一种集成化共焦超分辨透镜及系统

本发明属于光学显微、光学加工技术等相关领域，特别是涉及一种集成化共焦超分辨透镜及系统。

背景技术：

1、现有显微技术大致可分为近场显微与远场显微两大类，近场显微包括微球体辅助成像、近场扫描显微等方法。近场显微方法能实现超分辨显微成像，但其工作距离小于工作波长，极大地限制了其实际应用。远场超分辨技术具有工作距离大的优点，可以克服近场显微技术的不足。现有远场超分辨显微技术包括受激发射损耗显微、局部激活显微、随机光重构光学显微等，然而，这些技术都需要对被检测样品进行荧光分子标记。非标记的远场超分辨显微技术具有工作距离大、无需对样品进行标记，使用方便的优点，因此成为超分辨光学显微镜技术的重要发展趋势。

2、技术背景参考文献：

3、[1]edward t.f.rogers,jari lindberg,tapashree roy,salvatore savo,johne.chad,mark r.dennisand nikolay i.zheludev.“asuper-oscillatory lens opticalmicroscope forsubwavelength imaging,”nature materials,vol.11,pp.432-435(2012).

4、[2]edward t f rogers and nikolay i zheludev.“optical super-oscillations:sub-wavelength light focusing and super-resolution imaging,”journal of optics,vol.15,pp.094008(2013).

5、[3]y yan,l li,c feng,w guo,s lee,m hong.“microsphere-coupled scanninglaser confocal nanoscope for sub-diffraction-limited imaging at 25nm lateralresolution in the visible spectrum,”acs nano,vol.8,pp.1809-1816(2014).

6、[4]fei qin,kun huang,jianfeng wu,jinghuateng,cheng-wei qiu,andminghui hong.“asupercritical lens optical label-free microscopy:sub-diffraction resolution and ultra-long working distance,”advanced materials,vol.28,1602721(2017).

7、[5]yi zhou,kun zhang,jinlong wang,zhengguo shang,gaofeng liang,zhihaizhang,zhongquan wen,yufei liu,gang chen,“label-free super-resolutionmicroscopy based on non-diffraction superoscillation beam(ndsb)illumination,”optics and lasers in engineer1g,vol.168,pp.107690(2023)。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种集成化共焦超分辨透镜及系统，能在光学显微和光学加工中，提高样品的系统的光学分辨率和加工精度。

2、第一方面，本发明所述的一种集成化共焦超分辨透镜，集成化共焦超分辨透镜的数值孔径为na,焦距为f，其工作区域被划分为以透镜中心o为圆心，半径为rin的圆形区域和外半径为rout、内半径为rin的圆环形区域；

3、所述圆形区域为一焦距为f的正透镜，即内透镜，其对垂直于透镜面的准直光束能聚焦于光轴上的焦点位置；将所述圆形区域划分为宽度相同的环带；

4、所述圆环形区域的宽度为wa＝rout-rin，为焦距为f的正透镜，即外透镜；将所述圆环形区域划分为宽度相同的环带，其中，奇数编号环带构成奇数环透镜，其对左旋圆偏振光汇聚，偶数编号环带构成偶数环透镜，其对右旋圆偏振光汇聚；或者奇数编号环带对右旋圆偏振光汇聚，偶数编号环带对左旋圆偏振光汇聚；所述奇数环透镜和偶数环透镜的两焦点重合，均位于通过集成化共焦超分辨透镜中心的法线上，且奇数环透镜和偶数环透镜的焦距均为f；

5、当利用波长为λ且与透镜法线的夹角为θinc的环形准直光束对集成化共焦超分辨透镜的圆环形区域(即内透镜)进行照明时，在所述集成化共焦超分辨透镜的后焦平面上形成聚焦光场，所述聚焦光场对应的孔径角为θout＝atan(rout/f)、数值孔径为na＝nwsin(θout)，其中，atan(·)为反正切函数，sin(·)为正弦函数，nw为集成化共焦超分辨透镜出射介质的折射率；在奇数环透镜的后焦平面上形成的聚焦光斑的半高全宽fwhm<0.5λ/na、第一零点半径小于0.61λ/na；在偶数环透镜的后焦平面上形成的聚焦光斑的半高全宽fwhm<0.5λ/na、第一零点半径小于0.61λ/na。

