專(zhuān)利名稱(chēng)：位相型三維超分辨的共焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及是超分辨技術(shù)，特別是一種在橫向和軸向均能突破衍射極限實(shí)現(xiàn)超分辨的位相型三維超分辨的共焦系統(tǒng)。它可以廣泛的應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)和光束聚焦系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
隨著信息存儲(chǔ)、處理和傳輸量要求的日益增加，在微電子加工、光刻技術(shù)、掃描顯微技術(shù)和高密度光盤(pán)存儲(chǔ)中都希望獲得更小的聚焦光斑。這就要求更短的激光波長(zhǎng)和有更高數(shù)值孔徑的聚焦物鏡，因?yàn)榫劢构獍叩陌敫邔捒杀硎緸镈=λ2NA,]]>式中λ為入射的激光光束波長(zhǎng)，NA為聚焦物鏡的數(shù)值孔徑。但是受光源的限制激光波長(zhǎng)只能有限的減小，采用大的數(shù)值孔徑的物鏡則會(huì)帶來(lái)諸如相差校正難度大，聚焦伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加困難等問(wèn)題。超分辨技術(shù)則可以成功的避免以上的問(wèn)題。超分辨技術(shù)(就是超出衍射極限的技術(shù))也是常用于縮小記錄點(diǎn)的方法之一，它是通過(guò)在聚焦物鏡前的準(zhǔn)直光路中放置一個(gè)衍射型光闌，改變?nèi)肷涔獾恼穹蛭幌喾植?，使得?jīng)透鏡聚焦后的愛(ài)里斑主斑變小。但是受設(shè)計(jì)和加工條件的限制，單一的有實(shí)用價(jià)值的衍射光闌只能在橫向或者軸向?qū)崿F(xiàn)超分辨，很難在兩個(gè)方向同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨。這一困難極大的限制了超分辨技術(shù)的應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)三維超分辨的系統(tǒng)是非常有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供一種能夠廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)和光束聚焦系統(tǒng)的位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)在橫向和軸向可同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨，使用該系統(tǒng)可以在三維方向上獲得突破衍射極限的小光斑。另外，這種三維超分辨系統(tǒng)還可以極大的抑制旁瓣干擾。
本發(fā)明的基本思想是
分別將一塊橫向位相型超分辨光闌和一塊軸向位相型超分辨光闌置于共焦讀出系統(tǒng)中的兩塊物鏡前，利用共焦系統(tǒng)的乘積性質(zhì)實(shí)現(xiàn)三維超分辨。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)，其特征在于它的構(gòu)成是由第一物鏡和第二物鏡組成一共焦系統(tǒng)，在該共焦系統(tǒng)的光軸上位于第一物鏡前放置一二值位相型橫向超分辨光闌，位于第二物鏡前放置一三環(huán)二值位相型軸向超分辨光闌，在該共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)設(shè)置針孔光闌，在該共焦系統(tǒng)的第一物鏡之前放置一會(huì)聚透鏡，該會(huì)聚透鏡與第一物鏡之間的距離L＝f1+f2其中f1為會(huì)聚透鏡的焦距，f2為共焦系統(tǒng)的前焦距。
所述的位相型橫向超分辨光闌是一圓環(huán)形二值位相板，其外環(huán)的歸一化半徑為1時(shí)，內(nèi)環(huán)半徑a＝0.33，且內(nèi)環(huán)的位相Φ1＝π，外環(huán)的位相Φ2＝0。
所述的位相型軸向超分辨光闌是一塊三環(huán)二值位相板，其外環(huán)的歸一化半徑為1時(shí)，自?xún)?nèi)向外的兩內(nèi)環(huán)半徑分別為b1＝0.56，b2＝0.6，自?xún)?nèi)向外三環(huán)的位相分別是Φ1＝π，Φ2＝0，Φ3＝π。
所述的會(huì)聚物鏡將光束會(huì)聚到共焦系統(tǒng)的前焦點(diǎn)，而針孔接收裝置位于共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)處。
