CN1667379A - 目标的光相位测量 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于目标的光相位测量的装置和方法。光相位检测包括产生具有第一偏振的第一光波和具有从第一偏振偏移的第二偏振的第二光波，并在第一和第二光波之间施加相对延迟。当波长在指定波长范围上被调谐时，相对延迟引起光波之间的频率偏移。将第一和第二光波引导到目标上，来提供第三光波和第四光波。第三光波的偏振分量和第四光波的偏振分量被检测，以提供在频率偏移处的检测信号。光相位检测然后还包括提取由目标引入的在第三和第四光波的偏振分量之间的相位差。

Description

目标的光相位测量

技术领域

本发明一般地涉及光相位测量，更具体地，涉及光相位检测器和光相位检测方法。

背景技术

表面等离子谐振(surface plasmon resonance，SPR)涉及沿导电薄膜与相邻电介质之间界面的表面等离子波的光激发。在谐振中，来自入射光信号的能量被耦合到表面等离子波中，导致在发生谐振的光波长处，从导电薄膜反射的光信号的强度降低。在谐振光波长处还发生反射光信号中的相变。由于与延伸到电介质中的表面等离子波相关联的倏逝尾部(evanescent tail)，在谐振光波长处的反射光信号的相位对与导电薄膜相邻的电介质的折射率的变化是敏感的。这种相位对折射率的敏感性使得电介质可以被用作感应介质。例如，当电介质包括生化样本的时候，折射率的变化可以被用于指示生化样本中的生化情况或者过程。

由于反射光信号中的相变对电介质或感应介质的折射率变化的敏感性，基于SPR的相位测量已经被开发作为生化感应的分析工具。例如，Immunosensor based on optical heterodyne phase detection，Sensors andActuators B，第76卷，Xinglong Yu等，(2003)，第199～202页，发表了干涉测量法、光外差法以及其他技术，用于检测与折射率中小于微量单位的变化相对应的相位变化，这些折射率的变化与生化样本中抗体与蛋白质的结合/解离相联系。

对进一步增加敏感性的相位检测方案有着持续的需求，利用该敏感性可以检测折射率的变化。此外，存在对这样的基于SPR的相位检测方案的需求，这些相位检测方案是可变规模的，以便与包含用于生化感应的样品阵列的分析系统相适应。

发明内容

根据本发明的实施例，光相位检测包括产生具有第一偏振的第一光波和具有从第一偏振偏移的第二偏振的第二光波，并在第一和第二二光波之间施加相对延迟。当这些光波的波长在指定波长范围上被调谐时，所施加的延迟就引起频率偏移。

光波被引导到响应于第一和第二光波而提供第三光波和第四光波的目标上。第三光波的偏振分量和第四光波的偏振分量被检测，以提供在频率偏移处的检测信号。光相位检测然后还包括提取由目标引入的在第三和第四光波的偏振分量之间的相位差。根据本发明的另外的实施例，将光相位检测增大规模(scaling)使得能够从目标阵列同时或者顺序地检测SPR所引入的相移。

附图说明

图1示出了SPR转换器的传统结构。

图2示出了对于图1的结构的示例相位-波长图。

图3示出了根据本发明实施例的光相位检测器。

图4A～4B示出了图3的光相位检测器的示例实施方式。

图5A～5B示出了本发明实施例中所包括的偏振光信号的详细示图。

图6示出了根据本发明实施例的示例相位线对光波长的关系。

图7示出了根据本发明实施例的对于不同偏振对准的相变对光波长的关系。

图8A～8B示出了根据本发明实施例的增大规模的光相位检测器。

图9示出了根据本发明另外的实施例的相位检测方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了被称为Kretchmann结构的传统SPR转换器10。SPR转换器10包括与电介质2相邻的导电薄膜1。但是，在SPR转换器10的某些应用中，电介质2是感应介质，连接层(未示出)介于导电薄膜1与电介质2之间，用于提供生物分子受体连接的位置。为了清楚，图1中的导电薄膜被示出为与电介质2相邻，而没有连接层。棱镜4被定位成相邻于导电薄膜1的和电介质2相对的一侧。在多篇参考文献中描述了Kretchmann结构的SPR转换器10，包括Simulation and Analysis of Surface PlasmonResonance Biosensor Based on Phase Detection，Sensors and Acuators B，第91卷，Xinglong Yu等，(2003)，第285～290页。

