专利名称：基于位相与偏振的焦深扩展的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光刻及超分辨成像领域，具体涉及一种扩展焦深的聚焦方法和装置。
背景技术：
扩展焦深在光盘存储、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，其中基于波前编码技术(Wavefront Coding, WFC)是90年代才发展起来的扩展光学 系统焦深的新技术，是由Dowski和Cathey在1995年提出的。近几年通过偏振效应来获得 扩展焦深的研究也受到关注，最近相继报道利用径向与切向矢量光束、准双焦双折射透镜 与胶接双透镜等来实现扩展焦深的研究。以上这些方法对光学轴向扩展焦深方面进行了广 泛深入的研究。另一方面，近10年来，超分辨率显微技术和光刻技术取得了极大发展，为了提高 系统的性能，增强系统工作时的稳定性，上述两种技术均需要工作光束在聚焦时能够获得 足够的焦深。为了扩大高数值孔径下系统的焦深，专利号为US7709809的美国专利提出了 组合位相板的方式。它的原理类似于上述的波前编码技术，利用涡旋位相板和径向位相板 组合来扩展焦深。但所提出的方法中，工作光束必须是基于不同波长的非相干光。这样的 叠加只是光强的简单相加，效果很差，在实际应用中受到很大的限制，增加了系统成本。
发明内容
本发明提供了一种基于偏振与位相板相结合的方法和装置来扩展系统的焦深，对 于特定类型的聚焦光斑焦深，可以利用相干光作为系统工作光束，节省了系统成本，增加了 实用性，同时扩展后的聚焦斑不但焦深增加两倍以上，而且光束质量也有提高，聚焦光斑可 以达到系统本身的衍射极限以下，且扩展后的光强分布更均勻，更有利于实际应用。一种基于偏振与位相板相结合的焦深扩展方法，包括以下步骤(1)将由激光器发出的工作光束通过偏振转换器转换为圆柱形偏振光，再通过分 光器分为两束，即第一分光光束和第二分光光束；(2)将所述的第一分光光束通过一个0/ π位相板进行0 π位相编码后，入射到 一光学合束器件；(3)将所述的第二分光光束通过光学折转器件进行光路折转后，入射到步骤(2) 中所述的光学合束器件，从所述的光学合束器件出射的光线为一合束的同轴光束；S卩，第一分光光束和第二分光光束分别经过位相编码和光路折转后入射到同一个 光学合束器件进行光线合束，得到合束的同轴光束；所述的光学折转器件为平面反射镜，根据需要可以设置多个平面反射镜；(4)将步骤(3)中得到的合束的同轴光束通过消复色差聚焦透镜进行聚焦，在透 镜的焦平面附近得到一个扩展焦深光斑。其中，所述的圆柱形偏振光可以为径向偏振光，也可以为切向偏振光。其中，所述的第一分光光束与所述的第二分光光束的光强之比为3 2。
其中，O/π位相板可以通过光刻加工或空间光调制器来实现。当所述的圆柱形偏 振光为径向偏振光，由分光器分出的两束分光光束也为径向偏振光，此时，O/π位相板对径 向偏振光进行位相编码，O/ π位相延迟区域间分界线的半径优先选择0. 83 0. 85倍入瞳 半径；当所述的圆柱形偏振光为切向偏振光，由分光器分出的两束分光光束也为切向偏振 光，此时，Ο/π位相板对切向偏振光进行位相编码，O/π位相延迟区域间分界线的半径优 先选择0. 7 0. 72倍入瞳半径。入瞳半径通常为进入光学系统的入射光束圆截面的半径大小。其中，所述的消复色差透镜优选为高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔 径 NA = 0. 9 1. 4，优选为 NA = 1. 4。本发明还提供了一种用于实现上述基于偏振与位相板相结合的焦深扩展的装置， 包括用于产生准直入射工作光束的光源；用于将所述的入射工作光束转换为圆柱形偏振光的偏振转换器；所述的圆柱形偏 振光可以为径向偏振光，也可以为切向偏振光；用于将所述的圆柱形偏振光分光为第一分光光束和第二分光光束的分光器；用于将第一分光光束进行O/ π位相编码的O/ π圆形位相板；用于对第二分光光束进行光束折转的光学折转器件，由第一反射镜和第二反射镜 构成；用于将经0/ π位相编码后的第一分光光束与经光学折转后的第二分光光束进行 合束的光学合束器件；和用于进行光束聚焦的消复色差聚焦透镜。本发明装置中，所述的光源可以为通用的产生准直激光的光源，优选使用激光器。本发明装置中，所述的偏振转换器可以为现有技术中实现圆柱形偏振光的转换的 任何器件与装置，如由微结构光栅与干涉仪组成的空间光调制器等，优选为瑞典ARCoptix 公司的偏振转换器 Radial-AzimuthalPolarization Converter。