：环形矢量偏振激发全反射模式下的检测方法。
在介绍检测方法之前，先介绍该方法所基于的光学系统。本检测方法所基于的光学系统与上文介绍的图21a所采用的光学系统基本相同，差别在于，本检测方法所针对的光学系统中，其物镜100包括全反射透镜3。换而言之，物镜100包括全反射透镜3的实施例，都适用于环形矢量偏振激发全反射模式。具体物镜100的结构参见上文关于图3至图4b的介绍。
参见图23，下面介绍如何采用本实施例提供的光学系统实现光学检测。
步骤S2100、使得白光照明设备600工作：移动衬底8到物镜100下方，当衬底8处于物镜100正下方时，可以在衬底8表面观察到样品表面清晰的成像。照明设备600的详细介绍参见上文介绍的，此处不再赘述。
步骤S2200、使得光学成像设备750和光谱检测设备700工作，此时照明设备600不再起作用。光学成像设备750发出的激光以高角度环状的方式照射在纳米颗粒9区域或激发增强光谱探针12区域。
步骤S2300、调节激光的角度覆盖范围。根据所需要的激光光束的半径，计算得到扩束比，选择满足扩束比要求的扩束器300。比如激光光束半径为0.25mm，扩束器300扩束比为1.6，使输出光束半径为0.4mm。
步骤S2400、调节激光的激发角。具体地，通过调节变束器400电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角，使得激发角θ大于全内反射临界角。
半球棱镜的平面与抛物面型的反射物镜100的焦平面重合，球心与抛物面反射镜的焦点重合。此时调节激发角θ和激发角覆盖范围Δθ，使入射光环形聚焦在半球棱镜的球心区域。当激发角θ大于全内反射临界角时，在半球棱镜的球心区域发生全反射，在球心区域的空气一侧产生衰逝波。衰逝波范围内的纳米颗粒9和增强光谱探针可增强局域电磁场强度，提升位于局域场中的样品分子的激发效率。激发效率更高，会使得更多激发光的能量和样品耦合，提升仪器的检测灵敏度。
进一步地，在本实施例介绍的检测方法中，选择表面有第一金属层、二维材料膜层的全反射透镜3(即图6a和图6b所介绍的结构)，与只设置全反射透镜3的方案相比，激光会首先在第一金属层或二维材料膜层表面激发出表面电磁波，此时激光能量会进一步集中在作为第一金属层的贵金属或作为二维材料膜层的石墨烯等材料的表面，此时由于表面电磁波的发生而在第一金属层或二维材料膜层表面产生强度更强、衰减更快的衰逝波，这就进一步提高了位于衰逝波范围内的纳米颗粒9和增强光谱探针局域电磁场强度，从而获得更高的激发效率，激发效率较只设置全反射透镜3的方案可提高数倍、甚至数十倍。
步骤S2500、确定激光的偏振态，并将偏振器500调节至使得光线满足所需要的偏振态。
具体来说，根据待检测的样品900的特性和目标特征，分别设置：
情况一：如果样品对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用径向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
情况二、如果样品对平行衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用角向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴垂直。
上述的步骤S2300、S2400、S2500不限定先后执行顺序。
步骤S2600、来自粒子或探针区域的样品信号被收集后聚焦于光谱仪701之中。
步骤S2700、分析光谱仪701采集到的谱图，获得样品的化学组分。
由上文描述的检测过程可以看出，不管是否具有全反射透镜3，光学检测的大致过程相同，但是激发角、偏振态可能不相同。
参见图24，上文介绍的采用全反射透镜3表面设置有增强层4，即第一金属层或二维材料膜层的各实施例，即图7a和图7b所介绍的结构，可以实现第三种光学检测：环形矢量偏振激发KR-SPP模式下的光学检测。KR-SPP模式是指：用于实现克莱舒曼(Kretschmann)提出的激发表面等离激元的光学检测原理的检测模式。此检测模式所采用的光学系统为对应图21a的光学系统。具体内容请参见上文的介绍。
在该检测方法中，衬底8的表面制备有支持表面等离激元(即SPP)的金属或二维材料薄膜，样品置于薄膜之上。衬底8的下表面通过折射率耦合液与半球棱镜贴合在一起。此时可以直接观察到衬底8表面样品的清晰的成像。
参见图24，具体检测方法与上文介绍的检测方法基本相同，具体包括以下步骤：
