專利名稱：目標的光相位測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及光相位測量，更具體地，涉及光相位檢測器和光相位檢測方法。
背景技術(shù)：
表面等離子諧振(surface plasmon resonance，SPR)涉及沿導電薄膜與相鄰電介質(zhì)之間界面的表面等離子波的光激發(fā)。在諧振中，來自入射光信號的能量被耦合到表面等離子波中，導致在發(fā)生諧振的光波長處，從導電薄膜反射的光信號的強度降低。在諧振光波長處還發(fā)生反射光信號中的相變。由于與延伸到電介質(zhì)中的表面等離子波相關(guān)聯(lián)的倏逝尾部(evanescent tail)，在諧振光波長處的反射光信號的相位對與導電薄膜相鄰的電介質(zhì)的折射率的變化是敏感的。這種相位對折射率的敏感性使得電介質(zhì)可以被用作感應(yīng)介質(zhì)。例如，當電介質(zhì)包括生化樣本的時候，折射率的變化可以被用于指示生化樣本中的生化情況或者過程。
由于反射光信號中的相變對電介質(zhì)或感應(yīng)介質(zhì)的折射率變化的敏感性，基于SPR的相位測量已經(jīng)被開發(fā)作為生化感應(yīng)的分析工具。例如，Immunosensor based on optical heterodyne phase detection，Sensors andActuators B，第76卷，Xinglong Yu等，(2003)，第199～202頁，發(fā)表了干涉測量法、光外差法以及其他技術(shù)，用于檢測與折射率中小于微量單位的變化相對應(yīng)的相位變化，這些折射率的變化與生化樣本中抗體與蛋白質(zhì)的結(jié)合/解離相聯(lián)系。
對進一步增加敏感性的相位檢測方案有著持續(xù)的需求，利用該敏感性可以檢測折射率的變化。此外，存在對這樣的基于SPR的相位檢測方案的需求，這些相位檢測方案是可變規(guī)模的，以便與包含用于生化感應(yīng)的樣品陣列的分析系統(tǒng)相適應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，光相位檢測包括產(chǎn)生具有第一偏振的第一光波和具有從第一偏振偏移的第二偏振的第二光波，并在第一和第二二光波之間施加相對延遲。當這些光波的波長在指定波長范圍上被調(diào)諧時，所施加的延遲就引起頻率偏移。
光波被引導到響應(yīng)于第一和第二光波而提供第三光波和第四光波的目標上。第三光波的偏振分量和第四光波的偏振分量被檢測，以提供在頻率偏移處的檢測信號。光相位檢測然后還包括提取由目標引入的在第三和第四光波的偏振分量之間的相位差。根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，將光相位檢測增大規(guī)模(scaling)使得能夠從目標陣列同時或者順序地檢測SPR所引入的相移。


圖1示出了SPR轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖2示出了對于圖1的結(jié)構(gòu)的示例相位-波長圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光相位檢測器。
圖4A～4B示出了圖3的光相位檢測器的示例實施方式。
圖5A～5B示出了本發(fā)明實施例中所包括的偏振光信號的詳細示圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的示例相位線對光波長的關(guān)系。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的對于不同偏振對準的相變對光波長的關(guān)系。
圖8A～8B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的增大規(guī)模的光相位檢測器。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另外的實施例的相位檢測方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了被稱為Kretchmann結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)SPR轉(zhuǎn)換器10。SPR轉(zhuǎn)換器10包括與電介質(zhì)2相鄰的導電薄膜1。