CN110568650A - 一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置。由淬灭光束或去交联光束构成第一光束，由激发光束或交联光束构成第二光束；光束合束后依次透过第一光学薄膜、玻璃基板、第二光学薄膜，第一光束经第二光学薄膜、透明电极进入液晶层，经反射层反射，第二次进入液晶层，经液晶层相位调制后，最终从第一光学薄膜出射；第二光束经第二光学薄膜反射后最终经第一光学薄膜出射。上述方法使两束光束合束后再经过同一光调制模块，而仅对淬灭光束或去交联光束相位调制，这大大简化了光学成像和光刻系统的结构，并且由于使共路系统，其稳定性更好，本发明装置可以大大降低成像与光刻系统的搭建成本并且提高了系统的抗干扰能力，光学效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程领域，具体是涉及一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置。
背景技术
受激辐射淬灭(STED)显微技术主要是通过使用一个空心的淬灭焦斑覆盖在衍射受限的激发焦斑上，使得焦斑外圈被激发的荧光分子在还没有发出荧光时以受激辐射的方式瞬间回到基态，而焦斑中心被激发的荧光分子正常发出的荧光被作为有效信号接收，从而获得远超衍射极限的分辨率。
而基于受激辐射光淬灭荧光纳米显微镜超分辨原理的双光束超分辨激光加工技术使用一束高斯型的激发光束引发光聚合加工，同时引入特殊焦斑形状的抑制光束，使抑制光束曝光区域内的激发分子在抑制光的作用下，通过光抑制过程重新回落到稳定态，最终可将发生光聚合的区域限定在更小的局部区域范围内，使加工分辨率突破光学衍射极限。该技术成为利用可见光实现三维纳米加工的重要途径。
对于上述两种系统而言，高质量的淬灭光斑与高精度的光斑对准直接决定了最终的成像与光刻的分辨率，传统方法是先对淬灭光束或者去交联光束进行调制，然后再与激发光束或者交联光束合束，但是这种方法在后续光路中需要更多的光学元件用于校准，并且抗干扰能力较差。例如Frederik等人在2018年采用空间光调制器实现了受激辐射淬灭显微镜系统中的共路光束调制(参见F.等"easySLM-STED:Stimulatedemission depletion microscopy with aberration correction,extended field ofview and multiple beam scanning,"Journal of Biophotonics 11,e201800087(2018).)，方法利用的是空间光调制器的第一级衍射光，虽然能够实现共路光束调制，但是其光学效率较低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置，实现了仅对合束光束中的淬灭光束或者去交联光束进行相位调制，而激发光束或交联光束不受影响，并且其光学效率较高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置，包括依次排布的：第一光学薄膜、玻璃基板、第二光学薄膜、透明电极、液晶层、反射层、像素电极、控制芯片；
由淬灭光束或去交联光束构成第一光束，由激发光束或交联光束构成第二光束，第一光束和第二光束合束后入射至第一光学薄膜，经第一光学薄膜透射，进入玻璃基板，再透过玻璃基板到达第二光学薄膜，第一光束经第二光学薄膜透射，再透过透明电极进入液晶层，再经反射层反射，第二次进入液晶层，经过液晶层的相位调制后，再依次透过透明电极、第二光学薄膜、玻璃基板和第一光学薄膜出射；第二光束经第二光学薄膜反射，从而被阻止进入液晶层，即避免被相位调制，然后第二次进入玻璃基板，经第一光学薄膜出射；
所述第一光学对第一光束和第二光束均为增透膜；所述第二光学薄膜对第一光束为增透膜，对第二光束为增反膜；
所述透明电极与像素电极用于在液晶层中产生变化的电场，从而控制液晶分子的排列取向，对第一光束产生调制；
所述控制芯片用于对像素电极上的电压进行控制，从而控制液晶层的电场变化。
