专利名称：电控超分辨光瞳滤波器的制作方法
技术领域：
本发明是一种电控超分辨光瞳滤波器。该发明主要用于天文学、图像处理、共焦扫描成像、光存储、激光打印等技术领域，同时获得的扩展焦深使其可应用在显微镜成像、光学校准及层析成像等领域。
背景技术：
光学超分辨与轴向扩展焦深两种效应都已被各自独立地进行了广泛深入的研究。超分辨技术为超越经典的衍射极限提供了一种方法，其中应用超分辨的光瞳滤波器是目前实现光学超分辨的主要方法，传统的设计超分辨光瞳滤波器的方法是相位板设计。近年来，借助偏振效应实现超分辨的方法受到广泛关注。另一方面，由于扩展焦深在显微镜成像、光学校准及层析成像等应用领域的研究相继展开，通过偏振效应获得扩展焦深的研究也正受到关注。
在先技术[1](参见Andrew I.Whiting，“Polarization-AssistedTransverse and Axial Optical Superresolution”，Opt.Express，11(5)1714-1723，2003)是一种利用偏振效应实现光学超分辨的技术。该技术利用了两束共轴的正交偏振光的叠加，当两束光具有不同的空间分布时，叠加后的偏振态会随空间位置的变化而变化(戈尤相移)，从而引起随空间位置变化光强的重新分布，导致焦点附近对焦斑的径向与轴向的限制，从而得到了横向与轴向超分辨。这种技术的缺点在于超分辨性能参数不可调，并且受光源波动的影响很大。
在先技术[2](参见S.Sanyal，“Imaging characteristics of birefringencelenses under focused and defocused condition”，Optik，110(11)513-510，1999)与在先技术[3](参见Maojin Yun，Liren Liu，Jianfeng Sun，“Transverse or axial superresolution with radial birefringent filter”，J.Opt.Soc.Am.A，21(10)1869-1874，2004)都利用了双折射晶体来实现光学超分辨。其中，技术[2]中提到对双折射透镜参数选取不同值(包括双折射率与透镜中心厚度)，可以用来实现横向超分辨；技术[3]中利用的是特定的径向对称双折射元件(单面透镜，中心与边缘晶体厚度之差满足正交偏振分量延迟量之差相差半个波长)，放在透射光轴相平行的两偏光镜之间，旋转径向双折射元件的方位角(由其光轴方向决定)，不同角度下，可以分别获得横向超分辨或者轴向超分辨。
在先技术[4](参见S.Sanyal and A.Ghosh，“High focal depth with aquasi-bifocus birefringent lens”，App.Opt.，39(14)2321-2325，2000)提出了在特定双折射透镜参数(透镜中心厚度α＝0.3142λ或0.6044λ)下获得大的焦深。但是如此精确的透镜参数在实际中很难控制；在先技术[5](参见Xinping Liu，Xianyang Cai，Shoude Chang，“Chander P.GroverCemented doublet lens with an extended focal depth”，Opt.Express.，13(2)552-557，2005)提出了一种双折射透镜与传统透镜胶结到一起的复合透镜，通过选择合适的双折射透镜与传统透镜的结构参数，也获得了扩展焦深。
技术[2][3][4]对双折射透镜参数的要求非常严格，严重限制了该技术的应用。与以上技术相比，[5]中对双折射透镜参数要求的严格性有所降低，但由于是一种很复杂的复合透镜结构，实际中制作时需要极为特殊的匹配条件和严格的制作工艺。以上的光瞳滤波器的超分辨参数都不能实时调节，因而也使其应用受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于上述现有技术的缺陷，提供一种电控超分辨光瞳滤波器。该光瞳滤波器不但可以方便的实现横向超分辨参数的控制，而且特定电场下可以同时实现横向超分辨与轴向扩展焦深。还可以精确控制焦点附近光强分布。
