[發明專利]表面電磁模式共振高光譜成像傳感器的共振波長確定方法

有效

• 申請號: 202011305508.4
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112525862B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 祁志美;劉紫威;尹濤;蔡宸;蔡新霞
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院;中國科學院大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552;G01N21/25;G01J3/28;G01J3/42;G01J3/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王江選

一種表面電磁模式共振高光譜成像傳感器的共振波長確定方法，包括以下步驟：利用高光譜成像儀分別測量寬帶光源的發射光譜原始曲線和表面電磁模式共振結構的共振光譜原始曲線；將發射光譜原始曲線轉換為發射光譜輻射度曲線，將共振光譜原始曲線轉換為共振光譜輻射度曲線，共振光譜輻射度曲線包括共振吸收曲線段和非共振曲線段；以發射光譜輻射度曲線為擬合模型，對共振光譜輻射度曲線中的非共振曲線段進行整體擬合，得到傳感器在無共振吸收時的輻射度最佳擬合曲線；將共振光譜輻射度曲線除以輻射度最佳擬合曲線得到反射率光譜曲線；對反射率光譜曲線中的共振吸收谷進行擬合確定共振波長。本發明能夠準確計算共振波長，提高了傳感器品質因素。

技術領域

本發明涉及表面電磁模式共振光譜傳感技術領域，尤其涉及一種表面電磁模式共振高光譜成像傳感器的共振波長確定方法。

背景技術

表面等離子體共振(SPR)傳感技術具有靈敏度高、表面選擇性好、免標記、抗電磁干擾、可原位實時檢測等優點，被廣泛應用于生物、化學、醫學等領域。SPR傳感方法分為波長檢測型、角度檢測型、相位檢測型、和強度檢測型四種類型，其中波長檢測型設備簡單、操作方便、動態范圍廣，是較為常用的方法。在波長檢測過程中，利用CCD光譜儀獲得的SPR共振光譜原始曲線的形狀與所用光譜儀的儀器響應函數直接相關。光譜儀的儀器響應函數會使得實測SPR共振光譜原始曲線包含的共振吸收谷展寬、對稱性變差、共振波長(即谷底位置)發生偏移等現象，從而使得實測SPR共振光譜原始曲線與仿真計算得到的SPR共振光譜在形狀上具有很大差別，這不利于SPR共振波長的準確確定。

表面電磁模式共振傳感器的反射率光譜曲線形狀對于共振波長的準確確定有一定影響，通常采用TE偏振模式下得到的光譜或其他非共振光譜作為參考光譜，用原始光譜除以參考光譜計算得到反射率光譜曲線。但是，很多情況下，這種方法計算得到的反射率曲線與基于菲涅爾公式理論計算得到的反射率曲線的形狀差異較大，甚至產生更寬的半峰寬，造成嚴重的不對稱性，對后續共振波長的準確判定造成干擾。因此，為了更加準確地確定共振波長，選擇合適的光譜校準方法獲取反射率光譜曲線和計算共振波長顯得尤為重要。

常用的共振波長確定方法有：一階導數零點法、局部相似性匹配法、函數擬合法、質心法及由質心法衍生的其他算法如加權質心法、無基線質心法等。這些方法雖然能夠較為準確地計算共振波長，但還存在一些不足，例如，一階導數零點法和局部相似性匹配法運算速度快但易受噪聲影響，質心法對光譜波形的非對稱性比較敏感，所計算的共振波長會產生不確定的偏移量，函數擬合法的抗噪聲能力強，分辨精度較高，但對共振區域進行擬合時采用的函數形式是固定的，其運算速度和準確性無法兼顧。所以，需要更加優化的光譜信號處理方法來準確快速地計算出共振波長。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種表面電磁模式共振高光譜成像傳感器的共振波長確定方法，以期至少部分地解決上述提及的技術問題中的至少之一。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種表面電磁模式共振高光譜成像傳感器的共振波長確定方法，所述傳感器包括寬帶光源、表面電磁模式共振結構和高光譜成像儀，包括以下步驟：

利用高光譜成像儀測量所述寬帶光源的發射光譜原始曲線，然后基于所述高光譜成像儀的儀器響應函數將測得的發射光譜原始曲線轉換為與儀器響應無關的發射光譜輻射度曲線；

將所述表面電磁模式共振結構設置于所述寬帶光源和高光譜成像儀之間，利用所述寬帶光源發出的線偏振平行光共振激勵所述表面電磁模式共振結構中的表面電磁模式，然后利用所述高光譜成像儀獲取所述表面電磁模式共振結構的共振圖像和與所述共振圖像對應的共振光譜原始曲線；

基于所述高光譜成像儀的儀器響應函數將所述共振光譜原始曲線轉換為與儀器響應無關的共振光譜輻射度曲線，所述共振光譜輻射度曲線包括共振吸收曲線段和非共振曲線段；