超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置、光學(xué)模板及光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型適用于光學(xué)領(lǐng)域，公開了一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，包括光學(xué)模板及透鏡，二者間距等于透鏡的焦距，光學(xué)模板設(shè)有可對(duì)平行光進(jìn)行調(diào)整使其經(jīng)過(guò)透鏡后在透鏡的焦平面處形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的多個(gè)線形透光區(qū)，線形透光區(qū)并列排布且透過(guò)率和厚度均不同，多個(gè)線形透光區(qū)關(guān)于光學(xué)模板的中軸線對(duì)稱，超衍射極限的結(jié)構(gòu)光形成于透鏡的焦平面處的中間部位且呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。本實(shí)用新型的超衍射極限結(jié)構(gòu)光的空間頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光照明時(shí)最高分辨率僅為衍射極限一半的瓶頸，對(duì)結(jié)構(gòu)光照明顯微成像具有重要的意義。
【專利說(shuō)明】
超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置、光學(xué)模板及光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于光信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置、光學(xué)模板及光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，信息技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入納米時(shí)代，其中納米光學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展尤為重要，例如在納米光刻、納米成像和納米信息存儲(chǔ)等信息技術(shù)中，都有很重要的應(yīng)用。但是納米光學(xué)和光子學(xué)器件的最小特征尺寸和加工分辨率以及光學(xué)顯微成像的分辨率，都受限于光的衍射極限。根據(jù)阿貝提出的衍射極限理論，人們目前能做的就僅僅是設(shè)法使用更短波長(zhǎng)的光和更大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，但是現(xiàn)在看來(lái)波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑基本上已經(jīng)到了極限，還是滿足不了信息技術(shù)發(fā)展的需求。因此，突破衍射極限的研究十分必要，美國(guó)國(guó)會(huì)在2009年就提出，21世紀(jì)光學(xué)的五大研究計(jì)劃之首就是突破衍射極限，《Nature》列出的二十一世紀(jì)100個(gè)科學(xué)問題中也提到了超分辨問題，中國(guó)科學(xué)院2011年也提出了我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)超分辨技術(shù)的研究。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們都在為超越衍射極限而努力，產(chǎn)生了不少超分辨的方法。
[0003]結(jié)構(gòu)光照明顯微成像是目前應(yīng)用比較廣泛的方法之一，能夠較容易的實(shí)現(xiàn)寬場(chǎng)高時(shí)空分辨成像，但是該方法的分辨率極限是光學(xué)系統(tǒng)衍射極限的一半(非飽和條件下)，這一瓶頸一直影響著該方法的進(jìn)一步發(fā)展。因此，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，旨在獲取超衍射結(jié)構(gòu)光，突破結(jié)構(gòu)光成像的分辨率極限，提高光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。
[0005]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，包括光學(xué)模板及透鏡，所述光學(xué)模板與所述透鏡的間距等于所述透鏡的焦距，所述光學(xué)模板設(shè)有多個(gè)并列排布的透過(guò)率不同且厚度不同的線形透光區(qū)，多個(gè)所述線形透光區(qū)關(guān)于所述光學(xué)模板的平行于線形透光區(qū)的中軸線對(duì)稱分布，平行光穿過(guò)所述光學(xué)模板后形成第一透射光，所述第一透射光經(jīng)過(guò)所述透鏡后形成第二透射光，所述第二透射光在所述透鏡的焦平面處中間部位的低能量區(qū)域形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。
[0006]作為本實(shí)用新型的優(yōu)選技術(shù)方案:
[0007]所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的傅里葉頻譜成分為高于光學(xué)系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)頻率的部分。
[0008]所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的最小特征尺寸小于光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限。
[0009]所述光學(xué)模板為振幅加相位的調(diào)制板。
[0010]所述振幅加相位的調(diào)制板的表面設(shè)有用于形成所述線形透光區(qū)的線形鍍膜。
[0011]所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的周期受所述線形透光區(qū)的振幅和相位調(diào)制比例影響。
[0012]所述平行光為單色光或準(zhǔn)單色光。
