專(zhuān)利名稱(chēng)：透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)超分辨技術(shù)，是一種徑向透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，可以廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)和光束聚焦掃描系統(tǒng)，也可用于空間光通信中激光束遠(yuǎn)場(chǎng)衍射斑的壓縮。
背景技術(shù)：
在微電子加工、光刻技術(shù)、共焦顯微掃描和光存儲(chǔ)技術(shù)中都希望獲得比艾里斑還小的聚焦光斑，根據(jù)經(jīng)典的衍射極限D(zhuǎn)=λ2NA,]]>其中λ為入射光的波長(zhǎng)，NA為聚焦物鏡的數(shù)值孔徑，這就要求更短的激光波長(zhǎng)或更大的數(shù)值孔徑。而通過(guò)縮短波長(zhǎng)和提高物鏡的數(shù)值孔徑來(lái)提高系統(tǒng)的分辨率是很有限的。近年來(lái)用于壓縮光斑或提高系統(tǒng)分辨率的超分辨技術(shù)(超越經(jīng)典的衍射極限)是通過(guò)在聚焦物鏡前的準(zhǔn)直光路中放置衍射型或折射型光闌，來(lái)改變?nèi)肷涔獾恼穹蛭幌嗟姆植?，使得?jīng)透鏡聚焦后在焦平面上得到的光斑的主瓣半徑小于艾里斑的主瓣半徑。
在先技術(shù)中對(duì)振幅型超分辨光瞳濾波器進(jìn)行過(guò)研究(參見(jiàn)[1]C.J.R.Sheppard，“Leaky annular pupils for improved axial imaging，”O(jiān)ptik(Stuttgart)99，32-34(1995).[2]M.Gu，T.Tannous，and C.J.R.Sheppard，“Effect of an annular pupil on confocalimaging through highly scattering media，”O(jiān)pt.Lett.21，312-314(1995).)，但其振幅透射率都是不連續(xù)的，因而被稱(chēng)為漏光型光瞳濾波器，其制作過(guò)程存在一定的難度。在先技術(shù)對(duì)純位相型光瞳濾波器進(jìn)行了研究([3]D.M.de Juana，J.E.Oti，V.F.Canales，and M.P.Cagigal，“Transverse or axial superresolution in a 4Pi-confocalmicroscope by phase only filters，”J.Opt.Soc.Am.A 20，2172-2178(2003))，但其制作因?yàn)樯婕拔幌嗟淖兓容^困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服在先技術(shù)中的已有困難，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦光斑壓縮的透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，它應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、使用方便的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，其特征在于該光瞳濾波器是位于一主軸(OO’)上依次放置的起偏器、圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件和檢偏器組成，所述的起偏器和檢偏器的偏振方向平行，所述的圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件的光軸垂直于所述的主軸(OO’)且和兩個(gè)偏振器的偏振方向之間的夾角為θ，所述的圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件的一面為平園面，其半徑為ρ0，另一面為凹球面，其曲率半徑為R，該圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件的中心及邊緣處的厚度分別為d0和dρ0，且d0=(2m-1)λ2Δn,]]>dρ0=d0+λ2Δn.]]>本發(fā)明的工作原理如下假設(shè)入射光為任意方向的偏振光 兩個(gè)偏振器的偏振方向都沿x軸，借助于瓊斯算法我們可以得出本發(fā)明光瞳濾波器的光瞳函數(shù)為P(ρ)=a[cos(δ(ρ)2)+isin(δ(ρ)2)cos(2θ)]---(1)]]>其中δ(ρ)=2πΔnλ(d0+ρ22R)---(2)]]>同時(shí)可以得出該濾波器的徑向透射率函數(shù)為T(mén)(ρ)=a2[cos2(δ(ρ)2)sin2(2θ)+cos2(2θ)]---(3)]]>假設(shè)圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件在中間恰好等效于 波片，而在兩端等效于全波片，則其透射率隨徑向距離的增加將由a2cos22θ到a2連續(xù)變化。該透射率的變化是因?yàn)殡p折射元件的徑向厚度不同導(dǎo)致尋常光和非尋常光之間有一定的位相差，該位相差隨徑向半徑的變化而變化，兩者之間的干涉疊加導(dǎo)致其透射率的連續(xù)變化。但該元件的整個(gè)制作過(guò)程沒(méi)有涉及到位相的變化，因而易于制作。
