[发明专利]基于位相与偏振的焦深扩展的方法和装置

说明书

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匀，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；

即，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，0/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，0/π位相板对径向偏振光进行位相编码，0/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，0/π位相板对切向偏振光进行位相编码，0/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。

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。