CN115524775A - 一种超临界透镜及超分辨率成像*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界透镜及超分辨率成像***，其中，该超临界透镜，包括：多个纳米结构单元；不同位置的所述纳米结构单元能够将入射至所述纳米结构单元的光线进行不同的相位调制，且所调制的相位为在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位；位置依次相邻的多个所述纳米结构单元依次实现连续的相位调制。通过本发明实施例提供的超临界透镜及超分辨率成像***，超临界透镜能够调制0到2π之间的多个相位，多级衍射影响较小，甚至不存在多级衍射，能量利用效率更高；考虑焦斑完整的光强分布，也可以进一步提高能量利用率，在该超临界透镜用于成像***时，能够提升成像清晰度。

Description

一种超临界透镜及超分辨率成像***

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，具体而言，涉及一种超临界透镜及超分辨率成像***。

背景技术

区别于传统的光瞳滤波器和菲涅尔波带片对光场的调制原理，利用特殊设计的光学微纳结构对传输光场的干涉现象精密调制，完全可以在远场实现超越衍射极限的光学聚焦焦斑，该现象被命名为光学超振荡。光学聚焦焦斑尺寸趋近于超振荡判据(0.38λ/NA)，同时具有大于传统透镜的焦深(2λ/NA²)而能够形成光针效应，这样的平面衍射透镜定义为超临界透镜。在保证超衍射极限焦斑的同时，能有效抑制旁瓣的强度，同时获得较长的工作距离和焦深。

现有的超临界透镜其本质上是一种二元衍射光学元件。由于多级衍射效应，反射和吸收损耗的影响，能量效率难以达到很高的程度，目前报道的最高效率只有30％左右。同时二元相位器件若要降低旁瓣的影响，需要多一个显微物镜，增加了***的复杂度，不宜集成。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种超临界透镜及超分辨率成像***。

第一方面，本发明实施例提供了一种超临界透镜，包括：多个纳米结构单元；

不同位置的所述纳米结构单元能够将入射至所述纳米结构单元的光线进行不同的相位调制，且所调制的相位为在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位；

位置依次相邻的多个所述纳米结构单元依次实现连续的相位调制。

在一种可能的实现方式中，所述纳米结构单元所调制的相位满足：

其中，

表示第i个纳米结构单元所调制的相位，k表示波矢，NA表示数值孔径，M表示放大倍数，(x_i,y_i)表示第i个纳米结构单元的位置坐标，(x₀,y₀)表示超临界透镜中心处纳米结构单元的位置坐标。

在一种可能的实现方式中，所述超临界透镜包括在工作波段透明的基底层和设置在所述基底层上的多个纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述纳米结构周围设有在所述工作波段透明的填充物，所述填充物的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值大于或等于0.5。

在一种可能的实现方式中，所述纳米结构在所述工作波段透明；

所述纳米结构所采用的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。

在一种可能的实现方式中，所述基底层与所述纳米结构采用不同的材料。

第二方面，本发明实施例还提供了一种超分辨率成像***，包括：如上所述的超临界透镜，所述超临界透镜用于实现成像。

在一种可能的实现方式中，超分辨率成像***还包括：光源、载物台和探测器；所述光源、所述超临界透镜、所述载物台、所述探测器依次设置；所述载物台用于放置需要成像的样本；

