CN100383605C - 位相型三维超分辨的共焦系统 - Google Patents

Abstract

一种位相型三维超分辨共焦系统，其构成是：由第一物镜和第二物镜组成一共焦系统，在该共焦系统的光轴上位于第一物镜前放置一二值位相型横向超分辨光阑，位于第二物镜前放置一三环二值位相型轴向超分辨光阑，在该共焦系统的后焦点设置针孔光阑，在该共焦系统的第一物镜之前放置一会聚透镜，该会聚透镜与第一物镜之间的距离L＝f₁+f₂，其中f₁为会聚透镜的焦距，f₂为共焦系统的前焦距。本发明不仅在横向和轴向可同时实现超分辨，而且还可以极大的抑制旁瓣干扰。

Description

位相型三维超分辨的共焦系统

技术领域

本发明涉及是超分辨技术，特别是一种在横向和轴向均能突破衍射极限实现超分辨的位相型三维超分辨的共焦系统。它可以广泛的应用于光学成像系统和光束聚焦系统中。

背景技术

随着信息存储、处理和传输量要求的日益增加，在微电子加工、光刻技术、扫描显微技术和高密度光盘存储中都希望获得更小的聚焦光斑。这就要求更短的激光波长和有更高数值孔径的聚焦物镜，因为聚焦光斑的半高宽可表示为 $D=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}},$ 式中λ为入射的激光光束波长，NA为聚焦物镜的数值孔径。但是受光源的限制激光波长只能有限的减小，采用大的数值孔径的物镜则会带来诸如相差校正难度大，聚焦伺服系统设计更加困难等问题。超分辨技术则可以成功的避免以上的问题。超分辨技术(就是超出衍射极限的技术)也是常用于缩小记录点的方法之一，它是通过在聚焦物镜前的准直光路中放置一个衍射型光阑，改变入射光的振幅或位相分布，使得经透镜聚焦后的爱里斑主斑变小。但是受设计和加工条件的限制，单一的有实用价值的衍射光阑只能在横向或者轴向实现超分辨，很难在两个方向同时实现超分辨。这一困难极大的限制了超分辨技术的应用。因此设计一种能够实现三维超分辨的系统是非常有用的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的问题，提供一种能够广泛应用于光学成像系统和光束聚焦系统的位相型三维超分辨共焦系统。该系统在横向和轴向可同时实现超分辨，使用该系统可以在三维方向上获得突破衍射极限的小光斑。另外，这种三维超分辨系统还可以极大的抑制旁瓣干扰。

本发明的基本思想是：

分别将一块横向位相型超分辨光阑和一块轴向位相型超分辨光阑置于共焦读出系统中的两块物镜前，利用共焦系统的乘积性质实现三维超分辨。

本发明的技术解决方案如下：

一种位相型三维超分辨共焦系统，其特征在于它的构成是：由第一物镜和第二物镜组成一共焦系统，在该共焦系统的光轴上位于第一物镜前放置一二值位相型横向超分辨光阑，位于第二物镜前放置一三环二值位相型轴向超分辨光阑，在该共焦系统的后焦点设置针孔光阑，在该共焦系统的第一物镜之前放置一会聚透镜，该会聚透镜与第一物镜之间的距离L＝f₁+f₂

其中f₁为会聚透镜的焦距，f₂为共焦系统的前焦距。

所述的位相型横向超分辨光阑是一圆环形二值位相板，其外环的归一化半径为1时，内环半径a＝0.33，且内环的位相Ф₁＝π，外环的位相Ф₂＝0。

所述的位相型轴向超分辨光阑是一块三环二值位相板，其外环的归一化半径为1时，自内向外的两内环半径分别为b₁＝0.56，b₂＝0.6，自内向外三环的位相分别是Ф₁＝π，Ф₂＝0，Ф₃＝π。

所述的会聚物镜将光束会聚到共焦系统的前焦点，而针孔接收装置位于共焦系统的后焦点处。

在由两块相同物镜组成的共焦系统中，两块物镜前分别放置位相型横向超分辨光阑和位相型轴向超分辨光阑，组成超分辨共焦系统。从激光器出射的光束经会聚物镜聚焦进入到超分辨共焦系统中，通过超分辨共焦系统传输后在共焦系统的后焦点处用针孔实施点探测，发现聚焦后的光斑在横向和轴向均可突破衍射极限，从而实现三维超分辨。

本发明通过将位相型横向超分辨光阑和位相型轴向超分辨光阑耦合到共焦系统中，利用共焦系统的乘积性质实现三维超分辨。由于该系统在横向和轴向同时实现超分辨，所以使用该系统可以在三维方向上获得突破衍射极限的小光斑。另外，这种三维超分辨系统还可以极大的抑制旁瓣干扰。

