專利名稱：電控超分辨光瞳濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電控超分辨光瞳濾波器。該發(fā)明主要用于天文學(xué)、圖像處理、共焦掃描成像、光存儲(chǔ)、激光打印等技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)獲得的擴(kuò)展焦深使其可應(yīng)用在顯微鏡成像、光學(xué)校準(zhǔn)及層析成像等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)超分辨與軸向擴(kuò)展焦深兩種效應(yīng)都已被各自獨(dú)立地進(jìn)行了廣泛深入的研究。超分辨技術(shù)為超越經(jīng)典的衍射極限提供了一種方法，其中應(yīng)用超分辨的光瞳濾波器是目前實(shí)現(xiàn)光學(xué)超分辨的主要方法，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)超分辨光瞳濾波器的方法是相位板設(shè)計(jì)。近年來，借助偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超分辨的方法受到廣泛關(guān)注。另一方面，由于擴(kuò)展焦深在顯微鏡成像、光學(xué)校準(zhǔn)及層析成像等應(yīng)用領(lǐng)域的研究相繼展開，通過偏振效應(yīng)獲得擴(kuò)展焦深的研究也正受到關(guān)注。
在先技術(shù)[1](參見Andrew I.Whiting，“Polarization-AssistedTransverse and Axial Optical Superresolution”，Opt.Express，11(5)1714-1723，2003)是一種利用偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)超分辨的技術(shù)。該技術(shù)利用了兩束共軸的正交偏振光的疊加，當(dāng)兩束光具有不同的空間分布時(shí)，疊加后的偏振態(tài)會(huì)隨空間位置的變化而變化(戈尤相移)，從而引起隨空間位置變化光強(qiáng)的重新分布，導(dǎo)致焦點(diǎn)附近對焦斑的徑向與軸向的限制，從而得到了橫向與軸向超分辨。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于超分辨性能參數(shù)不可調(diào)，并且受光源波動(dòng)的影響很大。
在先技術(shù)[2](參見S.Sanyal，“Imaging characteristics of birefringencelenses under focused and defocused condition”，Optik，110(11)513-510，1999)與在先技術(shù)[3](參見Maojin Yun，Liren Liu，Jianfeng Sun，“Transverse or axial superresolution with radial birefringent filter”，J.Opt.Soc.Am.A，21(10)1869-1874，2004)都利用了雙折射晶體來實(shí)現(xiàn)光學(xué)超分辨。其中，技術(shù)[2]中提到對雙折射透鏡參數(shù)選取不同值(包括雙折射率與透鏡中心厚度)，可以用來實(shí)現(xiàn)橫向超分辨；技術(shù)[3]中利用的是特定的徑向?qū)ΨQ雙折射元件(單面透鏡，中心與邊緣晶體厚度之差滿足正交偏振分量延遲量之差相差半個(gè)波長)，放在透射光軸相平行的兩偏光鏡之間，旋轉(zhuǎn)徑向雙折射元件的方位角(由其光軸方向決定)，不同角度下，可以分別獲得橫向超分辨或者軸向超分辨。
在先技術(shù)[4](參見S.Sanyal and A.Ghosh，“High focal depth with aquasi-bifocus birefringent lens”，App.Opt.，39(14)2321-2325，2000)提出了在特定雙折射透鏡參數(shù)(透鏡中心厚度α＝0.3142λ或0.6044λ)下獲得大的焦深。但是如此精確的透鏡參數(shù)在實(shí)際中很難控制；在先技術(shù)[5](參見Xinping Liu，Xianyang Cai，Shoude Chang，“Chander P.GroverCemented doublet lens with an extended focal depth”，Opt.Express.，13(2)552-557，2005)提出了一種雙折射透鏡與傳統(tǒng)透鏡膠結(jié)到一起的復(fù)合透鏡，通過選擇合適的雙折射透鏡與傳統(tǒng)透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也獲得了擴(kuò)展焦深。
技術(shù)[2][3][4]對雙折射透鏡參數(shù)的要求非常嚴(yán)格，嚴(yán)重限制了該技術(shù)的應(yīng)用。與以上技術(shù)相比，[5]中對雙折射透鏡參數(shù)要求的嚴(yán)格性有所降低，但由于是一種很復(fù)雜的復(fù)合透鏡結(jié)構(gòu)，實(shí)際中制作時(shí)需要極為特殊的匹配條件和嚴(yán)格的制作工藝。以上的光瞳濾波器的超分辨參數(shù)都不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因而也使其應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種電控超分辨光瞳濾波器。該光瞳濾波器不但可以方便的實(shí)現(xiàn)橫向超分辨參數(shù)的控制，而且特定電場下可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)橫向超分辨與軸向擴(kuò)展焦深。還可以精確控制焦點(diǎn)附近光強(qiáng)分布。