[0013]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種光學(xué)模板，用于與透鏡組合構(gòu)成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，所述光學(xué)模板與所述透鏡的間距等于所述透鏡的焦距，所述光學(xué)模板設(shè)有可對(duì)平行光進(jìn)行調(diào)整使其經(jīng)過(guò)所述透鏡后在所述透鏡的焦平面處形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的多個(gè)線形透光區(qū)，所述多個(gè)線形透光區(qū)并列排布且透過(guò)率和厚度均不同，多個(gè)所述線形透光區(qū)關(guān)于所述光學(xué)模板的平行于線形透光區(qū)的中軸線對(duì)稱分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光形成于所述透鏡的焦平面處的中間部位，且呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。
[0014]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種光學(xué)系統(tǒng)，包括所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置。
[0015]本實(shí)用新型提供的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置采用光學(xué)模板對(duì)平行入射光進(jìn)行處理，并使之通過(guò)透鏡進(jìn)行傅里葉變換，在透鏡的焦平面的中間區(qū)域生成超衍射極限的正弦波形式的結(jié)構(gòu)光，該結(jié)構(gòu)光的空間頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率，使該結(jié)構(gòu)光用于結(jié)構(gòu)光照明顯微成像時(shí)，在其他條件相同的情況下，成像分辨率極限可以小于系統(tǒng)衍射極限的一半，即突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光照明時(shí)最高分辨率僅為衍射極限一半的瓶頸，對(duì)于結(jié)構(gòu)光照明顯微成像具有重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置的光學(xué)模板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的莫爾條紋示意圖；
[0019]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的樣品包含的空間頻率k、結(jié)構(gòu)光空間頻率k0和莫爾條紋對(duì)應(yīng)的空間頻率Km之間的矢量關(guān)系；
[0020]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的透鏡焦平面處的強(qiáng)度分布圖；
[0021]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的透鏡焦平面處的整個(gè)波形的頻譜成分；
[0022]圖7是圖5中橢圓形區(qū)域的傅里葉變換結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0024]請(qǐng)參考圖1，本實(shí)用新型提供一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，包括光學(xué)模板01及透鏡02，光學(xué)模板01與透鏡02的間距等于透鏡02的焦距f，如圖2所示，光學(xué)模板01設(shè)有多個(gè)并列排布的透過(guò)率不同且厚度不同的線形透光區(qū)011，多個(gè)線形透光區(qū)011關(guān)于光學(xué)模板01的中軸線L對(duì)稱分布，該中軸線L是指平行于線形透光區(qū)011的將光學(xué)模板01均分兩份的中軸線，該線形透光區(qū)011的不同透過(guò)率和不同厚度用以實(shí)現(xiàn)光的振幅加相位的調(diào)制，以改變?nèi)肷涔獾奶匦?。平行光S(單色或準(zhǔn)單色的平行光)穿過(guò)光學(xué)模板01后形成第一透射光，第一透射光經(jīng)過(guò)透鏡02的傅里葉變換后形成第二透射光，該第二透射光在透鏡02的焦平面處的形態(tài)如圖1所示，其中間部位的低能量區(qū)域形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光S’，該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。將該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光用于照明光進(jìn)行成像時(shí)，其分辨率可以突破光學(xué)系統(tǒng)衍射極限的一半。
[0025]在本實(shí)施例中，該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光S’的傅里葉頻譜成分為高于光學(xué)系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)頻率的部分，超振蕩光柵的特征尺寸和光柵區(qū)域的大小都可以通過(guò)設(shè)計(jì)透過(guò)率模板來(lái)調(diào)整，其最小特征尺寸小于光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，該特征尺寸是指結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度分布的最窄的峰的半高全寬，該光學(xué)系統(tǒng)則指代基于上述透鏡02的光學(xué)系統(tǒng)。
[0026]進(jìn)一步地，該光學(xué)模板01優(yōu)選為振幅加相位的調(diào)制板，其表面設(shè)有用于形成線形透光區(qū)011的線形鍍膜。超振蕩光柵的周期受線形透光區(qū)011的振幅和相位調(diào)制比例影響。多個(gè)線形鍍膜分為結(jié)構(gòu)和特性相同的兩部分，這兩部分左右對(duì)稱，每個(gè)線形鍍膜對(duì)應(yīng)一個(gè)頻帶。
