CN110426831B - 一种聚焦照明系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚焦照明系统及方法，包括位于同一光路上的线偏振光产生装置、遮光板、第二透镜、径向偏振光转换器和相位分区滤板片，相对于现有技术，本发明通过利用遮光板和相位分区滤波片，将环形光束与分区相位滤波相结合，通过调节遮光板和相位分区滤波片的轴向位移，实现聚焦光斑的有效压缩。

Description

一种聚焦照明系统及方法

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其是涉及一种聚焦照明系统及方法。

背景技术

近年来，径向偏振光束的特殊聚焦特性引起了人们的注意，其在焦平面的特殊强度在粒子捕获、共焦显微超分辨、光学存储等方面具有重要的应用。

然而，无论是用来提高共焦显微系统的横向分辨率、信息容量、还是对分子原子的控制精度都要求光束聚焦光斑要尽量小。现有的技术中光斑的聚焦效果不佳，无法实现其在显微系统中的特殊应用效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种聚焦效果好的聚焦照明装置及方法。

一种聚焦照明系统，包括位于同一光路上的线偏振光产生装置、遮光板、第二透镜、径向偏振光转换器、分区相位滤波片、第三透镜、振镜、第四透镜和载物台；所述遮光板为圆形遮光板，所述遮光板和分区相位滤波片可沿着平行光路方向移动；所述分区相位滤波片包括外周部和中心部，光束经此分区相位滤波片后中心部相对于所述外周部具有半波长的光程延迟；

所述线偏振光产生装置产生的线偏振光经遮光板形成环形光束，并通过改变遮光板的轴向位置调节遮光比，经第二透镜使该环形光束收拢，经径向偏振光转换器转换为环形径向偏振光束，经分区相位滤波片光束输出中心部相对于外周部有半波长光程延迟，在光斑聚焦点形成光斑；

所述遮光板设置在与线偏振光产生装置距离为

和S₁的区间内，所述分区相位滤波片设置在离第二透镜后光束延长线交点的距离为

和

的区间内，其中，a为遮光板半径，R为第二透镜的半径，S₁为线偏振光产生装置与第二透镜之间的距离，b为分区相位滤波片中心部与外周部分界线的半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离；

所述第三透镜和振镜设置在分区相位滤波片的出射光路上，所述载物台设置在水平面上，所述第四透镜与载物台台面平行，所述第三透镜将分区相位滤波片输出的光束转换为与入射光路平行的平行光束，所述振镜将所述平行光束反射为垂直于载物台平面的光束，所述第四透镜将所述垂直于载物台平面的光束聚焦至载物台上。

相对于现有技术，本案通过利用遮光板将偏振光光束转换为环形光束，并完成光束对物平面的扫描，通过利用遮光板和分区相位滤波片，将环形光束与分区相位滤波相结合，通过调节遮光板和分区相位滤波片的轴向位移，实现聚焦光斑的有效压缩，增加光斑的聚焦效果。

所述线偏振光产生装置包括位于同一光路的激光器、起偏器、第一透镜和针孔，所述激光器产生的激光束依次经起偏器、第一透镜并穿过针孔形成所述线偏振光光束，所述第一透镜与针孔共同实现光束的整形和准直，所述针孔用于滤波整形，去除散光，使光束更均匀保证聚焦效果。

进一步地，所述聚焦照明系统还包括第三透镜、振镜、第四透镜和载物台，所述第三透镜和振镜设置在分区相位滤波片的出射光路上，所述载物台设置在水平面上，所述第四透镜与载物台台面平行，所述第三透镜将分区相位滤波片输出的光束转换为与入射光路平行的平行光束，所述振镜将所述平行光束反射为垂直于载物台平面的光束，并完成光束对物平面的扫描，所述第四透镜将所述垂直于载物台平面的光束聚焦至载物台上，方便对样品进行观察。

进一步地，所述振镜设置在与入射光路形成45°倾角的平面上，所述振镜将平行光束反射为垂直于载物台平面的光束，并完成光束对物平面的扫描。

进一步地，所述第三透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离S₅满足以下条件：

其中，R′为第三透镜的孔半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离，R为第二透镜的半径，通过调整第三透镜的位置，使光束经第四透镜聚焦时数值孔径最大。

进一步地，所述第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离的距离S₃满足以下条件：

S₃≥11R，

其中R为第二透镜的半径。经第二透镜使该环形光束收拢，与光路形成倾角，通过控制第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离的距离S₃使该环形光束形成小于5°的倾角，方便光束以近似平行的方式进入后续元件。

