[发明专利]用于测量超出衍射极限的双折射装置的光学剪切的方法和系统

说明书

直接测量穿过具有超出衍射极限的分辨率的双折射装置(212)的光束的光学剪切角和横向位移的方法和系统。用于测量剪切角的系统包括照射模块(310)、偏振控制单元(209)或偏振器(309)、所述双折射装置(212)、透镜模块(215)和用于记录光强度分布的数据获取模块(218)。当使用偏振控制单元(209)时，控制来自照射模块(310)的输入光束(201)的偏振，使得可以在不同的帧处分别记录具有正交偏振的两个光点(206，207)。当使用偏振器(309)时，在具有来自照射模块(310)的输入光束(201)的混合偏振的情况下，偏振器(309)被放置在数据获取模块(218)前方以在不同的帧处分别记录具有正交偏振的两个光点(206，207)。然后应用定位分析确定具有垂直偏振的两个光点(206，207)的中心位置，并且计算横向剪切光束之间的剪切角/位移的值。该方法能够解决剪切角/位移超出光衍射极限的问题。

技术领域

本公开内容涉及双折射装置的光学剪切的光学表征。

背景技术

双折射晶体或棱镜可以用于将入射光分成沿不同方向或者偏移某一横向位移的两个正交偏振束。图1示出了这种装置的示意图。在图1A中，输入光线101入射至双折射装置102并且在剪切面103处被分成两束(104和105)，104和105有具有剪切角ε的正交偏振(P₊和P_-)。在图1B中，输入光线106入射至双折射装置107并且在剪切面108处被分成两束平行光线(109和110)，109和110有具有横向剪切位移S的正交偏振(P₊和P_-)。这种装置的示例是诺马斯基(Nomarski)棱镜，其由与不同的光轴对准的两个双折射晶体楔镜组成。诺马斯基棱镜是微分干涉差(DIC)显微镜的关键部件。对于DIC显微镜中使用的棱镜，剪切角通常约为10^-5rad或甚至更小。虽然该剪切角对DIC显微镜的空间分辨率、对比度和深度来说至关重要，但是商业制造商通常不提供任何此类信息。对无标记生物成像和表面形貌的日益关注推动了定量DIC显微镜学的发展，这需要准确确定棱镜的光束剪切参数。然而，目前仅提出并证明了间接的方法，例如使用经校准的样本或者标准光楔、双聚焦荧光相关光谱、空间干涉和延迟导数。这些测量要求复杂的设置和数据分析。

考虑波长为λ且直径为D的准直单色光束(例如，激光)穿过双折射棱镜。输出是沿着以小角度ε分开的方向传播的两个正交偏振光束。受光的衍射效应的限制，剪切角必须大于光束的衍射角，即使得可以在空间上分辨剪切光束。该条件表明如果想要直接测量具有小剪切角的散射光束的间隔，则需要足够大的入射光束(即)。例如，在λ＝400nm并且剪切角ε＝10μrad(μrad＝10^-6rad)的典型配置中，所需的光束大小应当大于或等于5cm。然而，大多数双折射装置的大小远小于5cm，这阻碍了直接方法在该领域的发展。

对于测量横向位移，如果位移S小于或等于衍射极限其中n是折射率，使用直接方法也不可行。

在本发明中，通过应用定位分析重新考虑对双折射装置的光学剪切的直接空间测量，其能够精确地确定超出衍射极限的两个光波中每个的质心。新颖性在于在联合空间中动量和偏振不交叠。

发明内容

描述了直接测量穿过具有超出衍射极限的分辨率的双折射装置的光束的光学剪切角和横向位移的方法和系统。用于测量剪切角的系统包括照射模块、偏振控制单元或偏振器、所述双折射装置、透镜模块、以及用于记录光强度分布的数据获取模块。用于测量剪切位移的系统包括照射模块、偏振控制单元或偏振器、所述双折射装置、成像模块、以及用于记录光强度分布的数据获取模块。在使用偏振控制单元时，控制来自照射模块的输入光束的偏振，使得能够在不同的帧处分别记录具有正交偏振的两个光点。在使用偏振器时，在具有来自照射模块的输入光束的混合偏振的情况下，偏振器被放置在数据获取模块前方以在不同的帧处分别记录具有正交偏振的两个光斑。然后，应用定位分析确定具有垂直偏振的两个光斑的中心位置，并且计算横向剪切束之间的剪切角/位移的值。该方法能够解决剪切角/位移超出光学衍射极限的问题。