6、可选地，所述集成化共焦超分辨透镜为超构表面型，即在集成化共焦超分辨透镜的玻璃基底上以o为圆心，半径为rout的圆形区域内，划分为m个宽度相同的环带，各环带的宽度均为t，m＝int(rout/t)，其中int(·)表示取整数部分；第j个环带的中心半径为rj＝(j-0.5)t，j＝1,2,……,m；其中，相位采用几何相位全介质超构表面来实现。

7、可选地，所述几何相位全介质超构表面包括多个超构单元；

8、所述超构单元为设置在玻璃基底上的全介质立方体，全介质立方体的长宽高分别为lf、ls和h；

9、所述玻璃基底在工作波长λ下，其消光系数小于0.01；

10、所述超构单元在左旋圆偏振光沿z方向入射条件下，出射的右旋圆偏振光的会产生的附加相位；或者在右旋圆偏振光沿z方向入射条件下，出射的左旋圆偏振光的会产生的附加相位。

11、可选地，所述超构单元的排列方式为：

12、将集成化共焦超分辨透镜的表面以圆心o为中心，划分为k×l个等大小的正方形区域，每个正方形区域的大小为t×t；

13、针对正方形区域nkl，nkl表示第k行第l列的正方形区域，其中，k＝1，2，……，k，l＝1,2，……，l，k表示总行数，l表示总列数；该正方形区域nkl的中心到透镜面中心o的距离为rkl，若正方形区域nkl的中心位于第j个环带内，则在该正方形区域nkl的中心设置全介质立方体；

14、对于外透镜，即rin<rkl<rout，设置在正方形区域nkl内的全介质立方体的长度方向与x轴的夹角γkl应满足以下两类情况之一；

15、情况一：在正向入射形况下，入射角为θinc，当j为奇数时，对左旋圆偏振入射光进行聚焦，形成右旋圆偏振聚焦光场，当j为偶数时，对右旋圆偏振入射光进行聚焦，形成左旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，当j为奇数时，对焦点处右旋圆偏振光点光源进行准直，形成左旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，当j为偶数时，对焦点处左旋圆偏振光点光源进行准直，形成右旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，其中，以垂直于基底面的正向入射方向为z轴，来构建直角坐标系xyz，γkl为全介质立方体的长度方向与x轴的夹角；

16、其中,正向入射是指从玻璃基底无超构单元面到超构单元面的方向；反向入射是指从超构单元面到玻璃基底无超构单元面的方向；

17、情况二：在正向入射形况下，入射角为θinc，当j为奇数时，对右旋圆偏振入射光进行聚焦，形成左旋圆偏振聚焦光场，当j为偶数时，对左旋圆偏振入射光进行聚焦，形成右旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，当j为奇数时，对焦点处左旋圆偏振光点光源进行准直，形成右旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，当j为偶数时，对焦点处右旋圆偏振光点光源进行准直，形成左旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，其中，以垂直于基底面的正向入射方向为z轴，来构建直角坐标系xyz，γkl为全介质立方体的长度方向与x轴的夹角；

18、其中，

19、其中，表示在右旋圆偏振光沿z方向入射条件下，经过位于第j个环带内的全介质立方体后，出射的左旋圆偏振光所产生的附加相位；或者在左旋圆偏振光沿z方向入射条件下，经过位于第j个环带内的全介质立方体后，出射的右旋圆偏振光所产生的附加相位；

