專利名稱：一種表面等離子共振傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種表面等離子共振傳感器。
背景技術(shù)：
以棱鏡耦合為例，表面等離子共振(surface plasmon resonance, SPR) 是p偏振光在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全反射時產(chǎn)生的倏逝波？ 1發(fā)金屬 表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子，并在表面等離子與倏逝波頻率和波數(shù)相 同的情況下產(chǎn)生的一種共振現(xiàn)象。共振時，入射光被吸收，反射光的能量 突然下降，反射光譜上出現(xiàn)反射強度最小值。當(dāng)金屬薄膜另一側(cè)介質(zhì)的折 射率發(fā)生微小變化時，最小值位置會產(chǎn)生偏移。因此，可以根據(jù)最小值位 置與介質(zhì)折射率之間的關(guān)系，通過測量反射光強來確定最小值位置，進而 求出被測介質(zhì)的折射率。SPR技術(shù)可用于檢測樣品濃度，并且具有靈敏度 高、所需試樣少、樣品無需標記及檢測速度快等特點，因此被廣泛用于生 化、醫(yī)療、環(huán)境等才企測領(lǐng)域。
對于SPR傳感器內(nèi)部的光路結(jié)構(gòu)，人們提出了很多設(shè)計方案，目前國 際上比較流行的是kretschmann結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，如圖1，光線在棱 鏡6中以大于全反射角的角度入射到鍍有金屬膜4的棱鏡面上，產(chǎn)生的倏 逝波透過金屬膜在金屬膜與被測介質(zhì)5界面處引起SPR。所選擇的棱鏡一 般為等腰直角棱鏡或半圓柱棱鏡，同時，為了使小面積的金屬膜表面上有 一定入射角范圍的光線入射，通常先用平行光整形透鏡2和柱面透鏡3使 從LED光源1發(fā)出的不規(guī)則形態(tài)光整形為匯聚的楔形光束，然后再入射 到棱鏡面上。攜帶SPR共振信息的光線再經(jīng)過整形透鏡組7調(diào)整，發(fā)散入 射至接受CCD8上。由于要使入射光束匯聚點與棱鏡面相重合，并且令經(jīng) 過整形透鏡組出射至接受CCD的發(fā)散光均勻易測，故這種結(jié)構(gòu)的SPR光 路調(diào)整往往存在著一定困難，不利于SPR傳感器的小型化和大規(guī)4莫生產(chǎn)。另外，在目前的傳感器中，為了消除光源光強分布不均勻、透鏡及金 屬膜表面缺陷、環(huán)境條件等因素對被測信號的影響，使用時一般要先測量 傳感器表面為干燥空氣時的光強信號，將它作為參考光，然后再測量傳感
器表面為被測液時的光強信號，作為信號光，并進行歸一化處理
;々二;滿"8(其中I弧為歸一化后的SPR信號；Isam,I脇咖分
別為傳感器表面為被測液時的光強信號和此時關(guān)閉LED所得的暗電流值； W , IBa,分別為傳感器表面為干燥空氣時的光強信號和此時關(guān)閉LED所 得的暗電流值)。雖然這種方法可以在一定程度上改善最后所得的SPR信 號，提高檢測精度，但由于空氣信號是在測量剛開始時獲得的，因此所做 的歸 一化處理有著一定的時間局限性，它無法消除^r測過程中光源光強、 環(huán)境條件變化對被測信號的影響，所以這種方法并不十分理想。同時，由 于每次測量前一定要獲得傳感器表面為空氣時的光強信號，并且要保證金 屬膜表面千燥無液體，這使得傳感器的使用變得不是很方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種光線匯聚理想、光路裝調(diào)簡便、測量性能穩(wěn)定的拋物 柱面反射棱鏡耦合的表面等離子共振傳感器。
一種表面等離子共振傳感器，包括光發(fā)射組件、光接收組件和用于接
所述的光發(fā)射組件沿光線方向依次設(shè)有光源、擴束鏡、準直鏡、濾光 片和矩形光闌；
所述的光反射組件由拋物柱面反射棱鏡和位于拋物柱面反射棱鏡的 焦線部位的金屬薄膜組成，其中金屬薄膜的反光面朝向拋物柱面反射棱 鏡，被測液體流經(jīng)金屬薄膜背向拋物柱面反射棱鏡一側(cè)；
于接收偏振分光棱鏡發(fā)出s光的第一 CCD陣列和用于接收偏振分光棱鏡 發(fā)出p光的第二 CCD陣列組成；
