本發(fā)明涉及納米光學檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于后焦面光瞳調(diào)制的共軸干涉表面等離子體顯微系統(tǒng)。

發(fā)明背景

表面等離子體(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一種沿金屬和電介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，它對金屬和電解質(zhì)的折射率和厚度的變化十分敏感，能夠?qū)喖毎Y(jié)構(gòu)、亞納米量級的薄膜、大分子結(jié)構(gòu)、分子與分子的相互作用等進行檢測，而且檢測的結(jié)果具有突出的準確性、穩(wěn)定性和高重復性，在化學、醫(yī)療、生物、半導體材料、信息等領(lǐng)域有廣泛的應用。該技術(shù)的不足之處在于其橫向分辨率受制于SPR波的傳播長度，通常在十多個微米，遠大于常規(guī)光學系統(tǒng)的衍射極限即半波長量級，典型的系統(tǒng)是棱鏡式SPR顯微系統(tǒng)。油浸顯微物鏡SPR檢測系統(tǒng)能夠?qū)⑷肷涔鈬栏窬劢沟絹單⒚壮叨鹊慕裹c并在焦點的局域范圍內(nèi)激發(fā)SPR，實現(xiàn)亞微米尺度的橫向分辨率。油浸顯微物鏡SPR檢測系統(tǒng)目前有干涉式和非干涉式兩種，其中干涉式SPR顯微系統(tǒng)可以對帶有樣品信息的SPR信號的相位進行檢測，能夠有效減弱常規(guī)的非干涉式SPR顯微系統(tǒng)的橫向分辨率與軸向靈敏度相悖的問題，實現(xiàn)更好的橫向分辨率和信噪比，本發(fā)明屬于干涉式SPR顯微系統(tǒng)，采用油浸顯微物鏡實現(xiàn)SPR的激發(fā)。

相比較于目前常用的雙臂差分干涉式SPR顯微系統(tǒng)，本發(fā)明依然采用了V(z)理論，不同之處在于本發(fā)明采用了共軸干涉方法，能夠有效降低環(huán)境噪音的影響，而且系統(tǒng)簡單、成本低、容易產(chǎn)業(yè)化應用。針對干涉式SPR顯微系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的數(shù)值孔徑有限帶來的通光孔徑邊緣效應與其在V(z)曲線上對應的系統(tǒng)噪音，本發(fā)明提出了一種在物鏡后焦面或其共軛面上采用光瞳調(diào)制函數(shù)對入射光的無效背景噪音、邊緣效應帶來的系統(tǒng)噪音，以及角向偏振入射光帶來的背景噪音進行有效的濾除。本發(fā)明具有系統(tǒng)簡單、高信噪比、高分辨率、成本低等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)橫向分辨率和軸向分辨率分別在半波長和亞納米尺度的高顯微分辨成像。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

目前的干涉式SPR顯微系統(tǒng)復雜度高、信噪比低，且由于系統(tǒng)的數(shù)值孔徑有限帶來的通光孔徑邊緣效應以及入射光中的無效背景會產(chǎn)生一系列的系統(tǒng)干擾，使得系統(tǒng)復雜、成本高、對環(huán)境要求苛刻而且檢測精度較低。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于光瞳調(diào)制的共軸干涉表面離子體顯微方法及系統(tǒng)，主要由包括照明系統(tǒng)、樣品夾持與微納移動平臺、成像系統(tǒng)三部分組成。

其中照明系統(tǒng)用于對樣品進行照明，包括相干照明光源、偏振調(diào)制裝置、擴束裝置、空間光調(diào)制器、投影裝置。偏振調(diào)節(jié)裝置可對照明光源的偏振態(tài)進行調(diào)節(jié)，得到偏振方向沿著特定方向的線性偏振光，偏振調(diào)節(jié)裝置一般是由起偏器和半玻片構(gòu)成。擴束裝置由偶數(shù)個透鏡組成，能夠擴大入射光的半徑，以充滿系統(tǒng)顯微物鏡的通光孔徑并可滿足表面等離子體的激發(fā)角度的要求。空間光調(diào)制器與高數(shù)值孔徑顯微物鏡的后焦面共軛，用于對入射光的波前進行調(diào)制。投影裝置由偶數(shù)個透鏡組成，用于滿足空間光調(diào)制器與顯微物鏡后焦面共軛。