本發(fā)明的基本思想是通過電光晶體的調(diào)制控制兩偏振分量的縱向上的位相差，通過徑向雙折射元件控制該位相差在橫向上的分布，不同偏振態(tài)的光在空間的疊加會(huì)使得空間光強(qiáng)按一定規(guī)律分布。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于它由起偏器、電光晶體、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體和檢偏器組成，所述的電光晶體和徑向?qū)ΨQ雙折射晶體置于起偏器和檢偏器之間，所述的起偏器與檢偏器的透光軸平行；所述的電光晶體的方位角依據(jù)電感應(yīng)主軸的方位確定，電感應(yīng)慢軸與起偏器的透光軸的夾角為θ＝45°或135°，徑向?qū)ΨQ雙折射晶體的慢軸方向與電光晶體的慢軸方向一致，電光晶體之外加電場大小根據(jù)電光晶體的半波電壓確定，電壓變化范圍為零至2倍的半波電壓之間。
所述的電控超分辨光瞳濾波器的構(gòu)成是沿光傳播方向依次的起偏器、電光晶體、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體和檢偏器，也可改為沿光傳播方向依次的起偏器、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體、電光晶體和檢偏器。
所述的起偏器和檢偏器為冰洲石制作的格蘭-泰勒棱鏡或其他類型的偏光鏡、偏振片。
所述的電光晶體選用LiNbO3或其他具有Pockels效應(yīng)的電光晶體，電光晶體利用的是LiNbO3電光系數(shù)γ22的橫向電光效應(yīng)，若采用其他晶體則根據(jù)其晶類確定利用橫向電光效應(yīng)或者縱向電光效應(yīng)。
所述的徑向?qū)ΨQ雙折射晶體為石英晶體或者其他類型的單軸晶體。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，具有如下突出的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)(1)實(shí)現(xiàn)了橫向超分辨性能參數(shù)(G和S)的實(shí)時(shí)控制，透射率的連續(xù)變化通過外加電場實(shí)現(xiàn)；(2)在不改變原徑向?qū)ΨQ雙折射晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，獲得了軸向上的擴(kuò)展焦深，并同時(shí)可獲得橫向超分辨；(3)由于徑向?qū)ΨQ雙折射晶體的中心處位相延遲，可通過電光晶體的電光位相延遲來調(diào)整，因此對對其制作過程要求不甚嚴(yán)格，更有利于實(shí)際應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明中電控超分辨光瞳濾波器具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明中電光晶體與徑向?qū)ΨQ雙折射晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖2-1是電光晶體2的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖2-2是徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖3是本發(fā)明中橫向超分辨因子G和S隨電光位相延遲的變化曲線圖4是本發(fā)明中電光位相延遲區(qū)域I與∏內(nèi)橫向超分辨的電控實(shí)現(xiàn)圖4-1是區(qū)域I內(nèi)Γ＝π/3，π/4，π/6，π/12，0時(shí)橫向光強(qiáng)分布圖4-2是區(qū)域∏內(nèi)Γ＝7π/4，11π/6，46π/24，2π時(shí)橫向光強(qiáng)分布圖5是本發(fā)明中電光位相延遲區(qū)域III內(nèi)軸向擴(kuò)展焦深與橫向超分辨的實(shí)現(xiàn)圖5-1是區(qū)域III內(nèi)焦深隨電光位相延遲的變化圖5-2是Γ＝58π/32時(shí)離焦面上的光強(qiáng)分布具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明中電控超分辨光瞳濾波器一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明電控超分辨光瞳濾波器實(shí)施例是由沿光傳播方向依次的起偏器1、電光晶體2、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3和檢偏器4組成的，所述的電光晶體2和徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3置于起偏器1和檢偏器4之間，所述的起偏器1與檢偏器4的透光軸平行；所述的電光晶體2的方位角依據(jù)電感應(yīng)主軸的方位確定，電感應(yīng)慢軸與起偏器1的透光軸的夾角為θ＝45°或135°，徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3的慢軸方向與電光晶體2的慢軸方向一致，電光晶體2之外加電場大小根據(jù)電光晶體的半波電壓確定，電壓變化范圍為零至2倍的半波電壓之間。