进一步地，所述载物台上还设有纵向扫描控制装置，所述纵向扫描控制装置用于控制载物台升降，方便光束对样品进行不同层面的聚焦。

本发明还提供了一种聚焦照明方法，利用上述聚焦照明系统进行聚焦照明，包括以下步骤：

利用所述遮光板将线偏振光光束转换成环形光束，在距离线偏振光产生装置

和S₁的区间内调节遮光板的轴向位置，调节环形光束的遮光比；

调节所述第二透镜的轴向位置，使所述环形光束收拢；

利用所述径向偏振光转换器将环形光束转换为环形径向偏振光束；

利用所述分区相位滤波片使光束输出中心部相对于外周部有半波长光程延迟，在离第二透镜后光束延长线交点的距离分别为

和

的区间内调节所述分区相位滤波片的位置；

在光斑聚焦点形成最小光斑。

相对于现有技术，本案通过将激光光束转换为环形光束，通过利用遮光板和分区相位滤波片，将环形光束与分区相位滤波相结合，通过调节遮光板和分区相位滤波片的轴向位移，实现聚焦光斑的有效压缩，增加光斑的聚焦效果。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明实施例中一种聚焦照明系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种聚焦照明方法流程图；

图3是本发明实施例中聚焦照明系统的环形光束分区滤波的系统参量图；

图4是现有技术中数值孔径为0.99的径向偏振实心光束聚焦分布图；

图5是现有技术中数值孔径为0.99的径向偏振环形光束聚焦分布图；

图6是本发明实施例中数值孔径为0.99的环形光束相位滤波聚焦分布图；

图7为本发明实施例滤波分界比的示意图。

具体实施方式

实施例

请参阅图1，其是本发明实施例中的聚焦照明系统的结构示意图。

一种聚焦照明系统，包括位于同一光路上的激光器1、起偏器2、第一透镜3、针孔4、遮光板5、第二透镜6、径向偏振光转换器7和分区相位滤波片8；所述遮光板5与分区相位滤波片8可沿着平行光路方向进行移动，在本实施例中，所述遮光板5与分区相位滤波片8沿水平方向移动，用以改变光斑的聚焦大小。

所述激光器1产生相干性良好的激光束，用以保证聚焦效果。所述起偏器2用于进一步提高光束偏振度。所述第一透镜3与针孔4共同实现光束的整形和准直，所述针孔4用于滤波整形，去除散光，使光束更均匀，所述针孔面积、针孔形状可根据实际需求调整，本实施例中不做具体限定。在本实施例中，所述激光器1、起偏器2、第一透镜3和针孔4组成线偏振光产生装置，用于产生线偏振光光束，在其它实施例中，所述线偏振光产生装置也可以由其它用于产生线偏振光的光学元件组成。

所述遮光板5为圆形遮光板，其半径小于激光束半径，所述激光束经圆形遮光板形成环形光束，所述圆形遮光板5轴向位置可调，通过调节圆形遮光板5轴向位置实现环形光束遮光比的连续可调。其中，所述遮光板设置在与离线偏振光产生装置距离分别为

和S₁的区间内，其中，a为遮光板半径，R为第二透镜的半径，S₁为线偏振光产生装置与第二透镜之间的距离。

所述第二透镜6用于使该环形光束收拢，以满足后续滤波连续可调的要求。其中，所述光束倾角不宜过大，方便使光束近似平行进入后续元件，在本实施例中，要求光束倾角小于5°。

所述径向偏振光转换器7用于将线偏振光转化为径向偏振光，所述径向偏振光转换器可以采用现有技术中常用的径向偏振光转换器或其它常用的将线偏振光转化为径向偏振光的光元件。

所述分区相位滤波片8包括外周部和中心部，中心部设有半波片，所述半波片面积小于环形光束横截面积，所述半波片为圆形，所述中心部相对于所述外周部具有半波长的光程延迟；所述分区相位滤波片设置在离第二透镜后光束延长线交点的距离分别为

和

的区间内，其中，a为遮光板半径，R为第二透镜的半径，b为分区相位滤波片中心部与外周部分界线的半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离。

所述聚焦照明系统还包括第三透镜9、振镜10、第四透镜11和载物台12，所述第三透镜9和振镜10设置在分区相位滤波片8的出射光路上，所述载物台设置在水平面上，所述第四透镜11与载物台12台面平行，所述第三透镜9用于使光束转换为平行光束，其孔径与第四透镜11相同。所述第三透镜9将分区相位滤波片8输出的光束转换为与入射光路平行的平行光束，所述振镜10将平行光束反射为垂直于载物台12平面的光束，所述第四透镜11将光束聚焦至载物台12上。