樣品夾持與微納移動平臺，包括樣品夾持裝置、樣片和微納移動掃描裝置。

成像系統(tǒng)用于采集顯微物鏡焦面附近的信號，包括油浸顯微物鏡、成像透鏡組、共聚焦光闌和圖像傳感器。圖像傳感器感光面、顯微物鏡的焦面以及共聚焦光闌共軛，成像光路中光束經(jīng)顯微物鏡、奇數(shù)個成像透鏡和共聚焦光闌后，被圖像傳感器采集。

參考臂與信號臂位于成像光路同一束光路中，其中參考臂位于入射光束的中心，信號臂為入射光在樣品表面產(chǎn)生的表面等離子體波，圖像傳感器可對待測樣品在焦點附近移動時參考臂和信號臂的干涉信號進行探測。在樣品離焦的過程中，在共聚焦光闌的作用下僅系統(tǒng)的參考臂與所述樣品對應的表面等離子體波在顯微物鏡的焦面及其共軛面上發(fā)生干涉，圖像傳感器在其共軛面上記錄該干涉效應即V(z)曲線。

空間光調(diào)制器通過在顯微物鏡后焦面或其共軛面上添加光瞳函數(shù)，對入射光束的波前進行調(diào)制。光瞳函數(shù)對入射光邊緣進行模糊化，濾除掉邊緣效應產(chǎn)生的噪音。進一步的，所述光瞳函數(shù)可以取為僅允許激發(fā)表面等離子體角度附近的光以及入射光中心用作參考的光束通過，濾除掉大量的背景噪音。再進一步的，光瞳函數(shù)可取為在后焦面上二維表面等離子體激發(fā)角對應的二維圓環(huán)中沿偏振方向(即徑向偏振方向)上光強最強，垂直偏振方向(即角向偏振方向)上光強最弱，濾除掉入射光中的無法激發(fā)表面等離子體現(xiàn)象的角向偏振光帶來的背景噪音。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案有如下優(yōu)點：

1.提供了一種高精度的顯微檢測方法，橫向和軸向分辨率分別在亞微米和亞納米量級，而且二者不互擾；

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所用到的光學器件少，成本低；

3.免去了雙臂干涉表面等離子體顯微方法中的頻率調(diào)制；

4.系統(tǒng)的信噪比提高，對環(huán)境的要求降低，解決了必須在嚴苛的實驗條件下才能實現(xiàn)的問題；

5.采用了光瞳調(diào)制的方式，能夠有針對性對不同數(shù)值孔徑下的邊緣效應進行有效的濾除；

6.可以根據(jù)需要濾除的噪音種類選擇合適的光瞳調(diào)制函數(shù)進行濾波。

附圖說明

圖1為一種基于光瞳調(diào)制的共軸干涉表面等離子體顯微系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為共軸干涉表面等離子體顯微系統(tǒng)的原理圖；

圖3為共聚焦光闌的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為二維表面等離子體后焦面光束切面圖；

圖5為使用空間光調(diào)制器在物鏡后焦面添加的光瞳函數(shù)一；

圖6為使用空間光調(diào)制器在物鏡后焦面添加的光瞳函數(shù)二；

圖7為使用空間光調(diào)制器在物鏡后焦面添加的光瞳函數(shù)三；

圖8為不加光瞳函數(shù)時掃描得到的V(z)曲線圖；

圖9為使用光瞳函數(shù)一調(diào)制時掃描得到的V(z)曲線圖；

圖10為使用光瞳函數(shù)二調(diào)制時掃描得到的V(z)曲線圖。

圖11為使用光瞳函數(shù)三調(diào)制時掃描得到的V(z)曲線圖。

圖12為共軸干涉表面等離子體顯微系統(tǒng)掃描成像原理圖。

其中圖1中：1為激光發(fā)射器，2為偏振調(diào)制裝置，3為擴束裝置，4為空間光調(diào)制器，5為投影透鏡，6為分光棱鏡，7為油浸顯微物鏡，8為待測表面等離子體樣片，9為成像透鏡組，10為共聚焦光闌，11為圖像傳感器。