步骤S3100、使得白光照明设备600工作，直至在衬底8表面观察到样品表面清晰的成像。照明设备600的详细介绍参见上文介绍的，此处不再赘述。
步骤S3200、使得光学成像设备750和光谱检测设备700工作，此时照明设备600不再起作用。
步骤S3300、调节激光的激发角,使得激发角达到SPP激发角。具体地，通过调节变束器400电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角，使得激发角达到SPP激发角。
步骤S3400、确定激光的偏振态，并将偏振器500调节至使得光线满足所需要的偏振态。
此模式下，样品对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，故采用径向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
上述的步骤S3300和步骤S3400不限定先后执行顺序。
步骤S3500、来自粒子或探针区域的样品的散射光信号被收集后聚焦于光谱仪701之中。
步骤S3600、分析光谱仪701采集到的谱图，获得样品900的化学组分。
上述的检测方法尤其适用于单分子、单分子层等超薄样品的检测。
参见图25，下面介绍全反射透镜3和衬底8之间设置微纳米球10的各实施例，如何实现第四种光学检测：环形矢量偏振激发Otto-SPP模式下的光学检测。此检测模式所采用的光学系统为对应图21a的光学系统。具体内容请参见上文的介绍。
Otto-SPP模式是指：用于实现奥托(Otto)提出的激发表面等离激元的光学检测原理的检测模式。此检测方法所基于的光学系统，其衬底8与焦平面具有一定的间距，即该光学系统所采用的物镜100的结构参见上文的图7a、图7b、图14a、图14b介绍的结构。该模式的激发效率也远高于相关技术中显微物镜800的激发效率。在采用抛物面反射镜的那些技术方案中，环形激发光在半球棱镜表面发生全反射，衬底8上表面位于衰逝场范围内。微纳米球10控制全反射透镜3和衬底8的间距，待测分子位于环形激发光的聚焦区域内。其中衬底8表面沉积有增强层4，即第一金属层或二维材料膜层，如图16a和图16b。当激发光角度满足表面等离激元激发条件时，可进一步提升了衬底8表面样品区域的局域电磁场强度，获得更高的激发效率。
参见图25，环形矢量偏振激发Otto-SPP模式下的光学检测方法包括以下步骤：
步骤S4100、使得白光照明设备600工作，直至在衬底8表面观察到样品表面清晰的成像。照明设备600的详细介绍参见上文介绍的，此处不再赘述。
步骤S4200、使得光学成像设备750和光谱检测设备700工作，此时照明设备600不再起作用。
步骤S4300、调节激光的角度覆盖范围。根据所需要的激光光束的半径，计算得到扩束比，选择满足扩束比要求的扩束器300。比如激光光束半径为0.25mm，扩束器300扩束比为1.6，使输出光束半径为0.4mm。
步骤S4400、调节激光的激发角。具体地，通过调节变束器400电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角，使得激发角达到SPP激发角。
步骤S4500、确定激光的偏振态，并将偏振器500调节至使得光线满足所需要的偏振态。
此模式下，样品对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，故采用径向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
步骤S4600、来自纳米颗粒9或激发增强光谱探针12区域的样品信号被收集后聚焦于光谱仪701之中。
步骤S4700、分析光谱仪701采集到的谱图，获得样品的化学组分。
环形矢量偏振激发Otto-SPP模式下的光学检测方法尤其适用于单分子、单分子层等超薄样品的检测。光谱检测的灵敏度更高，可达到单个分子的检测灵敏度。
参见图26a和图26b，下面介绍环形矢量偏振激发平面波导模式下的光学检测。此检测模式下所示意的物镜100参见上文图8a和图8b所介绍的。
先介绍这种检测模式所基于的光学系统结构。
参见图26a，其光学系统包括两路照明设备600、一路成像设备和两路光谱检测设备700。两路照明设备600分别为第一照明设备600a和第二照明设备600b。两路光谱检测设备700分别为第一光谱检测设备700a和第二光谱检测设备700b。第一照明设备600a、第一光谱检测设备700a、光学成像设备750组成一个整体，相互配合作用。第二照明设备600b、第二光谱检测设备700b和显微物镜800组成一个整体，相互配合作用。光学成像设备750和显微物镜800的焦点重合。