本发明的基本思想是通过电光晶体的调制控制两偏振分量的纵向上的位相差，通过径向双折射元件控制该位相差在横向上的分布，不同偏振态的光在空间的叠加会使得空间光强按一定规律分布。
本发明的技术解决方案如下一种电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于它由起偏器、电光晶体、径向对称双折射晶体和检偏器组成，所述的电光晶体和径向对称双折射晶体置于起偏器和检偏器之间，所述的起偏器与检偏器的透光轴平行；所述的电光晶体的方位角依据电感应主轴的方位确定，电感应慢轴与起偏器的透光轴的夹角为θ＝45°或135°，径向对称双折射晶体的慢轴方向与电光晶体的慢轴方向一致，电光晶体之外加电场大小根据电光晶体的半波电压确定，电压变化范围为零至2倍的半波电压之间。
所述的电控超分辨光瞳滤波器的构成是沿光传播方向依次的起偏器、电光晶体、径向对称双折射晶体和检偏器，也可改为沿光传播方向依次的起偏器、径向对称双折射晶体、电光晶体和检偏器。
所述的起偏器和检偏器为冰洲石制作的格兰-泰勒棱镜或其他类型的偏光镜、偏振片。
所述的电光晶体选用LiNbO3或其他具有Pockels效应的电光晶体，电光晶体利用的是LiNbO3电光系数γ22的横向电光效应，若采用其他晶体则根据其晶类确定利用横向电光效应或者纵向电光效应。
所述的径向对称双折射晶体为石英晶体或者其他类型的单轴晶体。
本发明与在先技术相比，具有如下突出的特点和优点(1)实现了横向超分辨性能参数(G和S)的实时控制，透射率的连续变化通过外加电场实现；(2)在不改变原径向对称双折射晶体结构参数的前提下，获得了轴向上的扩展焦深，并同时可获得横向超分辨；(3)由于径向对称双折射晶体的中心处位相延迟，可通过电光晶体的电光位相延迟来调整，因此对对其制作过程要求不甚严格，更有利于实际应用。
图1是本发明中电控超分辨光瞳滤波器具体实施例的结构示意2是本发明中电光晶体与径向对称双折射晶体的结构参数图2-1是电光晶体2的结构参数图2-2是径向对称双折射晶体3的结构参数图3是本发明中横向超分辨因子G和S随电光位相延迟的变化曲线图4是本发明中电光位相延迟区域I与∏内横向超分辨的电控实现图4-1是区域I内Γ＝π/3，π/4，π/6，π/12，0时横向光强分布图4-2是区域∏内Γ＝7π/4，11π/6，46π/24，2π时横向光强分布图5是本发明中电光位相延迟区域III内轴向扩展焦深与横向超分辨的实现图5-1是区域III内焦深随电光位相延迟的变化图5-2是Γ＝58π/32时离焦面上的光强分布具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1是本发明中电控超分辨光瞳滤波器一个具体实施例的结构示意图，由图可见，本发明电控超分辨光瞳滤波器实施例是由沿光传播方向依次的起偏器1、电光晶体2、径向对称双折射晶体3和检偏器4组成的，所述的电光晶体2和径向对称双折射晶体3置于起偏器1和检偏器4之间，所述的起偏器1与检偏器4的透光轴平行；所述的电光晶体2的方位角依据电感应主轴的方位确定，电感应慢轴与起偏器1的透光轴的夹角为θ＝45°或135°，径向对称双折射晶体3的慢轴方向与电光晶体2的慢轴方向一致，电光晶体2之外加电场大小根据电光晶体的半波电压确定，电压变化范围为零至2倍的半波电压之间。
所述的起偏器1和检偏器4为冰洲石制作的格兰-泰勒棱镜或其他类型的偏光镜、偏振片。
所述的电光晶体2选用LiNbO3或其他具有Pockels效应的电光晶体，电光晶体2利用的是LiNbO3电光系数γ22的横向电光效应，若采用其他晶体则根据其晶类确定利用横向电光效应或者纵向电光效应。
所述的径向对称双折射晶体3为石英晶体或者其他类型的单轴晶体。
为叙述方便在图1中作如下规定坐标系为xyz；起偏器1的透光轴方向沿y轴方向；电光晶体2依照原始光轴方向与光传播方向z平行放置；径向对称双折射晶体3为单轴晶体，其光轴在垂直于光传播方向z的平面内；检偏器4的透光轴方向沿y轴方向，与起偏器1的透光轴方向一致。