20、m为整数，通过m的取值以使得

21、xkl1为正方形区域nkl的中心位置的x坐标；

22、对于内透镜，即rkl<rin，正方形区域nkl内的全介质立方体的长度方向与x轴的夹角γkl应满足以下两类情况之一；

23、情况一：在正向入射形况下，对左旋圆偏振入射光进行聚焦，形成右旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，对焦点处右旋圆偏振光点光源进行准直，形成左旋圆偏振准直光束；

24、情况二：在正向入射形况下，对右旋圆偏振入射光进行聚焦，形成左旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，对焦点处左旋圆偏振光点光源进行准直，形成右旋圆偏振准直光束；

25、其中，

26、可选地，所述超构单元的排列方式为：

27、将第j个环带沿其圆周方向分别划分为nj个等间隔大小的扇形区域，nj＝mj或nj＝mj+1，mj为2πrj/t的整数部分；

28、针对扇形区域kjp,kjp表示第j个环带内的第p个扇形区域，p＝1,2，……，nj，在该扇形区域kjp的中心位置设置全介质立方体；

29、对于外透镜，即rin≤rj<rout，扇形区域kjp内的全介质立方体的长度方向与x轴的夹角γjp应满足以下两类情况之一；

30、情况一：在正向入射形况下，入射角为θinc，当j为奇数时，对左旋圆偏振入射光进行聚焦，形成右旋圆偏振聚焦光场，当j为偶数时，对右旋圆偏振入射光进行聚焦，形成左旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，当j为奇数时，对焦点处右旋圆偏振光点光源进行准直，形成左旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，当j为偶数时，对焦点处左旋圆偏振光点光源进行准直，形成右旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，其中，以垂直于基底面的正向入射方向为z轴，来构建直角坐标系xyz，γjp为全介质立方体的长度方向与x轴的夹角；

31、其中,正向入射是指从玻璃基底无超构单元的面到超构单元面；反向入射是指从超构单元面到玻璃基底无超构单元的面；

32、情况二：在正向入射形况下，入射角为θinc，当j为奇数时，对右旋圆偏振入射光进行聚焦，形成左旋圆偏振聚焦光场，当j为偶数时，对左旋圆偏振入射光进行聚焦，形成右旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，当j为奇数时，对焦点处左旋圆偏振光点光源进行准直，形成右旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，当j为偶数时，对焦点处右旋圆偏振光点光源进行准直，形成左旋圆偏振准直光束，出射角为θinc，其中，以垂直于基底面的正向入射方向为z轴，来构建直角坐标系xyz，γkl为全介质立方体的长度方向与x轴的夹角；

33、其中，

34、其中，其中，表示在右旋圆偏振光沿z方向入射条件下，经过位于第j个环带内的全介质立方体后，出射的左旋圆偏振光所产生的附加相位；或者在左旋圆偏振光沿z方向入射条件下，经过位于第j个环带内的全介质立方体后，出射的右旋圆偏振光所产生的附加相位；

35、m为整数，通过m的取值以使得

36、xkl2为扇形区域kjp的中心位置的x坐标；

37、对于内透镜，即rj<rin，扇形区域kjp内的全介质立方体的长度方向与x轴的夹角γjp应满足以下两类情况之一；

38、情况一：在正向入射形况下，对左旋圆偏振入射光进行聚焦，形成右旋圆偏振聚焦光场，在反向入射形况下，对焦点处右旋圆偏振光点光源进行准直，形成左旋圆偏振准直光束；

39、情况二：在正向入射形况下，对右旋圆偏振入射光进行聚焦，形成左旋圆偏振聚焦光场，在反向入射(从超构单元面到玻璃基底无超构单元的面)形况下，对焦点处左旋圆偏振光点光源进行准直，形成右旋圆偏振准直光束；

40、其中，

41、第二方面，本发明所述的一种集成化共焦超分辨系统，包括沿光路依次布置的激光器、光纤准直器、扩束器、线偏振器、第一锥透镜、第二锥透镜、第一正透镜、第二正透镜、分束器、四分之一波片和如本发明所述的集成化共焦超分辨透镜，所述激光器通过光纤跳线与光纤准直器连接；

