[發明專利]基于單一物鏡的聚焦光學系統

有效

• 申請號: 201310225239.4
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103424879A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 翁曉羽;郭漢明;王小亞;譚志華;莊松林
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02B27/09
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

技術領域

本發明屬于應用光學技術領域，涉及一種控制焦點位置的方法，尤其涉及一種利用相位板控制焦點沿光軸位置方法；主要用于光學顯微成像、超分辨、微粒控制等技術領域。

背景技術

光束經物鏡聚焦之后，其波前相位及振幅信息極大地影響著焦點區域光場分布，特別是隨著物鏡的數值孔徑變化，其影響也越為顯著。通過調節入射光波的波前相位及振幅信息，在焦點區域呈現出特殊性質，并已經廣泛應用于光信息存儲、光學顯微、平版印刷術、激光加工、光學微操縱、超分辨、光與物質相互作用等光學系統。

在共焦顯微成像方面，由于需要對生物樣品進行三維成像，所以需要精確控制焦點在不同樣品層上掃描，到目前為此，這種功能的實現僅采用純機械的方法，即采用平臺或物鏡沿光軸移動，以此達到光斑在不同樣品層上掃描。然而，這存在幾點不足，其一，機械運動難免會引入機械誤差；其二，采用平臺或物鏡沿光軸移動等機械運動不利于提高成像的速度。通過采用光學的方法可克服以上兩點不足，Shaohui?Yan等人在4pi光學系統中通過利用特殊的復合型光瞳濾波器可以使入射光束為徑向偏振光的聚焦光斑沿光軸自由移動【參見文獻“Shifting?the?spherical?focus?of?a?4Pi?focusing?system”Optics?Express.19(2),673-678(2011).】。而且通過后續的研究中，該研究人員在相同的光學系統中采用不同的光瞳濾波器讓光斑可以在焦點區域三維移動。然而，以上兩個方法存在三個不足之處：第一，該方法只針對入射光為徑向偏振光聚焦之后的光斑，對于其他偏振態的光束不起作用；第二，在4pi光學系統中實現光斑移動，增加了光路調節的難度，降低了實驗的靈活性，同時限制了該方法的應用范圍；第三，光斑的位置不能簡單的通過改變光瞳濾器的某個參數來實現控制，必需重新計算該光瞳濾波器的透過率，這不利于對焦點的連續控制。

發明內容

針對上述問題的不足，提供一種利用特殊相位板控制焦點沿光軸位置的方法，具有光學系統簡單，光路調節比較簡單，可對任意偏振光聚焦后的光斑在光軸上連續移動，光斑移動范圍大的特點。

本發明為了實現上述目的，可以使用以下方案：

本發明提供了一種基于單一物鏡的聚焦光學系統，可以利用特殊相位板控制焦點沿光軸位置上移動，其特征在于，具有：可調擴束鏡；具有相位沿徑向線性分布的相位板；以及物鏡；其中，光束依次通過可調擴束鏡、相位板和物鏡，光束入射到可調擴束鏡后，從可調擴束鏡出射的光束為平行偏振光束，平行偏振光束經過相位板后，平行偏振光束的相位沿徑向線性分布，從相位板出射的光束通過物鏡聚焦得到焦點，通過調節相位板的線性相位參數，實現焦點沿光軸的移動，可調擴束鏡、相位板與物鏡共有一個中心軸。

本發明涉及的聚焦光學系統，相位板對入射光束的透過率為exp[i(mθ+θ₀)]，m為沿徑向線性分布的相位板的線性相位參數，θ為光束從物鏡出射以后的會聚角，θ₀為沿徑向線性分布的相位板的相位變化的初始位置，θ的變化范圍為[0,asin(NA/n)]，NA為物鏡的孔徑數值，n為物鏡的像空間的折射率。

另外，相位板的線性相位參數的調節，是通過調節相位型空間光調節編碼實現的。

發明效果與作用

綜上所述，本發明基于單一物鏡聚焦光學系統，入射光束經具有相位沿徑向線性分布的特殊相位板調制后，由物鏡聚焦，其焦點的位置可簡單通過調節該特殊相位板的線性相位參數在光軸上自由移動。加入了具有相位沿徑向線性分布的相位板之后，所有光束到沿光軸上某一點的光程相同，使得入射光束可以為任意偏振態光束，且對任意數值孔徑的物鏡均有效。此外，本方法避免了采用4pi雙物鏡聚焦光學系統，僅需要采用單一物鏡聚焦光學系統就能達到焦點沿光軸自由移動，降低了光路的調節難度，極大地提高了實驗及應用的靈活性和可操作性。

附圖說明

圖1是本發明實施例聚焦光學系統示意圖。

圖2是本發明實施例在θ₀=0時特殊相位板示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。

圖1為本發明實施例聚焦光學系統示意圖。