第一照明设备600a和上文各个光学系统介绍的照明设备600结构、作用相同。第二照明设备600b结构与上文介绍的照明设备600的结构基本相同，只是其用于给显微物镜800照明。第一照明设备600a的结构、部件之间的位置关系，请参见上文，此处不重复介绍。只介绍第二照明设备600b。
参见图26a，第二照明设备600b包括可见光光源601’、透镜602’和环形挡板603’。可见光光源601’被构造为发出可见光；透镜602’布置于可见光光源601’和显微物镜800之间；环形挡板603布置于透镜602’和显微物镜800之间。
参见图26a，第二照明设备600b还包括第一反射镜604’、半反射半透过透镜605’和第二反射镜606’。第一反射镜604’布置于环形挡板603’和显微物镜800之间。半反射半透过透镜605’与第一反射镜604’的反射面平行布置。第二反射镜606’可移动地布置于光谱仪701和显微物镜800之间，且第二反射镜606’被构造为在以下两个位置之间切换：位于光谱仪701和显微物镜800之间的光路上以将来自于所述可见光光源601’的光线反射至所述显微物镜800中、位于显微物镜800和光谱仪701之间的光路之外，以免阻碍显微物镜800和光谱仪701之间光线的传播。第一聚焦镜607’位于半反射半透过透镜605’远离第二反射镜606’的一侧；成像传感器608’位于第一聚焦镜607’远离半反射半透过透镜605’的一侧。
继续参见图26a，显微物镜800设置有用于改变光线方向的第四反射镜801、第五反射镜802。此检测模式下，物镜100的衬底8的表面设置有波导材料层6，待检测的样品900置于波导材料层6上。衬底8的下表面通过折射率耦合液与半球棱镜贴合在一起。
环形矢量偏振激发平面波导模式下的光学检测方法包括以下步骤：
步骤S5100、启用第一照明设备600a和第二照明设备600b，直至直接观察到衬底8表面样品清晰的成像。
具体操作步骤为：将第二反射镜606、606'都移进光路，调节物镜100和显微物镜800，使成像传感器608、608'上都能看清衬底8表面。
步骤S5200、使得光学成像设备750和光谱检测设备700工作，此时照明设备600不再起作用。
具体来说，将第二反射镜606和606'都移动出光路，此时从激光器200辐射出的激光经过扩束和整形后，以某一角度聚焦在衬底8表面。
步骤S5300、调节激光的激发角。具体地，通过调节变束器400的电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角，使得激发角达到波导模式激发角。
当激发光角度θ满足波导介质层62中的激发条件时，波导介质层62表面产生消逝场，位于消逝场范围内纳米颗粒9或增强光谱探针的局域电磁场进一步提高，进而提高光谱的激发效率。
步骤S5400、确定激光的偏振态，并将偏振器500调节至使得激光满足所需要的偏振态。
具体来说，根据待检测的样品900的特性和目标特征，分别设置：
情况一：如果样品对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用径向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
情况二、如果样品对平行衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用角向偏振或线偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴垂直。
通过步骤S5300和步骤S5400的调节，进而使得激光的激发角和偏振态满足波导激发条件。
步骤S5500、来自纳米颗粒9或激发增强光谱探针12区域的样品信号被收集后聚焦于光谱仪701之中。源自衬底8的光谱信号经物镜100以及后续光路后被光谱仪701记录下来。同时另一部分源自衬底8的光谱信号，经显微物镜800以及后续光路后被光谱仪701'记录下来。
步骤S5600、分析光谱仪701和701’采集到的谱图，获得样品的化学组分。
上述的光学检测方法，样品的量可以很少，并且支持的激发角更多，支撑的偏振模式更多，所以具有更加广泛的应用场景。
参见图27a和图27b，下面介绍环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式下的光学检测。此检测模式下所示意的物镜100参见上文图8a和图8b所介绍的内容。