但是，在SPR轉(zhuǎn)換器10的某些應(yīng)用中，電介質(zhì)2是感應(yīng)介質(zhì)，連接層(未示出)介于導電薄膜1與電介質(zhì)2之間，用于提供生物分子受體連接的位置。為了清楚，圖1中的導電薄膜被示出為與電介質(zhì)2相鄰，而沒有連接層。棱鏡4被定位成相鄰于導電薄膜1的和電介質(zhì)2相對的一側(cè)。在多篇參考文獻中描述了Kretchmann結(jié)構(gòu)的SPR轉(zhuǎn)換器10，包括Simulation and Analysis of Surface PlasmonResonance Biosensor Based on Phase Detection，Sensors and Acuators B，第91卷，Xinglong Yu等，(2003)，第285～290頁。
在SPR轉(zhuǎn)換器10的典型應(yīng)用中，導電薄膜1是金層，其對于在指定的入射角φSP和用于激發(fā)沿著導電薄膜1的表面等離子波或表面等離子激元(surface plasmon)的波長處的入射光信號Ii，具有適當?shù)暮穸萪1。與表面等離子激元相關(guān)聯(lián)的是倏逝尾部(未示出)，該倏逝尾部穿透到與導電薄膜1相鄰的電介質(zhì)2中。入射光信號Ii的沒有被耦合到表面等離子激元中的能量在導電薄膜1處被反射，并產(chǎn)生反射光信號Ir。
圖2示出了在圖1的SPR轉(zhuǎn)換器10的情形中，入射光信號Ii撞擊到在導電薄膜1上的目標T上所得到的反射光信號Ir的示例相位曲線。相對于波長λR附近的波長λ來表示相位，其中在波長λR處，入射光信號Ii耦合到表面等離子激元。該波長λR是SPR(表面等離子諧振)的光波長，此后稱為諧振波長λR。圖2顯示出反射光信號Ir的相位對在諧振波長λR附近的入射光信號Ii的波長λ高度敏感。而由于穿入電介質(zhì)2的倏逝尾部，諧振波長λR又對電介質(zhì)2的折射率nS的變化高度敏感。檢測反射光信號Ir的相位使得能夠檢測出電介質(zhì)2的折射率nS的變化。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光相位檢測器20。光相位檢測器20包括產(chǎn)生光信號I1的可調(diào)諧光源22。光信號I1包括具有第一偏振的第一光波和具有第二偏振的第二光波，其中第二偏振從第一偏振偏移。在典型的示例中，第一和第二光波的偏移偏振是常規(guī)的偏振p、s。為了說明的目的，具有p偏振的光波被稱為光波p，具有s偏振的光波被稱為光波s。
可調(diào)諧光源22包括延遲元件24，該延遲元件24在光信號Ii的光波p、s之間引入相對延遲τ。當可調(diào)諧光源22的波長λ在λ1與λ2之間的波長范圍上以速率γ被調(diào)諧或掃頻時，該被引入的延遲τ導致光波p與光波s之間的頻率偏移γτ。
圖4A示出了本發(fā)明的一個實施例，其中，可調(diào)諧光源22包括與偏振延遲單元PDU級聯(lián)的可調(diào)諧激光器26。可調(diào)諧激光器26可以在λ1與λ2之間的波長范圍上被掃頻。λ1與λ2之間的波長范圍足夠?qū)?，以容納由于電介質(zhì)2的折射率nS中的相應(yīng)改變而引起的諧振波長λR的改變。在一個示例中，可調(diào)諧激光器26是安捷倫科技有限公司的型號81680D，其可以在至少1492～1640納米的波長范圍λ1～λ2內(nèi)以線性斜率被調(diào)諧。偏振延遲單元PDU包括偏振維持光纖耦合器23，其將由可調(diào)諧激光器26提供的光信號分到第一支路和第二支路中。這些支路中的一個，例如第一支路，包括一段光纖25，用于在第一支路與第二支路中的光之間引入相對延遲τ。第一支路和第二支路然后被耦合到偏振束合成器28，該偏振束合成器28向準直器30傳輸來自第一支路的具有一種偏振(例如偏振p)的光，以及來自第二支路的具有被偏移的偏振(例如偏振s)的光。偏振束合成器28提供光信號I1的光波p、s。
或者，使用平面光學回路實現(xiàn)偏振延遲單元PDU，其中，在平面光學系統(tǒng)中實現(xiàn)偏振維持光纖耦合器23和偏振束合成器28，并且使用平面光波導實現(xiàn)延遲元件24。在另一個示例中，使用偏振束分光器21、作為延遲元件24的自由空間光路以及偏振束合成器28，實現(xiàn)偏振延遲單元PDU，如圖4B所示。