所述光源用于发出成像光线；

所述超临界透镜用于调制所述成像光线的相位，在所述载物台处形成主焦斑，并透过所述载物台；

所述探测器用于采集透过所述载物台的光线所形成的光子信号。

在一种可能的实现方式中，超分辨率成像***还包括共聚焦透镜组和成像孔；所述光源、所述超临界透镜、所述载物台、所述共聚焦透镜组、所述成像孔、所述探测器依次设置；

所述共聚焦透镜组用于将从所述载物台上透射光线进行聚焦，聚焦后的光线穿过所述成像孔，并到达所述探测器，所述探测器能够采集透过所述成像孔的光线所形成的光子信号。

在一种可能的实现方式中，超分辨率成像***还包括滤光片；

所述滤光片设置在所述光源与所述载物台之间，或者设置在所述光源与所述探测器之间，用于滤掉除工作波段以外的至少部分光线。

本发明实施例上述第一方面提供的方案中，超临界透镜中不同位置的纳米结构单元能够实现连续的相位调制，且其所调制的相位为在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位。与传统的二元衍射光学元件相比，该超临界透镜能够调制0到2π之间的多个相位，多级衍射影响较小，甚至不存在多级衍射，能量利用效率更高；考虑焦斑完整的光强分布，也可以进一步提高能量利用率，在该超临界透镜用于成像***时，能够提升成像清晰度。并且，该超临界透镜基于超表面技术制作而成，制作成本低，且具有轻薄化的特点，利于应用或集成到其他场景。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的超临界透镜的一种结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的超临界透镜的另一种结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的超临界透镜与传统超临界透镜的光强分布对比图；

图4示出了本发明实施例所提供的超分辨率成像***的一种结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的超分辨率成像***的另一种结构示意图。

图标：

10-光源、20-超临界透镜、201-基底层、202-纳米结构、203-填充物、30-载物台、40-共聚焦透镜组、50-成像孔、60-探测器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种超临界透镜，其基于超表面技术制作而成，其结构可参见图1所示。具体地，该超临界透镜包括多个纳米结构单元。不同位置的纳米结构单元能够将入射至纳米结构单元的光线进行不同的相位调制，且所调制的相位为在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位；并且，位置依次相邻的多个纳米结构单元依次实现连续的相位调制。

本发明实施例中，该超临界透镜为基于超表面技术所得到的超临界透镜，该超临界透镜包括多个纳米结构单元，不同位置处的纳米结构单元能够对入射光实现不同的相位调制，进而能够实现超临界透镜所需的功能。其中，纳米结构单元是从超临界透镜中人为划分出来的一部分结构，从该超临界透镜中可以划分出多个纳米结构单元；但是，这并不意味着多个纳米结构单元之间必须是完全结构独立的个体；多个纳米结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分纳米结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的纳米结构单元共用同一个基底(如下述的基底层201)，只是不同的纳米结构单元位于该基底的不同位置。

其中，纳米结构单元位于超临界透镜的某个位置，对于不同位置处的纳米结构单元，其能够对所入射的光线实现不同的相位调制，即不同位置处的纳米结构单元所调制的相位不同。本实施例中的“位置”具有广义的含义，例如，可以用纳米结构单元的坐标表示其位置，也可以用纳米结构单元与超临界透镜中心之间的距离表示其位置。同样的，不同位置的纳米结构单元，可以指的是坐标不同的纳米结构单元，或者是与超临界透镜中心之间的距离不同的纳米结构单元。本实施例中的超临界透镜用于生成焦斑，此处的“位置”一般指的是纳米结构单元与超临界透镜中心之间的距离，该超临界透镜中心是与所生成的焦斑的中心所对应的位置；例如，该超临界透镜为圆形的，其中心可以是圆心。

传统的超临界透镜本质上是一种二元衍射光学元件，其只有0和π两个相位，能量效率较低。本发明实施例提供的超临界透镜，其中不同的纳米结构单元能够调制更多种的相位，从而能够实现连续相位调制，例如，可以实现0到2π的相位全覆盖。具体地，本实施例提供的超临界透镜，位置依次相邻的多个纳米结构单元所调制的相位连续变化，从而依次实现连续的相位调制。例如，能够调制相同相位的纳米结构单元形成以该超临界透镜中心为圆心的圆环，多种纳米结构单元可以形成多个同心圆环的形状，每个圆环对应一个位置；从内到外依次相邻的多个圆环中的纳米结构单元所调制的相位连续变化，例如所调制的相位依次为π/10、2π/10、…、20π/10等。

并且，传统的二元衍射光学元件只能考虑主焦斑，能量利用效率较低；本实施例提供的超临界透镜可以实现连续的相位调制，其在相位调制时可以同时考虑主焦斑和旁瓣，使得超临界透镜所产生的焦斑的光强分布满足所需要求，即纳米结构单元所调制的相位是：在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位，从而能够提高超临界透镜的能量效率。

