本發(fā)明涉及光學技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種零角度入射的表面等離子體光學非球面柱透鏡。

背景技術(shù)：

表面等離子體(Surface Plasmon Resonance，SPR)是在金屬和電介質(zhì)的界面上傳播的一種表面電磁波，在金屬/電介質(zhì)界面處的電場強度最大且在垂直于界面的法向上呈指數(shù)衰減。表面等離子體波的波矢量大于真空條件下的光波矢量，因此通常需要借助于其他手段來實現(xiàn)波矢的匹配從而激發(fā)SPR，常用的SPR耦合方法有電子耦合、光柵耦合、應用最廣的Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)、以及在Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)上發(fā)展起來的“類三明治”多層結(jié)構(gòu)耦合。棱鏡結(jié)構(gòu)和“類三明治”多層結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)的區(qū)別，都必須滿足從高折射率介質(zhì)中入射且滿足SPR激發(fā)角的條件。當樣品在空氣中時最小的激發(fā)角在44°附近，當用于液態(tài)的生物樣品時需要的激發(fā)角大于70°。如何產(chǎn)生并耦合如此大的激發(fā)角，是SPR技術(shù)自始至終的技術(shù)核心也是最大的難點。當前高折射率型SPR耦合結(jié)構(gòu)主要有棱鏡式和油浸高NA顯微物鏡兩種。棱鏡式SPR結(jié)構(gòu)具有成本低、樣品夾持容易、而且能快速進行線掃描等優(yōu)點，缺點是必須使用大角度的三角式機械結(jié)構(gòu)，難以與其他光學技術(shù)兼容；油浸高NA顯微物鏡SPR結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于能夠沿法向零角度入射，因此機械架構(gòu)簡單且易與其他光學顯微技術(shù)兼容，缺點是由于其二維對稱性主要用于點掃描，難以用于線掃描。本發(fā)明提出了一種零角度入射的表面等離子體光學非球面柱透鏡，即具有油浸顯微物鏡類似于高NA、能夠采用零角度入射等特性，又具有棱鏡式SPR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、方便用于快速線掃描等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

目前廣泛采用的油浸物鏡型SPR耦合系統(tǒng)大多數(shù)為聚焦到一個直徑很小的點，難以實現(xiàn)快速線掃描。為解決這一問題，本發(fā)明提出了一種零角度入射的SPR光學耦合柱透鏡。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提出一種高數(shù)值孔徑的表面等離子體柱透鏡，由兩個光學面組成，一個表面形貌為本發(fā)明設(shè)計的特殊光學柱面，一個表面為長方形光學平面。柱透鏡關(guān)于過長方形光學平面中軸線的法平面對稱，入射光垂直于長方形光學平面從光學柱面入射。

本發(fā)明的非球面柱透鏡由在可見光范圍內(nèi)透明的高折射率材料組成，通常折射率在1.3到5之間，平行光由柱面入射到等離子體柱透鏡，光學非球面折射后聚焦于透鏡的長方形光學平面的中軸線，或聚焦于經(jīng)過長方形光學平面中軸線的法平面內(nèi)中軸線的平行線；當聚焦在長方形光學平面的中軸線的平行線上時，非球面柱透鏡的長方形光學平面上需滴加一定厚度的匹配油以提高透鏡的數(shù)值孔徑，并能激發(fā)樣品的SPR。

所述柱透鏡上垂直于光學平面截面的邊界曲線關(guān)于該截面中軸線對稱，以曲線頂點為原點，頂點切線為x軸建立平面直角坐標系，曲線上點的坐標(x(m)，y(m))由以下遞推公式給出:

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0y(1)＝0y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)]y(2)＝0y_alt(2)＝0

式中h為曲線在y軸上的最大值，r為曲線在y軸上的最大值，f為匹配油的厚度，n₁為柱透鏡材料折射率，n₂為匹配油折射率，將曲線在x軸正半軸上的長度r等分為2n-2份，記為r(2m-2)，θ是以r(2n-2)為橫坐標的曲線點和平行光焦點的連線與y軸的夾角。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案有如下優(yōu)點：

1.體積小，結(jié)構(gòu)簡單，具有很高數(shù)值孔徑；

2.能夠?qū)崿F(xiàn)零角度入射下的SPR激發(fā)和檢測，入射光在遠離非球面柱透鏡的匹配油平面上聚焦為一條直線，實現(xiàn)線掃描，速度快；

3.基于本發(fā)明的表面等離子體光學耦合柱透鏡的SPR耦合檢測系統(tǒng)具有像差小，檢測精度高等優(yōu)點；

4.當平行光沿透鏡光軸零角度入射到透鏡的非球面時，本發(fā)明的表面等離子體光學耦合柱透鏡能夠在透鏡的光學平面的表面幾何中心處形成二維尺度下的從零度到最大孔徑角的寬入射角范圍，對應于SPR激發(fā)時能夠?qū)Ω【钟虻臉悠沸畔⑦M行探測，同時能夠提供二維的SPR吸收光譜，并減弱對入射光線的角度要求。

