[发明专利]基于单一物镜的聚焦光学系统

说明书

技术领域

本发明属于应用光学技术领域，涉及一种控制焦点位置的方法，尤其涉及一种利用相位板控制焦点沿光轴位置方法；主要用于光学显微成像、超分辨、微粒控制等技术领域。

背景技术

光束经物镜聚焦之后，其波前相位及振幅信息极大地影响着焦点区域光场分布，特别是随着物镜的数值孔径变化，其影响也越为显著。通过调节入射光波的波前相位及振幅信息，在焦点区域呈现出特殊性质，并已经广泛应用于光信息存储、光学显微、平版印刷术、激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。

在共焦显微成像方面，由于需要对生物样品进行三维成像，所以需要精确控制焦点在不同样品层上扫描，到目前为此，这种功能的实现仅采用纯机械的方法，即采用平台或物镜沿光轴移动，以此达到光斑在不同样品层上扫描。然而，这存在几点不足，其一，机械运动难免会引入机械误差；其二，采用平台或物镜沿光轴移动等机械运动不利于提高成像的速度。通过采用光学的方法可克服以上两点不足，Shaohui Yan等人在4pi光学系统中通过利用特殊的复合型光瞳滤波器可以使入射光束为径向偏振光的聚焦光斑沿光轴自由移动【参见文献“Shifting the spherical focus of a 4Pi focusing system”Optics Express.19(2),673-678(2011).】。而且通过后续的研究中，该研究人员在相同的光学系统中采用不同的光瞳滤波器让光斑可以在焦点区域三维移动。然而，以上两个方法存在三个不足之处：第一，该方法只针对入射光为径向偏振光聚焦之后的光斑，对于其他偏振态的光束不起作用；第二，在4pi光学系统中实现光斑移动，增加了光路调节的难度，降低了实验的灵活性，同时限制了该方法的应用范围；第三，光斑的位置不能简单的通过改变光瞳滤器的某个参数来实现控制，必需重新计算该光瞳滤波器的透过率，这不利于对焦点的连续控制。

发明内容

针对上述问题的不足，提供一种利用特殊相位板控制焦点沿光轴位置的方法，具有光学系统简单，光路调节比较简单，可对任意偏振光聚焦后的光斑在光轴上连续移动，光斑移动范围大的特点。

本发明为了实现上述目的，可以使用以下方案：

本发明提供了一种基于单一物镜的聚焦光学系统，可以利用特殊相位板控制焦点沿光轴位置上移动，其特征在于，具有：可调扩束镜；具有相位沿径向线性分布的相位板；以及物镜；其中，光束依次通过可调扩束镜、相位板和物镜，光束入射到可调扩束镜后，从可调扩束镜出射的光束为平行偏振光束，平行偏振光束经过相位板后，平行偏振光束的相位沿径向线性分布，从相位板出射的光束通过物镜聚焦得到焦点，通过调节相位板的线性相位参数，实现焦点沿光轴的移动，可调扩束镜、相位板与物镜共有一个中心轴。

本发明涉及的聚焦光学系统，相位板对入射光束的透过率为exp[i(mθ+θ₀)]，m为沿径向线性分布的相位板的线性相位参数，θ为光束从物镜出射以后的会聚角，θ₀为沿径向线性分布的相位板的相位变化的初始位置，θ的变化范围为[0,asin(NA/n)]，NA为物镜的孔径数值，n为物镜的像空间的折射率。

另外，相位板的线性相位参数的调节，是通过调节相位型空间光调节编码实现的。

发明效果与作用

综上所述，本发明基于单一物镜聚焦光学系统，入射光束经具有相位沿径向线性分布的特殊相位板调制后，由物镜聚焦，其焦点的位置可简单通过调节该特殊相位板的线性相位参数在光轴上自由移动。加入了具有相位沿径向线性分布的相位板之后，所有光束到沿光轴上某一点的光程相同，使得入射光束可以为任意偏振态光束，且对任意数值孔径的物镜均有效。此外，本方法避免了采用4pi双物镜聚焦光学系统，仅需要采用单一物镜聚焦光学系统就能达到焦点沿光轴自由移动，降低了光路的调节难度，极大地提高了实验及应用的灵活性和可操作性。

附图说明

图1是本发明实施例聚焦光学系统示意图。

图2是本发明实施例在θ₀=0时特殊相位板示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

图1为本发明实施例聚焦光学系统示意图。