一种无相位调制结构的相位型SPR传感系统及应用的制作方法

本发明属于光学传感领域，涉及一种无相位调制结构的相位型spr传感系统。

背景技术：

相位型spr传感器利用表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance，spr)现象反射光相位对电介质折射率产生灵敏地响应的原理，对折射率进行高灵敏度传感。光的频率高无法直接探测到，传统相位型spr传感器通过引入复杂的光路或者相位调制器实现对反射光相位的提取。正因为传统相位型spr传感器对相位信息的提取的光路复杂度高或引入相位调制器稳定性低，导致传统相位型spr传感器至今难以产业化。因而简化相位型spr传感器光路是其产业化需要克服的一个难点。此外传统相位型spr传感器的角度分辨率低，不能准确的将入射角调节至spr共振角，这影响了系统的分辨率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种无相位调制结构的相位型spr传感系统及应用，其无需引入相位调制结构和复杂的光路，同时设计角度调节装置提高系统的角分辨率以提高系统分辨率。此外，系统利用定义的比值相位代替相位对折射率进行传感，可达到同以量级的分辨率。

本发明公开了一种无相位调制结构的相位型spr传感系统，包括入射角调节装置、spr传感模块、分光片、偏振片、成像镜头、ccd。

扩束光激发spr传感模块产生spr现象，出射光携带有相位信息，经两个分光片被分解为三路，三个光路分别经偏振片、成像镜头后，由ccd检测p偏振光、s偏振光及其45°偏振干涉光强。角度调节装置根据出射p光光强来调节入射角至使p光光强最小值的spr角，之后根据三个ccd检测到的光强提取相位信息。

更进一步具体实施中，所述的spr传感模块包括spr传感芯片和等腰直角棱镜。

更进一步具体实施中，所述的角度调节装置包括两个直角棱镜和旋转台，其中一个直角棱镜耦合有spr传感芯片组成spr传感模块，两个直角棱镜组合成平行四边形结构；传感芯片的中轴线位于旋转台的旋转中心。

更进一步具体实施中，出射光路被两个分光片分解为三路，三路光路由三组相同的成像镜头和ccd对spr传感芯片进行成像，成像镜头和ccd之间放置偏振片，通过控制三路偏振片的角度使得三个光路分别为检测p光的光路、检测s光的光路和检测其偏振干涉光强。

更进一步具体实施中，角度调节装置通过出射光路中检测到的p光光强的大小来调节入射角，直至满足p光光强达到最小值；

出射光路的三个分光路分别检测p光、s光及其45°偏振干涉光强后，分别计算反射率kp、ks和ki，定义的比值相位ψ计算公式为：

在一定范围内，比值相位ψ是折射率的单调函数，可以通过采用已知折射率的物质对传感系统进行标定或者仿真得到ψ为折射率的单调函数的区间。

本发明的有益效果

本发明采用出射光路分解计算比值相位实现对折射率传感的方法，去除了传统相位型spr传感器的相位调制器，实现简化光路及数据分析过程的效果。同时采用角度调节装置，本发明提高了相位型spr传感器的角度分辨率，进一步提高系统的稳定性和分辨率。

附图说明

图1为本发明一种无相位调制结构的相位型spr传感系统的系统图。

图2为本发明一种无相位调制结构的相位型spr传感系统应用范围仿真结果图。

图3为本发明角度调节装置调节角度流程图。

附图标记说明：

1-旋转台、2-直角棱镜、3-传感芯片、4-旋转电机控制器、5-第一反射镜、6-分光片、7-第二反射镜、8-偏振片、9-成像镜头、10-ccd、11-交换机、12-电脑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

实施例1

本实例以旋转电机为作为角度调节装置的一部分，如图1所示，本发明一种无相位调制结构的相位型spr传感系统的系统图，包括旋转台1、直角棱镜2、传感芯片3、旋转台控制器4、第一反射镜5、分光片6、第二反射镜7、偏振片8、成像镜头9、ccd10、交换机11、电脑12。