进一步地，所述第一光学薄膜采用宽带增透膜；所述第二光学薄膜采用窄带选择透过膜；所述反射层采用多层介质高反射膜。
进一步地，所述控制芯片采用CMOS硅基芯片。
一种超衍射极限成像系统，包括共路光束调制装置、第一激光光源、第一二色镜、第二激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第一透镜、第二透镜、第二二色镜、第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜、显微物镜、样品、载物台、第三透镜和光接受模块；
第一激光光源发出的准直左旋圆偏振光为第一光束经第一二色镜透射，第二激光光源发出的准直线偏振光为第二光束经第一反射镜反射后再经第一二色镜反射，然后第一光束与第二光束经第一二色镜合束，再经第二反射镜反射共路光束调制装置，经相位调制后，合束光束依次经第一透镜、第二透镜，经第二二色镜透射到达第一振镜，经第一振镜反射至第二振镜，再反射经扫描透镜、场镜，再经显微物镜聚焦至样品；样品发出的荧光经显微物镜收集，依次经过场镜、扫描透镜、第二振镜、第一振镜，再经第二二色镜反射，经第三透镜聚焦，最后到达光接受模块。
进一步地，共路光束调制装置与扫描透镜的前焦面通过第一透镜和第二透镜保持光学共轭关系；共路光束调制装置位于第一透镜的前焦面上，扫描透镜的前焦面等效位于第二透镜的后焦面上；共路光束调制装置、第一透镜、第二透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f系统。
进一步地，所述第一二色镜对第一光束透射，对第二光束反射；所述第二二色镜对从样品发出的荧光反射，对第一光束和第二光束透射。
进一步地，所述样品为荧光标记的生物材料；所述第一振镜、第二振镜、扫描透镜用于对样品进行扫描成像；所述共路光束调制装置用于对合束光束中的第一光束准直左旋圆偏振光进行调制；所述场镜和显微物镜用于对合束光束聚焦，同时收集样品发出的荧光信号。
一种光刻系统，包括共路光束调制装置、第一激光光源、第一二色镜、第二激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第一透镜、第二透镜、第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜、显微物镜、样品、载物台；
第一激光光源发出的准直左旋圆偏振光为第一光束经第一二色镜透射，第二激光光源发出的准直线偏振光为第二光束经第一反射镜反射后再经第一二色镜反射，然后第一光束与第二光束经第一二色镜合束，再经第二反射镜反射至共路光束调制装置，经相位调制后，合束光束依次经第一透镜、第二透镜，经第一振镜反射至第二振镜，再反射经扫描透镜、场镜，再经显微物镜聚焦至样品。
进一步地，共路光束调制装置与扫描透镜的前焦面通过第一透镜和第二透镜保持光学共轭关系；共路光束调制装置位于第一透镜的前焦面上，扫描透镜的前焦面等效位于第二透镜的后焦面上；共路光束调制装置、第一透镜、第二透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f系统。
进一步地，所述第一二色镜11对第一光束透射，对第二光束反射；所述样品为光刻胶；所述第一振镜、第二振镜、扫描透镜用于对样品进行扫描光刻；所述共路光束调制装置用于对合束光束中的第一光束准直左旋圆偏振光进行相位调制；所述场镜和显微物镜用于对合束光束聚焦。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1.可用于共路光束的调制。
2.因为用于共路系统，所以使用本装置的系统具有更强的抗干扰能力。
3.由于采用光学薄膜的方式，因此可将光能量集中到零级衍射，所以光学效率高。
附图说明
图1为本发明用于成像和光刻系统的共路光束调制装置结构示意图；
图2为应用本发明的实施例1光路结构示意图；
图3为应用本发明的实施例2光路结构示意图；