準直器30或者其他束調(diào)整元件被耦合到可調(diào)諧光源22上，以將光信號I1引導至導電薄膜1上的目標T上，如圖5A所示。在目標T處反射光信號I2。光信號I2包括一對光波pr、sr，光波pr、sr具有與光信號I1的光波p和光波s的偏移偏振相對應(yīng)的偏移偏振。光波p具有與導電薄膜1的平面垂直的電場分量，而光波s具有位于導電薄膜1的平面中的電場。光波p耦合到表面等離子激元，而光波s不耦合到表面等離子激元。因此，光信號I2的光波pr經(jīng)歷了如圖2所指示的在諧振波長λR處的相移，而光信號I2的光波sr不經(jīng)歷這樣的相移。
光信號I2被偏振器32接收，該偏振器32具有偏振軸X，該偏振軸X從光波pr、sr的偏振軸旋轉(zhuǎn)偏移了45度，如圖5A所示。但是，偏振器32的偏振軸X從這些偏振軸的除了45度之外的其他旋轉(zhuǎn)偏移量可以是可以的。
光信號I2的光波pr、sr由于穿過偏振器32而互相作用，在檢測器34處形成干涉信號I(t)。干涉信號I(t)由等式(1)表示。
I(t)＝Es(t)2+Ep(t)2+2EsEpcos(2πγτt+Δφsp)(1)在等式(1)中，Es(t)、Ep(t)分別代表光信號I2的光波pr、sr的電場大??；γ是可調(diào)諧光源22被調(diào)諧或掃頻的速率；τ是在由可調(diào)諧光源22提供的光信號I1的光波p、s之間引入的相對延遲；Δφsp是光信號I2的光波pr、sr之間的相位差。由于光信號I1的光波s并不耦合到表面等離子激元，所以光信號I2的光波sr并不由于SPR而產(chǎn)生相移。從而，相位差Δφsp是光波pr的相移，被指定為相位φp。因為光波s、sr通過了與光波p、pr相同的光路，所以確定光波pr相對于光波sr相位的相位φp提供了對機械震動、溫度變化以及其他影響的抗擾性。
隨著可調(diào)諧光源22的波長λ在諧振波長λR附近的波長范圍λ1～λ2上被調(diào)諧，干涉信號I(t)被檢測器34截獲。檢測器34響應(yīng)于干涉信號I(t)中的項2EsEpcos(2πγτt+φp)，并且可以被濾波或者以其他方式被調(diào)諧，以在頻率γτ附近的窄的帶寬中響應(yīng)，來改善可以測量或檢測項2EsEpcos(2πγτt+φp)的敏感性。檢測器34提供了檢測信號IDET(t)＝K1cos(2πγτt+φp)，其中K1是常數(shù)，并且其中γτ是由可調(diào)諧光源22提供的光信號I1的光波p、s之間的頻差或者拍頻。檢測信號IDET(t)通常是電信號。
通常，檢測器34是光電二極管、光傳感器或者用于將被截獲的光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號的其他適合的轉(zhuǎn)換器。或者，檢測器34是檢測器元件D1～DN的二維柵格或陣列，這些檢測器元件提供與被各個檢測器元件D1～DN截獲的一系列光信號相對應(yīng)的一系列電信號。
在光相位檢測器20中包括參考信號IREF，這使得干涉信號I(t)的項2EsEpcos(2πγτt+φp)中的相位φp可以被分離出來。例如，如圖4A的實施例中所示，經(jīng)由光耦合器37從光信號I1中分出、從參考目標TREF反射、并穿過偏振器32的參考信號IREF，在參考檢測器34R處提供了包含項ESREFEPREFcos(2πγτt)的干涉信號IR(t)。參考檢測器34R響應(yīng)于干涉信號IR(t)中的項ESREFEPREFcos(2πγτt)，并提供頻率參考IRDET(t)＝K2cos(2πγτt)，其中K2是常數(shù)。頻率參考IRDET(t)通常是電信號。
來自檢測器34、34R的檢測信號IDET(t)和頻率參考IRDET(t)被施加到相位比較器或者其他處理器36，以提取相位φp。適合于提取所施加的信號之間的相位差的相位比較器在本領(lǐng)域中是公知的，例如在Markus，John所著的Modern Electronic Circuits Reference Manual，McGraw-Hill公司，ISBN 0-07-040446-1，第699頁中有所描述。但是，可以使用任何適合的處理器36來從檢測信號IDET(t)和頻率參考IRDET(t)提取或者以其他方式確定相位φp。
圖4A示出了參考光信號IREF入射到參考目標TREF上，使得參考光信號IREF通過與信號I1、I2所通過的光路平行的光路。當參考信號IREF的光路中的參考目標TREF不支持在諧振波長λR處的表面等離子激元的激發(fā)時，參考信號IREF不經(jīng)歷與SPR相關(guān)聯(lián)的相移。于是，檢測到的相位可歸因于目標T的電介質(zhì)2的折射率。當參考信號IREF的光路中的參考目標TREF支持在諧振波長λR處的表面等離子激元的激發(fā)時，參考信號IREF經(jīng)歷與SPR相關(guān)聯(lián)的相移。這時，檢測到的相位是相位差，其可歸因于目標T的電介質(zhì)2的折射率與參考目標TREF的電介質(zhì)的折射率之間的差異。