两个直角棱镜2组合成平行棱镜，其中一个直角棱镜2耦合有传感芯片3。扩束光经过直角棱镜2在传感芯片3上激发spr现象，之后经过另一个直角棱镜2出射，出射光和入射光平行。调节传感芯片3的中轴线和旋转台1的转轴重合，因此当旋转台转动改变入射角时，出射光路不随入射角的改变而改变。出射光路由第一反射镜5对光路进行转折，之后由两个分光片6将光路分为三路，第二反射镜7将其中一路分光路进行转折，偏振片8分别控制三个光路检测p光、s光和45°偏振干涉光，每路光采用相同的成像镜头9和ccd10获取图像信息通过交换机11和电脑12进行信息交互。角度调节装置由两个直角棱镜2和旋转台1组成。电脑12根据获取的p光路ccd检测得到的灰度计算角度调节装置需要进行角度调节量，由电脑12将角度调节装置所需转动量的信息传递给旋转电机控制器4，旋转电机控制器4控制角度调节装置转动，最终使得入射角满足p光的反射率最小，即定量判断入射角至spr角。

传感芯片3设置一个通道为标定通道，其内部无任何样品，通有样品的通道为检测通道。每个光路测得的图像信息中得到检测通道的灰度和标定通道的灰度比值为该光路检测得到的反射率，分别为kp、ks和ki。定义比值相位ψ的计算公式为：

比值相位ψ不是一个物理量，但是在一定范围内，其是折射率的单调函数，因此可以通过比值相位ψ代替相位对折射率进行传感。这一范围和从传感芯片3的标定通道出射的p光光强ip0、s光光强is0、45°偏振干涉光强i0有关，具体是和这两个指标影响比值相位ψ是否满足为折射率单调函数的条件。仿真得到图2所示x1和x2的取值范围，使得在一范围内ψ为折射率的单调函数。仿真得到的范围需要进行参数调节以更符合实际范围。应用前，也可采用一系列已知的折射率的物质对传感器进行标定并从实际检测结果判断是否在实际范围中。

实施例2

角度调节装置由两个直角棱镜2和旋转台1组成，本实施例给出一种角度调节算法如图3所示。主要分为两个部分：

(1)确定旋转方向，设定初始旋转方向和旋转角度，若是p光反射率降低，则旋转方向为初始旋转方向；若p光反射率增大，则旋转方向和初始旋转方向相反。

(2)以旋转角度依次减半的方式直至旋转台1最小旋转角度，寻找p光反射率最低的入射角。

具体步骤如下：

本实施例中设定的初始旋转方向为正方向，初始旋转角为θk＝0.5°，初始步数k＝0，旋转后的步数为k＝k+1，p光光路的检测通道和标定通道的灰度比为其反射率rk。

在确定旋转方向时，对比旋转后的反射率rk和旋转前的反射率rk-1，若rk-rk-1＜0，则旋转方向为设定的初始旋转方向；若rk-rk-1＞0，则旋转方向和初始旋转方向相反为负方向，并旋转至初始位置。

确定好旋转方向后，以旋转角度逐步减半的方式，进行角度调节，即θk＝0.5θk-1，当θk-1＝θmin时(达到角度调节装置的最小旋转角度θmin)，θk＝θk-1＝θmin。每次的旋转方向依然是通过对比旋转前后的反射率rk-1和rk的大小进行判断。角度调节装置以最小旋转角度旋转直至第n步时，反射率rn＞rn-1，则第n-1步时的入射角是spr角。所以第n+1步角度调节装置将入射角调至第n-1步时的状态，即调为spr角。

本发明将出射光路分解三路分别检测p光、s光及其45°偏振干涉光强，根据公式计算比值相位，实现对折射率的传感，从而去除相位调制器，简化相位型spr传感器的光路。另外，本发明采用角度调节装置，提高了传统相位型spr传感器的角度分辨率以此提高系统的分辨率。本发明具有结构简单，数据提取方法便利，角度分辨率高的特点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。