优化的面阵型spr传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种优化的面阵型SPR传感器。本发明包括激光器、起偏器、扩束器、SPR传感棱镜、柱面镜扩束系统、成像透镜和图像传感器。激光器发出的光依次经起偏器、扩束器后进入SPR传感棱镜，在棱镜背面的金属膜层上发生反射后入射到柱面镜扩束系统，信号光束在原压缩方向上得到展宽，再经过一个与光路传播方向成一定倾斜角的成像透镜，到达正置的图像传感器。本发明一方面增大了成像图在压缩方向上的长度，使成像图展宽，每个通道所占探测面的像素数增加，得到的图像更加精细；另一方面减小了像面与探测平面的夹角，消除了景深影响，显著地提高了面阵型SPR传感器的检测精度和通量。
【专利说明】优化的面阵型SPR传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于传统光学和光电传感的交叉领域，涉及一种优化的面阵型SPR传感器。
【背景技术】
[0002]表面等离子共振传感器(surface plasmon resonance sensor,以下简称SPR传感器)是一种利用激光和金属表面等离子极化子(surface ρ lasmon polariton)的共振来实现对金属表面的样品进行高精度传感和分析的新型传感器。
[0003]相对于单通道SPR传感器只能对一个通道的样品进行探测，面阵型的SPR传感器可以同时对整个SPR传感面的多个通道进行探测，具有检测通量高、样品消耗少、反应速度快等优点，因此被广泛运用于生物大分子检测、药物研发等领域。面阵型SPR传感器的传感面经过成像系统后由图像传感器拍摄，利用计算机分析图像来得出传感面上等效折射率的变化信息，从而实时地获得生物分子结合和解离过程的信息。传统的成像系统主要由一块正置于光路传播方向的成像透镜和一个图像传感器((XD或者CMOS)组成。由于激发SPR需要斜入射的激光，因此SPR传感面相对于光路传播方向是倾斜的，其经过正置的成像透镜后所成的像也是倾斜的。而图像传感器因为受器件结构所限，通常使用的时候是正置于光路的，所以其探测平面和像之间有一定夹角，最终图像传感器接收到的是像在探测面上的投影。这一方面导致了传感图像在一个方向上被压缩，增加了面阵型SPR传感器的信号噪声；另一方面还导致了只有满足共轭关系的SPR传感区域可以清晰成像，限制了面阵型SPR传感器的检测精度和通量。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术中面阵型SPR传感器的成像系统限制其传感精度和传感通量的缺点，提出了一种新型的成像系统。这种成像系统利用柱面镜扩束系统和斜置的成像透镜使面阵型SPR传感器的成像效果得到显著改善。这种方法成本低廉，稳定可靠，能够显著地提高面阵型SPR传感器的检测精度和通量。
[0005]本发明采用的技术方案是:
本发明包括激光器、起偏器、扩束器、SPR传感棱镜、柱面镜扩束系统、成像透镜和图像传感器。
[0006]激光器发出的光依次经起偏器、扩束器后进入SPR传感棱镜，在棱镜背面的金属膜层上发生反射后入射到柱面镜扩束系统，信号光束在原压缩方向上得到展宽，再经过一个与光路传播方向成一定倾斜角的成像透镜，到达正置的图像传感器((XD或者CMOS)。
[0007]所述的柱面镜扩束系统由第一柱面镜和第二柱面镜，其中第一柱面镜为凹面镜，将入射的平行光发散，第二柱面镜为凸面镜，将发散后的发散光准直为平行光出射。
[0008]所述的第一柱面镜的焦距为-15mm，第二柱面镜的焦距为75mm。
[0009]所述的成像透镜焦距为50mm，数值孔径为0.5，放置角度为倾斜于光路59°。[0010]成像得到优化的原理是:由于SPR传感面相对于光路的传播方向是倾斜的，所以顺着光路传播方向看去，SPR传感面的图像在一个方向上受到了压缩。本发明中柱面镜系统相当于一个一维放大系统，其放大方向被设置为SPR传感图像被压缩的方向，可以使成像图的长宽比例还原到与SPR传感面相似。这样不仅原本压缩的SPR传感图像得到还原，而且空气中的等效物面相对于光路传播方向的倾斜状态减弱。之后，斜置的成像透镜因其与光路传播方向存在夹角，根据几何光学成像定律，原本倾斜的像平面被扭正，即与探测面的夹角减小。这使得像在探测面上的投影比例增大，而且减小了像边缘到探测面的距离，即减小了因景深影响而无法清晰成像的边缘区域。通过调节成像透镜的倾斜角度，可以使像平面和探测平面完全重合，从而实现对整个SPR传感面的清晰成像。
[0011]本发明具有的有益效果是:
一方面增大了成像图在压缩方向上的长度，使成像图展宽，每个通道所占探测面的像素数增加，得到的图像更加精细，从而极大地减小了传感信号噪声；另一方面减小了像面与探测平面的夹角，消除了景深影响，使可精确成像的SPR传感区域增大，显著地提高了面阵型SPR传感器的检测精度和通量。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为优化的面阵型SPR传感器的系统光路图；
