CN103424879B - 基于单一物镜的聚焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于单一物镜的利用相位板控制焦点沿光轴位置移动的聚焦光学系统，其特征在于，包括任意偏振态的光束经过可调扩束镜转化为平行入射光束，利用具有相位沿径向线性分布的特殊相位板对该入射光束进行波前相位调制，其聚焦后光斑可以通过调节特殊相位板的线性相位参数在光轴上自由移动。若定义入射光束的传播方向为光轴的正方向，则特殊相位板的线性相位参数为正时，其焦点沿光轴正方向远离物镜的几何焦点位置，反之，若特殊相位板的线性相位参数为负，其焦点沿光轴负方向远离物镜的几何焦点位置；其光斑的移动距离随着特殊相位板的线性相位参数绝对值的变大而增加。

Description

基于单一物镜的聚焦光学系统
技术领域
本发明属于应用光学技术领域，涉及一种控制焦点位置的方法，尤其涉及一种利用相位板控制焦点沿光轴位置方法；主要用于光学显微成像、超分辨、微粒控制等技术领域。
背景技术
光束经物镜聚焦之后，其波前相位及振幅信息极大地影响着焦点区域光场分布，特别是随着物镜的数值孔径变化，其影响也越为显著。通过调节入射光波的波前相位及振幅信息，在焦点区域呈现出特殊性质，并已经广泛应用于光信息存储、光学显微、平版印刷术、激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。
在共焦显微成像方面，由于需要对生物样品进行三维成像，所以需要精确控制焦点在不同样品层上扫描，到目前为此，这种功能的实现仅采用纯机械的方法，即采用平台或物镜沿光轴移动，以此达到光斑在不同样品层上扫描。然而，这存在几点不足，其一，机械运动难免会引入机械误差；其二，采用平台或物镜沿光轴移动等机械运动不利于提高成像的速度。通过采用光学的方法可克服以上两点不足，Shaohui Yan等人在4pi光学系统中通过利用特殊的复合型光瞳滤波器可以使入射光束为径向偏振光的聚焦光斑沿光轴自由移动【参见文献“Shifting the spherical focus of a 4Pi focusingsystem”Optics Express.19(2),673-678(2011).】。而且通过后续的研究中，该研究人员在相同的光学系统中采用不同的光瞳滤波器让光斑可以在焦点区域三维移动。然而，以上两个方法存在三个不足之处：第一，该方法只针对入射光为径向偏振光聚焦之后的光斑，对于其他偏振态的光束不起作用；第二，在4pi光学系统中实现光斑移动，增加了光路调节的难度，降低了实验的灵活性，同时限制了该方法的应用范围；第三，光斑的位置不能简单的通过改变光瞳滤器的某个参数来实现控制，必需重新计算该光瞳滤波器的透过率，这不利于对焦点的连续控制。
发明内容
针对上述问题的不足，提供一种利用特殊相位板控制焦点沿光轴位置的方法，具有光学系统简单，光路调节比较简单，可对任意偏振光聚焦后的光斑在光轴上连续移动，光斑移动范围大的特点。
本发明为了实现上述目的，可以使用以下方案：
本发明提供了一种基于单一物镜的聚焦光学系统，可以利用特殊相位板控制焦点沿光轴位置上移动，其特征在于，具有：可调扩束镜；具有相位沿径向线性分布的相位板；以及物镜；其中，光束依次通过可调扩束镜、相位板和物镜，光束入射到可调扩束镜后，从可调扩束镜出射的光束为平行偏振光束，平行偏振光束经过相位板后，平行偏振光束的相位沿径向线性分布，从相位板出射的光束通过物镜聚焦得到焦点，通过调节相位板的线性相位参数，实现焦点沿光轴的移动，可调扩束镜、相位板与物镜共有一个中心轴。
本发明涉及的聚焦光学系统，相位板对入射光束的透过率为exp[i(mθ+θ0)]，m为沿径向线性分布的相位板的线性相位参数，θ为光束从物镜出射以后的会聚角，θ0为沿径向线性分布的相位板的相位变化的初始位置，θ的变化范围为[0,asin(NA/n)]，NA为物镜的孔径数值，n为物镜的像空间的折射率。
另外，相位板的线性相位参数的调节，是通过调节相位型空间光调节编码实现的。
发明效果与作用
综上所述，本发明基于单一物镜聚焦光学系统，入射光束经具有相位沿径向线性分布的特殊相位板调制后，由物镜聚焦，其焦点的位置可简单通过调节该特殊相位板的线性相位参数在光轴上自由移动。加入了具有相位沿径向线性分布的相位板之后，所有光束到沿光轴上某一点的光程相同，使得入射光束可以为任意偏振态光束，且对任意数值孔径的物镜均有效。此外，本方法避免了采用4pi双物镜聚焦光学系统，仅需要采用单一物镜聚焦光学系统就能达到焦点沿光轴自由移动，降低了光路的调节难度，极大地提高了实验及应用的灵活性和可操作性。
附图说明
图1是本发明实施例聚焦光学系统示意图。
图2是本发明实施例在θ0=0时特殊相位板示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
图1为本发明实施例聚焦光学系统示意图。
如图1所示，基于单一物镜的聚焦光学系统100主要由可调扩束镜101、具有相位沿径向线性分布的相位板102及物镜103构成。入射光束的传播方向上依次设置有可调扩束镜101、具有相位沿径向线性分布的相位板102及物镜103。可调扩束镜101、具有相位沿径向线性分布的特殊相位板102及物镜103共有一个中心轴。
在本优选的实施例中，入射光为线偏振高斯光，其波长为405nm，可调扩束镜101采用伽利略型扩束镜（当然也可以为开普敦型扩束镜）。
具有相位沿径向线性分布的相位板102采用相位型空间光调制器进行编码实现，用于调节相位板102的线性相位参数m。
物镜103数值孔径NA为0.95，物镜103的像空间为空气，即折射率为n=1。
基于聚焦光学系统100，可以利用相位板102实现控制焦点沿光轴位置移动。具体步骤如下：
(1)如图1所示，入射光为线偏振高斯光，经过可调扩束镜101后，由于可调扩束镜101的整形作用，从可调扩束镜101出射的光束转化为直径为6mm的平行出射线偏振高斯光束。
(2)然后直径为6mm的平行出射线偏振高斯光束入射到具有相位沿径向线性分布的相位板102，相位板102透过率可表示为exp[i(mθ+θ0)]，其中，m为该特殊相位板的线性相位参数，可以通过调节相位型空间光调制器进行编码来控制该相位板的相位变化的范围。θ为光束通过物镜103后与光轴形成的会聚角，其变化范围取决于物镜的数值孔径，若物镜数值孔径为NA时，则θ的变化范围为[0,asin(NA/n)]，其中n为物镜像空间的介质折射率。θ0为可为任意实数，控制特殊相位板的相位变化的起始位置。在本优选的实施例中，n=1，NA=0.95,θ0=0，相位板102与可调扩束镜101共有一个中心轴，平行光束经过相位板102之后，其光束的相位成沿径向成线性分布。
加入了具有相位沿径向线性分布的相位板102之后，所有光束到沿光轴上某一点的光程相同，使得入射光束可以为任意偏振态光束，且对任意数值孔径的物镜均有效。
(3)从具有相位沿径向线性分布的相位板102出射的光束最后由物镜103聚焦，现定义光轴为z轴，且以入射光束传播方向为光轴的正方向，即z>0，其负方向则可表示为z<0，光轴的原点为物镜103的几何焦点在光轴的位置，即z=0；则焦点在光轴上的位置可通过不同的z值表征，|z|的大小取决于相位沿径向线性分布的特殊相位板的线性相位参数绝对值|m|，|z|随着|m|的变大而增大，即光斑沿光轴移动的距离越大。焦点移动的方向与m的正负相一致，若m为正时，焦点沿z正方向移动，反之，焦点沿z负方向移动。
图2为是本发明实施例在θ0=0时相位板示意图。
如图2所示，θ0=0时，具有相位沿径向线性分布的相位板102的相位分布，即沿径向的相位分布。若m=20时，焦点在光轴的位置为z=1.84μm;焦点在光轴的位置关于z=0原点对称，即m=-20的位置为z=-1.84μm。
综上所述，本实施例完成了一种利用相位板控制焦点沿光轴位置方法，与采用4pi双物镜聚焦光学系统相比较，本发明具有光学系统要求简单，可操作性强，更重要的是，本方法适用于任意偏振光束及对任何数值孔径物镜，且焦点沿光轴移动的范围大。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (2)