此模式下，光学系统包括照明设备600、光学成像设备750。参见图27a，照明设备600被构造为提供可见照明光。其中，照明设备600包括可见光光源601、透镜602、环形挡板603、第一反射镜604、第二反射镜606、第一聚焦镜607、成像传感器608、荧光显微镜609。可见光光源601被构造为发出可见光。透镜602布置于可见光光源601和物镜100之间。环形挡板603布置于透镜602和物镜100之间。第一反射镜604布置于环形挡板603和物镜100之间。第二反射镜606可移动地布置于第一反射镜604和物镜100之间，且第二反射镜606被构造为在以下两个位置之间切换：位于第一反射镜604和物镜100之间的光路上以将光线反射至光学成像设备750的第三反射镜550、位于光学成像设备750的偏振器500和物镜100之间的光路之外以避免阻挡偏振器500输出的光线射至第三反射镜550。荧光显微镜609布置于第三反射镜550远离物镜100的一侧。第一聚焦镜607位于荧光显微镜609远离第三反射镜550的一侧。成像传感器608位于第一聚焦镜607远离荧光显微镜609的一侧。
下面介绍如何采用本实施例提供的光学系统实现光学检测。
步骤S6100、使得白光照明设备600工作，即照明设备600起作用：移动衬底8到物镜100下方，当衬底8处于物镜100正下方时，可以在衬底8表面观察到样品表面清晰的成像。具体操作步骤为：将第二反射镜606移动进入光路中，可见光光源601发射宽带白光，经过透镜602后变为平行光，后经过环形挡板603变为环形光、第一反射镜604后，再经过第二反射镜606和第三反射镜550的反射，进入物镜100，最终在衬底8形成光斑。移动样品或者物镜100的位置，直到看清样品900。
步骤S6200、将光学系统调节至使得光学成像设备750和光谱检测设备700均工作，此时照明设备600不再起作用。此时，将第二反射镜606移出光路。
步骤S6300、调节激发角。具体地，通过调节变束器400电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角，使得激发角达到物镜100可以容忍的最大激发角。
步骤S6400、采用光学成像设备750照明，即激光照明。
步骤S6500、调控激光的偏振态在径向偏振和角向偏振之间切换，获得每种偏振态下样品的荧光成像。
具体来说，根据待检测的样品900的特性和目标特征，分别设置：
情况一：如果样品对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用径向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
情况二、如果样品对平行衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用角向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴垂直。
步骤S6600、比较不同偏振态下样品900的成像，分析样品900的内部结构。
参见图28a和图28b，下面介绍环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式下的光学检测。此检测模式下所示意的物镜100参见上文图8所介绍的。
此模式下，光学系统在上文介绍的针对图27a的光学系统基础至少，还有另外一套光学成像设备750。即本实施例提供的光学系统包括一条照明设备600、两条光学成像设备750以及一条光谱检测设备700。两条成像设备通过并束器1000实现光线汇聚为一路。两套光学成像设备750的焦点重合；且至少其中一套光学成像设备750安装于延迟线2000，以使得两套所述光学成像设备750发出的激光的光程差可调节。
参见图28a和图28b，光学切片显微镜包括两路激发光，两路激发光的焦点位于同一点。两路激发光采用并束器1000汇合。即物镜100、激光器200、扩束器300、变束器400、偏振器500发出的激光和物镜100’、激光器200’、扩束器300’、变束器400’、偏振器500’发出的激光经过并束器1000后传输至物镜100中。
下面介绍如何采用本实施例提供的光学系统实现光学检测。