本领域技术人员可以理解，本实施例中的“连续”是与传统的二元衍射光学元件相比所具有的特性，只要该超临界透镜中不同的纳米结构单元所调制的相位数量足够多，例如大于预设阈值(例如10、20等)，即可认为多个纳米结构单元能够实现连续的相位调制。

本发明实施例提供的一种超临界透镜，其基于超表面实现，该超临界透镜中不同位置的纳米结构单元能够实现连续的相位调制，且其所调制的相位为在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位。与传统的二元衍射光学元件相比，该超临界透镜能够调制0到2π之间的多个相位，多级衍射影响较小，甚至不存在多级衍射，能量利用效率更高；考虑焦斑完整的光强分布，也可以进一步提高能量利用率，在该超临界透镜用于成像***时，能够提升成像清晰度。并且，该超临界透镜基于超表面技术制作而成，制作成本低，且具有轻薄化的特点，利于应用或集成到其他场景。

可选地，图2示出了超临界透镜20的一种结构示意图，如图2所示，该超临界透镜包括在工作波段透明的基底层201和设置在基底层201上的多个纳米结构202。可选地，参见图2所示，纳米结构202周围设有在工作波段透明的填充物203，填充物203的折射率与纳米结构202的折射率之间的差值大于或等于0.5。

本发明实施例中，在该超临界透镜的工作波段，基底层201是透明的，即对目标波段的光线具有高透过率；其中，工作波段为需要使用该超临界透镜形成焦斑的波段；例如，若将该超临界透镜用于成像***，则该工作波段可以为可见光波段、近红外波段等。可选地，纳米结构202在工作波段也透明；该纳米结构202所采用的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。其中，基底层201与纳米结构202采用不同的材料；该基底层201还可以采用石英玻璃、火石玻璃等。并且，基底层201、纳米结构202、纳米结构之间的填充物203均采用不同的材料。

本发明实施例中，纳米结构202呈阵列排布，划分的纳米结构单元可以为正六边形和/或正方形，每个纳米结构单元的中心位置，或者每个纳米结构单元的中心位置和顶点位置设有纳米结构202。图2用虚线示意性表示了纳米结构单元的一种划分方式，图2中，纳米结构单元为正方形，其包含纳米结构202以及一部分基底层201，且纳米结构202位于该纳米结构单元的中心位置。

可选地，为了使得本发明实施例提供的超临界透镜能够考虑焦斑完整的光强分布，即考虑主焦斑和旁瓣，该超临界透镜的纳米结构单元所调制的相位满足：

其中，

表示第i个纳米结构单元所调制的相位，k表示波矢，NA表示数值孔径，M表示放大倍数，(x_i,y_i)表示第i个纳米结构单元的位置坐标，(x₀，y₀)表示超临界透镜中心处纳米结构单元的位置坐标。

具体地，根据德拜(Debye)理论，对于一束激光照射时，入射电场为：

电场在焦平面上的分布为：

其中，k表示波矢，k_x、k_v、k_z分别表示波矢k在自然坐标系中在三个轴的分量，β表示的是自然坐标系中光线的倾斜角度。FT{}表示傅里叶变换，

是超临界透镜施加的传递函数，电场在焦平面上的分布是超临界透镜施加的传递函数和入射电场的卷积。

假设光瞳函数为P(x_i，y_i)，则焦平面光强分布为

对于现有的超临界透镜，光会聚焦成一个尺寸为0.61λ/NA的艾里斑，同时伴随着一个强度为主焦斑强度1.75％的旁瓣。对于此类超临界透镜，超越衍射极限的聚焦通常伴随着旁瓣能量的提升从而影响成像清晰度。本发明实施例所提供的超临界透镜所生成的光强分布为I，其包含主焦斑和旁瓣，该焦斑的光强分布可以表示为：

其中，I′₀为主焦斑光强，I′₁和I′₂分别为一级旁瓣的光强、二级旁瓣的光强，a、b均为旁瓣的光强系数，并且：

I′₀＝cos^0.5θsinθ(1+cosθ)J₀(krsinθ) (5)

I′₁＝cos^0.5θsin²θJ₁(krsinθ) (6)

I′₂＝cos^0.5θsinθ(1-cosθ)J₂(krsinθ) (7)

