[發明專利]一種高精度顯微物鏡數值孔徑的測量方法及系統

在審

• 申請號: 201710152730.7
• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN106908222A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 張蓓;劉雨;陳林;閆鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光學技術領域，尤其涉及一種液浸或固浸顯微物鏡數值孔徑的測量系統及其測量方法。

背景技術

隨著顯微技術的發展及應用，顯微物鏡的應用越來廣泛，而顯微物鏡數值孔徑的檢測精度要求越來越高。

目前測定物鏡的數值孔徑主要是使用數值孔徑計，測量時主要使用人眼進行觀察，調節數值孔徑計上十字線交點與所觀察到的圓斑相切，然后讀取數據。整個操作過程都是測量人員在完成，相對而言對測量人員的要求比較高，并且測量的精度也比較差，特別是測量較高NA的物鏡時，需要借助輔助物鏡，操作較為復雜，難以實現自動檢測，給生產和使用造成了極大的不便。

表面等離子體(Surface Plasmon,SP)是一種在金屬與電介質的界面上傳播的電磁波，當入射光的k矢量在平行于界面上的方向的分量與SP的k矢量匹配時，發生表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)。SPR有多重調制模式，當固定入射光的其他參數，僅調制入射光的入射角度，則只有當入射角達到SPR的最優激發角時才能最大化地激發出SPR。由于SPR是在金屬表面傳播，因此激發出的SPR被金屬吸收并轉為歐姆熱，從而在該角度下反射光的反射系數達到最低。通過這一特性可以識別出SPR的激發(吸收)譜。顯微物鏡是一種常用的SPR激發工作，當其數值孔徑大于SPR的最優激發角時，可以用于激發SPR。通過對顯微物鏡的后焦面即SPR吸收譜的圖像識別，可以計算出顯微物鏡的數值孔徑。本專利基于這一方法對顯微物鏡的數值孔徑進行測量，實現了對顯微物鏡數值孔徑的自動檢測，降低了測量要求，提高了測量精度，對顯微物鏡的生產檢測和使用評估都提供了極大的便利。

發明內容

(一)要解決的技術問題

目前測定物鏡的數值孔徑主要是人工操作數值孔徑計，對測量人員的要求較高，且操作復雜、精度難以保證，為解決這一問題，本專利提出一種新的數值孔徑測量方法。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高精度的顯微物鏡數值孔徑的非機械式檢測系統，其特征在于，包括：

照明光源、分光鏡、顯微物鏡、SPR標準樣片，所述照明光源的發射孔中心軸線和顯微物鏡中心軸線共線；以及

設置在分光鏡下側的成像光路，該成像光路包括一號透鏡、二號透鏡和探測器，所述一號透鏡、二號透鏡共軸，所述一號透鏡和二號透鏡之間的距離是兩者焦距之和，所述一號透鏡、二號透鏡的中心軸線與分光鏡所在平面成45度，所述顯微物鏡后焦面和探測器感光面關于一號透鏡和二號透鏡共軛。

所述照明光源發出的光束橫截面直徑大于或等于顯微物鏡的通光孔徑，所述照明光源發出的光為線偏振光時，可由線偏振光直接激發SPR；所述照明光源發出的光為徑向偏振光時，可由徑向偏振光直接激發SPR；所述照明光源發出的光束和分光鏡所在平面成45度；所述照明光源發出的光束中心軸線與顯微物鏡中心軸線共線；所述照明光源發出的光束經SPR樣片反射后，再經過分光鏡反射后，經過一號透鏡和二號透鏡的中心軸線，最后垂直射在探測器感光面上。

所述SPR標準樣片由三層結構組成，分別是高折射率材料層，粘附層，能激發SPR的金屬層，高折射率材料層厚度小于顯微物鏡的工作距離，粘附層厚度在0nm-5nm納米，能激發SPR的金屬層厚度在30nm-60nm之間，光束從高折射率材料層入射。所述SPR標準樣片高折射率材料層面向照明光源，所述顯微物鏡的焦點在SPR標準樣片高折射率材料層表面。

本發明還提供了一種高精度顯微物鏡數值孔徑的自動檢測方法，其包括：

光束從顯微物鏡入射后聚焦在SPR標準樣片上，反射光在顯微物鏡后焦面成像，圖像傳感器上可獲得后焦面上像的最大光圈半徑r_max、SPR吸收弧半徑r_SP：

其中，NA表示顯微物鏡的數值孔徑；n₀表示顯微物鏡與SPR標準樣片間介質的折射率；r_SP表示顯微物鏡后焦面上成像的SPR吸收弧的半徑；r_max表示顯微物鏡后焦面上成像的最大光圈的半徑；θ_sp表示SPR標準樣片的SPR激發角。

(三)有益效果

本發明的上述技術方案具有如下優點：降低了檢測顯微物鏡NA數值的要求，能夠更加精確的得到顯微物鏡NA的數值，并且可實現自動測量，給生產檢測和使用評估都提供了極大的便利。

附圖說明