步骤S7100、使得白光照明设备600工作，即照明设备600起作用：移动衬底8到物镜100下方，当衬底8处于物镜100正下方时，可以在衬底8表面观察到样品表面清晰的成像。照明设备600。具体操作步骤为：将第二反射镜606移动进入光路中，可见光光源601发射宽带白光，经过透镜602后变为平行光，后经过环形挡板603变为环形光、第一反射镜604后，再经过第二反射镜606和第三反射镜550的反射，进入物镜100。移动样品或者物镜100的位置，直到看清样品。
步骤S7200、使得两路光学成像设备750和光谱检测设备700均工作，此时照明设备600不再起作用。此时，将第二反射镜606移出光路。
步骤S7300、调节各个激光的激发角。具体地，通过调节变束器400电动滑轨的位置，改变第一锥镜401和第二锥镜402的距离，调节环形光束的半径，进而调节激发角，使得激发角达到物镜100可以容忍的最大激发角。
步骤S7400、采用两路激光照明。调控两路激光的相对位置，使两路光在并束器1000处汇合时光程差为0。
步骤S7500、调控偏振态在径向偏振和角向偏振之间切换，获得每种偏振态下样品的荧光成像。
具体来说，根据待检测的样品900的特性和目标特征，分别设置：
情况一：如果样品对垂直衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用径向偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴重合。
情况二、如果样品对平行衬底8表面的偏振有最佳响应，则采用角向偏振或线偏振。此时调节偏振器500，使通过二分之一波片(即半波片502)的光束线偏振方向与涡旋波片503快轴垂直。
步骤S7300～步骤S7500的具体操作为：此时第二反射镜660已经被移出光路。两个激光器200和200'分别出射激光，两路激光经过光束和偏振态的调节后，在并束器1000处合并，经过第三反射镜550反射进入物镜100，在衬底8上聚焦。调节延迟器2000，移动左光臂和下光臂在并束器1000处的光程差，二者光程差为0时，衬底8处样品中会产生双光子耦合，从样品中辐射出的荧光光子经过物镜100、二向色镜550a以及荧光滤光片609后，被成像透镜607聚焦在成像传感器608上。在上述成像过程中，进行步骤S7300～步骤S7500的调节，可以得到不同的成像效果。
步骤S7600、比较不同偏振态下样品900的成像，分析样品900的内部结构。
环形矢量偏振激发光学切片显微镜模式下的光学检测主要针对样品为细胞、组织等生命科学样品。
上述各技术方案提供的光学系统，将激发光的能量限制在1度激发角范围内，显著提高光能激发效率；并且，激发角从0～80度可调，充分满足样品对激发角的需求；偏振态灵活可调，充分满足样品对激发偏振的需求；并且，该光学系统实现了将传统的大型复杂转角装置达到的角度控制能力，缩小到集成的光学成像设备750中，简化了装置结构，可与现有显微光谱系统结合或者发展便携式光谱装置。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (47)

1.一种物镜，其特征在于，包括：
壳体（1），具有内腔（11），所述内腔（11）具有第一开口（11a）和第二开口（11b）；以及
光学聚焦组件（2），安装于所述内腔（11）中，所述光学聚焦组件（2）的焦点位于所述第二开口（11b）处，所述光学聚焦组件（2）被构造为使得经由所述第一开口（11a）进入到所述壳体（1）内的光线聚焦于所述焦点处；
所述光学聚焦组件（2）包括透镜组（21）；
所述透镜组（21）包括至少两个透镜；
其中，激发光经过所述透镜后聚焦于所述壳体（1）外侧的同一点；或者，激发光经过各个所述透镜后聚焦于所述第二开口（11b）所在的平面上的同一点；
所述透镜组（21）的各个所述透镜成排设置且各个所述透镜的凹面均朝向所述焦点所在的一侧，并且，沿着朝向所述焦点的方向：各个所述透镜的折射率逐渐升高；
其中，所述光学聚焦组件（2）被构造为在样品的激发角为0°～85°范围内，所述光学聚焦组件（2）均可实现聚焦；所述光学聚焦组件（2）的覆盖角度调节范围为0.5°～5°。
2.根据权利要求1所述的物镜，其特征在于，还包括：
全反射透镜（3），安装于所述壳体（1），且所述全反射透镜（3）的球心位于所述光学聚焦组件（2）的焦点。
3.根据权利要求2所述的物镜，其特征在于，所述全反射透镜（3）包括半球棱镜，所述半球棱镜的凸面远离焦点所在的一侧，所述半球棱镜的平面朝向所述焦点所在的一侧，所述全反射透镜（3）的平面设置有用于激发出表面电磁波模式的增强层（4）。