在一个可选的实施例中，所述载物台12上还设有纵向扫描控制装置13，所述纵向扫描控制装置13用于控制载物台升降，所述纵向扫描控制装置13可以采用现有的常用的升降机构。

利用本聚焦照明系统实现光源的聚焦过程如下：激光器发出的激光束经起偏器转换为线偏振光，所述线偏振光经第一透镜和针孔整形和准直后经遮光板形成环形光束，并通过改变遮光板的轴向位置调节遮光比，经第二透镜使该环形光束收拢，经径向偏振光转换器转换为环形径向偏振光束，经分区相位滤波片实现相位滤波调节，光束输出中心部相对于所述外周部有半波长光程延迟，经第三透镜转换为平行光束，经第四透镜将该平行光束聚焦至聚焦平面上。

如图2所示，本发明还包括一种聚焦照明方法，包括以下步骤：

S1：利用所述遮光板将线偏振光光束转换成环形光束，在距离线偏振光产生装置

和S₁的区间内调节遮光板的轴向位置，调节环形光束的遮光比；

其中，距离线偏振光产生装置

和S₁的区间内调节遮光板的轴向位置，调节环形光束的遮光比的步骤具体包括：设第二透镜的半径为R，环形光束内径为r，则遮光比定义为：

当

时，

此时，

当

时，

r＝R；

此时，

D＝1；

其中，a为遮光板半径，S₁为针孔与第二透镜之间的距离，S₂为针孔与遮光板之间的距离，以上分析表明，通过改变S₂可以使D在a/R和1之间连续变化，简单方便地实现了环形光束遮光比的连续调节。

由

得到：

由于：

S_2max＝S₁；

则S₂的变化值△S₂：

S2：调节所述第二透镜的轴向位置，使所述环形光束收拢；

其中，所述第二透镜用于使环形光束收拢，形成倾角小于5°的光束，使光束近似平行进入后续元件，满足后续滤波连续可调的要求，即：

得到：

S₃≥11R。

其中，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离。

S3：利用所述径向偏振光转换器将环形光束转换为环形径向偏振光束；

S4：利用所述分区相位滤波片分区相位滤波片输出中心部相对于所述外周部有半波长光程延迟的光束，在离第二透镜后光束延长线交点的距离分别为

和

的区间内调节分区相位滤波片的位置；具体地，通过移动调节分区相位滤波片的轴向位置△S₄实现相位滤波调节；

由图1可知：

得到：

即所述分区相位滤波片的轴向位置变化值△S₄的计算公式为：

其中，a为遮光板半径，b为分区相位滤波片中心部与外周部分界线的半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离，S₄为分区相位滤波片与第二透镜后光束延长线交点的距离。

S5：在光斑聚焦点形成最小光斑。具体地，所述分区相位滤波片使入射光束输出中心部相对于外周部有半波长光程延迟，经所述第三透镜将光束转换为平行光束，并经第四透镜将该平行光束聚焦到聚焦平面上，在光斑聚焦点形成最小光斑。在一个优选的实施例中，为使光束经第四透镜聚焦时数值孔径最大，要求第三透镜到第二透镜后光束延长线交点的距离S₅：

其中，R′为第三透镜9的孔半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离，R为第二透镜的半径。

本实施例中环形径向偏振光束分区相位滤波聚焦原理如下：如图3所示，其为聚焦照明系统的环形光束分区滤波的系统参量图，图中∑、∑_F分别为透镜后等相位球面、焦平面。P为透镜后等相位面∑上的一点，Q为焦平面∑_F的任一点，Φ和Φ_Q分别是P、Q两个点相对于x轴的方位角。

环形光束相位滤波后焦平面上任一点的场分布为：

其中：

以上各式中，Σ₁，Σ₂分别代表环形光束中有相位延迟和无相位延迟的部分在Σ上的投影区域，θ为

与光轴的夹角，式中f是焦距，λ是波长，ρ_Q是Q点到交点的距离。

如图4-6所示，图中分别是在相同数值孔径下(N.A＝0.99)下的径向偏振实心光束、窄环形光束、环形光束分区相位滤波的聚焦分布图。图中I_T、I_Z、I分别是横向偏振分量、纵向偏振分量和总场强度分布。从图中可以看到，在相同数值孔径下，环形光束分区相位滤波取得最小的聚焦光斑。光斑尺度从0.5λ压缩至0.3λ.