图中：第一光学薄膜1、玻璃基板2、第二光学薄膜3、透明电极4、液晶层5、反射层6、像素电极7、控制芯片8、共路光束调制装置9、第一激光光源10、第一二色镜11、第二激光光源12、第一反射镜13、第二反射镜14、第一透镜15、第二透镜16、第二二色镜17、第一振镜18、第二振镜19、扫描透镜20、场镜21、显微物镜22、样品23、载物台24、第三透镜25、光接受模块26。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，本发明提供的一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置9，包括依次排布的：第一光学薄膜1、玻璃基板2、第二光学薄膜3、透明电极4、液晶层5、反射层6、像素电极7、控制芯片8。
本发明中，由淬灭光束或去交联光束构成第一光束，由激发光束或交联光束构成第二光束，第一光束和第二光束合束后入射至第一光学薄膜1，经第一光学薄膜1透射，进入玻璃基板2，再透过玻璃基板2到达第二光学薄膜3，第一光束经第二光学薄膜3透射，再透过透明电极4进入液晶层5，再经反射层6反射，第二次进入液晶层5，经过液晶层5的相位调制后，再依次透过透明电极4、第二光学薄膜3、玻璃基板2和第一光学薄膜1出射。第二光束经第二光学薄膜3反射，从而被阻止进入液晶层5，即避免被相位调制，然后第二次进入玻璃基板2，经第一光学薄膜1出射。实现了仅对淬灭光束或去交联光束产生相位调制，而使激发光束或者交联光束无调制地通过。
通过控制第一光学薄膜1的材料、层数和厚度，来使其对第一光束和第二光束均为增透膜。
通过控制第二光学薄膜3的材料、层数和厚度，来使其对第一光束为增透膜，对第二光束为增反膜。
通过控制芯片8来控制像素电极7，使液晶分子的排列取向发生变化，从而对第一光束产生调制。
本发明中，所述第一光学薄膜1的作用是提高对合束光束的透过率，优选为宽带增透膜。
本发明中，所述玻璃基板2的作用是作为第一光学薄膜1和第二光学薄膜3的基板，其结构有多种选择，取决于两侧薄膜的技术参数。
本发明中，所述第二光学薄膜3的作用是对第一光束高透过率(优先为透过率高于99.9％)，对第二光束高反射率(优先为反射率高于99.9％)，优选为窄带选择透过膜。
本发明中，所述透明电极4与像素电极7的作用是在液晶层5中产生变化的电场，从而控制液晶分子的排列取向。
本发明中，所述控制芯片8(可以采用CMOS硅基芯片)的作用是对像素电极7上的电压进行控制，从而控制液晶层5的电场变化。
本发明中，所述液晶层5的作用是对第一光束进行相位调制。
本发明中，所述反射层6的作用是对第二光束反射，可以采用多层介质高反射膜。
通过玻璃基板2两侧的第一光学薄膜1和第二光学薄膜3，先对合束光高透射，再对其选择透过，从而实现对共路光束的选择性调制。
本发明具有高度通用性，可以应用于任意基于共路光束的成像与光刻系统。如受激辐射光淬灭显微成像系统、超衍射极限激光直写系统等。下面就基于本发明的受激辐射光淬灭架构的高通量超衍射极限成像与激光直写复合系统作为实施例进行说明。
实施例1
如图2所示为基于本发明的超衍射极限成像系统示意图。
图中：第一激光光源10、第一二色镜11、第二激光光源12、第一反射镜13、第二反射镜14、共路光束调制装置9、第一透镜15、第二透镜16、第二二色镜17、第一振镜18、第二振镜19、扫描透镜20、场镜21、显微物镜22、样品23、载物台24、第三透镜25、光接受模块26。所述所有光学元件位于同轴光路上。
第一激光光源10发出的准直左旋圆偏振光为第一光束经第一二色镜11透射，第二激光光源12发出的准直线偏振光为第二光束经第一反射镜13反射后再经第一二色镜11反射，然后第一光束与第二光束经第一二色镜11合束，再经第二反射镜14反射共路光束调制装置9，经相位调制后，合束光束依次经第一透镜15、第二透镜16，经第二二色镜17透射到达第一振镜18，经第一振镜18反射至第二振镜19，再反射经扫描透镜20、场镜21，再经显微物镜22聚焦至放置在载物台24上的样品23。样品23发出的荧光经显微物镜22收集，依次经过场镜21、扫描透镜20、第二振镜19、第一振镜18，再经第二二色镜17反射，经第三透镜25聚焦，最后到达光接受模块26，光接受模块26可以采用单光子探测器。