4.根据权利要求3所述的物镜，其特征在于，所述增强层（4）包括沉积于所述全反射透镜（3）的平面的第一金属层或者制备于所述全反射透镜（3）的平面的二维材料膜层。
5.根据权利要求4所述的物镜，其特征在于，
所述第一金属层的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铂、钯；或者
所述二维材料膜层的材质选自以下其中一种或者多种：石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫族化合物构成的异质结。
6.根据权利要求2所述的物镜，其特征在于，所述全反射透镜（3）包括半球棱镜，所述半球棱镜的凸面远离所述焦点所在的一侧，所述半球棱镜的平面朝向所述焦点所在的一侧，所述全反射透镜（3）的平面沉积有半反射半透过膜层（5），所述半反射半透过膜层（5）被构造为使得部分光线被反射且其余的光线被透射，以在所述半反射半透过膜层（5）远离所述壳体（1）的表面形成表面全反射。
7.根据权利要求6所述的物镜，其特征在于，所述半反射半透过膜层（5）的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铝、铁、铂、钯、铑。
8.根据权利要求6所述的物镜，其特征在于，所述半反射半透过膜层（5）的厚度为5纳米～50纳米。
9.根据权利要求2所述的物镜，其特征在于，所述全反射透镜（3）采用半球棱镜，所述半球棱镜的凸面远离所述焦点所在的一侧，所述半球棱镜的平面朝向所述焦点所在的一侧，所述全反射透镜（3）的平面沉积有波导材料层（6）。
10.根据权利要求9所述的物镜，其特征在于，所述波导材料层（6）包括：
第二金属层（61），沉积于所述半球棱镜的平面；以及
波导介质层（62），沉积于所述第二金属层（61）远离所述半球棱镜的表面。
11.根据权利要求2所述的物镜，其特征在于，还包括：
支架（7），所述支架（7）与所述壳体（1）固定连接，所述全反射透镜（3）通过所述支架（7）安装于所述壳体（1）。
12.根据权利要求2所述的物镜，其特征在于，所述全反射透镜（3）包括：
第一透镜部（31），与所述壳体（1）固定或者可拆卸连接；以及
第二透镜部（32），与所述第一透镜部（31）可拆卸连接，所述第二透镜部（32）远离所述第一透镜部（31）的表面用于支撑样品。
13.根据权利要求1～10任一所述的物镜，其特征在于，所述物镜的通光孔径是显微物镜通光孔径的1.2倍～10倍。
14.一种光学成像设备，其特征在于，包括权利要求1～13任一所述的物镜（100）。
15.根据权利要求14所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：
衬底（8），设置于所述壳体（1）的外部，所述衬底（8）被构造为放置待检测的样品（900）。
16.根据权利要求15所述的光学成像设备，其特征在于，所述衬底（8）被构造为金属的，或者，所述衬底（8）朝向所述壳体（1）的一侧设置有第三金属层或者二维材料膜层。
17.根据权利要求16所述的光学成像设备，其特征在于，所述第三金属层的材质选自以下其中一种或者多种：金、银、铜、铂、钯。
18.根据权利要求16所述的光学成像设备，其特征在于，所述二维材料膜层的材质选自以下其中一种或者多种：石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫族化合物构成的异质结。
19.根据权利要求15所述的光学成像设备，其特征在于，所述光学聚焦组件（2）的焦点位于所述衬底（8）的表面。
20.根据权利要求15所述的光学成像设备，其特征在于，所述衬底（8）位于所述光学聚焦组件（2）的焦点之外。
21.根据权利要求20所述的光学成像设备，其特征在于，所述衬底（8）位于所述光学聚焦组件（2）的焦点之外，且所述衬底（8）与所述光学聚焦组件（2）的全反射透镜（3）之间夹设有用于调整间距的微纳米球（10）。
22.根据权利要求15所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：
纳米颗粒（9），沉积于所述衬底（8），所述纳米颗粒（9）位于所述光学聚焦组件（2）的焦点区域。
23.根据权利要求14～22任一所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：
激光器（200），被构造为发射激光；
扩束器（300），设于所述光学聚焦组件（2）的上游，且位于所述激光器（200）的下游，以对所述激光器（200）发出的光线进行扩束。