在由兩塊相同物鏡組成的共焦系統(tǒng)中，兩塊物鏡前分別放置位相型橫向超分辨光闌和位相型軸向超分辨光闌，組成超分辨共焦系統(tǒng)。從激光器出射的光束經(jīng)會(huì)聚物鏡聚焦進(jìn)入到超分辨共焦系統(tǒng)中，通過(guò)超分辨共焦系統(tǒng)傳輸后在共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)處用針孔實(shí)施點(diǎn)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)聚焦后的光斑在橫向和軸向均可突破衍射極限，從而實(shí)現(xiàn)三維超分辨。
本發(fā)明通過(guò)將位相型橫向超分辨光闌和位相型軸向超分辨光闌耦合到共焦系統(tǒng)中，利用共焦系統(tǒng)的乘積性質(zhì)實(shí)現(xiàn)三維超分辨。由于該系統(tǒng)在橫向和軸向同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨，所以使用該系統(tǒng)可以在三維方向上獲得突破衍射極限的小光斑。另外，這種三維超分辨系統(tǒng)還可以極大的抑制旁瓣干擾。
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明


圖1是本發(fā)明的位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)實(shí)施例的光路示意圖。
圖2是二值位相型橫向超分辨光闌的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是三環(huán)二值位相型軸向超分辨光闌的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是未加超分辨光闌，二值橫向位相超分辨光闌和三維超分辨系統(tǒng)在橫向產(chǎn)生的光強(qiáng)分布對(duì)比圖。
圖5是未加超分辨光闌，三環(huán)二值軸向位相超分辨光闌和三維超分辨系統(tǒng)在軸向產(chǎn)生的光強(qiáng)分布對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)實(shí)施例的光路示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)的構(gòu)成是由第一物鏡3和第二物鏡5組成一共焦系統(tǒng)，在該共焦系統(tǒng)的光軸上位于第一物鏡3前放置一二值位相型軸向超分辨光闌2，位于第二物鏡5前放置一三環(huán)二值位相型軸向超分辨光闌4，在該共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)設(shè)置針孔光闌，在該共焦系統(tǒng)的第一物鏡3之前放置一會(huì)聚透鏡1，該會(huì)聚透鏡1與第一物鏡3之間的距離L＝f1+f2其中f1為會(huì)聚透鏡1的焦距，f2為共焦系統(tǒng)的前焦距。
所述的位相型橫向超分辨光闌2是一圓環(huán)形二值位相板，如圖2所示，其外環(huán)的歸一化半徑為1時(shí)，內(nèi)環(huán)半徑a＝0.33，且內(nèi)環(huán)的位相Φ1＝π，外環(huán)的位相Φ2＝0。
所述的位相型軸向超分辨光闌4是一塊三環(huán)二值位相板，如圖3所示，其外環(huán)的歸一化半徑為1時(shí)，自?xún)?nèi)向外的兩內(nèi)環(huán)半徑分別為b1＝0.56，b2＝0.6，自?xún)?nèi)向外三環(huán)的位相分別是Φ1＝π，Φ2＝0，Φ3＝π。
所述的會(huì)聚物鏡1將光束會(huì)聚到共焦系統(tǒng)的前焦點(diǎn)，而針孔接收裝置位于共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)處。
圖4和圖5分別是計(jì)算機(jī)模擬給出的數(shù)值結(jié)果圖。其中4a為三維超分辨系統(tǒng)所得的橫向光強(qiáng)分布，4b為二值位相型橫向超分辨光闌所得的橫向光強(qiáng)分布，4c為未加超分辨光闌時(shí)的橫向光強(qiáng)分布。其中橫向光學(xué)坐標(biāo)與實(shí)際橫向坐標(biāo)r的關(guān)系為v=2πλNAr.]]>在使用三維超分辨系統(tǒng)后，光斑橫向尺寸明顯減小，并且小于二值位相型橫向超分辨光闌。旁瓣也幾乎被消除。圖5中，5a為三維超分辨系統(tǒng)所得的軸向光強(qiáng)分布，5b為三環(huán)二值位相型軸向超分辨光闌所得的軸向光強(qiáng)分布，5c為未加超分辨光闌時(shí)的軸向光強(qiáng)分布。其中軸向光學(xué)坐標(biāo)與實(shí)際軸向坐標(biāo)z的關(guān)系為u=2πλNA2z.]]>與橫向情況相同，使用三維超分辨在軸向也很好的壓縮了光斑。下表給出了橫向超分辨光闌，軸向超分辨光闌和三維超分辨系統(tǒng)的對(duì)比參數(shù)值表一

