[發明專利]一種基于SPR角譜的成像光學系統

在審

• 申請號: 202111362027.1
• 申請日: 2021-11-17
• 公開（公告）號: CN114152569A
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 江先玉;李洪增;王金海
• 申請（專利權）人: 北京英柏生物科技有限公司
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/552;G02B27/09;G02B27/30;G02B27/48
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 李靜玉

本發明公開了一種基于SPR角譜的成像光學系統，包括：依次設置的發光單元、第一擴束準直鏡組、消相干鏡組、起偏鏡組、前置柱面會聚鏡組、SPR傳感器、后置柱面準直鏡組以及投影單元；發光單元包括光源和單模光纖，光源輸出的光束經過單模光纖生成入射點光源輸出；第一擴束準直鏡組接收入射點光源進行擴束和準直；消相干鏡組接收準直光束進行消相干；起偏鏡組接收消相干光束進行偏振；前置柱面會聚鏡組接收P偏振光進行會聚；SPR傳感器接收會聚光束進行SPR檢測；后置柱面準直鏡組接收楔形光束進行準直后輸出至投影單元成像。通過實施本發明，提高了SPR角譜譜的投影成像分辨率及圖像的明銳度。實現了帶有SPR角譜信息的光束成像。

技術領域

本發明涉及成像領域，具體涉及一種基于SPR角譜的成像光學系統。

背景技術

表面等離子體諧振(Surface Plasmon Resonance，SPR)檢測技術是一種基于SPR原理的新型生物化學傳感分析技術。由于該項技術具有靈敏度高、實時響應、動態監測、高通量、樣品量少且無需標記等特點，使其在生命科學、醫療檢測、藥物篩選、食品檢測、興奮劑檢測、毒品檢測以及環境監測等領域具有廣泛的應用需求。

SPR檢測傳感器的物理模型如圖1(a)和圖(b)所示。其中，SPR傳感器的主體是反射面鍍金膜的棱鏡。SPR傳感器的棱鏡有兩種構型：柱面棱鏡構型和梯形棱鏡構型，如圖1(a)和圖1(b)所示。這兩種構型的傳感原理相同，但可以針對不同的檢測光學體統，選擇適當的構型。

針對SPR傳感器，首先考慮棱鏡反射面未鍍膜時的情況。棱鏡為光密介質，折射率為n，被檢樣本為光疏介質，折射率為n′，則n′n。根據全反射定律，可以得到光密和光疏介質分界面(即棱鏡反射面)的全反射臨界角為為θ_C＝arcsin(n′/n)。當入射光從棱鏡一側進入棱鏡且射向棱鏡反射面時，只要棱鏡內的入射光與棱鏡反射面的法線夾角(內入射角)θ≥θ_C，入射光就會被棱鏡反射面全部反射，反射光沒有能量損失。

再考慮棱鏡反射面鍍金膜后的情況。棱鏡反射面鍍一層厚度約幾十納米的金膜。由于這層金膜的厚度超薄，不會改變棱鏡反射面的全反射條件。也就是說，只要棱鏡的內入射角滿足θ≥θ_C，仍然會發生全反射，但反射光的能量會出現虧損，這部分能量虧損正是由于發生在金膜上的表面等離子體諧振(SPR)所導致的。

如圖1(a)和圖(b)所示，自然光自棱鏡一側入射，其可分解為兩個極化方向的偏振光：P光和S光，P光表示垂直于光軸且與入射面即棱鏡截面平行的偏振光；S光表示垂直于光軸且與入射面垂直的偏振光。P光和S光入射到金膜平面上都會引發金膜內的等離子體(自由電子)的諧振，但由于極化方向不同，P光和S光所導致的介質界面的反射光效應是有區別的。

首先，S光的極化方向與金膜平面重合，且S光激發的金膜表面等離子體諧振的方向也與S極化方向相同，這部分諧振等離子體會在金膜表面自由流動，即S光引發的等離子體諧振的阻抗為零，不吸收能量，從而使S光反射后，能量沒有損失。

而P光的極化方向與金膜平面相交，同樣地P光激發的等離子體諧振的方向與P極化方向相同，則P光激發的等離子體諧振的方向也與金膜平面相交。由于金膜的厚度僅為光波長的約十分之一量級，遠小于等離子體諧振的波長(諧振波長與光波長相同)，使其諧振空間受限，等離子體諧振無法在金膜中形成回路，從而使等離子體諧振波在與金膜相交的方向上以表面漸逝波的形式，自金膜表面向光疏介質中輻射出去，這部分輻射出去的能量就體現為P反射光的能量損失。這部分損失的能量可以在P反射光的四項基本參數(相對光強I、反射角θ、波長λ及相位φ)中反應出來。

當光疏介質(被檢樣本)在各類生化檢測過程中發生互作反應時，其折射率n′就會發生微量變化，從而導致P反射光的四項基本參數同時發生變化。通過不同類型的調制手段，可以將這四項基本參數，相對光強I、反射角θ、波長λ及相位φ中的一至兩項檢測出來，從而能夠定性、半定量或定量地導出被檢樣本折射率n′的微小變化。