本发明装置中，所述的第一反射镜和第二反射镜优选为金属膜反射镜，以保持入 射光与反射光偏振状态一致。本发明装置中，所述的消复色差透镜优选为高数值孔径的消复色差透镜，所述的 高数值孔径NA = 0. 9 1. 4，优选为NA = 1. 4。本发明装置中，优选采用将所述的圆柱形偏振光分光为光强之比为3 2的第一 分光光束和第二分光光束的分光器。当所述的圆柱形偏振光为径向偏振光，本发明装置中优选采用其0/π位相延迟 区域间分界线的半径为0. 83 0. 85倍入瞳半径的0/ π位相板；当所述的圆柱形偏振光为 切向偏振光，本发明装置中优选采用其0/ π位相延迟区域间分界线的半径为0. 7 0. 72 倍入瞳半径的0/π位相板；本发明的工作原理如下将激光器出射的激光，通过两个圆柱形偏振转换器转换为圆柱形偏振光(径向偏 振光或者切向偏振光)；而后，光束将进一步分成两束，两束光光强为特定比例，其中一束 通过O/π圆形位相板进行位相编码后，与另一束重新汇合成同轴平行的光束。根据光场的电磁场理论，汇合后的光束将不再是普通的圆柱形偏振光，光束的径向剖面将呈现带有时 间因子的复杂电场分布情况。这样的光束经过高数值孔径的消复色差聚焦透镜后，将在透 镜的像方焦点处产生聚焦效应，根据光的干涉衍射理论，聚焦光斑内的电场强度分布为经 过O/π位相板进行位相编码的径向偏振光(或切向偏振光)经过同一透镜后的聚焦场与 未经过位相编码的径向偏振光(或切向偏振光)经过同一透镜后的聚焦场内电场强度分布 的矢量相加。聚焦场内电场分布可以通过Debye积分公式计算得到，进而相加得出汇合后 的激发光束的聚焦光斑内的电场强度。根据光的电场强度与光强的关系，可以算出此时的 聚焦光斑将为超长焦深聚焦。当为径向偏振光时，聚焦光斑为超长焦深实心聚焦光斑；当为 切向偏振光时，聚焦光斑为超长焦深中空型聚焦光斑。相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果(1)本发明装置结构简单，实现原理容易；(2)本发明方法使用单一波长的相干光作为工作光束，减少了光源数量，节省了系 统成本，增加了实用性；(3)采用本发明方法和装置得到的聚焦光斑在纵向上达到2倍以上波长的同时， 横向直径可以压缩系统本身的衍射极限以下；(4)采用本发明方法和装置得到的聚焦光斑光强具有平顶效应，强度在纵向上更 加均勻，有利于实际应用。
图1为本发明的用于实现焦深扩展的装置示意图。图2为本发明中圆柱形偏振光示意图；其中，a为径向偏振光示意图，b为切向偏 振光示意图。图3为本发明中O/π圆形位相板示意图。图4为本发明中应用径向偏振光时的光强剖面对比图；其中，a c为未经过位相 编码的径向偏振光聚焦光斑在XY、XZ和YZ平面内的光强分布示意图，d f为经过O/ π 位相编码的径向偏振光聚焦光斑在ΧΥ、ΧΖ和YZ平面内的光强分布示意图，g i为二者矢 量合成后的光束聚焦光斑在XY、XZ和YZ平面内的光强分布示意图。图5为本发明中应用切向偏振光时的光强剖面对比图；其中，a c为未经过位相 编码的切向偏振光聚焦光斑在XY、XZ和YZ平面内的光强分布示意图，d f为经过O/ π 位相编码的切向偏振光聚焦光斑在ΧΥ、ΧΖ和YZ平面内的光强分布示意图，g i为二者矢 量合成后的光束聚焦光斑在XY、XZ和YZ平面内的光强分布示意图。图6为本发明中应用径向偏振光时得到的焦深扩展聚焦光斑与直接采用径向偏 振光聚焦得到的聚焦光斑沿光轴方向的光强分布对比图。图7为本发明中应用切向偏振光时得到的焦深扩展聚焦光斑与直接采用切向偏 振光聚焦得到的聚焦光斑沿光轴方向的光强分布对比图。图中光源1 ；偏振光转换器2 ；第一分光镜3 ；O/ π圆形位相板4 ；第二分光镜5 ；第一反 射镜6 ；第二反射镜7 ；消复色差聚焦透镜8 ；工作平面9。
具体实施例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所示的一种用于实现焦深扩展的装置，包括光源1、偏振光转换器2、第一 分光镜3、0/ π圆形位相板4、第二分光镜5、第一反射镜6、第二反射镜7和消复色差聚焦透 镜8，聚焦后得到的扩展焦深光斑出现在消复色差聚焦透镜8的工作平面9附近。其中，偏振光转换器2 为瑞典 ARCoptix 公司的 Radial-AzimuthalPolarization Converter,第一反射镜6和第二反射镜7为可以保持入射光与反射光偏振特性一致的金属 膜反射镜。由光源1发出准直平行的工作光束，再经过偏振转换器2转换为圆柱形偏振光。圆柱形偏振光可以为径向偏振光或者切向偏振光。径向偏振光的特点如图2(a) 所示，每点的偏振方向都是沿着径向方向，所有的偏振方向构成一个发散束。其中光束内的 每一点的光偏振方向(在X轴的光偏振方向Px、在y轴的光偏振方向Py、在ζ轴的光偏振 方向Pz)可由以下单位矩阵表示