來自光發(fā)射組件的光線從拋物柱面反射棱鏡的焦線一側(cè)入射后被匯 聚到焦線部位的金屬薄膜，經(jīng)金屬薄膜反射到焦線的另一側(cè)的拋物柱面上 后光線被拋物柱面反射進入光接收組件。
4所述的光發(fā)射組件發(fā)射出的光線與拋物柱面反射棱鏡的底面垂直。 所述的拋物柱面反射棱鏡，其拋物柱面鍍有增反膜，并且拋物柱面的 焦線在拋物柱面反射棱鏡的底面上。
由于拋物柱面反射棱鏡具有無球差的特點，因此它可以準確地實現(xiàn)平 行光與楔形光之間的光束型態(tài)轉(zhuǎn)換，調(diào)整光束走向，同時使光路調(diào)整變得 簡單。而通常使用的柱面透鏡都存在著一定的球差，較難實現(xiàn)平行光與楔 形光的準確轉(zhuǎn)換，并且在與鍍有金屬膜的等腰直角棱鏡或半圓柱棱鏡配合 時，光路調(diào)整比較困難。而本發(fā)明中，在制作傳感器時只需使出入射光路
的光軸與拋物柱面反射棱鏡的底面垂直即可調(diào)整好光路；平行光在經(jīng)過拋 物柱面反射棱鏡的拋物柱面的第一次反射后，變成包含一定角度范圍的形 狀理想的楔形光，該楔形光的匯聚處為拋物柱面的焦線，而焦線正處在拋 物柱面反射棱鏡的底面上，并且其所在區(qū)域鍍有金屬膜，反射后攜帶表面 等離子共振信息的光經(jīng)拋物柱面二次反射，再次成為平行光垂直于拋物柱 面反射棱鏡的底面出射。
所述的偏振分光棱鏡置于鍍有金屬膜的拋物柱面反射棱鏡之后，攜帶 表面等離子共振信息的光經(jīng)偏振分光棱鏡后分為參考光s光和信號光p 光，并由兩個CCD分別接收。由于參考光s光和信號光p光都攜帶有某 一時刻光源光強分布不均勻、透鏡及金屬膜表面缺陷等信息，因此可以在 后續(xù)數(shù)據(jù)分析中通過使用歸一化方法實時消除上述因素對被測信號的影 響。
/ 一/
,_ J p J腸d
7卿=7"^T~~
其中IsPR為歸一化后的SPR信號；Is、 Ip分別為傳感器表面為被測 液時的參考光s光和信號光p光的光強信號，1^ck為此時關(guān)閉LED所得 的暗電流值。
本發(fā)明通過使用拋物柱面反射棱鏡來實現(xiàn)光束形態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而代替 了傳統(tǒng)的柱面透鏡，使得傳感器的光路變得更加簡單，光束匯聚準確，調(diào) 整也更為方便。通過將偏振分光棱鏡置于鍍有金屬膜的拋物柱面反射棱鏡 之后，使用歸一化的方法消除了一些干擾因素對SPR信號的影響，提高了 傳感器的檢測穩(wěn)定性。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的表面等離子共振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的表面等離子共振傳感器中拋物柱面反射棱鏡的剖面圖。
具體實施例方式
如圖2所示，本發(fā)明的表面等離子共振傳感器，包括光發(fā)射組件、光
光反射組件
光發(fā)射組件沿光線方向依次設(shè)有光源1、擴束鏡9、準直鏡IO、濾光片11和矩形光闌12;
光反射組件由拋物柱面反射棱鏡13和位于拋物柱面反射棱鏡13的焦線18部位的金屬薄膜4組成，其中金屬薄膜4背向拋物柱面反射棱鏡13一側(cè)用于流經(jīng)被測液體5;
光接收組件由接收光反射組件發(fā)出的光線的偏振分光棱鏡14、用于接收偏振分光棱鏡14發(fā)出s光的第一 CCD陣列15和用于接收偏振分光棱鏡14發(fā)出p光的第二CCD陣列16組成；
由LED光源1發(fā)出的光束經(jīng)擴束鏡9、準直鏡IO擴束準直后成為平行光，該平行光經(jīng)濾光片11、矩形光闌12后垂直入射至拋物柱面反射棱鏡13的底面，經(jīng)鍍有增反膜17的拋物柱面反射后，以不同入射角匯聚到拋物柱面的焦線18上，焦線所在底面區(qū)域鍍有幾十納米厚的金屬薄膜4，由焦線處反射回來的光經(jīng)拋物柱面二次反射，變回平行光后再經(jīng)拋物柱面反射棱鏡的底面出射，然后垂直入射到偏振分光棱鏡14上，第一CCD陣列15和第二 CCD陣列16分別接收s光和p光。
排除拋物柱面兩次反射對光強的影響，s光由于無法引起表面等離子共振，其光強分布基本保持不變，將它作為參考光，而p光中包含了表面等離子共振信息，將它作為信號光。同時，因為無論是s光或p光都攜帶有某一時刻光源光強分布不均勻、透鏡及金屬膜表面缺陷等信息，因此可
