[发明专利]一种基于SPR角谱的成像光学系统

说明书

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。

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θ_C＝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≥θ_C，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≥θ_C，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。