CN100445781C - 用于生成径向和/或水平极化的光束的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了用于生成要投影到物体面上的极化光束的方法和设备。生成会聚或发散的光束(18)。会聚或发散的光束被投射到包括单轴双折射材料的部件(22，52)上，单轴双折射材料具有基本上平行于光束光轴(12)的对称轴，而该部件被设置在离开物体面的一个距离处。由此，有可能产生例如径向极化光束，它可用于各种光学目的，例如用于光学数据读出/写入或用于显微术。

Description

用于生成径向和/或水平极化的光束的方法和设备

发明领域

本发明涉及用于生成径向和/或水平极化的(azimuthallypolarized)光束的方法和设备。特别地，本发明涉及用于在所提到的光束极化的基础上生成具有相对较窄的聚焦点的光束的方法和设备。

发明背景

在许多光学系统中，要由光束来分辨小的细节。例如，在光盘驱动器中，通过把波长λ和数值孔径NA的光束聚焦到数据层和测量反射回透镜孔径的光的量而读出数据。相同的原理也用于扫描显微镜。在这些系统中最小的可分辨的细节是λ/NA的量级。在诸如光刻设备那样的传统的成像系统中，物镜的NA以与扫描显微镜十分相同的方式来确定分辨率。对于所有这些系统，人们认为对于小到中等的NA来说光束的极化并不起太重要的作用。然而，对于大的NA，极化状态对于系统的分辨性能是相当重要的。传统上，穿过系统的光孔(pupil)的极化被取为均匀的，并且是线性极化的或者是圆极化的。非均匀极化状态在接近焦点时改变光的分布。例如，有报告称具有径向取向的线极化的光束在通过光孔时导致相对较窄的聚焦点(参阅R.Dorn，S.Quabis，and G.Leuchs，Sharper focus for a radially polarizedlight beam(径向极化的光束的更强的聚焦)，Physical ReviewLetters，Volume 91，233901，2003)。当这样的径向极化的光束通过阻塞光射光孔的中心部分(所谓的变迹法)而被修改时，在焦点处的极化状态基本上是直线的，并沿系统的光轴取向。这与具有均匀的直线极化的低NA成像相反，后者在焦点处的极化状态基本上是直线的和垂直于光轴取向的。因此，在光学系统内提供径向极化的光束提供一种新颖的成像。

按照现有技术，径向极化的光束是难以产生的。例如，需要修改激光器，或引入分段的波板和改正滤色镜，或使用复杂的计算机生成的衍射元件。

本发明的目的是用简单的装置来提供通过光孔的具有需要的线极化的光束，特别是通过光孔的具有径向取向的线极化的光束。

发明概要

以上的目的是通过各独立的权利要求的特征而解决的。本发明的另外的开发和优选实施例在从属权利要求中列出。

按照本发明，提供了生成要投影到物体面上的极化光束的方法，包括以下步骤：生成会聚或发散的光束；以及把会聚或发散的光束投射通过包括单轴双折射材料的部件，该单轴双折射材料具有基本上平行于光束光轴的对称轴，以及该部件被设置在离开物体面的一个距离上。

双折射材料具有的折射率取决于光的极化状态。例如，当极化是沿单轴双折射材料的对称轴时，折射率是ne，而当极化是垂直于对称轴时，折射率是no，其中no和ne分别被称为正常和异常折射率。当光束以与对称轴成一个角度q行进时，垂直于由传播方向和对称轴组成的面的极化状态被称为正常模式，并具有折射率no；而处在由传播方向和对称轴组成的面内的极化状态被称为异常模式，并具有取决于θ的折射率，即 $n_o{n}_e/\sqrt{{n_o}^2{\cos }^2+{n_e}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}.$ 聚焦穿过/进入单轴双折射材料的一个平面平行平板以使得该双折射平板的对称轴平行于光轴的效应在S.Stallinga，Axial birefringence in high-numerical-apertureoptical systems and the light distribution close to focus(高数值孔径光学系统中的轴向双折射和接近聚焦的光传播)，Journal ofthe Optical Society of America A，Volume 18，2846-2859，2001中被研究。看起来，好像异常模式对应于在系统的光孔中径向极化的光束，而正常模式对应于在系统的光孔中水平极化的光束。此外，这两个光束互相相对地散焦，从而出现两个分开的焦点，它们互相隔开一个距离dΔn/n，其中在平板有均匀厚度的情形下，d是平板的厚度，Δn＝ne-no是双折射率，以及n是平均折射率。