[0027]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步對(duì)該裝置的工作原理進(jìn)行說(shuō)明，光波長(zhǎng)與系統(tǒng)數(shù)值孔徑?jīng)Q定了可以通過(guò)該系統(tǒng)的空間頻率帶寬，即在任何一個(gè)普通光學(xué)系統(tǒng)中，高于頻率限制的空間頻率成分都會(huì)被系統(tǒng)濾掉，從而導(dǎo)致成像系統(tǒng)分辨率受限。在結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法中，正是由于這一原因，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)光的最小可分辨尺寸受到限制，使得這一成像方法的分辨率極限為普通成像系統(tǒng)衍射極限的一半。
[0028]結(jié)構(gòu)光照明顯微成像本身就可以提高橫向空間分辨率，其原理可以用莫爾效應(yīng)來(lái)解釋。比如樣品所包含的某一空間頻率k(用光柵條紋表示)，在頻率為k0的結(jié)構(gòu)光照明條件下會(huì)產(chǎn)生莫爾效應(yīng)，即如圖3所示的莫爾條紋。它們之間的矢量關(guān)系可以用圖4表示，Km表示莫爾條紋對(duì)應(yīng)的空間頻率，由于照明光路和成像光路均受到系統(tǒng)衍射極限限制(對(duì)應(yīng)空間頻率kmax)，即k0〈 = kmax, km< = kmax，所以空間頻率k的最大值為2kmax，也就是說(shuō)分辨率最高可以達(dá)到衍射極限的一半。超衍射極限的結(jié)構(gòu)光用于照明，就是在局部實(shí)現(xiàn)k0>kmax，這樣空間頻率k就可以大于2kmax，也就是分辨率極限可以小于衍射極限的一半。
[0029]本實(shí)施例的裝置即是這樣一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其利用超振蕩現(xiàn)象，所謂超振蕩是指帶限函數(shù)可以任意快的振蕩在任意大的區(qū)間上，局部頻率超過(guò)其最大傅里葉變換分量，即上述的k0>kmax，該裝置可獲得利k0>kmax的結(jié)構(gòu)光，即超衍射極限的結(jié)構(gòu)光，并且該結(jié)構(gòu)光和傳統(tǒng)的涉及超振蕩的結(jié)構(gòu)光不同，其采用零點(diǎn)優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)出的超振蕩波形如圖5所示。圖5中所示為該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的強(qiáng)度分布，橢圓形區(qū)域中，各個(gè)零點(diǎn)距離相等，當(dāng)各個(gè)波峰的值近似相等時(shí)，這一局部波形便可以看成是正弦波形，并且這個(gè)波形是具有超衍射結(jié)構(gòu)的，其最小特征尺寸小于光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，可以稱之為超振蕩光柵。當(dāng)然，該波形可能不是嚴(yán)格的正弦波形，而是十分接近正弦波形的形態(tài)，可稱之為“準(zhǔn)正弦波”。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光成像的極限分辨率是衍射極限的一半，主要原因就是接收光路和照明光路都受到衍射極限限制，使用該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明就可以突破結(jié)構(gòu)光的最小可分辨尺寸限制，也就是分辨率極限可以小于衍射極限的一半。
[0030]圖5所示為透鏡02焦平面處的強(qiáng)度分布圖，橢圓形區(qū)域中為一正弦波形(其傅里葉頻譜中某一頻率占主要成分)，并且這個(gè)波形是具有超衍射結(jié)構(gòu)的，即它的主要頻率成分是大于上面提到的kmax的。圖6為透鏡02焦平面處整個(gè)波形的頻譜成分，其中兩側(cè)點(diǎn)劃線表示衍射極限所決定的最高頻率。圖7為橢圓形區(qū)域單獨(dú)做傅里葉變換的結(jié)果，實(shí)線表示等效的超振蕩光柵對(duì)應(yīng)的頻率，圖7證明橢圓形區(qū)域內(nèi)的波形確實(shí)是超衍射極限的，并且是某一頻率占主要成分的準(zhǔn)正弦光。該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光可以用作結(jié)構(gòu)光顯微成像，并且使分辨率極限可以小于衍射極限的一半。
[0031]本實(shí)用新型實(shí)施例提供的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置采用光學(xué)模板01對(duì)平行入射光進(jìn)行處理，并使之通過(guò)透鏡02進(jìn)行傅里葉變換，在透鏡02的焦平面的中間區(qū)域生成超衍射極限的正弦波形式的結(jié)構(gòu)光，該結(jié)構(gòu)光的空間頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率，使該結(jié)構(gòu)光用于結(jié)構(gòu)光照明顯微成像時(shí)，在其他條件相同的情況下，成像分辨率極限可以小于系統(tǒng)衍射極限的一半，即突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光照明時(shí)最高分辨率僅為衍射極限一半的瓶頸，并且由于其是正弦光或準(zhǔn)正弦光，沒有較強(qiáng)的旁瓣，使光學(xué)系統(tǒng)在接收端具有較佳的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。
[0032]本實(shí)用新型實(shí)施例中采用的光學(xué)模板01是生成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的主要光學(xué)部件，具有上述結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)特征的光學(xué)模板01也在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，采用上述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置的光學(xué)系統(tǒng)也在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0033]本實(shí)用新型進(jìn)一步提供一種超衍射極限結(jié)構(gòu)光的獲取方法，其包括下述步驟:
[0034]首先，使平行光穿過(guò)光學(xué)模板01，形成第一透射光，該光學(xué)模板01具有上述光學(xué)模板01的結(jié)構(gòu)，即設(shè)有多個(gè)并列排布的透過(guò)率且厚度不同的線形透光區(qū)011，多個(gè)線形透光區(qū)011關(guān)于光學(xué)模板01的平行于線形透光區(qū)011的中軸線對(duì)稱分布；
[0035]然后，使第一透射光經(jīng)過(guò)距離光學(xué)模板01—倍焦距的透鏡02，形成第二透射光，第二透射光于透鏡02的焦平面處的中間部位形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光，超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的光強(qiáng)度分布呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。
[0036]本實(shí)施例中，該超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的區(qū)域大小決定了最終結(jié)構(gòu)光成像的視場(chǎng)大小，實(shí)際可以根據(jù)要求調(diào)整。
[0037]該方法是基于本實(shí)用新型提供的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置所實(shí)施的，其原理和效果同上所述，本實(shí)施例不再重復(fù)說(shuō)明。
[0038]以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，包括光學(xué)模板及透鏡，所述光學(xué)模板與所述透鏡的間距等于所述透鏡的焦距，所述光學(xué)模板設(shè)有可對(duì)平行光進(jìn)行調(diào)整使其經(jīng)過(guò)所述透鏡后在所述透鏡的焦平面處形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的多個(gè)線形透光區(qū)，所述多個(gè)線形透光區(qū)并列排布且透過(guò)率和厚度均不同，多個(gè)所述線形透光區(qū)關(guān)于所述光學(xué)模板的平行于線形透光區(qū)的中軸線對(duì)稱分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光形成于所述透鏡的焦平面處的中間部位，且呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。2.如權(quán)利要求1所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的傅里葉頻譜成分為高于光學(xué)系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)頻率的部分。3.如權(quán)利要求1所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的最小特征尺寸小于光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限。4.如權(quán)利要求1所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，所述光學(xué)模板為振幅加相位的調(diào)制板。5.如權(quán)利要求4所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，所述振幅加相位的調(diào)制板的表面設(shè)有用于形成所述線形透光區(qū)的線形鍍膜。6.如權(quán)利要求1所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的周期受所述線形透光區(qū)的振幅和相位調(diào)制比例影響。7.如權(quán)利要求1所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，其特征在于，所述平行光為單色光或準(zhǔn)單色光。8.—種光學(xué)模板，其特征在于，用于與透鏡組合構(gòu)成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置，所述光學(xué)模板與所述透鏡的間距等于所述透鏡的焦距，所述光學(xué)模板設(shè)有可對(duì)平行光進(jìn)行調(diào)整使其經(jīng)過(guò)所述透鏡后在所述透鏡的焦平面處形成超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的多個(gè)線形透光區(qū)，所述多個(gè)線形透光區(qū)并列排布且透過(guò)率和厚度均不同，多個(gè)所述線形透光區(qū)關(guān)于所述光學(xué)模板的平行于線形透光區(qū)的中軸線對(duì)稱分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光形成于所述透鏡的焦平面處的中間部位，且呈現(xiàn)為正弦波狀態(tài)的超振蕩光柵狀強(qiáng)度分布，所述超衍射極限的結(jié)構(gòu)光的頻率大于系統(tǒng)衍射極限對(duì)應(yīng)的空間頻率。9.一種光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1?8任一項(xiàng)所述的超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明裝置。
【文檔編號(hào)】G02B21/06GK205450432SQ201620076089
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年1月26日
【發(fā)明人】霍英東, 陳丹妮, 于斌, 牛憨笨, 曹博, 劉云川
【申請(qǐng)人】深圳大學(xué)