共路光束调制装置9与扫描透镜20的前焦面通过第一透镜15和第二透镜16保持光学共轭关系。共路光束调制装置9位于第一透镜15的前焦面上，扫描透镜20的前焦面等效位于第二透镜16的后焦面上。共路光束调制装置9、第一透镜15、第二透镜16和扫描透镜20的前焦面构成一个4f系统。
本发明中，所述第一二色镜11对第一光束透射，对第二光束反射。
本发明中，所述共路光束调制装置9的作用是对合束光束中的第一光束准直左旋圆偏振光进行调制，其光学结构和工作原理与图1完全相同。
本发明中，所述第一透镜15、第二透镜16均为双胶合消色差凸透镜。优选焦距分别为140mm和160mm。
本发明中，所述第一振镜18、第二振镜19、扫描透镜20的作用是对样品23进行扫描成像。
本发明中，所述场镜21和显微物镜22的作用是对合束光束聚焦，同时收集样品23发出的荧光信号。
本发明中，所述样品17为荧光标记的生物材料。
本发明中，所述第二二色镜17对从样品发出的荧光反射，对第一和第二光束透射。
本发明中，所述第三透镜25的作用是对从样品发出的荧光进行聚焦，从而被单光子探测器接收。
本发明中，所述单光子探测器的作用是对从样品发出的荧光信号进行探测并转化为图像，有多种技术方案选择，如光电倍增管、雪崩式光电二极管等，优选为雪崩式光电二极管。
实施例2
如图3所示为基于本发明的光刻系统示意图。
图中：第一激光光源10、第一二色镜11、第二激光光源12、第一反射镜13、第二反射镜14、共路光束调制装置9、第一透镜15、第二透镜16、第一振镜18、第二振镜19、扫描透镜20、场镜21、显微物镜22、样品23、载物台24。所述所有光学元件位于同轴光路上。
第一激光光源10发出的准直左旋圆偏振光为第一光束经第一二色镜11透射，第二激光光源12发出的准直线偏振光为第二光束经第一反射镜13反射后再经第一二色镜11反射，然后第一光束与第二光束经第一二色镜11合束，再经第二反射镜14反射至共路光束调制装置9，经相位调制后，合束光束依次经第一透镜15、第二透镜16，经第一振镜18反射至第二振镜19，再反射经扫描透镜20、场镜21，再经显微物镜22聚焦至放置在载物台24上的样品23。
共路光束调制装置9与扫描透镜20的前焦面通过第一透镜15和第二透镜16保持光学共轭关系。共路光束调制装置9位于第一透镜15的前焦面上，扫描透镜20的前焦面等效位于第二透镜16的后焦面上。共路光束调制装置9、第一透镜15、第二透镜16和扫描透镜20的前焦面构成一个4f系统。
本发明中，所述第一二色镜11对第一光束透射，对第二光束反射。
本发明中，所述共路光束调制装置9的作用是对合束光束中的第一光束准直左旋圆偏振光进行相位调制，其光学结构和工作原理与图1完全相同。
本发明中，所述第一透镜15、第二透镜16均为双胶合消色差凸透镜。优选焦距分别为140mm和160mm。
本发明中，所述第一振镜18、第二振镜19、扫描透镜20的作用是对样品23进行扫描光刻。
本发明中，所述样品17为光刻胶。
本发明中，所述场镜21和显微物镜22的作用是对合束光束聚焦。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置，其特征在于，包括依次排布的：第一光学薄膜、玻璃基板、第二光学薄膜、透明电极、液晶层、反射层、像素电极、控制芯片；
由淬灭光束或去交联光束构成第一光束，由激发光束或交联光束构成第二光束，第一光束和第二光束合束后入射至第一光学薄膜，经第一光学薄膜透射，进入玻璃基板，再透过玻璃基板到达第二光学薄膜，第一光束经第二光学薄膜透射，再透过透明电极进入液晶层，再经反射层反射，第二次进入液晶层，经过液晶层的相位调制后，再依次透过透明电极、第二光学薄膜、玻璃基板和第一光学薄膜出射；第二光束经第二光学薄膜反射，从而被阻止进入液晶层，即避免被相位调制，然后第二次进入玻璃基板，经第一光学薄膜出射；
所述第一光学对第一光束和第二光束均为增透膜；所述第二光学薄膜对第一光束为增透膜，对第二光束为增反膜；
所述透明电极与像素电极用于在液晶层中产生变化的电场，从而控制液晶分子的排列取向，对第一光束产生调制；