根據(jù)衍射理論可知在焦點(diǎn)附近橫向和軸向的光強(qiáng)分布分別由以下兩式給出U(v0)=2∫01P(ρ)J0(vρ)ρdρ---(4)]]>
U(0u)=2∫01P(ρ)exp(-iuρ22)ρdρ---(5)]]>其中v＝krsinα，u=4kz(sinα2)2]]>對(duì)于給定的連續(xù)型振幅光瞳濾波器，其中間厚度和曲率半徑是固定的，但θ可以根據(jù)需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件來(lái)改變。因此通過(guò)選擇θ來(lái)改變光瞳函數(shù)P(ρ)可以分別實(shí)現(xiàn)橫向超分辨和軸向超分辨。
該發(fā)明與在先技術(shù)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1因?yàn)槠渲谱鞑簧婕拔幌嗟淖兓容^簡(jiǎn)單。
2其徑向透過(guò)率是連續(xù)變化的，相對(duì)于漏光型光瞳濾波器而言易于制作。
3通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件改變?chǔ)?，即可?shí)現(xiàn)橫向超分辨和軸向超分辨之間的轉(zhuǎn)化。


圖1本發(fā)明透射率連續(xù)變化的振幅型光瞳濾波器光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2圓對(duì)稱(chēng)雙折射元件的正視圖和側(cè)視3本發(fā)明透射率連續(xù)變化的振幅型光瞳濾波器具體實(shí)施例的正視圖和側(cè)視圖。
圖4超分辨系統(tǒng)的示意圖。
圖5加入超分辨光瞳濾波器和未加超分辨光瞳濾波器時(shí)系統(tǒng)焦點(diǎn)附近橫向的光強(qiáng)分布。橫坐標(biāo)以透鏡的數(shù)值孔徑NA為單位，虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)未加光瞳濾波器即艾里斑的光強(qiáng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)加入所設(shè)計(jì)得超分辨光瞳濾波器的光強(qiáng)分布?？梢悦黠@看出中央主瓣尺寸明顯變小。
圖6加入超分辨光瞳濾波器和未加超分辨光瞳濾波器時(shí)系統(tǒng)焦點(diǎn)附近軸向的光強(qiáng)分布。橫坐標(biāo)以透鏡的數(shù)值孔徑NA為單位，虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)未加光瞳濾波器時(shí)的光強(qiáng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)加入所設(shè)計(jì)得超分辨光瞳濾波器的光強(qiáng)分布。可以明顯看出中央主瓣尺寸明顯變小。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施例，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，其特征在于該光瞳濾波器是位于一主軸OO’上依次放置的起偏器101、圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件102和檢偏器103組成，所述的起偏器101和檢偏器103的偏振方向平行，圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件102的光軸垂直于所述的主軸OO’且和兩個(gè)偏振器的偏振方向之間的夾角為θ，所述的圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件102的一面為平園面，其半徑為ρ0，另一面為凹球面，其曲率半徑為R，該圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件102的中心及邊緣處的厚度分別為d0和dρ0，且d0=(2m-1)λ2Δn,]]>dρ0=d0+λ2Δn.]]>一套筒301將起偏器101和檢偏器103固定，并且使兩者平行；圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件102由套筒302固定，并使起偏器101、圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件102和檢偏器103三者的中心位于同一主軸上，套筒302通過(guò)鋼珠303連接在套筒301上，并且可以繞其旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整102的位置。在超分辨系統(tǒng)中我們只通過(guò)旋轉(zhuǎn)套筒302來(lái)調(diào)整102的方向?qū)崿F(xiàn)超分辨。實(shí)現(xiàn)超分辨性的系統(tǒng)如圖4所示主要有發(fā)射激光器401、所設(shè)計(jì)的連續(xù)型振幅超分辨光瞳濾波器3、會(huì)聚透鏡403。由激光器發(fā)出的準(zhǔn)直的激光，經(jīng)過(guò)光瞳濾波器3和會(huì)聚透鏡403，在會(huì)聚透鏡403的焦平面上形成激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光場(chǎng)。