24.根据权利要求23所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：
变束器（400），包括第一锥镜（401）和第二锥镜（402），所述第一锥镜（401）和所述第二锥镜（402）的距离可调节；所述第一锥镜（401）包括内凹锥面，所述第二锥镜（402）包括外凸锥面，所述内凹锥面和所述外凸锥面相对设置；其中，所述变束器（400）被构造为改变经由所述扩束器（300）出来的光线的半径。
25.根据权利要求24所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：
偏振器（500），包括线偏振片（501）、半波片（502）和涡旋波片（503）；所述半波片（502）位于所述线偏振片（501）和所述涡旋波片（503）之间；所述偏振器（500）位于所述变束器（400）和所述壳体（1）之间，所述偏振器（500）被构造为把经由所述变束器（400）出来的光线的偏振态调整为以下其中一种：线偏振、径向偏振、角向偏振。
26.根据权利要求25所述的光学成像设备，其特征在于，所述偏振器（500）还包括：
支撑件（504），所述线偏振片（501）、所述半波片（502）和所述涡旋波片（503）均可转动地安装于所述支撑件（504）。
27.根据权利要求25所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：
第三反射镜（550），包括二向色镜（550a），所述二向色镜（550a）位于所述偏振器（500）和所述物镜（100）之间。
28.根据权利要求25所述的光学成像设备，其特征在于，从所述半波片（502）输出的光线的偏振方向与所述涡旋波片（503）的快轴重合，所述偏振器（500）输出径向偏振光。
29.根据权利要求25所述的光学成像设备，其特征在于，从所述半波片（502）输出的光线的偏振方向与所述涡旋波片（503）的快轴垂直，所述偏振器（500）输出角向偏振光。
30.根据权利要求25所述的光学成像设备，其特征在于，所述光学成像设备包括以下其中之一：光学切片显微镜、双光子显微镜。
31.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求14～30任一所述的光学成像设备。
32.根据权利要求31所述的光学系统，其特征在于，还包括：
照明设备（600），被构造为提供可见照明光；和/或
光谱检测设备（700），被构造为采集样品（900）在激光激发下的散射光并分析。
33.根据权利要求32所述的光学系统，其特征在于，所述照明设备（600）包括：
可见光光源（601），被构造为发出可见光；
透镜（602），布置于所述可见光光源（601）和所述物镜（100）之间；以及
环形挡板（603），布置于所述透镜（602）和所述物镜（100）之间。
34.根据权利要求33所述的光学系统，其特征在于，所述照明设备（600）还包括：
第一反射镜（604），布置于所述环形挡板（603）和所述物镜（100）之间；
半反射半透过透镜（605），与所述第一反射镜（604）的反射面平行布置；
第二反射镜（606），可移动地布置于所述光学成像设备（750）的第三反射镜（550）和所述物镜（100）之间，且所述第二反射镜（606）被构造为在以下两个位置之间切换：位于所述第三反射镜（550）和所述物镜（100）之间的光路上以将来自于所述可见光光源（601）的光线反射至所述物镜（100）中、位于所述第三反射镜（550）和所述物镜（100）之间的光路之外，以免阻碍所述第三反射镜（550）和所述物镜（100）之间光线的传播；
第一聚焦镜（607），位于所述半反射半透过透镜（605）远离所述第二反射镜（606）的一侧；
成像传感器（608），位于所述第一聚焦镜（607）远离所述半反射半透过透镜（605）的一侧。
35.根据权利要求32所述的光学系统，其特征在于，还包括：
显微物镜（800），被构造为采集所述光学成像设备（750）的激发图像；
其中，所述照明设备（600）包括两条：第一照明设备（600a）和第二照明设备（600b）；所述第一照明设备（600a）被构造为给所述光学成像设备（750）提供照明以实现所述光学成像设备（750）的物镜（100）聚焦，所述第二照明设备（600b）被构造为给所述显微物镜（800）提供照明，以使得所述显微物镜（800）的聚焦。