权利要求
一种焦深扩展方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将由激光器发出的工作光束通过偏振转换器转换为圆柱形偏振光，再通过分光器分为两束，即第一分光光束和第二分光光束；其中，所述的圆柱形偏振光为径向偏振光或切向偏振光；(2)将所述的第一分光光束通过一个0/π位相板进行位相编码后，入射到一光学合束器件；(3)将所述的第二分光光束通过光学折转器件进行光路折转后，入射到步骤(2)中所述的光学合束器件，从所述的光学合束器件出射的光线为一合束的同轴光束；(4)将步骤(3)中得到的合束的同轴光束通过高数值孔径的消复色差聚焦透镜进行聚焦，在透镜的焦平面附近得到一个扩展焦深光斑，所述的高数值孔径为NA＝0.9～1.4。
2.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的第一分光光束与所述的第 二分光光束的光强之比为3 2。
3.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的圆柱形偏振光为径向偏振 光时，所述的0/π位相板的0/π位相延迟区域间分界线的半径是在0.83 0.85倍入瞳 半径。
4.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的圆柱形偏振光为切向偏振 光，所述的0/π位相板的0/π位相延迟区域间分界线的半径是在0.7 0. 72倍入瞳半径。
5.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的高数值孔径为NA= 1. 4。
6.一种用于实现焦深扩展的装置，其特征在于，包括用于产生准直入射工作光束的光源；用于将所述的入射工作光束转换为圆柱形偏振光的偏振转换器，所述的圆柱形偏振光 为径向偏振光或切向偏振光；用于将所述的圆柱形偏振光分光为第一分光光束和第二分光光束的分光器；用于将第一分光光束进行0/π位相编码的0/π圆形位相板；用于对第二分光光束进行光束折转的光学折转器件，由第一反射镜和第二反射镜构成；用于将经0/ π位相编码后的第一分光光束与经光学折转后的第二分光光束进行合束 的光学合束器件；和用于进行光束聚焦的消复色差聚焦透镜。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的第一反射镜和第二反射镜均为金属 膜反射镜。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的消复色差透镜为高数值孔径的消复 色差透镜，所述的高数值孔径为NA = 0. 9 1. 4。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的高数值孔径为NA= 1. 4。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的分光器将所述的圆柱形偏振光分光 为光强之比为32的第一分光光束和第二分光光束。
全文摘要
本发明公开了一种焦深扩展方法，包括将工作光束偏振转换为圆柱形偏振光并分光为两束；将其中一光束进行0～π位相编码后，与经过光学折转后的另一光束入射到同一光学合束器件形成合束的同轴光束，再经透镜聚焦后得到扩展焦深光斑。本发明还公开了一种扩展焦深的装置，包括光源、偏振光转换器、分光器、0/π位相板、光学折转器件、光学合束器件和消复色差聚焦透镜。该方法和装置对于特定类型的聚焦光斑焦深，利用相干光作为工作光束，节省了系统成本，增加了实用性；同时扩展后的聚焦斑的焦深增加两倍以上，光束质量也有提高，聚焦光斑可以达到系统本身的衍射极限以下，且扩展后的光强分布更均匀，更有利于实际应用。
文档编号G02B27/00GK101975992SQ20101029812
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者刘旭, 匡翠方, 库玉龙, 李旸晖, 王婷婷, 郝翔 申请人:浙江大学