42、所述激光器发出波长为λ的相干光，通过光纤跳线送入光纤准直器，经过光纤准直器后，形成沿光轴传播的半径为r的第一准直光束；该第一准直光束通过扩束器后，变为光束半径为r'的第二准直光束；该第二准直光束依次经过线偏振片、第一锥透镜和第二锥透镜后，形成外半径为r'out、内半径为r'in的环形光束；第二锥透镜出射端的环形光场通过由第一正透镜和第二正透镜构成的4f系统投射在第二正透镜的后焦平面；该后焦平面上的环形光场被分束器反射，并经过四分之一波片被转化成为圆偏振光后，到达集成化共焦超分辨透镜的外透镜的入射端；光束被集成化共焦超分辨透镜中的偶数环透镜或奇数环透镜聚焦在过集成化共焦超分辨透镜中心的法线上焦点处，形成的聚焦光斑的半高全宽fwhm<0.5λ/na、第一零点半径小于0.61λ/na；通过外透镜的偶数环透镜的超分辨聚焦光斑照明样品，其反射光和散射光被奇数环透镜收集并准直，并沿原光路返回；或者通过外透镜的奇数环透镜的超分辨聚焦光斑照明样品，其反射光和散射光被偶数环透镜收集并准直，并沿原光路返回；

43、对于垂直入射到集成化共焦超分辨透镜的内透镜上的准直光束，由内透镜将其聚焦在集成化共焦超分辨透镜的焦点处；同时内透镜收集样品的反射光和散射光，并对其进行准直后，沿垂直于透镜面的方向传播。

44、可选地，通过改变光纤准直器的焦距、扩束器的扩束倍率β和第一锥透镜和第二锥透镜之间的距离d，来实现对环形光束的外半径r'out和内半径r'in的控制。

45、本发明具有以下优点：

46、(1)通过控制照明光束的内外半径使其满足naout＝nwsin(θout)＝0.95和nain＝nwsin(θin)>0.6，即可实现fwhm<0.429λ(小于0.5λ/naout)、r0<0.464λ(小于0.61λ/naout)、sr<0.13的超分辨照明光场，统一关系式为：0.632naout≤nain<naout。

47、(2)外透镜对于入射角为θinc的圆偏振入射光，在光轴上实现聚焦，并将光轴上焦点处被检测样品的反射光收集准直后，按原光路返回，并以θinc角度出射，这避免了与透镜入射端面上的反射光重合，提高了信噪比。

48、(3)对于正向入射(从玻璃基底无超构单元面到超构单元面的方向)的光束，外透镜的奇数环透镜和偶数环透镜分别对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光为正透镜；对于反向入射(从超构单元面到玻璃基底无超构单元面的方向)的光束，外透镜的奇数环透镜和偶数环透镜分别对右旋圆偏振光和左旋圆偏振光为正透镜。如照明采用奇数环透镜进行照明，其在焦平面上形成右旋圆偏振聚焦光斑照明样品，样品的反射光和散射光为左旋圆偏振光，偶数环透镜对其进行收集、准之后，按原光路返回，这样避免了其它杂散光的影响；如照明采用偶数环透镜进行照明，其在焦平面上形成左旋圆偏振聚焦光斑照明样品，样品的反射光和散射光为右旋圆偏振光，奇数环透镜对其进行收集、准之后，按原光路返回，这样避免了其它杂散光的影响，提高了信噪比。