雖然已經(jīng)介紹了提供參考光信號IREF的示例方案，但是應(yīng)當認識到，任何其他適合的系統(tǒng)、設(shè)備、元件或方案也可以被替代地用于提供參考光信號IREF，以分離由SPR引入的相位φp。參考光信號IREF提供了干涉信號I(t)的拍頻γτ的頻率參考IRDET(t)，如圖4A所示。在對圖4A所示的實施例的替代實施例中，參考光信號IREF是從光信號I1中分出的，并被直接傳給偏振器32和檢測器34，而不在參考目標TREF上反射。
隨著相位φp被測量，光信號I1的光波p的波長λ被記錄在存儲器或者其他存儲設(shè)備(未示出)中，以建立在諧振波長λR附近光波長λ與相位φp之間的關(guān)系。使用如在Fiber Optic Test and measurement.Dennis Derickson編，ISBN 0-13-534330-5，第42～44頁中所描述的光干涉測量法、零差法或外差法光譜分析，或者使用其他任何適合的波長辨別技術(shù)，來記錄或確定光信號I1的波長λ?；蛘撸陂_始波長λ1和開始時間t1、停止波長λ2和停止時間t2、可調(diào)諧光源22在時間間隔t2-t1中的開始波長λ1與停止波長λ2之間被調(diào)諧或掃頻的調(diào)諧速率γ，來確定波長λ。對于在波長范圍λ1～λ2上具有線性調(diào)諧特性的可調(diào)諧光源22，在時間tX與波長范圍λ1～λ2中的波長λX之間建立了直接映射。例如，在可調(diào)諧光源22的調(diào)諧或掃頻范圍內(nèi)，基于相位φp被測量的相應(yīng)時間tX，根據(jù)關(guān)系λX＝λ1+(tX-t1)γ，來確定波長λX。當可調(diào)諧光源22具有非線性調(diào)諧特性時，這些特性被用于將可調(diào)諧光源22的掃頻或調(diào)諧中的指定時間映射到波長范圍λ1～λ2內(nèi)的波長λX。通過在可調(diào)諧光源22被調(diào)諧或掃頻時將相位φp記錄為時間的函數(shù)，并使用可調(diào)諧光源22的時間tX與波長λX之間所建立的映射，確定了相位φp對波長λ的關(guān)系。
從波長λ與相位φp之間的關(guān)系，可以容易地確定在諧振波長λR處或者足夠接近諧振波長λR處的量dφp/dλ，其中量dφp/dλ代表相位φp對在諧振波長λR處的波長λ的變化的敏感度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，相位φp的測量被用于近似在諧振波長λR處的dφp/dλ。圖2顯示出在諧振波長附近，存在一個波長范圍，其中由量dφp/dλ表示的相移對波長變化的敏感度近似是常量。因而，在該波長范圍內(nèi)的量dφp/dλ提供了在諧振波長處的量dφp/dλ的近似。該近似的準確度依賴于在發(fā)生SPR相變的波長范圍內(nèi)相位φp對波長λ的斜率的一致性。
從在諧振波長λR處的量dφp/dλ、以及確定了代表在諧振波長λR處的波長對折射率的敏感度的量dλ/dnS，將代表相位φp對折射率nS變化的敏感度的量dφp/dnS建立為dφp/dnS＝(dφp/dλ)(dλ/dnS)。以多種方式確定量dλ/dnS。在一個示例中，從使用MATLAB或者其他適合的程序或環(huán)境來求解導電薄膜-電介質(zhì)界面處的菲涅耳反射以對諧振波長λR對折射率nS變化的敏感度建模，而對圖1的結(jié)構(gòu)10的計算機仿真中，確定量dλ/dnS。在另一個示例中，以經(jīng)驗方式確定量dλ/dnS，其中用在諧振波長λR附近的波長λ處的光信號I1順序地或同時地照射包括具有不同已知折射率nS1、nS2……nSX的電介質(zhì)2的目標T，以確定SPR對應(yīng)于每個折射率nS、nS2……nSX的諧振波長λR1、λR2……λRx。諧振波長λR1、λR2……λRx對折射率nS1、nS2……nSX的曲線擬合、差值法或者其他適合的技術(shù)被用于建立折射率nS與諧振波長λR之間的映射，以確定在諧振波長λR處的量dλ/dnS。