表中各個(gè)參數(shù)的含義為半高寬聚焦光束束腰平面上光強(qiáng)降低到峰值強(qiáng)度一半時(shí)的全寬度。
半寬比加入超分辨裝置前后半高寬之比。半寬比越低超分辨效果越好。
斯特爾比加入超分辨裝置后的聚焦光束的束腰面上中心峰值強(qiáng)度與未加超分辨裝置時(shí)的聚焦光束束腰面上中心峰值強(qiáng)度之比。
旁瓣相對(duì)強(qiáng)度聚焦光束第一旁瓣的峰值強(qiáng)度與主斑的峰值強(qiáng)度之比是衡量聚焦光束質(zhì)量的指標(biāo)之一，旁瓣相對(duì)強(qiáng)度越低光束質(zhì)量越好。
通過(guò)比較，本發(fā)明有以下優(yōu)越性在橫向和軸向同時(shí)突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)三維超分辨；在橫向與位相型橫向超分辨光闌比有更好的超分辨能力；在軸向與位相型軸向超分辨光闌比有更好的超分辨能力；在橫向和軸向均極大的抑制了旁瓣。因此，本發(fā)明可以廣泛的應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)和光束聚焦系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)，其特征在于它的構(gòu)成是由第一物鏡(3)和第二物鏡(5)組成一共焦系統(tǒng)，在該共焦系統(tǒng)的光軸上位于第一物鏡(3)前放置一二值位相型橫向超分辨光闌(2)，位于第二物鏡(5)前放置一三環(huán)二值位相型軸向超分辨光闌(4)，在該共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)設(shè)置針孔光闌(6)，在該共焦系統(tǒng)的第一物鏡(3)之前放置一會(huì)聚透鏡(1)，該會(huì)聚透鏡(1)與第一物鏡(3)之間的距離L＝f1+f2，其中f1為會(huì)聚透鏡(1)的焦距，f2為該共焦系統(tǒng)的前焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)，其特征在于所述的位相型橫向超分辨光闌(2)是一圓環(huán)形二值位相板，其外環(huán)的歸一化半徑為1時(shí)，內(nèi)環(huán)半徑a+0.33，且內(nèi)環(huán)的位相Φ1＝π，外環(huán)的位相Φ2＝0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)，其特征在于所述的位相型軸向超分辨光闌(4)是一塊三環(huán)二值位相板，其外環(huán)的歸一化半徑為1時(shí)，自?xún)?nèi)向外的兩內(nèi)環(huán)半徑分別為b1＝0.56，b2＝0.6，自?xún)?nèi)向外三環(huán)的位相分別是Φ1＝π，Φ2＝0，Φ3＝π。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)，其特征在于所述的會(huì)聚物鏡(1)將光束會(huì)聚到共焦系統(tǒng)的前焦點(diǎn)，而針孔接收裝置位于共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)處。
全文摘要
一種位相型三維超分辨共焦系統(tǒng)，其構(gòu)成是由第一物鏡和第二物鏡組成一共焦系統(tǒng)，在該共焦系統(tǒng)的光軸上位于第一物鏡前放置一二值位相型橫向超分辨光闌，位于第二物鏡前放置一三環(huán)二值位相型軸向超分辨光闌，在該共焦系統(tǒng)的后焦點(diǎn)設(shè)置針孔光闌，在該共焦系統(tǒng)的第一物鏡之前放置一會(huì)聚透鏡，該會(huì)聚透鏡與第一物鏡之間的距離L＝f
文檔編號(hào)G02B27/00GK1588165SQ20041006655
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者趙曉楓, 阮昊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 上海新匯時(shí)代光盤(pán)技術(shù)有限公司