优选地，通过单轴双向折射材料而行进的光包括正常模式和异常模式，两种模式具有不同的焦点，把一个空间滤波器提供来基本上阻塞这两个模式之一。当一个平面平行平板被用作为包括单轴双向折射材料的物体时，通过穿过该物体会同时生成异常模式和正常模式。在这两个模式中只有一个模式要被用于光学数据处理的情形下，滤除另一个模式是有利的，由此可减小最终得到的图像中的背景。

按照优选实施例，正常模式被空间滤波器阻塞，由此生成传送通过滤波器的径向极化的光束。这样的径向极化的光束的聚焦导致相对较窄的聚焦点。

按照另一个实施例，异常模式被空间滤波器阻塞，由此生成经过滤波器的水平极化的光束，该方法还包括以下步骤：把π/2旋转器设置在水平极化的光束中，由此生成经过π/2旋转器的径向极化的光束。因此，在这种情形下也得到径向极化的光束，导致上述关于聚焦的优点。

在另一个优选实施例中，变迹器被设置在径向极化的光束中。变迹器阻挡光孔的中心部分。由此，在焦点处得到基本上直线的和沿系统的光轴取向的极化状态。

当平面平行平板被用作为包括单轴双向折射材料的部件时，这个物体所需厚度取决于在两个焦点之间的所需间隔。假设两个焦点的轴向间隔比起聚焦深度nλ/NA²要大得多，即，(dΔn/λ)(NA/n)²＞＞1。对于λ＝405nm，NA＝0.85，n＝1.6，Δn＝0.15(液晶材料的典型值)，厚度d必须远大于约10μm，因此，50μm的厚度将是足够的。

按照本发明的方法的另一个实施例包括以下步骤：

提供一个包括单轴双折射材料的部件，其厚度d按照下式随入射角θ_i而变化：

$d\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4}\·\frac{1}{\sqrt{{n_o}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}-\frac{n_o}{n_e}\sqrt{{n_e}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}$

其中λ是光的波长，no是正常模式下的折射率，和ne是异常模式下的折射率，以及

把π/4旋转器设置在穿过部件的光束中，由此生成经过π/4旋转器的径向极化的光束。按照本实施例，部件被设计为具有基本上平行于光轴的对称轴的双折射层，由圆极化光的会聚或发散光束对其进行照射，这引起在光束的水平极化分量与径向极化分量之间的四分之一波长的延迟。由于有效折射率取决于入射角θ_i，双折射层的厚度作为上述的角度的函数而变化。双折射层对于在会聚或发散的光锥中所有的射线建立一个具有与径向方向成45度角的线性极化分布。通过引导光束通过能使极化旋转45度的旋转器，例如诸如石英那样的光学活动性材料的平板，建立了径向极化或水平极化的光束。与建立异常和正常分量并且只使用其中的一个分量的本发明的实施例相比较，这里讨论的解决方案具有下列优点：即对于光学数据处理没有光损耗。

按照本发明，还提供了用于生成要投影到物体面的极化光束的设备，包括：用于生成会聚或发散的光束的装置；一个被设置在会聚或发散的光束中的包括单轴双折射材料的部件，该单轴双折射材料具有基本上平行于会聚或发散的光束的光轴的对称轴，以及该部件还被设置在离开物体面的一个距离上。

按照本发明的再一方面，提供了一个包括单轴双折射材料的部件，它适合于被设置在会聚或发散的光束中，该部件具有具有按照下式随入射角θ_i变化的厚度d，

$d\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4}\·\frac{1}{\sqrt{{n_o}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}-\frac{n_o}{n_e}\sqrt{{n_e}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}},$