還可以通過匹配導電薄膜1與電介質(zhì)2之間的界面處的適當?shù)牟ㄊ?，確定量dλ/dnS。這包括使表面等離子激元的波矢kSPR＝w/c((ε1nS2)(ε1+nS2))1/2等于光信號I1的波矢kx＝n4(2π/λ)sinφSP，其中，ε1是導電薄膜1的介電常數(shù)，n4是棱鏡4的折射率，φSP是光信號I1的入射角?？梢詮牟ㄊ竗SPR、kx的等式獲得量dλ/dnS，如等式(2)，其中導電薄膜1的介電常數(shù)ε1的虛部被設(shè)為零。
dλdnS=n4ϵ1n4nS3λ(1ϵ1-1)+dn4dλnS(nS2+ϵ1)---(2)]]>所表示出的用于確定在諧振波長處的量dλ/dnS的可選方法是示例性的。應(yīng)當認識到，任何適合的方案可以被替代地用于確定或近似在諧振波長λR處或者在適當靠近諧振波長λR的波長處的量dλ/dnS，使得相位φp對折射率nS變化的敏感度可以被建立為dφp/dnS＝(dφp/dλ)(dλ/dnS)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，基于對具有不同折射率nS的電介質(zhì)2測量相位φp，來建立相位φp與折射率nS之間的映射。在該實施例中，檢測相位φp，并從所建立的映射確定電介質(zhì)2的折射率nS的變化。在一個示例中，折射率nS的變化dnS通過常量與在諧振波長λR處的相位φp的移位相關(guān)，例如在Immunosensor based on optical heterodyne phase detection，Sensors and Actuators B，第76卷，Xinglong Yu等，(2003)，第200頁所提出的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，相對于具有不同折射率(例如，折射率nS和折射率nS+ΔnS)的兩個或更多個目標T的波長λ，檢測相位φp。如圖6所示，所檢測到的與折射率nS、nS+ΔnS相對應(yīng)的相位φp是這樣的偏移曲線，其是由于因折射率的差異ΔnS造成的從諧振波長λR到諧振波長λR+ΔλR的諧振波長中的移位而產(chǎn)生的。諧振波長與折射率之間的映射然后可以被用于將諧振波長的差ΔλR轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的折射率的差ΔnS。
在本發(fā)明的另一個實施例中，通過使光信號I1的光波p、s的偏移偏振相對于如圖5A所示的目標T處的常規(guī)偏振p、s偏向或者旋轉(zhuǎn)，以得到如圖5B所示的具有偏向的偏振p’、s’的光波p’、s’，來修改在諧振波長λR附近相位φp的變化對波長λ的變化的敏感度。由于偏振中的偏向而引起的表現(xiàn)為量dφp/dλ的增大的該敏感度的增加，提供了相位對電介質(zhì)2的折射率變化的敏感度的增加。圖7示出了當光信號I1具有相對于光波p、s偏向的光波p’、s’時光信號I2的相位φp(被表示為φp(p’，s’))。在圖7中，當光信號I1具有光波p、s時光信號I2的相位被表示為φp(p，s)。
可以以許多方式獲得偏振的偏向。例如，通過例如在圖4A所示的實施例中的偏振束合成器28與準直器30之間的光纖中建立半波長平板雙折射(未示出)，這樣來產(chǎn)生偏向?；蛘撸ㄟ^在偏振束合成器28之后立即使光信號I1準直，并在被準直的光信號的光束中插入稍微偏向的自由空間半波長平板，這樣來實現(xiàn)偏向?；蛘?，可以在準直器30與偏振束合成器28相鄰放置的情況下，通過偏振束合成器28的稍微偏向，來實現(xiàn)偏振分量中的偏向。
可以例如通過當存在插入的半波長平板時旋轉(zhuǎn)該半波長平板，或者通過在隨著在諧振波長λR附近掃頻或者調(diào)諧光波長λ而測量相位φp的同時旋轉(zhuǎn)偏振束合成器28，來以經(jīng)驗方式對于光信號I1的偏振的給定偏向，使相位φp的變化對在諧振波長λR附近的波長λ的變化的敏感度增加或者最大化。
可以基于對偏振偏向的分析測定，來增加或優(yōu)化相位φp的變化對在諧振波長λR附近的波長λ的變化的敏感度。在分析測定中，光信號I2的與光波pr、sr相對應(yīng)的電場ESO、EPO由矩陣等式(3)表示。
在矩陣等式(3)中，項rS是用于光波s在目標T處的反射的瓊斯矩陣元；項rPejφP是用于光波p在目標T處反射的瓊斯矩陣元；項a和b是用于偏振偏向的瓊斯矩陣元，其中a＝|a|ejδa，b＝|b|ejδb；項ES、EP分別是光信號I1的光波p、s的電場分量。