圖2中：9為成像透鏡組，10為共聚焦光闌，11為圖像傳感器，12為系統(tǒng)噪音，13為信號臂，14為參考臂，15為背景噪音，701為顯微物鏡，702為顯微物鏡匹配油，801為玻璃，802為納米金薄膜，803為待檢測樣片。

圖3中：1001為虛擬孔徑，1002為焦點邊緣。

圖4中：(a)方向為徑向方向，(b)方向為角向方向。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

具體實施方式一：本實施方式所述的一種后焦面光瞳調(diào)制的共軸干涉表面等離子體顯微系統(tǒng)，它包括：激光發(fā)射器(1)，偏振調(diào)制裝置(2)，擴束裝置(3)，空間光調(diào)制器(4)，投影透鏡(5)，分光棱鏡(6)，油浸顯微物鏡(7)，待測表面等離子體樣片(8)，成像透鏡組(9)，共聚焦光闌(10)，圖像傳感器(11)。

激光發(fā)射器(1)，偏振調(diào)制裝置(2)，擴束裝置(3)，空間光調(diào)制器(4)，投影透鏡(5)，分光棱鏡(6)的中心位于同一光軸上；油浸顯微物鏡(7)，待測表面等離子體樣片(8)，成像透鏡組(9)，共聚焦光闌(10)，圖像傳感器(11)。位于同一光軸上。

偏振調(diào)制裝置(2)一般由半玻片和起偏器構(gòu)成，圖像傳感器(11)的感光面與顯微物鏡焦面共軛。共聚焦光闌(10)與顯微物鏡的焦面共軛。

系統(tǒng)使用激光進行照明，輸出光為線性偏振，偏振調(diào)制裝置(2)可對輸出光的偏振方向進行調(diào)整，擴束裝置(3)對激光進行擴束以充滿油浸顯微物鏡的數(shù)值孔徑。經(jīng)過分光鏡的反射后，油浸顯微物鏡(7)將擴束后的激光聚焦到樣品表面。

空間光調(diào)制器(4)通過投影透鏡(5)與高數(shù)值孔徑顯微物鏡(7)的后焦面共軛，用于在后焦面上對入射光的波前進行調(diào)制。

圖像傳感器(11)位于顯微物鏡的焦面共軛面上。本系統(tǒng)的樣片固定在微納移動掃描裝置上，通過控制微納移動掃描裝置沿顯微物鏡中心軸線從物鏡焦面一側(cè)逐步移動到另一側(cè)來實現(xiàn)離焦點。微納移動掃描裝置在掃描過程從靠近顯微物鏡一側(cè)逐步移動到顯微物鏡焦面上再逐步遠離顯微物鏡。在掃描的過程中靠近顯微物鏡一側(cè)時圖像傳感器(11)上采集到V(z)曲線坐標軸負半軸信息，在顯微物鏡焦面位置圖像傳感器(11)上采集到V(z)曲線坐標軸零點處信息，在經(jīng)過焦面并逐步遠離顯微物鏡一側(cè)時圖像傳感器(11)上采集到V(z)曲線坐標軸正半軸信息。顯微系統(tǒng)直接掃描得到V(z)曲線如圖8所示，其中曲線正半軸的V(z)曲線的波動是由于顯微物鏡有限的數(shù)值孔徑而造成的邊緣效應，本發(fā)明在物鏡后焦面的共軛面上添加光瞳函數(shù)處理邊緣效應及背景噪音所帶來的影響。為濾除邊緣效應產(chǎn)生的噪音以及系統(tǒng)噪音，實例中光瞳函數(shù)選取光瞳函數(shù)一、光瞳函數(shù)二以及光瞳函數(shù)三。光瞳函數(shù)一徑向上的函數(shù)可表示為：

