一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统与流程

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种液浸或固浸显微物镜数值孔径的测量系统及其测量方法。

背景技术：

随着显微技术的发展及应用，显微物镜的应用越来广泛，而显微物镜数值孔径的检测精度要求越来越高。

目前测定物镜的数值孔径主要是使用数值孔径计，测量时主要使用人眼进行观察，调节数值孔径计上十字线交点与所观察到的圆斑相切，然后读取数据。整个操作过程都是测量人员在完成，相对而言对测量人员的要求比较高，并且测量的精度也比较差，特别是测量较高NA的物镜时，需要借助辅助物镜，操作较为复杂，难以实现自动检测，给生产和使用造成了极大的不便。

表面等离子体(Surface Plasmon,SP)是一种在金属与电介质的界面上传播的电磁波，当入射光的k矢量在平行于界面上的方向的分量与SP的k矢量匹配时，发生表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)。SPR有多重调制模式，当固定入射光的其他参数，仅调制入射光的入射角度，则只有当入射角达到SPR的最优激发角时才能最大化地激发出SPR。由于SPR是在金属表面传播，因此激发出的SPR被金属吸收并转为欧姆热，从而在该角度下反射光的反射系数达到最低。通过这一特性可以识别出SPR的激发(吸收)谱。显微物镜是一种常用的SPR激发工作，当其数值孔径大于SPR的最优激发角时，可以用于激发SPR。通过对显微物镜的后焦面即SPR吸收谱的图像识别，可以计算出显微物镜的数值孔径。本专利基于这一方法对显微物镜的数值孔径进行测量，实现了对显微物镜数值孔径的自动检测，降低了测量要求，提高了测量精度，对显微物镜的生产检测和使用评估都提供了极大的便利。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

目前测定物镜的数值孔径主要是人工操作数值孔径计，对测量人员的要求较高，且操作复杂、精度难以保证，为解决这一问题，本专利提出一种新的数值孔径测量方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度的显微物镜数值孔径的非机械式检测系统，其特征在于，包括：

照明光源、分光镜、显微物镜、SPR标准样片，所述照明光源的发射孔中心轴线和显微物镜中心轴线共线；以及

设置在分光镜下侧的成像光路，该成像光路包括一号透镜、二号透镜和探测器，所述一号透镜、二号透镜共轴，所述一号透镜和二号透镜之间的距离是两者焦距之和，所述一号透镜、二号透镜的中心轴线与分光镜所在平面成45度，所述显微物镜后焦面和探测器感光面关于一号透镜和二号透镜共轭。

所述照明光源发出的光束横截面直径大于或等于显微物镜的通光孔径，所述照明光源发出的光为线偏振光时，可由线偏振光直接激发SPR；所述照明光源发出的光为径向偏振光时，可由径向偏振光直接激发SPR；所述照明光源发出的光束和分光镜所在平面成45度；所述照明光源发出的光束中心轴线与显微物镜中心轴线共线；所述照明光源发出的光束经SPR样片反射后，再经过分光镜反射后，经过一号透镜和二号透镜的中心轴线，最后垂直射在探测器感光面上。

所述SPR标准样片由三层结构组成，分别是高折射率材料层，粘附层，能激发SPR的金属层，高折射率材料层厚度小于显微物镜的工作距离，粘附层厚度在0nm-5nm纳米，能激发SPR的金属层厚度在30nm-60nm之间，光束从高折射率材料层入射。所述SPR标准样片高折射率材料层面向照明光源，所述显微物镜的焦点在SPR标准样片高折射率材料层表面。

本发明还提供了一种高精度显微物镜数值孔径的自动检测方法，其包括：

光束从显微物镜入射后聚焦在SPR标准样片上，反射光在显微物镜后焦面成像，图像传感器上可获得后焦面上像的最大光圈半径r_max、SPR吸收弧半径r_SP：

其中，NA表示显微物镜的数值孔径；n₀表示显微物镜与SPR标准样片间介质的折射率；r_SP表示显微物镜后焦面上成像的SPR吸收弧的半径；r_max表示显微物镜后焦面上成像的最大光圈的半径；θ_sp表示SPR标准样片的SPR激发角。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：降低了检测显微物镜NA数值的要求，能够更加精确的得到显微物镜NA的数值，并且可实现自动测量，给生产检测和使用评估都提供了极大的便利。