在SPR转换器10的典型应用中，导电薄膜1是金层，其对于在指定的入射角φ_SP和用于激发沿着导电薄膜1的表面等离子波或表面等离子激元(surface plasmon)的波长处的入射光信号Ii，具有适当的厚度d1。与表面等离子激元相关联的是倏逝尾部(未示出)，该倏逝尾部穿透到与导电薄膜1相邻的电介质2中。入射光信号Ii的没有被耦合到表面等离子激元中的能量在导电薄膜1处被反射，并产生反射光信号Ir。

图2示出了在图1的SPR转换器10的情形中，入射光信号Ii撞击到在导电薄膜1上的目标T上所得到的反射光信号Ir的示例相位曲线。相对于波长λ_R附近的波长λ来表示相位，其中在波长λ_R处，入射光信号Ii耦合到表面等离子激元。该波长λ_R是SPR(表面等离子谐振)的光波长，此后称为谐振波长λ_R。图2显示出反射光信号Ir的相位对在谐振波长λ_R附近的入射光信号Ii的波长λ高度敏感。而由于穿入电介质2的倏逝尾部，谐振波长λ_R又对电介质2的折射率n_S的变化高度敏感。检测反射光信号Ir的相位使得能够检测出电介质2的折射率n_S的变化。

图3示出了根据本发明实施例的光相位检测器20。光相位检测器20包括产生光信号I₁的可调谐光源22。光信号I₁包括具有第一偏振的第一光波和具有第二偏振的第二光波，其中第二偏振从第一偏振偏移。在典型的示例中，第一和第二光波的偏移偏振是常规的偏振p、s。为了说明的目的，具有p偏振的光波被称为光波p，具有s偏振的光波被称为光波s。

可调谐光源22包括延迟元件24，该延迟元件24在光信号Ii的光波p、s之间引入相对延迟τ。当可调谐光源22的波长λ在λ₁与λ₂之间的波长范围上以速率γ被调谐或扫频时，该被引入的延迟τ导致光波p与光波s之间的频率偏移γτ。

图4A示出了本发明的一个实施例，其中，可调谐光源22包括与偏振延迟单元PDU级联的可调谐激光器26。可调谐激光器26可以在λ₁与λ₂之间的波长范围上被扫频。λ₁与λ₂之间的波长范围足够宽，以容纳由于电介质2的折射率n_S中的相应改变而引起的谐振波长λ_R的改变。在一个示例中，可调谐激光器26是安捷伦科技有限公司的型号81680D，其可以在至少1492～1640纳米的波长范围λ₁～λ₂内以线性斜率被调谐。偏振延迟单元PDU包括偏振维持光纤耦合器23，其将由可调谐激光器26提供的光信号分到第一支路和第二支路中。这些支路中的一个，例如第一支路，包括一段光纤25，用于在第一支路与第二支路中的光之间引入相对延迟τ。第一支路和第二支路然后被耦合到偏振束合成器28，该偏振束合成器28向准直器30传输来自第一支路的具有一种偏振(例如偏振p)的光，以及来自第二支路的具有被偏移的偏振(例如偏振s)的光。偏振束合成器28提供光信号I₁的光波p、s。

或者，使用平面光学回路实现偏振延迟单元PDU，其中，在平面光学系统中实现偏振维持光纤耦合器23和偏振束合成器28，并且使用平面光波导实现延迟元件24。在另一个示例中，使用偏振束分光器21、作为延迟元件24的自由空间光路以及偏振束合成器28，实现偏振延迟单元PDU，如图4B所示。

准直器30或者其他束调整元件被耦合到可调谐光源22上，以将光信号I₁引导至导电薄膜1上的目标T上，如图5A所示。在目标T处反射光信号I₂。光信号I₂包括一对光波p_r、s_r，光波p_r、s_r具有与光信号I₁的光波p和光波s的偏移偏振相对应的偏移偏振。光波p具有与导电薄膜1的平面垂直的电场分量，而光波s具有位于导电薄膜1的平面中的电场。光波p耦合到表面等离子激元，而光波s不耦合到表面等离子激元。因此，光信号I₂的光波p_r经历了如图2所指示的在谐振波长λ_R处的相移，而光信号I₂的光波s_r不经历这样的相移。