图2为图1中图像传感器部分的放大图；
图3为传统面阵型SPR传感器的系统光路图；
图4为图3中图像传感器部分的放大图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明做进一步详述:
如图1所示，一种优化的面阵型SPR传感器包括激光器1、起偏器2、扩束器3、SPR传感棱镜4、第一柱面镜5、第二柱面镜6、成像透镜7、图像传感器CXD 8。
[0014]激光器I发出的光依次经起偏器2、扩束器3后进入SPR传感棱镜4，棱镜背面用折射率匹配液耦合了一个多通道芯片，激光在棱镜背面的金属膜层上发生反射后入射到第一柱面镜5、第二柱面镜6将光束在一维方向上展宽,展宽后的光束再经过一个与光路传播方向成一定倾斜角的成像透镜7，到达正置的图像传感器(XD8。
[0015]本实施例中耦合棱镜材料为BK7，折射率为1.515，对应水的SPR激发角度为75°。多通道芯片尺寸为20mmX20mm，其在空气中的等效物与光路传播方向之间的夹角为
7.6°。
[0016]第一柱面透镜的焦距为-15mm，第二柱面透镜的焦距为75mm，组成一个柱面镜扩束系统。此柱面镜系统为一个伽利略望远镜系统，第一柱面透镜与第二柱面透镜的焦点重合，可以实现一维放大。当然，不限于伽利略望远系统，其他的一维放大系统也可行。第一透镜为凹面镜，将入射的平行光发散，第二透镜为凸面镜，将发散后的发散光准直为平行光出射。伽利略系统放大倍率为第二透镜与第一透镜焦距的比值，所以该系统的放大倍率为
5。经过该系统后，等效物面倾斜角度为33.7°
成像透镜焦距为50mm，数值孔径为0.5，放置角度为倾斜于光路59°。最终所成的像和光路方向垂直，并通过一个正置的CXD接收。
[0017]C⑶分辨率为1392X1040，芯片尺寸为2/3〃，可以完全接受所放大的SPR传感面像。
[0018]图3为传统面阵型SPR传感器。SPR传感面(物面)即为多通道芯片的表面，其在空气中的等效物与光束传播方向间的夹角非常小，即顺着光束传播方向看去，该边长方向图像受到了压缩。经过一个正置的成像透镜7成像之后得到的像与正置的(XD8的探测面的夹角非常大，如图4所示，投影到(XD8探测面上长度受到压缩，而多通道芯片另一方向的像长则并未被压缩，所以最后得到的SPR传感面的成像图为一个窄长方形，长宽比约为9:2。而且由于景深的影响，像的边缘要比中心模糊，成清晰像的区域很小。
[0019]比较图1和图3就可以发现，优化的面阵型SPR传感器比传统的成像质量大大增力口。棱镜出射的光束经过一个放大倍数5倍左右的扩束柱面镜系统(柱面镜5、柱面镜6)之后，空气中的等效物垂直于光束传播方向的长度被扩大5倍，物在光路中传播时的倾斜状态减弱。由于成像透镜7与光束传播方向存在夹角，对于像相当于一个扭正的作用，可以通过改变该夹角使像面与CCD8探测平面的夹角减小为0，如图2所示。优化的面阵型SPR传感器最后探测到的像的长度与未压缩方向的像长相似，SPR传感面的成像图近似为正方形，长宽比为9.1:8.9，基本与SPR传感面一致，而且由于像面与C⑶探测平面的夹角为0，所以整个成像图都非常清晰。
[0020]本发明陈述了一种优化的面阵型SPR传感器，通过在光路中加入柱面镜扩束系统对传感图像被压缩方向进行一维扩束，使图像展宽，相对于光路传播方向倾斜状态减弱。并且将成像透镜倾斜放置，使像面扭正到与正置CCD探测平面平行，大大减小了传感信号噪声，显著地提高了面阵型SPR传感器的检测精度和通量。
【权利要求】
1.优化的面阵型SPR传感器，包括激光器、起偏器、扩束器、SPR传感棱镜、柱面镜扩束系统、成像透镜和图像传感器，其特征在于: 激光器发出的光依次经起偏器、扩束器后进入SPR传感棱镜，在棱镜背面的金属膜层上发生反射后入射到柱面镜扩束系统，信号光束在原压缩方向上得到展宽，再经过一个与光路传播方向成一定倾斜角的成像透镜，到达正置的图像传感器。
2.根据权利要求1所述的优化的面阵型SPR传感器，其特征在于:所述的柱面镜扩束系统由第一柱面镜和第二柱面镜，其中第一柱面镜为凹面镜，将入射的平行光发散，第二柱面镜为凸面镜，将发散后的发散光准直为平行光出射。
3.根据权利要求2所述的优化的面阵型SPR传感器，其特征在于:所述的第一柱面镜的焦距为-15mm，第二柱面镜的焦距为75mm。
4.根据权利要求1所述的优化的面阵型SPR传感器，其特征在于:所述的成像透镜焦距为50mm,数值孔径为0.5,放置角度为倾斜于光路59°。
【文档编号】G01N21/55GK103472038SQ201310422616
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】杨薇, 叶高翱, 江丽, 何赛灵 申请人:浙江大学