所述控制芯片用于对像素电极上的电压进行控制，从而控制液晶层的电场变化。
2.根据权利要求1所述的一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置，其特征在于，所述第一光学薄膜采用宽带增透膜；所述第二光学薄膜采用窄带选择透过膜；所述反射层采用多层介质高反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种用于成像和光刻系统的共路光束调制装置，其特征在于，所述控制芯片采用CMOS硅基芯片。
4.一种超衍射极限成像系统，其特征在于，包括权利要求1所述的共路光束调制装置、第一激光光源、第一二色镜、第二激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第一透镜、第二透镜、第二二色镜、第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜、显微物镜、样品、载物台、第三透镜和光接受模块；
第一激光光源发出的准直左旋圆偏振光为第一光束经第一二色镜透射，第二激光光源发出的准直线偏振光为第二光束经第一反射镜反射后再经第一二色镜反射，然后第一光束与第二光束经第一二色镜合束，再经第二反射镜反射共路光束调制装置，经相位调制后，合束光束依次经第一透镜、第二透镜，经第二二色镜透射到达第一振镜，经第一振镜反射至第二振镜，再反射经扫描透镜、场镜，再经显微物镜聚焦至样品；样品发出的荧光经显微物镜收集，依次经过场镜、扫描透镜、第二振镜、第一振镜，再经第二二色镜反射，经第三透镜聚焦，最后到达光接受模块。
5.根据权利要求4所述的超衍射极限成像系统，其特征在于，共路光束调制装置与扫描透镜的前焦面通过第一透镜和第二透镜保持光学共轭关系；共路光束调制装置位于第一透镜的前焦面上，扫描透镜的前焦面等效位于第二透镜的后焦面上；共路光束调制装置、第一透镜、第二透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f系统。
6.根据权利要求4所述的超衍射极限成像系统，其特征在于，所述第一二色镜对第一光束透射，对第二光束反射；所述第二二色镜对从样品发出的荧光反射，对第一光束和第二光束透射。
7.根据权利要求4所述的超衍射极限成像系统，其特征在于，所述样品为荧光标记的生物材料；所述第一振镜、第二振镜、扫描透镜用于对样品进行扫描成像；所述共路光束调制装置用于对合束光束中的第一光束准直左旋圆偏振光进行调制；所述场镜和显微物镜用于对合束光束聚焦，同时收集样品发出的荧光信号。
8.一种光刻系统，其特征在于，包括权利要求1所述的共路光束调制装置、第一激光光源、第一二色镜、第二激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第一透镜、第二透镜、第一振镜、第二振镜、扫描透镜、场镜、显微物镜、样品、载物台；
第一激光光源发出的准直左旋圆偏振光为第一光束经第一二色镜透射，第二激光光源发出的准直线偏振光为第二光束经第一反射镜反射后再经第一二色镜反射，然后第一光束与第二光束经第一二色镜合束，再经第二反射镜反射至共路光束调制装置，经相位调制后，合束光束依次经第一透镜、第二透镜，经第一振镜反射至第二振镜，再反射经扫描透镜、场镜，再经显微物镜聚焦至样品。
9.根据权利要求8所述的光刻系统，其特征在于，共路光束调制装置与扫描透镜的前焦面通过第一透镜和第二透镜保持光学共轭关系；共路光束调制装置位于第一透镜的前焦面上，扫描透镜的前焦面等效位于第二透镜的后焦面上；共路光束调制装置、第一透镜、第二透镜和扫描透镜的前焦面构成一个4f系统。
10.根据权利要求8所述的光刻系统，其特征在于，所述第一二色镜11对第一光束透射，对第二光束反射；所述样品为光刻胶；所述第一振镜、第二振镜、扫描透镜用于对样品进行扫描光刻；所述共路光束调制装置用于对合束光束中的第一光束准直左旋圆偏振光进行相位调制；所述场镜和显微物镜用于对合束光束聚焦。
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