假設(shè)激光束的波長(zhǎng)為λ＝10-3mm，所用雙折射晶體材料為石英，則有Δn＝0.008725。如果圓對(duì)稱(chēng)雙折射元件102在z軸上其作用相當(dāng)于一個(gè) 波片，在距離z軸為ρ0的邊緣處相當(dāng)于一全波片，則其透射率將隨徑向距離的增加而由a2cos22θ到a2連續(xù)變化。因此雙折射元件102在中心及邊緣處的厚度d0和dρ0分別為d0=(2m-1)λ2Δn---(6)]]>dρ0=d0+λ2Δn---(7)]]>根據(jù)(6)，(7)兩式和徑向雙折射元件的幾何關(guān)系可以得出其曲率半徑為R=Δnρ02λ+λ4Δn---(8)]]>為使元件易于制作，取m＝50，雙折射元件的徑向半徑為ρ0＝5mm，由(6)(7)，(8)可以得出
d0＝5.673mm，dρ0=5.788mm,]]>R＝218.15mm. (9)根據(jù)(1)(2)可以進(jìn)一步得出位相差為δ(ρ)=2πΔnλ(d0+ρ22R)=17.450π(5.673+ρ2436.3)---(10)]]>從而徑向雙折射濾波器的光瞳函數(shù)可以表示為P(ρθ)=sin(8.725πρ2436.3)-icos(8.725πρ2436.3)cos(2θ)---(11)]]>根據(jù)式(4)和(11)，我們可以得出不同θ對(duì)應(yīng)的衍射圖樣的第一零點(diǎn)的坐標(biāo)值。通過(guò)作圖法可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ=π4]]>時(shí)，第一零點(diǎn)坐標(biāo)值達(dá)到其最小值，并且該最小值小于艾里斑的第一零點(diǎn)坐標(biāo)值。把θ=π4]]>代入(4)可得出圖5所示的橫向歸一化強(qiáng)度分布情況，橫坐標(biāo)以透鏡的數(shù)值孔徑NA為單位，由此可見(jiàn)當(dāng)θ=π4]]>該光瞳濾波器可實(shí)現(xiàn)橫向超分辨，光斑的壓縮比G為0.80，斯特爾比為0.41。同理可以得出θ=π2]]>時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)軸向超分辨，此時(shí)光斑的壓縮比G為0.76，斯特爾比為0.80。圖6給出了θ=π2]]>時(shí)系統(tǒng)的軸向的光強(qiáng)分布。由此可見(jiàn)該連續(xù)型光瞳濾波器可用于激光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的壓縮、共焦顯微分辨率的提高和光盤(pán)存儲(chǔ)容量的提高等技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，其特征在于該光瞳濾波器是位于一主軸OO’上依次放置的起偏器(101)、圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件(102)和檢偏器(103)組成，所述的起偏器(101)和檢偏器(103)的偏振方向平行，圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件(102)的光軸垂直于所述的主軸且和兩個(gè)偏振器的偏振方向之間的夾角為θ，所述的圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件(102)的一面為平園面，其半徑為ρ0，另一面為凹球面，其曲率半徑為R，該圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件(102)的中心及邊緣處的厚度分別為d0和dρ0，且d0=(2m-1)λ2Δn,]]>dρ0=d0+λ2Δn.]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，其特征在于還有一套筒(301)將起偏器(101)和檢偏器(103)固定，圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件(102)由另一套筒(302)固定，并使起偏器(101)、圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件(102)和檢偏器(103)的中心位于同一主軸OO’上，套筒302)通過(guò)鋼珠(303)連接在套筒(301)上。
全文摘要
一種透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨光瞳濾波器，其特征在于該光瞳濾波器是位于一主軸(00′)上依次放置的起偏器、圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件和檢偏器組成，所述的起偏器和檢偏器的偏振方向平行，所述的圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件的光軸垂直于所述的主軸(00′)且和兩個(gè)偏振器的偏振方向之間的夾角為θ，所述的圓對(duì)稱(chēng)的雙折射元件的一面為平園面，其半徑為ρ
文檔編號(hào)G02F1/01GK1595227SQ20041002562
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者云茂金, 劉立人, 孫建鋒, 劉德安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所