其中，(r、θ)为焦斑上的任一点在极坐标系的位置坐标，J表示贝塞尔函数；J₀表示零阶贝塞尔函数，J₁表示一阶贝塞尔函数，J₂表示二阶贝塞尔函数。传统的二元衍射光学元件至考虑了主焦斑I′₀，相当于其光强只考虑了公式(5)，能量利用效率较低。本发明实施例提供的基于超表面构建的超临界透镜，可以同时考虑主焦斑和旁瓣，即可以考虑上述公式(5)、(6)、(7)中的光强I′₀、I′₁、I′₂，能够提高能量利用率；且通过选取不同的光强系数a、b，也可以对超临界透镜进行定制。

具体地，在同时考虑主焦斑和旁瓣的情况下，令上述的公式(3)和公式(4)相等，通过坐标转换等推导可以确定，对于(x_i，y_i)处的纳米结构单元i(也称为第i个纳米结构单元)，其所调制的相位

满足：

因此，基于该公式(8)设计该超临界透镜，可以使得该超临界透镜能够同时考虑主焦斑和旁瓣，能够提高能量利用率。

在一个实施例中，超临界透镜20大小为4mm*4mm。其中，纳米结构202选取纳米圆柱，材料为氮化硅，纳米圆柱的直径为180nm，采用正六边形排布，周期为500nm。设数值孔径NA为0.9，对于传统的二元衍射光学元件，波长为532nm的激光照射后焦平面的光强分布如图3中的图(a)所示。本实施例提供的超临界透镜20所选用的纳米结构单元满足上述公式(8)，当波长为532nm的激光通过此超临界透镜20后的光强分布如图3中的图(b)所示。比较图3中的图(a)和图(b)可以看出，基于超表面的超临界透镜20亮度更亮，其能量利用效率更高。

基于同样的发明构思，本发明实施还提供一种超分辨率成像***，该超分辨率成像***包括：如上所述的超临界透镜20，该超临界透镜20用于实现成像。

目前，一般以超临界透镜调制后焦斑的宽度与艾里斑主焦斑的宽度之比来表征，比例越大说明超临界透镜对焦斑的压缩能力越强，将其用于成像***时，分辨率提升的程度也就越高。由于艾里斑旁瓣的存在会产生鬼像，干扰成像清晰度；理想情况下，旁瓣越弱成像越清晰。本发明实施例所提供的超临界透镜20对光场调控主要效果体现在对聚焦艾里斑主瓣(主焦斑)的压缩，超临界透镜20将光聚焦成焦斑，利用主焦斑来实现超分辨成像，成像清晰度更高。

可选地，参见图4所示，该超分辨率成像***除了包括超临界透镜20之外，还包括：光源10、载物台30和探测器(60)；所述光源(10)、所述超临界透镜(20)、所述载物台(30)、所述探测器(60)依次设置。可选地，参见图5所示，该超分辨率成像***还可以包括共聚焦透镜组40和成像孔50。并且，光源10、超临界透镜20、载物台30、共聚焦透镜组40、成像孔50依次设置，使得光源10发出的光线可以依次透过超临界透镜20、载物台30、共聚焦透镜组40、成像孔50，使得成像光线能够到达探测器60，最终成像。

其中，光源10用于发出成像光线；超临界透镜20用于调制成像光线的相位，在载物台30处形成主焦斑，并透过载物台30；载物台30用于放置需要成像的样本；探测器60用于采集透过载物台30的光线所形成的光子信号。

在包含共聚焦透镜组40、成像孔50的情况下，该探测器60设置在成像孔50远离共聚焦透镜组40的一侧，其能够采集透过成像孔50的光线所形成的光子信号。共聚焦透镜组40用于将从载物台30上透射光线进行聚焦，聚焦后的光线穿过成像孔50，在成像孔50的另一侧的探测器成像。

本发明实施例中，光源10为整个超分辨成像***的照明源，其能够发出成像光线；例如，该光源10可以为激光器，其发出的激光作为成像光线。超临界透镜20位于光源10的出光侧，光源10发出的光线可以入射至超临界透镜20，超临界透镜20通过对成像光线进行相位调制，可以将其聚焦成焦斑，并利用主焦斑成像。其中，超临界透镜20在载物台30处形成主焦斑，从而可以利用该主焦斑对载物台30上放置的样本(例如细胞、微生物等)实现超分辨成像。