附圖說明

圖1為非球面柱表面等離子體柱透鏡折射的幾何示意圖；

圖2為附帶樣品的非球面柱表面等離子體柱透鏡三維圖；

圖3為表面等離子體柱透鏡在待測樣品表面的聚焦圖；

圖4為表面等離子體柱透鏡的應用系統(tǒng)圖；

圖3中，入射光為平行光；401為表面等離子體光學耦合柱透鏡，402為匹配油，403為表面等離子體傳感芯片，404為待測樣品；

圖4中1為照明系統(tǒng)，2為探測系統(tǒng)，3為分光鏡，401為表面等離子體柱透鏡，402為匹配油，403為表面等離子體傳感芯片，404為待測樣品。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

具體實施方式一：本發(fā)明提供了一種零角度入射的高數(shù)值孔徑的表面等離子體光學耦合柱透鏡，能夠應用于表面等離子體的耦合和檢測。結(jié)合圖1、3說明具體實施方式，本發(fā)明所述的一種高數(shù)值孔徑表面等離子體光學耦合柱透鏡，由兩個光學面組成，其中一個形貌為本發(fā)明設(shè)計的特殊柱面，一個為光學平面，其形狀為長方形。

如圖1中所示，柱透鏡上垂直于光學平面截面的邊界曲線關(guān)于該截面中軸線對稱，以曲線頂點為原點，頂點切線為x軸建立平面直角坐標系，邊界曲線關(guān)于y軸對稱，將等離子體柱透鏡的邊界曲線在x軸上的最大值r_max均分為2n-2份，記為r(2n-2)，θ為以r(2n-2)為橫坐標對應的點和焦點連線與y軸的夾角，記為θ(2n-2)，β為r(2n-2)對應點對應的表面等離子體柱透鏡內(nèi)的入射光與y軸的夾角，記為β(2n-2)，為對應的曲面法線與入射光的夾角，記為非球面邊界曲線在x正半軸上對應的點(x(m)，y(m))的坐標滿足以下遞推關(guān)系：

y(m)＝-x(m)*cot[β(2m-2)]+h+f*tan[θ(2m-2)]*cot[β(2m-2)]

r＝f×tanθ

x(1)＝0 y(1)＝0 y_alt(1)＝0

x(2)＝h*tan[β(2)]+f*tan[θ(2)] y(2)＝0y_alt(2)＝0

式中h為曲線在y軸上的最大值，r為曲線在y軸上的最大值，f為匹配油的厚度，n₁為柱透鏡材料折射率，n₂為匹配油折射率。

以滿足上述邊界條件的曲線所形成的曲面為底面的柱體即是本發(fā)明提出的零角度入射的高數(shù)值孔徑的表面等離子體光學耦合柱透鏡(如圖2所示)，如圖3中所示，在表面等離子體柱透鏡(401)表面滴加匹配油(402)，在匹配油(402)上放置一層表面等離子體傳感芯片(403)，待測樣品(404)放置表面等離子體傳感芯片(403)上。

具體實施方式二：一種光學耦合柱透鏡，其結(jié)構(gòu)如權(quán)利要求一中所述，將其應用于如圖4所示的表面等離子體光學檢測系統(tǒng)中時，其特性如下：

系統(tǒng)由照明系統(tǒng)(1)，探測系統(tǒng)(2)，分光鏡(3)，等離子體柱透鏡(401)，匹配油(402),表面等離子體傳感芯片(403)，待測樣品(404)組成。

表面等離子體傳感芯片(403)放置在等離子體柱透鏡(401)的光學平面上，二者之間是匹配油(402)，待測樣品(404)置于表面等離子體傳感芯片(403)上。

照明系統(tǒng)(1)發(fā)出的光束經(jīng)分光鏡的分光后，零角度入射到表面等離子體光學耦合柱透鏡時，經(jīng)過非球面的一次折射，再經(jīng)過油層和光學平面接觸面的一次折射，將平行入射光光聚焦在一條直線上并激發(fā)樣品SPR，激發(fā)后的光沿原入射路徑返回，進入成像系統(tǒng)，顯示SPR吸收譜，入射光在遠離非球面柱透鏡的匹配油平面上聚焦為一條直線，能夠?qū)崿F(xiàn)線掃描，做一個方向的掃描即能夠的到一個平面的成像，掃描的速度快，為進行SPR檢測和成像提供了一種簡潔、低廉，準確度高的裝置。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。