光信号I₂被偏振器32接收，该偏振器32具有偏振轴X，该偏振轴X从光波p_r、s_r的偏振轴旋转偏移了45度，如图5A所示。但是，偏振器32的偏振轴X从这些偏振轴的除了45度之外的其他旋转偏移量可以是可以的。

光信号I₂的光波p_r、s_r由于穿过偏振器32而互相作用，在检测器34处形成干涉信号I(t)。干涉信号I(t)由等式(1)表示。

       I(t)＝E_s(t)²+E_p(t)²+2E_sE_pcos(2πγτt+Δφ_sp)    (1)

在等式(1)中，E_s(t)、E_p(t)分别代表光信号I₂的光波p_r、s_r的电场大小；γ是可调谐光源22被调谐或扫频的速率；τ是在由可调谐光源22提供的光信号I₁的光波p、s之间引入的相对延迟；Δφ_sp是光信号I₂的光波p_r、s_r之间的相位差。由于光信号I₁的光波s并不耦合到表面等离子激元，所以光信号I₂的光波s_r并不由于SPR而产生相移。从而，相位差Δφ_sp是光波p_r的相移，被指定为相位φ_p。因为光波s、s_r通过了与光波p、p_r相同的光路，所以确定光波p_r相对于光波s_r相位的相位φ_p提供了对机械震动、温度变化以及其他影响的抗扰性。

随着可调谐光源22的波长λ在谐振波长λ_R附近的波长范围λ₁～λ₂上被调谐，干涉信号I(t)被检测器34截获。检测器34响应于干涉信号I(t)中的项2E_sE_pcos(2πγτt+φ_p)，并且可以被滤波或者以其他方式被调谐，以在频率γτ附近的窄的带宽中响应，来改善可以测量或检测项2E_sE_pcos(2πγτt+φ_p)的敏感性。检测器34提供了检测信号I_DET(t)＝K₁cos(2πγτt+φ_p)，其中K₁是常数，并且其中γτ是由可调谐光源22提供的光信号I₁的光波p、s之间的频差或者拍频。检测信号I_DET(t)通常是电信号。

通常，检测器34是光电二极管、光传感器或者用于将被截获的光信号转换为相应的电信号的其他适合的转换器。或者，检测器34是检测器元件D₁～D_N的二维栅格或阵列，这些检测器元件提供与被各个检测器元件D₁～D_N截获的一系列光信号相对应的一系列电信号。

在光相位检测器20中包括参考信号I_REF，这使得干涉信号I(t)的项2E_sE_pcos(2πγτt+φ_p)中的相位φ_p可以被分离出来。例如，如图4A的实施例中所示，经由光耦合器37从光信号I₁中分出、从参考目标T_REF反射、并穿过偏振器32的参考信号I_REF，在参考检测器34R处提供了包含项E_SREFE_PREFcos(2πγτt)的干涉信号I_R(t)。参考检测器34R响应于干涉信号I_R(t)中的项E_SREFE_PREFcos(2πγτt)，并提供频率参考I_RDET(t)＝K₂cos(2πγτt)，其中K₂是常数。频率参考I_RDET(t)通常是电信号。

来自检测器34、34R的检测信号I_DET(t)和频率参考I_RDET(t)被施加到相位比较器或者其他处理器36，以提取相位φ_p。适合于提取所施加的信号之间的相位差的相位比较器在本领域中是公知的，例如在Markus，John所著的Modern Electronic Circuits Reference Manual，McGraw-Hill公司，ISBN 0-07-040446-1，第699页中有所描述。但是，可以使用任何适合的处理器36来从检测信号I_DET(t)和频率参考I_RDET(t)提取或者以其他方式确定相位φ_p。