1.一种相位板控制焦点沿光轴位置移动的基于单一物镜聚焦光学系统，其特征在于，具有：
可调扩束镜；
具有相位沿径向线性分布的相位板；以及
物镜；
其中，光束依次通过所述可调扩束镜、所述相位板和所述物镜，
所述光束入射到所述可调扩束镜后，从所述可调扩束镜出射的光束为平行偏振光束，
所述平行偏振光束经过所述相位板后，所述平行偏振光束的相位沿径向线性分布，
从所述相位板出射的光束通过所述物镜聚焦得到焦点，
通过调节所述相位板的线性相位参数，实现所述焦点沿所述光轴的移动，
所述可调扩束镜、所述相位板与所述物镜共有一个中心轴，
所述相位板对入射光束的透过率为exp[i(mθ+θ0)]，m为所述沿径向线性分布的相位板的线性相位参数，θ为所述光束从所述物镜出射以后的会聚角，θ0为所述沿径向线性分布的相位板的相位变化的初始位置，θ的变化范围为[0,arcsin(NA/n)]，NA为所述物镜的孔径数值，n为所述物镜的像空间的折射率。
2.根据权利要求1所述的基于单一物镜聚焦光学系统，其特征在于：
其中，所述相位板的所述线性相位参数的调节，是通过调节相位型空间光调制编码实现的。
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