[发明专利]一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及系统

说明书

本发明公开了一种免光瞳调制的共轴干涉表面等离子体显微方法及系统，包括沿光路依次布置的：相干照明光源、偏振调制装置、扩束装置、样品夹持装置、微纳移动扫描装置、共聚焦光阑、成像透镜组与图像传感器。在样品离焦过程中，与显微物镜的焦面共轭的图像传感器上检测到干涉信号即V(z)曲线。由于系统的通光孔径有限造成的边缘干扰效应对V(z)曲线的周期存在影响，本发明采用陷波滤波的方式消除其影响，其中陷波滤波器的带宽和中心频率与系统的数值孔径线性相关。本系统能够实现横向和轴向分辨率分别在半波长和亚纳米量级的超显微检测，具有免光瞳调制、系统简单、成本低，能够快速实现高分辨率成像等优点。

技术领域

本发明涉及纳米光学检测领域，尤其涉及一种免入射光调制的共轴干涉表面等离子体显微系统。

发明背景

表面等离子体(SPR)是一种沿金属和电介质表面传播的电磁波，它对金属和电解质的折射率和厚度的变化十分敏感，能够对亚细胞结构、亚纳米量级的薄膜、大分子结构、新型纳米材料、分子与分子的相互作用等进行检测，而且检测的结果具有突出的准确性、稳定性和高重复性，在化学、医疗、生物、半导体材料、信息等领域有广泛的应用。该技术的不足之处在于其横向分辨率受制于SPR波的传播长度，通常在十多个微米，远大于常规光学系统的衍射极限即半波长量级，典型的系统是棱镜式SPR显微系统。显微物镜SPR检测系统能够将入射光严格聚焦到亚微米的焦点并在焦点的局域范围内激发SPR，实现亚微米尺度的横向分辨率。显微物镜SPR检测系统目前有干涉式和非干涉式两种，其中干涉式SPR显微系统可以对带有样品信息的SPR信号的相位进行检测，能够有效减弱非干涉式SPR显微系统的横向分辨率与轴向灵敏度相悖的问题，实现更好的横向分辨率和信噪比。本发明属于干涉式SPR显微系统，采用显微物镜实现SPR的激发。相比较于目前常用的双臂差分干涉式SPR显微系统，本发明依然采用了V(z)理论，不同之处在于本发明采用了共轴干涉方法，能够有效降低环境噪音的影响，而且系统简单、成本低、容易产业化应用。针对干涉式SPR显微系统中，由于系统的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应与其在V(z)曲线上对应的系统噪音，本发明提出了陷波滤波的方法消除边缘效应，能够有效降低通光孔径的边缘效应带来的系统误差，而且具有免光瞳调制、系统简单、成本低，能够快速实现高分辨率成像等优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

目前的干涉式SPR显微系统复杂度高、信噪比低，且由于系统的数值孔径有限带来的通光孔径边缘效应带来一定的系统噪音，使得系统复杂、成本高、对环境要求苛刻而且检测精度较低。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种免入射光调制的共轴干涉表面等离子体显微系统，其主要由包括照明光路、样品夹持与控制、成像光路三部分组成。

其中照明光路用于对样品进行照明，包括相干照明光源、偏振调制装置、扩束装置。偏振调节装置可对照明光源的偏振态进行调节，得到偏振方向沿着特定方向的线性偏振光，偏振调节装置一般是由起偏器和半玻片构成。扩束装置由偶数个透镜组成，能够扩大入射光的半径，以充满系统显微物镜的通光孔径并可满足表面等离子体的激发角度的要求。

样品夹持与微纳移动平台，包括样品夹持装置、样片和微纳移动扫描装置。

成像光路用于采集显微物镜焦面附近的信号，包括显微物镜、成像透镜组、共聚焦光阑和图像传感器。图像传感器感光面和显微物镜的焦面共轭，共聚焦光阑和显微物镜的焦面共轭，成像光路中光束经显微物镜、奇数个成像透镜和共聚焦光阑后，被图像传感器采集。

参考臂与信号臂位于成像光路同一束光路中，其中参考臂位于光束的中心，信号臂为入射光在样品表面产生的表面等离子体波，图像传感器可对待测样品在焦点附近移动时参考臂和信号臂的干涉信号进行探测。在样品离焦的过程中，在共聚焦光阑的作用下仅系统的参考臂与所述样品对应的表面等离子体波在显微物镜的焦面及其共轭面上发生干涉，图像传感器在其共轭面上记录该干涉效应即V(z)曲线。