附图说明

图1是本发明所述的一种高精度自动测量显微物镜数值孔径的方法，入射光为线偏振光时的原理图。

图2是本发明所述的一种高精度自动测量显微物镜数值孔径的方法，入射光为径向偏振光时的原理图。

图3是本发明所述的一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统的结构示意图。

图4是本发明所述的一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统中，显微物镜后焦面的光聚焦到探测器上的光路。

图5时本发明所述的一种高精度自动测量显微物镜NA的装置中，SPR标准样片示意图。

图6是本发明所述的一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统，入射光为线偏振光的仿真图。

图7是本发明所述的一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统，入射光为径向振光的仿真图。

图中1：照明光源；2：分光片；3：显微物镜；4：SPR材料；5：一号透镜；6：二号透镜；7：探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“轴向”、“径向”、“周向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语成像光路当使用一个透镜两个透镜或者多个透镜，当其对显微物镜后焦面成像时，均属于本发明保护范围对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统，目的在于使用偏振光入射，激发SPR，它包括照明光源(1)、分光镜(2)、显微物镜(3)、SPR标准样片(4)、一号透镜(5)、二号透镜(6)和探测器(7)所述照明光源(1)发出的光经分光镜(2)透射，入射至显微物镜(3)，并且经显微物镜(3)聚焦到SPR标准样片(4)的表面，发生反射，反射光通过显微物镜(3)，经过分光镜(2)反射，经一号透镜(5)和二号透镜(6)成像于探测器(7)中；

其中SPR标准样片(4)为三层设计，分别是高折射率材料层，粘附层，能激发SPR的金属层，光束从高折射率材料层入射，金属层可采用金、银等金属，粘附层一般采用Cr或Ti；

所述一号透镜(5)、二号透镜(6)和探测器(7)共轴，光路和分光镜(2)所在平面成45度，所述一号透镜(5)和二号透镜(6)镜面之间的距离是其两者的焦距之和，探测器(7)的感光面和显微物镜(3)的后焦面共轭，所述显微物镜(3)的焦点在SPR标准样片(4)表面

光束从显微物镜(3)入射后聚焦在SPR标准样片(4)上，反射光在显微物镜(3)后焦面成像，图像传感器上可获得后焦面上像的最大光圈半径r_max、SPR吸收弧半径r_SP：

其中，NA表示显微物镜(3)的数值孔径；n₀表示显微物镜(3)与SPR标准样片(4)间介质的折射率；r_SP表示显微物镜后焦面上成像的SPR吸收弧的半径；r_max表示显微物镜后焦面上成像的最大光圈的半径；θ_sp表示SPR标准样片的SPR激发角。

具体实施方式二：照明光源(1)发出的光束的横截面直径大于或等于显微物镜(3)的通光孔径，当照明光源(1)发出的光束的横截面直径小于显微物镜(3)的通光孔径时，可在照明光源(1)和显微物镜(3)之间添加扩束光路使照明光源(1)发出的光束的横截面直径大于或等于显微物镜(3)的通光孔径。

具体实施方式三：

照明光源(1)发出的光为线偏振光时，可由线偏振光直接激发SPR；

照明光源(1)发出的光为径向偏振光时，可由径向偏振光直接激发SPR；

照明光源(1)发出的光为线偏振光时，可在照明光源(1)和显微物镜(3)之间添加半波片和径向偏振片，可将照明光源(1)发出的线偏振光转化为径向偏振光，从而激发SPR，半波片和径向偏振片的中心轴线与照明光源(1)所发出的光束重合，当由其他途径将线偏振光转化为径向偏振光激发SPR来计算显微物镜数值孔径也属于本专利保护范围。