起偏器1的作用是使得输入光波为严格的线偏振光；检偏器4的作用的一方面使出射光为线偏振光，另一方面使光波分量在透光轴方向上进行干涉。电光晶体2采用具有线形电光效应的单轴晶体，它的作用是通过外加电场对通过的光进行调制，改变两偏振分量的位相差；径向双折射晶体3是单轴晶体，光轴在横向截面内，采用中心半波延迟结构，如图2-2所示d0是中心处厚度，中心处对入射光起到半波延迟的作用(实际上是多个整数倍波长和一个半波长的整体延迟效果)；边缘ρ0处厚度为dp0，与中心的延迟量之差为半个波长，即延迟量为整数倍的波长，本发明中取此倍数m＝50。
该技术方案所依据的光学原理如下对电光晶体2的电致双折射分析如下(以LiNbO3晶体为例)光轴沿z轴方向，电场加在xy平面内且沿x方向(晶体晶轴之一)，加电场后，光波通过电光晶体2的位相差为Γ=2πno3γ22lVλd=kV---(1)]]>n0晶体中常光折射率；γ22晶体电光系数；1/d晶体z向长度与x向厚度之比。其琼斯矩阵为B=cosΓ2+isinΓ2+cos2θisinΓ2sin2θisinΓ2sin2θcosΓ2-isinΓ2cos2θ.]]>从电光晶体2出射的光入射到径向对称双折射晶体3。随径向双折射晶体3从中心到边缘厚度的增加，入射光的偏振分量位相延迟量也相应增大。从中心到边缘处，两偏振分量的位相延迟差的变化为入射光波长的一半，即λ/2。其琼斯矩阵为L=cos(δ(ρ)2)+isin(δ(ρ)2)cos2θisin(δ(ρ)2)sin2θisin(δ(ρ)2)sin2θcos(δ(ρ)2)-isin(δ(ρ)2)cos2θ.]]>此处δ(ρ)=2πΔnλ(d0+ρ22R)]]>是横向截面上半径ρ处两个偏振分量的位相差，d0是中心处厚度，R是曲率半径。
设入射平行光的光矢量 由琼斯理论可得到光瞳函数P(ρ,Γ,θ)=cosδ(ρ)+Γ2+isinδ(ρ)+Γ2cos2θ---(2)]]>设观察平面上径向与轴向坐标为v=2πλsinαx2+y2,u=2πλzsin2α,]]>其中sinα是系统数值孔径，在θ＝45°(或135°)时，横向v与轴向u上光强分布分别为
Iv(v,Γ),=|∫0ρ0[cos(δ(ρ)2+Γ2)]J0(vρ)ρdρ|2---(3)]]>Iu(u,Γ)=|∫0ρ0[cos(δ(ρ)2+Γ2)]exp(-iuρ22)ρdρ|2]]>相距焦点Δu距离的离焦面上的光强分布为IΔu(v,Γ)=|∫0ρ0cos(δ(ρ)2+Γ2)J0(vρ)exp(-iΔuρ22)ρdρ|2---(4)]]>(3)和(4)式表明Iv、Iu和IΔU是电致位相延迟Γ的函数，电光晶体的引入实际上起到改变径向元件结构参数的作用，给出了如何实现焦点附近光强的重新分布的方法。
本发明的技术效果如下定义超分辨性能参数G为光瞳滤波器滤波后与未滤波的爱里斑衍射方式时系统的光强第一零点位置比，斯特尔比S为相应的有光瞳滤波器时和爱里斑衍射时系统的主瓣强度之比。图3是光瞳滤波器的横向超分辨因子G与S随电光相位延迟Γ的变化，其中标出了不同Γ区域对应不同的横向光强分布特性区域。图中区域I(0≤Γ≤π/2)与区域II(7π/4≤Γ≤2π)对应可以实现横向超分辨的区域。区域III(7π/4≤Γ≤60π/32)包含在区域II内，对应同时可实现轴向焦深扩展的区域。
横向超分辨性能参数的实时控制。图4分别给出了I与II两区域内的横向光强分布，0为未加光瞳滤波器的光强分布。图4-1中，I区域内取电光位相延迟Γ＝0，π/12，π/6，π/4，π/3，G在0.81～0.92间变化，S在0.4～0.75间变化；图4-2中，II区域内取Γ＝7π/4，11π/6，46π/24，2π，G在0.66～0.81间变化，S在0.12～0.40间变化。两个电光位相延迟区域内都实现了横向的超分辨。在以上区域内可通过外加电场来调整横向光强分布特性，对G和S实现实时控制。