所述的起偏器1和檢偏器4為冰洲石制作的格蘭-泰勒棱鏡或其他類型的偏光鏡、偏振片。
所述的電光晶體2選用LiNbO3或其他具有Pockels效應(yīng)的電光晶體，電光晶體2利用的是LiNbO3電光系數(shù)γ22的橫向電光效應(yīng)，若采用其他晶體則根據(jù)其晶類確定利用橫向電光效應(yīng)或者縱向電光效應(yīng)。
所述的徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3為石英晶體或者其他類型的單軸晶體。
為敘述方便在圖1中作如下規(guī)定坐標(biāo)系為xyz；起偏器1的透光軸方向沿y軸方向；電光晶體2依照原始光軸方向與光傳播方向z平行放置；徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3為單軸晶體，其光軸在垂直于光傳播方向z的平面內(nèi)；檢偏器4的透光軸方向沿y軸方向，與起偏器1的透光軸方向一致。
起偏器1的作用是使得輸入光波為嚴(yán)格的線偏振光；檢偏器4的作用的一方面使出射光為線偏振光，另一方面使光波分量在透光軸方向上進(jìn)行干涉。電光晶體2采用具有線形電光效應(yīng)的單軸晶體，它的作用是通過外加電場對通過的光進(jìn)行調(diào)制，改變兩偏振分量的位相差；徑向雙折射晶體3是單軸晶體，光軸在橫向截面內(nèi)，采用中心半波延遲結(jié)構(gòu)，如圖2-2所示d0是中心處厚度，中心處對入射光起到半波延遲的作用(實(shí)際上是多個(gè)整數(shù)倍波長和一個(gè)半波長的整體延遲效果)；邊緣ρ0處厚度為dp0，與中心的延遲量之差為半個(gè)波長，即延遲量為整數(shù)倍的波長，本發(fā)明中取此倍數(shù)m＝50。
該技術(shù)方案所依據(jù)的光學(xué)原理如下對電光晶體2的電致雙折射分析如下(以LiNbO3晶體為例)光軸沿z軸方向，電場加在xy平面內(nèi)且沿x方向(晶體晶軸之一)，加電場后，光波通過電光晶體2的位相差為Γ=2πno3γ22lVλd=kV---(1)]]>n0晶體中常光折射率；γ22晶體電光系數(shù)；1/d晶體z向長度與x向厚度之比。其瓊斯矩陣為B=cosΓ2+isinΓ2+cos2θisinΓ2sin2θisinΓ2sin2θcosΓ2-isinΓ2cos2θ.]]>從電光晶體2出射的光入射到徑向?qū)ΨQ雙折射晶體3。隨徑向雙折射晶體3從中心到邊緣厚度的增加，入射光的偏振分量位相延遲量也相應(yīng)增大。從中心到邊緣處，兩偏振分量的位相延遲差的變化為入射光波長的一半，即λ/2。其瓊斯矩陣為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.]]>此處δ(ρ)=2πΔnλ(d0+ρ22R)]]>是橫向截面上半徑ρ處兩個(gè)偏振分量的位相差，d0是中心處厚度，R是曲率半徑。
設(shè)入射平行光的光矢量 由瓊斯理論可得到光瞳函數(shù)P(ρ,Γ,θ)=cosδ(ρ)+Γ2+isinδ(ρ)+Γ2cos2θ---(2)]]>設(shè)觀察平面上徑向與軸向坐標(biāo)為v=2πλsinαx2+y2,u=2πλzsin2α,]]>其中sinα是系統(tǒng)數(shù)值孔徑，在θ＝45°(或135°)時(shí)，橫向v與軸向u上光強(qiáng)分布分別為
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]]>相距焦點(diǎn)Δu距離的離焦面上的光強(qiáng)分布為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是電致位相延遲Γ的函數(shù)，電光晶體的引入實(shí)際上起到改變徑向元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的作用，給出了如何實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)附近光強(qiáng)的重新分布的方法。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下定義超分辨性能參數(shù)G為光瞳濾波器濾波后與未濾波的愛里斑衍射方式時(shí)系統(tǒng)的光強(qiáng)第一零點(diǎn)位置比，斯特爾比S為相應(yīng)的有光瞳濾波器時(shí)和愛里斑衍射時(shí)系統(tǒng)的主瓣強(qiáng)度之比。圖3是光瞳濾波器的橫向超分辨因子G與S隨電光相位延遲Γ的變化，其中標(biāo)出了不同Γ區(qū)域?qū)?yīng)不同的橫向光強(qiáng)分布特性區(qū)域。圖中區(qū)域I(0≤Γ≤π/2)與區(qū)域II(7π/4≤?！?π)對應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)橫向超分辨的區(qū)域。區(qū)域III(7π/4≤?！?0π/32)包含在區(qū)域II內(nèi)，對應(yīng)同時(shí)可實(shí)現(xiàn)軸向焦深擴(kuò)展的區(qū)域。
橫向超分辨性能參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。圖4分別給出了I與II兩區(qū)域內(nèi)的橫向光強(qiáng)分布，0為未加光瞳濾波器的光強(qiáng)分布。圖4-1中，I區(qū)域內(nèi)取電光位相延遲Γ＝0，π/12，π/6，π/4，π/3，G在0.81～0.92間變化，S在0.4～0.75間變化；圖4-2中，II區(qū)域內(nèi)取Γ＝7π/4，11π/6，46π/24，2π，G在0.66～0.81間變化，S在0.12～0.40間變化。兩個(gè)電光位相延遲區(qū)域內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了橫向的超分辨。在以上區(qū)域內(nèi)可通過外加電場來調(diào)整橫向光強(qiáng)分布特性，對G和S實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