49、(4)对于正向入射(从玻璃基底无超构单元面到超构单元面的方向)的光束，外透镜的奇数环透镜和偶数环透镜分别对右旋圆偏振光和左旋圆偏振光为正透镜；对于反向入射(从超构单元面到玻璃基底无超构单元面的方向)的光束，外透镜的奇数环透镜和偶数环透镜分别对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光为正透镜。如照明采用奇数环透镜进行照明，其在焦平面上形成左旋圆偏振聚焦光斑照明样品，样品的反射光和散射光为右旋圆偏振光，偶数环透镜对其进行收集、准之后，按原光路返回，这样避免了其它杂散光的影响；如照明采用偶数环透镜进行照明，其在焦平面上形成右旋圆偏振聚焦光斑照明样品，样品的反射光和散射光为左旋圆偏振光，奇数环透镜对其进行收集、准之后，按原光路返回，这样避免了其它杂散光的影响，提高了信噪比。

50、综上所述，本发明利用双曲相位透镜球差为零的特点，结合大数值孔径环形照明，实现高效的超分辨聚焦光斑和高效的超分辨反射和散射光收集；并利用大数值孔径内透镜实现对样品的观测。本发明能够在光学显微和光学加工中，提高样品光学分辨率、加工精度和加工效率等。特别是能够广泛应用于反射式、透射式、相衬等超分辨共聚焦显微系统中。

技术特征：

1.一种集成化共焦超分辨透镜，其特征在于：集成化共焦超分辨透镜的数值孔径为na,焦距为f，其工作区域被划分为以透镜中心o为圆心，半径为rin的圆形区域和外半径为rout、内半径为rin的圆环形区域；

2.根据权利要求1所述的集成化共焦超分辨透镜，其特征在于：所述集成化共焦超分辨透镜(12)为超构表面型，即在集成化共焦超分辨透镜(12)的玻璃基底上，以o为圆心，半径为rout的圆形区域内，划分为m个宽度相同的环带，各环带的宽度均为t，m＝int(rout/t)，其中int(·)表示取整数部分；第j个环带的中心半径为rj＝(j-0.5)t，j＝1,2,……,m；其中，相位采用几何相位全介质超构表面来实现。

3.根据权利要求2所述的集成化共焦超分辨透镜，其特征在于：所述几何相位全介质超构表面包括多个超构单元；

4.根据权利要求3所述的集成化共焦超分辨透镜，其特征在于：所述超构单元的排列方式为：

5.根据权利要求3所述的集成化共焦超分辨透镜，其特征在于：所述超构单元的排列方式为：

6.一种集成化共焦超分辨系统，其特征在于：包括沿光路依次布置的激光器(1)、光纤准直器(3)、扩束器(4)、线偏振器(5)、第一锥透镜(6)、第二锥透镜(7)、第一正透镜(8)、第二正透镜(9)、分束器(10)、四分之一波片(11)和如权利要求1至5任一所述的集成化共焦超分辨透镜(12)，所述激光器(1)通过光纤跳线(2)与光纤准直器(3)连接；

7.根据权利要求6所述的集成化共焦超分辨系统，其特征在于：通过改变光纤准直器(3)的焦距、扩束器(4)的扩束倍率β和第一锥透镜(6)和第二锥透镜(7)之间的距离d，来实现对环形光束的外半径r'out和内半径r'in的控制。

技术总结
本发明涉及一种集成化共焦超分辨透镜及系统，其工作区域为圆环形区域和圆形区域，整个透镜被划分为宽度相同的环带；圆形区域对垂直照明的圆偏振进行聚焦或成像；在环形区域中，在与透镜法线具有夹角θ<subgt;inc</subgt;的环形准直光束的照明下，奇数编号环带与偶数编号环带分别只能对正交的圆偏振光进行聚焦，且两者焦点重合，并位于通过透镜中心的法线上；奇数编号环带在后焦平面上形成的聚焦光斑的FWHM<0.5λ/NA、第一零点半径小于0.61λ/NA；奇数编号环带在后焦平面上形成的聚焦光斑的FWHM<0.5λ/NA、第一零点半径小于0.61λ/NA。本发明能够在光学显微和光学加工中，提高样品的系统的光学分辨率和加工精度。

技术研发人员：陈刚,温中泉,周毅
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23