图4A示出了参考光信号I_REF入射到参考目标T_REF上，使得参考光信号I_REF通过与信号I₁、I₂所通过的光路平行的光路。当参考信号I_REF的光路中的参考目标T_REF不支持在谐振波长λ_R处的表面等离子激元的激发时，参考信号I_REF不经历与SPR相关联的相移。于是，检测到的相位可归因于目标T的电介质2的折射率。当参考信号I_REF的光路中的参考目标T_REF支持在谐振波长λ_R处的表面等离子激元的激发时，参考信号I_REF经历与SPR相关联的相移。这时，检测到的相位是相位差，其可归因于目标T的电介质2的折射率与参考目标T_REF的电介质的折射率之间的差异。

虽然已经介绍了提供参考光信号I_REF的示例方案，但是应当认识到，任何其他适合的系统、设备、元件或方案也可以被替代地用于提供参考光信号I_REF，以分离由SPR引入的相位φ_p。参考光信号I_REF提供了干涉信号I(t)的拍频γτ的频率参考I_RDET(t)，如图4A所示。在对图4A所示的实施例的替代实施例中，参考光信号I_REF是从光信号I₁中分出的，并被直接传给偏振器32和检测器34，而不在参考目标T_REF上反射。

随着相位φ_p被测量，光信号I₁的光波p的波长λ被记录在存储器或者其他存储设备(未示出)中，以建立在谐振波长λ_R附近光波长λ与相位φ_p之间的关系。使用如在Fiber Optic Test and measurement.Dennis Derickson编，ISBN 0-13-534330-5，第42～44页中所描述的光干涉测量法、零差法或外差法光谱分析，或者使用其他任何适合的波长辨别技术，来记录或确定光信号I₁的波长λ。或者，基于开始波长λ₁和开始时间t₁、停止波长λ₂和停止时间t₂、可调谐光源22在时间间隔t₂-t₁中的开始波长λ₁与停止波长λ₂之间被调谐或扫频的调谐速率γ，来确定波长λ。对于在波长范围λ₁～λ₂上具有线性调谐特性的可调谐光源22，在时间t_X与波长范围λ₁～λ₂中的波长λ_X之间建立了直接映射。例如，在可调谐光源22的调谐或扫频范围内，基于相位φ_p被测量的相应时间t_X，根据关系λ_X＝λ₁+(t_X-t₁)γ，来确定波长λ_X。当可调谐光源22具有非线性调谐特性时，这些特性被用于将可调谐光源22的扫频或调谐中的指定时间映射到波长范围λ₁～λ₂内的波长λ_X。通过在可调谐光源22被调谐或扫频时将相位φ_p记录为时间的函数，并使用可调谐光源22的时间t_X与波长λ_X之间所建立的映射，确定了相位φ_p对波长λ的关系。

从波长λ与相位φ_p之间的关系，可以容易地确定在谐振波长λ_R处或者足够接近谐振波长λ_R处的量dφ_p/dλ，其中量dφ_p/dλ代表相位φ_p对在谐振波长λ_R处的波长λ的变化的敏感度。

根据本发明的另一个实施例，相位φ_p的测量被用于近似在谐振波长λ_R处的dφ_p/dλ。图2显示出在谐振波长附近，存在一个波长范围，其中由量dφ_p/dλ表示的相移对波长变化的敏感度近似是常量。因而，在该波长范围内的量dφ_p/dλ提供了在谐振波长处的量dφ_p/dλ的近似。该近似的准确度依赖于在发生SPR相变的波长范围内相位φ_p对波长λ的斜率的一致性。

从在谐振波长λ_R处的量dφ_p/dλ、以及确定了代表在谐振波长λ_R处的波长对折射率的敏感度的量dλ/dn_S，将代表相位φ_p对折射率n_S变化的敏感度的量dφ_p/dn_S建立为dφ_p/dn_S＝(dφ_p/dλ)(dλ/dn_S)。以多种方式确定量dλ/dn_S。在一个示例中，从使用MATLAB或者其他适合的程序或环境来求解导电薄膜-电介质界面处的菲涅耳反射以对谐振波长λ_R对折射率n_S变化的敏感度建模，而对图1的结构10的计算机仿真中，确定量dλ/dn_S。在另一个示例中，以经验方式确定量dλ/dn_S，其中用在谐振波长λ_R附近的波长λ处的光信号I₁顺序地或同时地照射包括具有不同已知折射率n_S1、n_S2……n_SX的电介质2的目标T，以确定SPR对应于每个折射率n_S、n_S2……n_SX的谐振波长λ_R1、λ_R2……λ_Rx。谐振波长λ_R1、λ_R2……λ_Rx对折射率n_S1、n_S2……n_SX的曲线拟合、差值法或者其他适合的技术被用于建立折射率n_S与谐振波长λ_R之间的映射，以确定在谐振波长λ_R处的量dλ/dn_S。