载物台30透射的光线到达共聚焦透镜组40，共聚焦透镜组40能够对该光线进行聚焦，聚焦后的光线到达成像孔50并最终穿过成像孔50，在成像孔50的另一侧成像；该成像孔50为能够成像的小孔，例如，尺寸(半径)为0.05mm～1mm的小孔等，能够消除共聚焦透镜组焦面外的杂光。

可选地，该超分辨率成像***还可以包括滤光片；滤光片设置在光源10与载物台30之间，或者设置在光源10与探测器60之间，用于滤掉除工作波段以外的至少部分光线。

本发明实施例提供的超分辨率成像***，其中的超临界透镜20基于超表面实现，该超临界透镜20能够调制0到2π之间的多个相位，多级衍射影响较小，甚至不存在多级衍射，能量利用效率更高；考虑焦斑完整的光强分布，也可以进一步提高能量利用率，由于超临界透镜20低旁瓣的优势，使得成像结果受背景光的影响很小，具有很高的信噪比，能够提升成像清晰度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超临界透镜，其特征在于，包括：多个纳米结构单元；

不同位置的所述纳米结构单元能够将入射至所述纳米结构单元的光线进行不同的相位调制，且所调制的相位为在使产生的焦斑中主焦斑和旁瓣的光强满足所需分布的情况下所确定的相位；

位置依次相邻的多个所述纳米结构单元依次实现连续的相位调制。

2.根据权利要求1所述的超临界透镜，其特征在于，所述纳米结构单元所调制的相位满足：

其中，

表示第i个纳米结构单元所调制的相位，k表示波矢，NA表示数值孔径，M表示放大倍数，(x_i,y_i)表示第i个纳米结构单元的位置坐标，(x₀,y₀)表示超临界透镜中心处纳米结构单元的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的超临界透镜，其特征在于，所述超临界透镜包括在工作波段透明的基底层(201)和设置在所述基底层(201)上的多个纳米结构(202)。

4.根据权利要求3所述的超临界透镜，其特征在于，所述纳米结构(202)周围设有在所述工作波段透明的填充物(203)，所述填充物(203)的折射率与所述纳米结构(202)的折射率之间的差值大于或等于0.5。

5.根据权利要求5所述的超临界透镜，其特征在于，所述纳米结构(202)在所述工作波段透明；

所述纳米结构(202)所采用的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的超临界透镜，其特征在于，所述基底层(201)与所述纳米结构(202)采用不同的材料。

7.一种超分辨率成像***，其特征在于，包括：如权利要求1-6任意一项所述的超临界透镜(20)，所述超临界透镜(20)用于实现成像。

8.根据权利要求5所述的超分辨率成像***，其特征在于，还包括：光源(10)、载物台(30)和探测器(60)；所述光源(10)、所述超临界透镜(20)、所述载物台(30)、所述探测器(60)依次设置；所述载物台(30)用于放置需要成像的样本；

所述光源(10)用于发出成像光线；

所述超临界透镜(20)用于调制所述成像光线的相位，在所述载物台(30)处形成主焦斑，并透过所述载物台(30)；

所述探测器(60)用于采集透过所述载物台(30)的光线所形成的光子信号。

9.根据权利要求8所述的超分辨率成像***，其特征在于，还包括共聚焦透镜组(40)和成像孔(50)；所述光源(10)、所述超临界透镜(20)、所述载物台(30)、所述共聚焦透镜组(40)、所述成像孔(50)、所述探测器(60)依次设置；

所述共聚焦透镜组(40)用于将从所述载物台(30)上透射光线进行聚焦，聚焦后的光线穿过所述成像孔(50)，并到达所述探测器(60)，所述探测器能够采集透过所述成像孔(50)的光线所形成的光子信号。

10.根据权利要求9所述的超分辨率成像***，其特征在于，还包括滤光片(70)；

所述滤光片(70)设置在所述光源(10)与所述载物台(30)之间，或者设置在所述光源(10)与所述探测器(60)之间，用于滤掉除工作波段以外的至少部分光线。

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