式中，r為自變量代表半徑，小于r₁或大于r₂的區(qū)域代表表面等離子體激發(fā)角附近光束，的取值分別為集合[-n₀,0]、[0,n₀]，分別代表函數(shù)兩側(cè)的兩個半高斯窗函數(shù)部分，其中n₀取值為正整數(shù)，其物理含義為激發(fā)角附近光束及入射光中心光束高斯通帶的寬度，取值越大代表通帶越寬，反之越窄。a的取值代表邊緣尖銳化程度，a取值越小邊緣越尖銳，反之越緩和，其取值大小視邊緣模糊的效果而定。實例中取光瞳函數(shù)一如圖5所示，以此函數(shù)作為后焦面上的光瞳函數(shù)得到的V(z)曲線如圖9所示，經(jīng)光瞳函數(shù)一調(diào)制后由邊緣噪音造成擾動消失。

為了進一步提高系統(tǒng)的信噪比，可以采用光瞳函數(shù)二，如圖6所示，除了濾除邊緣效應產(chǎn)生的噪音，也濾除了入射光中的無效背景噪音。光瞳函數(shù)二徑向上的函數(shù)可表示為：

式中，r為自變量代表半徑，半徑小于r₁或大于r₂的區(qū)域代表表面等離子體激發(fā)角附近光束，大于r₃且大于r₄的區(qū)域為入射光中心部分，的取值為集合[-n₀,n₀]、[-n₁,n₁]，分別代表函數(shù)兩側(cè)區(qū)域的兩個高斯窗函數(shù)以及中心的高斯窗函數(shù)，n₀、n₁取值為正整數(shù)，其物理含義為激發(fā)角附近光束及入射光中心光束高斯通帶的寬度，取值越大代表通帶越寬，反之越窄。a的取值代表邊緣尖銳化程度，a取值越小邊緣越尖銳，反之越緩和，其取值大小視邊緣模糊的效果而定。實例中取光瞳函數(shù)二如圖6所示，以此函數(shù)作為后焦面上的光瞳函數(shù)得到的V(z)曲線如圖10所示。

在上述基礎上，為濾除入射光中無法激發(fā)SPR信號的角向偏振分量造成的背景噪音，設計光瞳函數(shù)三，其特征為入射光上角向偏振方向上的分量被濾除，其函數(shù)如圖7所示。在入射光徑向偏振分量上光瞳函數(shù)三與光瞳函數(shù)二分布相同，入射光角向偏振分量上光瞳函數(shù)三只有中心光束一個波峰。以光瞳函數(shù)三作為后焦面上的光瞳函數(shù)得到的V(z)曲線如圖11所示。所示曲線正半軸光滑，邊緣效應的影響被消除，且信噪比明顯提升。

V(z)曲線的波動周期與SPR最優(yōu)激發(fā)角θ_sp關(guān)系如下：

其中n是油浸顯微物鏡的折射率，λ是入射光在真空中的波長。最優(yōu)激發(fā)角θ_sp唯一確定樣品在該點的厚度或折射率的擾動。通過對待測樣品上的不同點進行掃描，分別得到其V(z)曲線分別計算不同點的周期，即可得到樣品的表面微形貌。

具體實施方式二：本具體實施方式的系統(tǒng)布置如具體實施方式一中所述，但本實施方式提供一種對樣品的表面微形貌快速掃描的方法。

如圖12中所示，選擇兩條V(z)曲線差值最大點，控制微納移動掃描裝置使其固定離焦距離，這時對待測樣品進行二維掃描，即可得到待測樣品的表面微形貌。本實施方式可以通過選擇不同的離焦距離，可以對成像的對比度進行控制。