还可以通过匹配导电薄膜1与电介质2之间的界面处的适当的波矢，确定量dλ/dn_S。这包括使表面等离子激元的波矢k_SPR＝w/c((ε₁n_S ²)(ε₁+n_S ²))^1/2等于光信号I₁的波矢kx＝n₄(2π/λ)sinφ_SP，其中，ε₁是导电薄膜1的介电常数，n₄是棱镜4的折射率，φ_SP是光信号I₁的入射角。可以从波矢k_SPR、kx的等式获得量dλ/dn_S，如等式(2)，其中导电薄膜1的介电常数ε₁的虚部被设为零。

$\frac{\mathrm{d\λ}}{d{n}_S}=\frac{n_4{\mathrm{\ϵ}}_1}{\frac{n_4{n}_S^3}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)+\frac{d{n}_4}{\mathrm{d\λ}}{n}_S(n_S^2+{\mathrm{\ϵ}}_1)}---\left(2\right)$

所表示出的用于确定在谐振波长处的量dλ/dn_S的可选方法是示例性的。应当认识到，任何适合的方案可以被替代地用于确定或近似在谐振波长λ_R处或者在适当靠近谐振波长λ_R的波长处的量dλ/dn_S，使得相位φ_p对折射率n_S变化的敏感度可以被建立为dφ_p/dn_S＝(dφ_p/dλ)(dλ/dn_S)。

根据本发明的另一个实施例，基于对具有不同折射率n_S的电介质2测量相位φ_p，来建立相位φ_p与折射率n_S之间的映射。在该实施例中，检测相位φ_p，并从所建立的映射确定电介质2的折射率n_S的变化。在一个示例中，折射率n_S的变化dn_S通过常量与在谐振波长λ_R处的相位φ_p的移位相关，例如在Immunosensor based on optical heterodyne phase detection，Sensors and Actuators B，第76卷，Xinglong Yu等，(2003)，第200页所提出的。

根据本发明的另一个实施例，相对于具有不同折射率(例如，折射率n_S和折射率n_S+Δn_S)的两个或更多个目标T的波长λ，检测相位φ_p。如图6所示，所检测到的与折射率n_S、n_S+Δn_S相对应的相位φ_p是这样的偏移曲线，其是由于因折射率的差异Δn_S造成的从谐振波长λ_R到谐振波长λ_R+Δλ_R的谐振波长中的移位而产生的。谐振波长与折射率之间的映射然后可以被用于将谐振波长的差Δλ_R转换到相应的折射率的差Δn_S。

在本发明的另一个实施例中，通过使光信号I₁的光波p、s的偏移偏振相对于如图5A所示的目标T处的常规偏振p、s偏向或者旋转，以得到如图5B所示的具有偏向的偏振p’、s’的光波p’、s’，来修改在谐振波长λ_R附近相位φ_p的变化对波长λ的变化的敏感度。由于偏振中的偏向而引起的表现为量dφ_p/dλ的增大的该敏感度的增加，提供了相位对电介质2的折射率变化的敏感度的增加。图7示出了当光信号I₁具有相对于光波p、s偏向的光波p’、s’时光信号I₂的相位φ_p(被表示为φ_p(p’，s’))。在图7中，当光信号I₁具有光波p、s时光信号I₂的相位被表示为φ_p(p，s)。