以在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中通過使用歸一化方法/，=^^ (其中IspR為歸
A' — 7腸d一化后的SPR信號；Is、 Ip分別為傳感器表面為被測液時的參考光s光和
信號光P光的光強信號，lB,aek為此時關(guān)閉LED所得的暗電流值)實時消除上述因素對被測信號的影響。
如圖3所示，拋物柱面反射棱鏡的拋物柱面鍍有增反膜17，并且拋物柱面的焦線18在拋物柱面反射棱鏡的底面上。平行光從拋物柱面反射棱鏡的底面垂直入射，在經(jīng)過其拋物柱面的第一次反射后，由于拋物柱面的特性，變成包含一定角度范圍的形狀理想的楔形光，該楔形光的匯聚處為拋物柱面的焦線18,而焦線18正處在拋物柱面反射棱鏡的底面上，并且其所在區(qū)域鍍有金屬膜4,反射后攜帶表面等離子共振信息的光經(jīng)拋物柱面二次反射，再次成為平行光垂直于拋物柱面反射棱鏡的底面出射。反射光路與入射光路關(guān)于拋物柱面的中心面對稱。另外，為了減少光束在拋物柱面兩次反射時對光強的影響，所鍍的增反膜17應(yīng)盡可能使拋物柱面的反射率達到最高，同時使反射率對光線的入射角不敏感。
權(quán)利要求
1、一種表面等離子共振傳感器，包括光發(fā)射組件、光接收組件和用于接收光發(fā)射組件發(fā)出的光線并將其反射至光接收組件的光反射組件，其特征在于所述的光發(fā)射組件沿光線方向依次設(shè)有光源(1)、擴束鏡(9)、準直鏡(10)、濾光片(11)和矩形光闌(12)；所述的光反射組件由拋物柱面反射棱鏡(13)和位于拋物柱面反射棱鏡(13)的焦線(18)部位的金屬薄膜(4)組成，其中金屬薄膜(4)的反光面朝向拋物柱面反射棱鏡(13)，被測液體(5)流經(jīng)金屬薄膜(4)背向拋物柱面反射棱鏡(13)一側(cè)；所述的光接收組件由接收光反射組件發(fā)出的光線的偏振分光棱鏡(14)、用于接收偏振分光棱鏡(14)發(fā)出s光的第一CCD陣列(15)和用于接收偏振分光棱鏡(14)發(fā)出p光的第二CCD陣列(16)組成；來自光發(fā)射組件的光線從拋物柱面反射棱鏡(13)的焦線(18)一側(cè)入射后被匯聚到焦線(18)部位的金屬薄膜(4)，經(jīng)金屬薄膜(4)反射到焦線(18)的另一側(cè)的拋物柱面上后光線被拋物柱面反射進入光接收組件。
2、 如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器，其特征在于所述的拋物柱面反射棱鏡(13)的拋物柱面鍍有增反膜(17)。
3、 如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振傳感器，其特征在于所述的拋物柱面反射棱鏡(13 )的焦線(18 )位于拋物柱面反射棱鏡(13 )的底面上。
4、 如權(quán)利要求3所述的表面等離子共振傳感器，其特征在于所述的金屬薄膜(4)位于拋物柱面反射棱鏡(13)的底面上。
5、 如權(quán)利要求3或4所述的表面等離子共振傳感器，其特征在于所述的光發(fā)射組件發(fā)射出的光線與拋物柱面反射棱鏡(13)的底面垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種拋物柱面反射棱鏡耦合的表面等離子共振傳感器，包括光發(fā)射組件、光接收組件和用于接收光發(fā)射組件發(fā)出的光線并將其反射至光接收組件的光反射組件。所述的光發(fā)射組件沿光線方向依次設(shè)有光源、擴束鏡、準直鏡、濾光片和矩形光闌；所述的光反射組件由拋物柱面反射棱鏡和位于拋物柱面反射棱鏡的焦線部位的金屬薄膜組成；所述的光接收組件由接收光反射組件發(fā)出的光線的偏振分光棱鏡、用于接收偏振分光棱鏡發(fā)出s光的第一CCD陣列和用于接收偏振分光棱鏡發(fā)出p光的第二CCD陣列組成。本發(fā)明表面等離子共振傳感器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，光束匯聚準確，制作與調(diào)試簡便，有效提高了角度調(diào)制型表面等離子共振傳感器的檢測穩(wěn)定性。
文檔編號G01N21/41GK101477044SQ20091009570
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者孫博書, 王曉萍, 趙光燦 申請人:浙江大學(xué)