來自目標T的反射信號I2穿過偏振器32以提供干涉信號I’(t)，如圖5B所示。干涉信號I’(t)＝|cosαESO+sinαEPO|2被檢測器34截獲，其中角α代表光信號I2的光波與偏振器32的軸X之間的旋轉(zhuǎn)偏移。檢測器34響應(yīng)于在頻率γτ附近的干涉信號I’(t)中的項，其中頻率γτ是由可調(diào)諧光源22提供的光信號I1的光波p’、s’之間的頻率差或者拍頻。檢測器34可以被濾波或者以其他方式被調(diào)諧為在頻率γτ左右的窄的帶寬內(nèi)響應(yīng)，以改善可以測量或檢測干涉信號I’(t)中的指定項的敏感度。檢測器34提供等式(4)中所表示的電信號I’DET(t)。
I’DET(t)＝cos2α|a||b|rS2ESOEPOcos(2πγτt+δa-δb)+cosαsinα|a|2rSrPESOEPOcos(2πγτt+2δa-φp)-cosαsinα|b|2rSrPESOEPOcos(2πγτt-2δb+φp)-sin2α|a||b|rP2ESOEPOcos(2πγτt+δa-δb) (4)對于光信號I1的偏振的偏向，基于等式(4)實現(xiàn)了相對于波長的高的相位敏感度，其中|b|近似等于來自目標T的光波p的反射率rP，SPR的相位φp與偏向δa+δb的相位的和是π的奇數(shù)倍。在典型的示例中，對于光波p、s的偏振與光波p’、s’的偏振之間小于5度的偏向，實現(xiàn)了敏感度的增加。
在圖8A～8B中所示的本發(fā)明的另一個實施例中，光相位檢測器20被增大規(guī)模，使得能夠同時或者順序地檢測來自目標T的SPR所引入的相移，其中目標T包括SPR轉(zhuǎn)換器陣列，表示為目標T1～TN。在圖8A中，目標T1～TN的陣列被光信號I11～I1N照射，其中光信號I11～I1N通過分光器42從光信號I1提供并通過準直器301～30N被引導。諸如透鏡的成像元件43被插入在目標T1～TN的陣列與檢測器44之間，其中檢測器44包括檢測器元件D1～DN的陣列。成像元件43被定位在如圖所示目標T1～TN的陣列與偏振器32之間的光路中，或者在偏振器32與檢測器陣列44之間的光路中。成像元件43提供目標T1～TN的物理位置與檢測器陣列44中的檢測器元件D1～DN的物理位置之間的映射或者其他對應(yīng)，使得從目標T1～TN的陣列所反射的光信號I21～I2N被檢測器陣列44中的相應(yīng)的檢測器元件D1～DN截獲。檢測器元件D1～DN向相位比較器或者其他處理器46提供檢測信號I1DET(t)～INDET(t)。處理器46將檢測信號I1DET(t)～INDET(t)與頻率參考IRDET(t)相比較，以提取從目標T1～TN的陣列中的每個目標反射的信號I21～I2N的相應(yīng)的相位。
在圖8A所示的實施例中，由可調(diào)諧光源22提供的光信號I1通過從光信號I1中分出而獲得參考光信號IREF、經(jīng)由偏振器47使參考光信號IREF偏振、并經(jīng)由檢測器44R檢測所得到的干涉信號IR(t)，這樣來產(chǎn)生頻率參考IRDET(t)。在另一個實施例中，由檢測信號I1DET(t)～INDET(t)中的指定的一個，例如檢測信號IXDET(t)，提供頻率參考IRDET(t)。該指定的檢測信號IXDET(t)對應(yīng)于目標T1～TN的陣列中的目標TX。當目標TX沒有在入射到目標TX上的光信號I1X的波長處引入SPR相移時，處理器46所提取的相位與參考光信號IREF的相位有關(guān)。當目標在入射到目標TX上的光信號I1X的波長處引入了SPR相移時，處理器46所提取的相位是有差異的。該相位差對應(yīng)于目標陣列中的目標之間的折射率差，其與對應(yīng)于目標TX的折射率有關(guān)。
根據(jù)圖8B中所示的本發(fā)明的實施例，諸如透鏡的聚焦元件47從光信號I1形成適當寬的束B1來照射目標T1～TN的陣列。目標陣列反射光信號I1的束B1，以形成束B2。定位在目標T1～TN的陣列與偏振器32之間的光路中的成像元件43提供目標T1～TN的物理位置與檢測器陣列44中的檢測器元件D1～DN的物理位置之間的對應(yīng)，使得束B2中從位于目標T1～TN的陣列中的相應(yīng)目標所反射的部分被檢測器陣列44中相應(yīng)的檢測器元件D1～DN截獲。檢測器元件D1～DN向相位比較器或者其他處理器46提供檢測信號I1DET(t)～INDET(t)，其中相位比較器或處理器46將檢測信號I1DET(t)～INDET(t)中的每個與頻率參考IRDET(t)相比較，以提取從目標T1～TN的陣列中的每個目標反射的束B2中的光信號的相位。