可以以许多方式获得偏振的偏向。例如，通过例如在图4A所示的实施例中的偏振束合成器28与准直器30之间的光纤中建立半波长平板双折射(未示出)，这样来产生偏向。或者，通过在偏振束合成器28之后立即使光信号I₁准直，并在被准直的光信号的光束中插入稍微偏向的自由空间半波长平板，这样来实现偏向。或者，可以在准直器30与偏振束合成器28相邻放置的情况下，通过偏振束合成器28的稍微偏向，来实现偏振分量中的偏向。

可以例如通过当存在插入的半波长平板时旋转该半波长平板，或者通过在随着在谐振波长λ_R附近扫频或者调谐光波长λ而测量相位φ_p的同时旋转偏振束合成器28，来以经验方式对于光信号I₁的偏振的给定偏向，使相位φ_p的变化对在谐振波长λ_R附近的波长λ的变化的敏感度增加或者最大化。

可以基于对偏振偏向的分析测定，来增加或优化相位φ_p的变化对在谐振波长λ_R附近的波长λ的变化的敏感度。在分析测定中，光信号I₂的与光波p_r、s_r相对应的电场E_SO、E_PO由矩阵等式(3)表示。

在矩阵等式(3)中，项r_S是用于光波s在目标T处的反射的琼斯矩阵元；项r_Pe^jφP是用于光波p在目标T处反射的琼斯矩阵元；项a和b是用于偏振偏向的琼斯矩阵元，其中a＝|a|e^jδa，b＝|b|e^jδb；项E_S、E_P分别是光信号I₁的光波p、s的电场分量。

来自目标T的反射信号I₂穿过偏振器32以提供干涉信号I’(t)，如图5B所示。干涉信号I’(t)＝|cosαE_SO+sinαE_PO|²被检测器34截获，其中角α代表光信号I₂的光波与偏振器32的轴X之间的旋转偏移。检测器34响应于在频率γτ附近的干涉信号I’(t)中的项，其中频率γτ是由可调谐光源22提供的光信号I₁的光波p’、s’之间的频率差或者拍频。检测器34可以被滤波或者以其他方式被调谐为在频率γτ左右的窄的带宽内响应，以改善可以测量或检测干涉信号I’(t)中的指定项的敏感度。检测器34提供等式(4)中所表示的电信号I’_DET(t)。

I’_DET(t)＝cos²α|a||b|r_S ²E_SOE_POcos(2πγτt+δ_a-δ_b)+

           cosαsinα|a|²r_Sr_PE_SOE_POcos(2πγτt+2δ_a-φ_p)-

           cosαsinα|b|²r_Sr_PE_SOE_POcos(2πγτt-2δ_b+φ_p)-

           sin²α|a||b|r_P ²E_SOE_POcos(2πγτt+δ_a-δ_b)      (4)

对于光信号I₁的偏振的偏向，基于等式(4)实现了相对于波长的高的相位敏感度，其中|b|近似等于来自目标T的光波p的反射率r_P，SPR的相位φ_p与偏向δ_a+δ_b的相位的和是π的奇数倍。在典型的示例中，对于光波p、s的偏振与光波p’、s’的偏振之间小于5度的偏向，实现了敏感度的增加。

在图8A～8B中所示的本发明的另一个实施例中，光相位检测器20被增大规模，使得能够同时或者顺序地检测来自目标T的SPR所引入的相移，其中目标T包括SPR转换器阵列，表示为目标T₁～T_N。在图8A中，目标T₁～T_N的阵列被光信号I₁₁～I_1N照射，其中光信号I₁₁～I_1N通过分光器42从光信号I₁提供并通过准直器30₁～30_N被引导。诸如透镜的成像元件43被插入在目标T₁～T_N的阵列与检测器44之间，其中检测器44包括检测器元件D₁～D_N的阵列。成像元件43被定位在如图所示目标T₁～T_N的阵列与偏振器32之间的光路中，或者在偏振器32与检测器阵列44之间的光路中。成像元件43提供目标T₁～T_N的物理位置与检测器阵列44中的检测器元件D₁～D_N的物理位置之间的映射或者其他对应，使得从目标T₁～T_N的阵列所反射的光信号I2₁～I2_N被检测器阵列44中的相应的检测器元件D₁～D_N截获。检测器元件D₁～D_N向相位比较器或者其他处理器46提供检测信号I_1DET(t)～I_NDET(t)。处理器46将检测信号I_1DET(t)～I_NDET(t)与频率参考I_RDET(t)相比较，以提取从目标T₁～T_N的阵列中的每个目标反射的信号I2₁～I2_N的相应的相位。