36.根据权利要求31所述的光学系统，其特征在于，还包括照明设备（600），所述照明设备（600）被构造为提供可见照明光；其中，所述照明设备（600）包括：
可见光光源（601），被构造为发出可见光；
透镜（602），布置于所述可见光光源（601）和所述物镜（100）之间；
环形挡板（603），布置于所述透镜（602）和所述物镜（100）之间；
第一反射镜（604），布置于所述环形挡板（603）和所述物镜（100）之间；
第二反射镜（606），可移动地布置于所述第一反射镜（604）和所述物镜（100）之间，且所述第二反射镜（606）被构造为在以下两个位置之间切换：位于所述第一反射镜（604）和所述物镜（100）之间的光路上以将光线反射至所述光学成像设备（750）的第三反射镜（550）、位于所述光学成像设备（750）的偏振器（500）和所述物镜（100）之间的光路之外以避免阻挡所述偏振器（500）输出的光线射至第三反射镜（550）；
荧光显微镜（609），布置于所述第三反射镜（550）远离所述物镜（100）的一侧；
第一聚焦镜（607），位于所述荧光显微镜（609）远离所述第三反射镜（550）的一侧；以及
成像传感器（608），位于所述第一聚焦镜（607）远离所述荧光显微镜（609）的一侧。
37.根据权利要求36所述的光学系统，其特征在于，包括两套所述的光学成像设备（750），两套所述光学成像设备（750）的焦点重合；且至少其中一套所述光学成像设备（750）安装于延迟线（2000），以使得两套所述光学成像设备（750）发出的激光的光程差可调节。
38.根据权利要求37所述的光学系统，其特征在于，还包括：
并束器（1000），被构造为将两套所述光学成像设备（750）发出的两路激发光耦合为一路。
39.一种光学系统检测方法，其特征在于，采用权利要求31～38任一所述的光学系统实现，所述光学系统检测方法包括以下步骤：
启用照明设备，调节所述光学成像设备的物镜以实现聚焦；
调整所述光学成像设备的激光光路的偏振态、激发角、覆盖角度调节范围，以使得激发光的特性满足样品的激发要求；
采集所述样品在激光激发下的成像并分析。
40.根据权利要求39所述的光学系统检测方法，其特征在于，所述使得激发光的特性满足所述样品的激发要求，包括以下步骤：
根据样品的激发要求确定采用以下激发模式中的其中一种：环形矢量偏振激发模式、环形矢量偏振激发全反射模式、环形矢量偏振激发KR-SPP模式、环形矢量偏振激发Otto-SPP模式、环形矢量偏振激发平面波导模式、环形矢量偏振激发光学切片显微镜、环形矢量偏振激发切片双光子显微镜模式。
41.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发模式下，所述激发光的偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振、线偏振。
42.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发全反射模式下，所述激发光的偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振。
43.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发KR-SPP模式下，所述激发光的偏振态被调整为径向偏振。
44.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发Otto-SPP模式下，所述激发光的偏振态被调整为径向偏振。
45.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发平面波导模式下，所述激发光偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振、线偏振。
46.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发光学切片显微镜下，所述激发光振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振。
47.根据权利要求40所述的光学系统检测方法，其特征在于，在环形矢量偏振激发切片双光子显微镜模式下，所述激发光的偏振态被调整为以下其中一种：径向偏振、角向偏振。
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