其中λ是光的波长，no是对于正常模式的折射率，和ne是对于异常模式的折射率。

本发明还涉及一个包括按照本发明的设备的光学装置。

参照此后描述的实施例将明白和阐述本发明的这些和其它方面。

附图简述

现在参照附图作为例子更详细地描述本发明，其中：

图1显示用于定义在说明本发明时要使用的基本术语的光学布置；

图2a和2b显示分别表示径向和水平极化的光束截面图；

图3显示用于说明本发明的光学布置；

图4显示用于说明本发明的另一个光学布置；

图5显示按照本发明的设备；

图6显示按照本发明的一个实施例的光学部件；

图7显示用于说明本发明的光学布置；以及

图8显示用于说明按照本发明的方法的流程图。

发明详细说明

图1显示用于定义在说明本发明时要使用的基本术语的光学布置。光束10平行于光轴12行进，入射到具有光孔平面16的透镜14上。透镜14产生具有数值孔径NA＝nsinα的会聚光束18，其中α是在会聚光锥内的射线与光轴12形成的最大角度，以及其中n是光束在其中聚焦的媒体的折射率。光的会聚光束聚焦到层20上，例如光盘的数据层。

图2a和2b显示分别表示径向和水平极化的光束截面图。截面图的取向垂直于光束的光轴。在某个点处的箭头表示在该点处射线的极化。因此，图2a显示径向极化光束，而图2b显示水平极化光束。

图3显示用于说明本发明的光学布置。光束10平行于光轴12行进，入射到望远镜的第一透镜14上。透镜14产生会聚光束18，它经过具有平行于光轴12的对称轴的单轴双折射平板22。这导致会聚光束18分裂成异常光束24和正常光束26。异常光束24具有第一聚焦点28，而正常光束26具有第二聚焦点30。空间滤波器32阻挡正常模式，望远镜的第二透镜34生成平行光束36。空间滤波器以针孔来实现。这个平行光束36是基本上径向极化光束。

图4显示用于说明本发明的另一个光学布置。按照图4的光学布置很大程度上对应于图3所示的光学布置。与相应于图3的布置不同，按照图4的空间滤波器是以在正常光束26的聚焦点处的一个小遮蔽板38实现的。由此，除了阻塞正常模式以外，还阻塞异常模式的中心部分，即接近于光轴12的射线。因此，遮蔽板38还起到变迹器的作用。

图3和4显示正常模式分别由空间滤波器32和38阻塞的实施例。按照另一个实施例，正常模式与异常模式的作用被改变，即，异常模式被阻挡而正常模式则经过空间滤波器。这是指直接在望远镜后面的光束被水平极化。利用一个布置在直接在望远镜后面的平行光束中的均匀π/2极化旋转器，有可能把这个水平极化光束变换成径向极化光束。这样的极化旋转器板例如是具有对于产生π/2旋转所需要的厚度的诸如石英那样的光学活性材料的均匀平板。

图5显示按照本发明的设备。按照图5的设备中使用的望远镜相应于图3所示的望远镜。离开透镜34的平行光束是径向或水平极化的。在光束是水平极化的情形下，π/2极化旋转器被设置在平行光束36中，由此产生径向极化光束。这个径向极化的光束被物镜44聚焦到物体面46上。变迹器48可能设置在物镜透镜44的前面。这样产生的聚焦点是从径向极化光束得到的，并具有平行于光轴12的基本上线性极化。

按照附图上没有明显地示出的另一个实施例，完全不需要使用空间滤波器。相反，把双折射板设置在直接在高NA成像系统(光盘读出系统，扫描显微镜等等)的物镜透镜后面的会聚光束中。这时物体被两个光点一起照射。异常光点被聚焦在数据层/相关深度切片上，以使得正常光点被散焦。这造成在最终得到的图像中的小而相对较均匀的背景，它对于提取数据或形成鲜明图像没有太大害处。然而，如果需要，可以通过把一个具有空间滤波器的望远镜放置在光盘读出系统/扫描显微镜的检测支路中而消除由于正常光点造成的反射，这与按照图3，4和5的实施例描述的方式十分相同。

图6显示按照本发明的一个实施例的光学部件。图7显示用于说明本发明的光学布置。按照至今为止描述的实施例，使用了双折射材料的平面平行平板。在任何的所描述的实施例中，部分光是损失的。按照如图6所示的实施例，使用一个具有基本上平行于光轴的对称轴的双折射层52，它具有随入射角θ_i变化的厚度。图6上也显示光轴12和会聚光束18。双折射层的厚度按照下式作为入射角θ_i的函数而变化。