在图8A所示的实施例中，由可调谐光源22提供的光信号I₁通过从光信号I₁中分出而获得参考光信号I_REF、经由偏振器47使参考光信号I_REF偏振、并经由检测器44R检测所得到的干涉信号I_R(t)，这样来产生频率参考I_RDET(t)。在另一个实施例中，由检测信号I_1DET(t)～I_NDET(t)中的指定的一个，例如检测信号I_XDET(t)，提供频率参考I_RDET(t)。该指定的检测信号I_XDET(t)对应于目标T₁～T_N的阵列中的目标T_X。当目标T_X没有在入射到目标T_X上的光信号I1_X的波长处引入SPR相移时，处理器46所提取的相位与参考光信号I_REF的相位有关。当目标在入射到目标T_X上的光信号I1_X的波长处引入了SPR相移时，处理器46所提取的相位是有差异的。该相位差对应于目标阵列中的目标之间的折射率差，其与对应于目标T_X的折射率有关。

根据图8B中所示的本发明的实施例，诸如透镜的聚焦元件47从光信号I₁形成适当宽的束B1来照射目标T₁～T_N的阵列。目标阵列反射光信号I₁的束B1，以形成束B2。定位在目标T₁～T_N的阵列与偏振器32之间的光路中的成像元件43提供目标T₁～T_N的物理位置与检测器阵列44中的检测器元件D₁～D_N的物理位置之间的对应，使得束B2中从位于目标T₁～T_N的阵列中的相应目标所反射的部分被检测器阵列44中相应的检测器元件D₁～D_N截获。检测器元件D₁～D_N向相位比较器或者其他处理器46提供检测信号I_1DET(t)～I_NDET(t)，其中相位比较器或处理器46将检测信号I_1DET(t)～I_NDET(t)中的每个与频率参考I_RDET(t)相比较，以提取从目标T₁～T_N的阵列中的每个目标反射的束B2中的光信号的相位。

在图8B所示的实施例中，由可调谐光源22提供的光信号I₁通过从光信号I₁分出而获得参考光信号I_REF、经由偏振器47使参考光信号I_REF偏振、并经由检测器44R检测所得到的干涉信号I_R(t)，这样来产生频率参考I_RDET(t)。在另一个实施例中，由检测信号I_1DET(t)～I_NDET(t)中的指定的一个，例如检测信号I_XDET(t)，提供频率参考I_RDET(t)。该指定的检测信号I_XDET(t)对应于目标T₁～T_N的阵列中的目标T_X。当目标T_X没有在光束B1中入射到目标T_X上的部分的波长处引入SPR相移时，处理器46所提取的相位与参考光信号I_REF的相位有关。当目标T_X在光束B1中入射到目标T_X上的部分的波长处引入了SPR相移时，处理器46所提取的相位是有差异的。该相位差对应于目标阵列中的目标之间的折射率差，其与对应于目标T_X的折射率有关。

图9示出了根据本发明另外的实施例的相位检测方法50的流程图。在方法50的步骤51中，光波p和光波s在波长范围上被调谐。在步骤52中，在对光信号I₁的波长进行调谐时通过在光波p与光波s之间施加相对延迟τ，而在光波p与光波s之间提供了频率偏移γτ。步骤54包括将光波p与光波s引导到目标T，以提供响应于光波p与光波s的光波p_r与光波s_r。步骤56包括检测光波p_r的偏振分量以及光波s_r的偏振分量，以提供在频率偏移γτ处的检测信号。在步骤58中，提取在光波p_r、s_r的偏振分量之间由目标T引入的相位差或相位φ_p。提取相位φ_p通常包括检测信号与在频率γτ处的频率参考的相位比较。在一个示例中，通过检测经过偏振器的参考光信号来获得频率参考，其中参考光信号从光信号I₁的光波p、s中分出。