在圖8B所示的實施例中，由可調(diào)諧光源22提供的光信號I1通過從光信號I1分出而獲得參考光信號IREF、經(jīng)由偏振器47使參考光信號IREF偏振、并經(jīng)由檢測器44R檢測所得到的干涉信號IR(t)，這樣來產(chǎn)生頻率參考IRDET(t)。在另一個實施例中，由檢測信號I1DET(t)～INDET(t)中的指定的一個，例如檢測信號IXDET(t)，提供頻率參考IRDET(t)。該指定的檢測信號IXDET(t)對應(yīng)于目標T1～TN的陣列中的目標TX。當目標TX沒有在光束B1中入射到目標TX上的部分的波長處引入SPR相移時，處理器46所提取的相位與參考光信號IREF的相位有關(guān)。當目標TX在光束B1中入射到目標TX上的部分的波長處引入了SPR相移時，處理器46所提取的相位是有差異的。該相位差對應(yīng)于目標陣列中的目標之間的折射率差，其與對應(yīng)于目標TX的折射率有關(guān)。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另外的實施例的相位檢測方法50的流程圖。在方法50的步驟51中，光波p和光波s在波長范圍上被調(diào)諧。在步驟52中，在對光信號I1的波長進行調(diào)諧時通過在光波p與光波s之間施加相對延遲τ，而在光波p與光波s之間提供了頻率偏移γτ。步驟54包括將光波p與光波s引導到目標T，以提供響應(yīng)于光波p與光波s的光波pr與光波sr。步驟56包括檢測光波pr的偏振分量以及光波sr的偏振分量，以提供在頻率偏移γτ處的檢測信號。在步驟58中，提取在光波pr、sr的偏振分量之間由目標T引入的相位差或相位φp。提取相位φp通常包括檢測信號與在頻率γτ處的頻率參考的相位比較。在一個示例中，通過檢測經(jīng)過偏振器的參考光信號來獲得頻率參考，其中參考光信號從光信號I1的光波p、s中分出。
雖然已經(jīng)將SPR轉(zhuǎn)換器10或者SPR轉(zhuǎn)換器陣列用作根據(jù)本發(fā)明實施例的示例目標T，但是目標T也可以是適合于響應(yīng)于所施加的光信號I1而提供光信號I2的任何設(shè)備、元件或者系統(tǒng)，其中光信號I2通過光信號I1的反射、透射或者其他處理產(chǎn)生。
雖然已經(jīng)詳細地說明了本發(fā)明的實施例，但是很顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到對這些實施例的修改和變化，而不脫離如所附權(quán)利要求中所提出的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光相位檢測器，包括可調(diào)諧光源，所述可調(diào)諧光源產(chǎn)生具有第一偏振的第一光波和具有第二偏振的第二光波，所述第二光波相對于所述第一光波有延遲，當所述可調(diào)諧光源在指定波長范圍上被調(diào)諧時，所述延遲在所述第一光波與所述第二光波之間引入頻率偏移；目標，所述目標接收所述第一光波和所述第二光波，并響應(yīng)于所述第一光波和所述第二光波提供第三光波和第四光波；檢測器，所述檢測器截獲所述第三光波的偏振分量和所述第四光波的偏振分量，并提供在所述頻率偏移處的檢測信號；和處理器，所述處理器接收所述檢測信號，并提取由所述目標引入的在所述第三光波與所述第四光波之間的相位差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光相位檢測器，其中，提取所述第三光波與所述第四光波之間的相位差包括將所述檢測信號與在所述頻率偏移處的頻率參考進行相位比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光相位檢測器，其中，所述頻率參考是通過這樣提供的從所述可調(diào)諧光源中分出所述第一光波和所述第二光波、使所述被分出的第一光波和所述被分出的第二光波穿過偏振器、并檢測所得到的來自所述偏振器的在所述被分出的第一光波和所述被分出的第二光波之間的所述頻率偏移處的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光相位檢測器，其中，所述被分出的第一光波和所述被分出的第二光波在穿過所述偏振器之前在參考目標處被反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光相位檢測器，其中，所述第一光波具有s偏振，所述第二光波具有正交的p偏振。