$d\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4}\·\frac{1}{\sqrt{{n_o}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}-\frac{n_o}{n_e}\sqrt{{n_e}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}},$

其中λ是光的波长，no是对于正常模式的折射率，和ne是对于异常模式的折射率。

在图7上，显示具有双折射层52、透镜54和π/4旋转器56的布置。如果用圆极化光照射双折射层52，如图7的上部所示，则产生线性极化分布，如图7的中部所示。对于在会聚(发散)光锥中所有的射线，线性极化形成与径向方向45度角。通过引导光束穿过使得极化旋转45度的旋转器(例如像石英那样的光学活性材料的平板)，则建立径向极化或水平极化的光束。在图7的底部，显示径向极化光束。这个解决方案的优点在于没有光损耗。

应当指出，这个布置也可以通过一个固体浸没透镜被实现。由于透镜面垂直于进入的射线，双折射层52和旋转器56可被“沉积”在透镜54的球形表面上。

按照本发明使用的双折射材料可以是结晶介质，诸如石英或MgF₂或液晶介质。液晶介质优选地是液晶聚合物。在使用石英作为双折射材料的情形下，为了补偿石英在靠近光轴处射线最明显地显现的光学活性，最好采用具有遮蔽板的空间滤波器，而不是具有针孔的空间滤波器。

图8显示用于说明根据例如图5所示的实施例要执行的按照本发明的方法的流程图。按照图8中描述的实施例，生成会聚光束(S01)。光束被投射通过一个具有基本上平行于光束的光轴的对称轴的、包括单轴双折射材料的部件(S02)。按照当前讨论的实施例，生成异常和正常模式。在步骤S03，正常模式被阻挡。按照步骤S04，异常模式被使用于光学用途，例如用于数据读出或共焦显微术。

应当指出，本发明的实施例可以与附图显示的和以上描述的例子不同。例如，双折射材料也可被设置在发散光束中。在这种情形下，光学布置的其余部分必须随之作调整。

也可以利用上面未描述的等同物和修改方案，而不背离在所附权利要求中规定的本发明的范围。

在以下的权利要求中任何标号不应当看作为限制权利要求。将会看到，动词“包括”和它的变位的使用不排除除了在任何权利要求所规定以外的任何其它单元的存在。在单元前面的单字“一个”不排除多个这样的单元的存在。

Claims (6)

1.一种生成要投影到物体面(46)上的极化光束的方法，包括以下步骤：

生成会聚或发散的光束(18)；

把会聚或发散的光束投射经过包括单轴双折射材料的部件(22，52)，单轴双折射材料具有平行于光束的光轴(12)的对称轴，以及该部件被设置在离开物体面的一个距离处，其中行进经过单轴双折射材料的光包括异常模式(24)和正常模式(26)，这两种模式具有不同的聚焦点(28，30)，

其特征在于

提供空间滤波器(32，38)以便阻塞这两个模式的一个模式。

2.按照权利要求1的方法，其中正常模式被空间滤波器阻塞，由此生成传送通过滤波器的径向极化光束。

3.按照权利要求1的方法，其中异常模式被空间滤波器阻塞，由此生成传送通过滤波器的水平极化的光束，该方法还包括以下步骤：

把π/2旋转器(40)设置在水平极化的光束中，由此生成传送通过π/2旋转器的径向极化的光束。

4.按照权利要求1的方法，其中变迹器(48)被设置在径向极化光束中。

5.一种生成要投影到物体面(46)上的极化光束的设备，包括：

用于生成会聚或发散的光束(18)的装置(14)；

被设置在会聚或发散的光束中的包括单轴双折射材料的部件(22，52)，该单轴双折射材料具有平行于会聚或发散光束的光轴(12)的对称轴，该部件还被设置在离开物体面的一个距离处，其中该单轴双折射材料适合于把光束分离成异常模式(24)和正常模式(26)，这两种模式具有不同的聚焦点(28，30)，

其特征在于

提供空间滤波器(32，38)以便阻塞这两个模式的一个模式。

6.包括按照权利要求5的设备的光学设备。

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