虽然已经将SPR转换器10或者SPR转换器阵列用作根据本发明实施例的示例目标T，但是目标T也可以是适合于响应于所施加的光信号I₁而提供光信号I₂的任何设备、元件或者系统，其中光信号I₂通过光信号I₁的反射、透射或者其他处理产生。

虽然已经详细地说明了本发明的实施例，但是很显然，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和变化，而不脱离如所附权利要求中所提出的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种光相位检测器，包括：

可调谐光源，所述可调谐光源产生具有第一偏振的第一光波和具有第二偏振的第二光波，所述第二光波相对于所述第一光波有延迟，当所述可调谐光源在指定波长范围上被调谐时，所述延迟在所述第一光波与所述第二光波之间引入频率偏移；

目标，所述目标接收所述第一光波和所述第二光波，并响应于所述第一光波和所述第二光波提供第三光波和第四光波；

检测器，所述检测器截获所述第三光波的偏振分量和所述第四光波的偏振分量，并提供在所述频率偏移处的检测信号；和

处理器，所述处理器接收所述检测信号，并提取由所述目标引入的在所述第三光波与所述第四光波之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的光相位检测器，其中，提取所述第三光波与所述第四光波之间的相位差包括将所述检测信号与在所述频率偏移处的频率参考进行相位比较。

3.根据权利要求2所述的光相位检测器，其中，所述频率参考是通过这样提供的：从所述可调谐光源中分出所述第一光波和所述第二光波、使所述被分出的第一光波和所述被分出的第二光波穿过偏振器、并检测所得到的来自所述偏振器的在所述被分出的第一光波和所述被分出的第二光波之间的所述频率偏移处的信号。

4.根据权利要求3所述的光相位检测器，其中，所述被分出的第一光波和所述被分出的第二光波在穿过所述偏振器之前在参考目标处被反射。

5.根据权利要求1所述的光相位检测器，其中，所述第一光波具有s偏振，所述第二光波具有正交的p偏振。

6.根据权利要求4所述的光相位检测器，其中，所述相位差是所述p偏振分量的相位。

7.根据权利要求1所述的光相位检测器，其中，所述目标包括表面等离子谐振转换器。

8.根据权利要求1所述的光相位检测器，还包括被置于所述目标与检测器之间的成像元件，所述成像元件将所述目标的物理位置映射到所述检测器的物理位置。

9.根据权利要求8所述的光相位检测器，其中，所述目标包括表面等离子谐振转换器的阵列。

10.根据权利要求1所述的光相位检测器，其中，所述可调谐光源包括被耦合到偏振保持耦合器上的可调谐激光器、被耦合到所述偏振保持耦合器的第一输出上的光学延迟元件、被耦合在所述光学延迟元件与所述偏振保持耦合器的第二输出之间的偏振束合成器，其中所述偏振束合成器被耦合到准直器。

11.根据权利要求1所述的光相位检测器，其中，所述频率偏移是通过所述可调谐光源的调谐速率与所述相对延迟而建立的。

12.一种光相位检测方法，包括：

在指定波长范围上对具有第一偏振的第一光波和具有从所述第一偏振偏移的第二偏振的第二光波进行调谐；

通过在所述第一光波与所述第二光波之间施加相对延迟，而在所述第一光波与所述第二光波之间提供频率偏移；

将所述第一光波和所述第二光波引导到目标上，所述目标响应于所述第一光波和所述第二光波提供第三光波和第四光波；

检测所述第三光波的偏振分量和所述第四光波的偏振分量，以提供在所述频率偏移处的检测信号；以及

提取由所述目标引入的在所述第三光波的所述偏振分量与所述第四光波的所述偏振分量之间的相位差。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，提取所述相位差的步骤包括将所述检测信号与在所述频率偏移处的频率参考进行相位比较。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一光波具有s偏振，所述第二光波具有正交的p偏振。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述频率参考从检测经过了偏振器的参考光信号而获得，所述参考光信号包括所述第一光波的分支和所述第二光波的分支。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述相位差是所述p偏振分量的相位。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，相对于在所述指定波长范围上的波长来记录所述相位。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述目标包括表面等离子谐振转换器。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述目标的物理位置映射到检测器的物理位置。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述目标包括表面等离子谐振转换器的阵列。

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