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：

附图说明

图1是本发明的位相型三维超分辨共焦系统实施例的光路示意图。

图2是二值位相型横向超分辨光阑的结构示意图。

图3是三环二值位相型轴向超分辨光阑的结构示意图。

图4是未加超分辨光阑，二值横向位相超分辨光阑和三维超分辨系统在横向产生的光强分布对比图。

图5是未加超分辨光阑，三环二值轴向位相超分辨光阑和三维超分辨系统在轴向产生的光强分布对比图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明位相型三维超分辨共焦系统实施例的光路示意图。由图可见，本发明位相型三维超分辨共焦系统的构成是：由第一物镜3和第二物镜5组成一共焦系统，在该共焦系统的光轴上位于第一物镜3前放置一二值位相型横向超分辨光阑2，位于第二物镜5前放置一三环二值位相型轴向超分辨光阑4，在该共焦系统的后焦点设置针孔光阑，在该共焦系统的第一物镜3之前放置一会聚透镜1，该会聚透镜1与第一物镜3之间的距离L＝f₁+f₂

其中f₁为会聚透镜1的焦距，f₂为共焦系统的前焦距。

所述的位相型横向超分辨光阑2是一圆环形二值位相板，如图2所示，其外环的归一化半径为1时，内环半径a＝0.33，且内环的位相Ф₁＝π，外环的位相Ф₂＝0。

所述的位相型轴向超分辨光阑4是一块三环二值位相板，如图3所示，其外环的归一化半径为1时，自内向外的两内环半径分别为b₁＝0.56，b₂＝0.6，自内向外三环的位相分别是Ф₁＝π，Ф₂＝0，Ф₃＝π。

所述的会聚物镜1将光束会聚到共焦系统的前焦点，而针孔接收装置位于共焦系统的后焦点处。

图4和图5分别是计算机模拟给出的数值结果图。其中4a为三维超分辨系统所得的横向光强分布，4b为二值位相型横向超分辨光阑所得的横向光强分布，4c为未加超分辨光阑时的横向光强分布。其中横向光学坐标与实际横向坐标r的关系为： $v=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{NAr}.$ 在使用三维超分辨系统后，光斑横向尺寸明显减小，并且小于二值位相型横向超分辨光阑。旁瓣也几乎被消除。图5中，5a为三维超分辨系统所得的轴向光强分布，5b为三环二值位相型轴向超分辨光阑所得的轴向光强分布，5c为未加超分辨光阑时的轴向光强分布。其中轴向光学坐标与实际轴向坐标z的关系为： $u=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}^{2}z.$ 与横向情况相同，使用三维超分辨在轴向也很好的压缩了光斑。下表给出了横向超分辨光阑，轴向超分辨光阑和三维超分辨系统的对比参数值：

表一

	横向半宽比	轴向半宽比	斯特尔比	横向旁瓣相对强度	轴向旁瓣相对强度
						横向超分辨光阑	0.895	/	0.61	13.12％	/
轴向超分辨光阑	/	0.968	0.82	/	7.32％
						三维超分辨系统	0.66	0.818	0.5	0	0

表中各个参数的含义为：

半高宽：聚焦光束束腰平面上光强降低到峰值强度一半时的全宽度。

半宽比：加入超分辨装置前后半高宽之比。半宽比越低超分辨效果越好。

斯特尔比：加入超分辨装置后的聚焦光束的束腰面上中心峰值强度与未加超分辨装置时的聚焦光束束腰面上中心峰值强度之比。

旁瓣相对强度：聚焦光束第一旁瓣的峰值强度与主斑的峰值强度之比是衡量聚焦光束质量的指标之一，旁瓣相对强度越低光束质量越好。

通过比较，本发明有以下优越性：在横向和轴向同时突破衍射极限，实现三维超分辨；在横向与位相型横向超分辨光阑比有更好的超分辨能力；在轴向与位相型轴向超分辨光阑比有更好的超分辨能力；在横向和轴向均极大的抑制了旁瓣。因此，本发明可以广泛的应用于光学成像系统和光束聚焦系统。

Claims (4)

1.一种位相型三维超分辨共焦系统，其特征在于它的构成是：由第一物镜(3)和第二物镜(5)组成一共焦系统，在该其焦系统的光轴上位于第一物镜(3)前放置一二值位相型横向超分辨光阑(2)，位于第二物镜(5)前放置一三环二值位相型轴向超分辨光阑(4)，在该共焦系统的后焦点设置针孔光阑(6)，在该共焦系统的第一物镜(3)之前放置一会聚透镜(1)，该会聚透镜(1)与第一物镜(3)之间的距离L＝f₁+f₂，其中f₁为会聚透镜(1)的焦距，f₂为该共焦系统的前焦距。

2.根据权利要求1所述的位相型三维超分辨共焦系统，其特征在于所述的位相型横向超分辨光阑(2)是一圆环形二值位相板，其外环的归一化半径为1时，内环半径a＝0.33，且内环的位相Ф₁＝π，外环的位相Ф₂＝0。

3.根据权利要求1所述的位相型三维超分辨共焦系统，其特征在于所述的位相型轴向超分辨光阑(4)是一块三环二值位相板，其外环的归一化半径为1时，自内向外的两内环半径分别为b₁＝0.56，b₂＝0.6，自内向外三环的位相分别是Ф₁＝π，Ф₂＝0，Ф₃＝π。

4.根据权利要求1至3任一项所述的位相型三维超分辨共焦系统，其特征在于所述的会聚物镜(1)将光束会聚到共焦系统的前焦点，而针孔接收装置位于共焦系统的后焦点处。

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