轴向扩展焦深的实现。定义光强峰值时变化量不超过10％的轴向距离为焦深的大小。图5-1与图5-2分别对应图3中区域III内Γ＝58π/32附近区域内的轴向和横向光强归一化分布特性。图5-1中，在区域III内，取Γ＝57π/32，58π/32，59π/32时得到轴向光强分布，0为未滤波的轴向光强分布，可看出滤波后经扩展后的焦深约是滤波前焦深的2.60倍，且在Γ＝58π/32时具有最佳的扩展焦深；图5-2是在扩展焦深范围内离焦面上的横向光强分布，其中离焦距分别取Δu＝0，0.5，1.2，在Γ＝58π/32时，整个焦深范围内都获得了横向超分辨。因而，在Γ＝58π/32时可同时实现轴向扩展焦深与横向超分辨。
实验表明，本发明实现了横向超分辨性能参数(G和S)的实时控制，透射率的连续变化通过外加电场实现；在不改变原径向对称双折射晶体结构参数的前提下，获得了轴向上的扩展焦深，并同时可获得横向超分辨；由于径向对称双折射晶体的中心处位相延迟，可通过电光晶体的电光位相延迟来调整，因此对其制作过程要求不甚严格，更有利于实际应用。
权利要求
1.一种电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于它由起偏器(1)、电光晶体(2)、径向对称双折射晶体(3)和检偏器(4)组成，所述的电光晶体(2)和径向对称双折射晶体(3)置于起偏器(1)和检偏器(4)之间，所述的起偏器(1)与检偏器(4)的透光轴平行；所述的电光晶体(2)的方位角依据电感应主轴的方位确定，电感应慢轴与起偏器(1)的透光轴的夹角为θ＝45°或135°，径向对称双折射晶体(3)的慢轴方向与电光晶体(2)的慢轴方向一致，电光晶体(2)之外加电场大小根据电光晶体的半波电压确定，电压变化范围为零至2倍的半波电压之间。
2.根据权利要求1所述的电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于其构成是沿光传播方向依次的起偏器(1)、电光晶体(2)、径向对称双折射晶体(3)和检偏器(4)。
3.根据权利要求1所述的电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于其构成为沿光传播方向依次是起偏器(1)、径向对称双折射晶体(3)、电光晶体(2)和检偏器(4)。
4.根据权利要求1所述的电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于所述的起偏器(1)和检偏器(4)为冰洲石制作的格兰-泰勒棱镜或其他类型的偏光镜、偏振片。
5.根据权利要求1所述的电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于所述的电光晶体(2)选用LiNbO3或其他具有Pockels效应的电光晶体，电光晶体(2)利用的是LiNbO3电光系数γ22的横向电光效应，若采用其他晶体则根据其晶类确定利用横向电光效应或者纵向电光效应。
6.根据权利要求1所述的电控超分辨光瞳滤波器，其特征在于所述的径向对称双折射晶体(3)为石英晶体或者其他类型的单轴晶体。
全文摘要
一种电控超分辨光瞳滤波器，由起偏器、电光晶体、径向对称双折射晶体和检偏器组成，所述的电光晶体和径向对称双折射晶体置于起偏器和检偏器之间，所述的起偏器与检偏器的透光轴平行；所述的电光晶体的方位角依据电感应主轴的方位确定，电感应慢轴与起偏器的透光轴的夹角为 θ＝45°或135°，径向对称双折射晶体的慢轴方向与电光晶体的慢轴方向一致。本发明通过对电光晶体进行电光调制，可实现横向超分辨性能参数的实时控制与轴向焦深的扩展。
文档编号G02F1/03GK1834730SQ20061002448
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者王吉明, 刘立人, 赵栋, 郎海涛, 潘卫清, 邓绍更 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所