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光相位檢測器，其中，所述相位差是所述p偏振分量的相位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光相位檢測器，其中，所述目標包括表面等離子諧振轉(zhuǎn)換器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光相位檢測器，還包括被置于所述目標與檢測器之間的成像元件，所述成像元件將所述目標的物理位置映射到所述檢測器的物理位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光相位檢測器，其中，所述目標包括表面等離子諧振轉(zhuǎn)換器的陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光相位檢測器，其中，所述可調(diào)諧光源包括被耦合到偏振保持耦合器上的可調(diào)諧激光器、被耦合到所述偏振保持耦合器的第一輸出上的光學延遲元件、被耦合在所述光學延遲元件與所述偏振保持耦合器的第二輸出之間的偏振束合成器，其中所述偏振束合成器被耦合到準直器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光相位檢測器，其中，所述頻率偏移是通過所述可調(diào)諧光源的調(diào)諧速率與所述相對延遲而建立的。
12.一種光相位檢測方法，包括在指定波長范圍上對具有第一偏振的第一光波和具有從所述第一偏振偏移的第二偏振的第二光波進行調(diào)諧；通過在所述第一光波與所述第二光波之間施加相對延遲，而在所述第一光波與所述第二光波之間提供頻率偏移；將所述第一光波和所述第二光波引導到目標上，所述目標響應(yīng)于所述第一光波和所述第二光波提供第三光波和第四光波；檢測所述第三光波的偏振分量和所述第四光波的偏振分量，以提供在所述頻率偏移處的檢測信號；以及提取由所述目標引入的在所述第三光波的所述偏振分量與所述第四光波的所述偏振分量之間的相位差。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，提取所述相位差的步驟包括將所述檢測信號與在所述頻率偏移處的頻率參考進行相位比較。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一光波具有s偏振，所述第二光波具有正交的p偏振。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述頻率參考從檢測經(jīng)過了偏振器的參考光信號而獲得，所述參考光信號包括所述第一光波的分支和所述第二光波的分支。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述相位差是所述p偏振分量的相位。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，相對于在所述指定波長范圍上的波長來記錄所述相位。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述目標包括表面等離子諧振轉(zhuǎn)換器。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括將所述目標的物理位置映射到檢測器的物理位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述目標包括表面等離子諧振轉(zhuǎn)換器的陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于目標的光相位測量的裝置和方法。光相位檢測包括產(chǎn)生具有第一偏振的第一光波和具有從第一偏振偏移的第二偏振的第二光波，并在第一和第二光波之間施加相對延遲。當波長在指定波長范圍上被調(diào)諧時，相對延遲引起光波之間的頻率偏移。將第一和第二光波引導到目標上，來提供第三光波和第四光波。第三光波的偏振分量和第四光波的偏振分量被檢測，以提供在頻率偏移處的檢測信號。光相位檢測然后還包括提取由目標引入的在第三和第四光波的偏振分量之間的相位差。
文檔編號G01N21/55GK1667379SQ200510000160
公開日2005年9月14日 申請日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月8日
發(fā)明者格雷戈里·D·范維格瑞恩, 丹尼爾·B·羅伊特曼 申請人:安捷倫科技有限公司