軸向擴(kuò)展焦深的實(shí)現(xiàn)。定義光強(qiáng)峰值時(shí)變化量不超過10％的軸向距離為焦深的大小。圖5-1與圖5-2分別對應(yīng)圖3中區(qū)域III內(nèi)Γ＝58π/32附近區(qū)域內(nèi)的軸向和橫向光強(qiáng)歸一化分布特性。圖5-1中，在區(qū)域III內(nèi)，取Γ＝57π/32，58π/32，59π/32時(shí)得到軸向光強(qiáng)分布，0為未濾波的軸向光強(qiáng)分布，可看出濾波后經(jīng)擴(kuò)展后的焦深約是濾波前焦深的2.60倍，且在Γ＝58π/32時(shí)具有最佳的擴(kuò)展焦深；圖5-2是在擴(kuò)展焦深范圍內(nèi)離焦面上的橫向光強(qiáng)分布，其中離焦距分別取Δu＝0，0.5，1.2，在Γ＝58π/32時(shí)，整個(gè)焦深范圍內(nèi)都獲得了橫向超分辨。因而，在Γ＝58π/32時(shí)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸向擴(kuò)展焦深與橫向超分辨。
實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了橫向超分辨性能參數(shù)(G和S)的實(shí)時(shí)控制，透射率的連續(xù)變化通過外加電場實(shí)現(xiàn)；在不改變原徑向?qū)ΨQ雙折射晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，獲得了軸向上的擴(kuò)展焦深，并同時(shí)可獲得橫向超分辨；由于徑向?qū)ΨQ雙折射晶體的中心處位相延遲，可通過電光晶體的電光位相延遲來調(diào)整，因此對其制作過程要求不甚嚴(yán)格，更有利于實(shí)際應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于它由起偏器(1)、電光晶體(2)、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體(3)和檢偏器(4)組成，所述的電光晶體(2)和徑向?qū)ΨQ雙折射晶體(3)置于起偏器(1)和檢偏器(4)之間，所述的起偏器(1)與檢偏器(4)的透光軸平行；所述的電光晶體(2)的方位角依據(jù)電感應(yīng)主軸的方位確定，電感應(yīng)慢軸與起偏器(1)的透光軸的夾角為θ＝45°或135°，徑向?qū)ΨQ雙折射晶體(3)的慢軸方向與電光晶體(2)的慢軸方向一致，電光晶體(2)之外加電場大小根據(jù)電光晶體的半波電壓確定，電壓變化范圍為零至2倍的半波電壓之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于其構(gòu)成是沿光傳播方向依次的起偏器(1)、電光晶體(2)、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體(3)和檢偏器(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于其構(gòu)成為沿光傳播方向依次是起偏器(1)、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體(3)、電光晶體(2)和檢偏器(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于所述的起偏器(1)和檢偏器(4)為冰洲石制作的格蘭-泰勒棱鏡或其他類型的偏光鏡、偏振片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于所述的電光晶體(2)選用LiNbO3或其他具有Pockels效應(yīng)的電光晶體，電光晶體(2)利用的是LiNbO3電光系數(shù)γ22的橫向電光效應(yīng)，若采用其他晶體則根據(jù)其晶類確定利用橫向電光效應(yīng)或者縱向電光效應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控超分辨光瞳濾波器，其特征在于所述的徑向?qū)ΨQ雙折射晶體(3)為石英晶體或者其他類型的單軸晶體。
全文摘要
一種電控超分辨光瞳濾波器，由起偏器、電光晶體、徑向?qū)ΨQ雙折射晶體和檢偏器組成，所述的電光晶體和徑向?qū)ΨQ雙折射晶體置于起偏器和檢偏器之間，所述的起偏器與檢偏器的透光軸平行；所述的電光晶體的方位角依據(jù)電感應(yīng)主軸的方位確定，電感應(yīng)慢軸與起偏器的透光軸的夾角為 θ＝45°或135°，徑向?qū)ΨQ雙折射晶體的慢軸方向與電光晶體的慢軸方向一致。本發(fā)明通過對電光晶體進(jìn)行電光調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)橫向超分辨性能參數(shù)的實(shí)時(shí)控制與軸向焦深的擴(kuò)展。
文檔編號G02F1/03GK1834730SQ20061002448
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者王吉明, 劉立人, 趙棟, 郎海濤, 潘衛(wèi)清, 鄧紹更 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所