如表1所述，其为固定环形光环外数值孔径0.99，焦斑半角线宽(焦斑中心到第一零值点的距离)分别为0.25λ、0.30λ时不同遮光比的滤波分界对照表，由表1可看出，随着遮光比的增大，滤波分界比随之增大。其中，所述滤波分界比B表示焦斑大小的变化。遮光比D通过下述方式获取：

其中，r为焦斑内环半径，R为焦斑外环半径，N.A_内为焦斑内环数值孔径，N.A_外为焦斑外环数值孔径。

如图7所示，所述滤波分界比B通过下述方式获取：

其中，r′为滤波分界线半径。

表1固定光环外数值孔径0.99，设定焦斑半角线宽分别为0.25λ、0.30λ时不同遮光比的滤波分界对照表

相对于现有技术，本案通过利用遮光板和分区相位滤波片，将环形光束与分区相位滤波相结合同时结合两者的轴向位移，实现聚焦光斑的有效压缩。同时，本案在光源波长与振幅分布发生改变时同样可以通过调整上述两个参数以实现光斑的最佳聚焦，使用灵活，具有良好的适应性。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种聚焦照明系统，其特征在于：包括位于同一光路上的线偏振光产生装置、遮光板、第二透镜、径向偏振光转换器、分区相位滤波片、第三透镜、振镜、第四透镜和载物台；所述遮光板为圆形遮光板，所述遮光板和分区相位滤波片可沿着平行光路方向移动；所述分区相位滤波片包括外周部和中心部，光束经此分区相位滤波片后中心部相对于外周部具有半波长的光程延迟；

所述线偏振光产生装置产生的线偏振光经遮光板形成环形光束，并通过改变遮光板的轴向位置调节遮光比，经第二透镜使该环形光束收拢，经径向偏振光转换器转换为环形径向偏振光束，经分区相位滤波片输出中心部相对于外周部有半波长光程延迟的光束，在光斑聚焦点形成光斑；

所述遮光板设置在与线偏振光产生装置距离为

和S₁的区间内，所述分区相位滤波片设置在与第二透镜后光束延长线交点的距离为

和

的区间内，其中，a为遮光板半径，R为第二透镜的半径，S₁为线偏振光产生装置与第二透镜之间的距离，b为分区相位滤波片中心部与外周部分界线的半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离；

所述第三透镜和振镜设置在分区相位滤波片的出射光路上，所述载物台设置在水平面上，所述第四透镜与载物台台面平行，所述第三透镜将分区相位滤波片输出的光束转换为与入射光路平行的平行光束，所述振镜将所述平行光束反射为垂直于载物台平面的光束，所述第四透镜将所述垂直于载物台平面的光束聚焦至载物台上。

2.根据权利要求1所述的聚焦照明系统，其特征在于：所述线偏振光产生装置包括位于同一光路的激光器、起偏器、第一透镜和针孔，所述激光器产生的激光束依次经起偏器、第一透镜并穿过针孔形成线偏振光光束。

3.根据权利要求1所述的聚焦照明系统，其特征在于：所述振镜设置在与入射光路形成45°倾角的平面上。

4.根据权利要求1所述的聚焦照明系统，其特征在于：所述第三透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离S₅满足以下条件：

其中，R′为第三透镜的孔半径，S₃为第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离，R为第二透镜的半径。

5.根据权利要求1所述的聚焦照明系统，其特征在于：所述第二透镜与第二透镜后光束延长线交点的距离S₃满足以下条件：

S₃≥11R，

其中R为第二透镜的半径。

6.根据权利要求1所述的聚焦照明系统，其特征在于：所述载物台上还设有纵向扫描控制装置，所述纵向扫描控制装置用于控制载物台升降。

7.一种聚焦照明方法，其特征在于：利用如权利要求1-6任一项所述的聚焦照明系统进行聚焦照明，包括以下步骤：

利用所述遮光板将线偏振光光束转换成环形光束，在距离线偏振光产生装置

和S₁的区间内调节遮光板的轴向位置，调节环形光束的遮光比；

调节所述第二透镜的轴向位置，使所述环形光束收拢；

利用所述径向偏振光转换器将环形光束转换为环形径向偏振光束；

利用所述分区相位滤波片使光束输出中心部相对于外周部有半波长光程延迟，在离第二透镜后光束延长线交点的距离分别为

和

的区间内调节所述分区相位滤波片的位置；

在光斑聚焦点形成最小光斑。

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