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

摘要

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。

说明书

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

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

对于测量横向位移，如果位移S小于或等于衍射极限

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

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。

附图说明

图1示出了两个不同的双折射装置的光学剪切效应的示意图。图1A示出了光线穿过一种类型的双折射装置时的剪切角效应。图1B示出了光线穿过另一种类型的双折射装置时的剪切位移效应。

图2A是用于使用偏振控制单元(PCU)测量双折射装置的剪切角的光学设置的示意图。图2B示出了用于使用偏振控制单元(PCU)测量双折射装置的剪切角的相应系统的框图。

图3A是用于使用偏振器测量双折射装置的剪切角的光学设置的示意图。图3B示出了用于使用偏振器测量双折射装置的剪切角的相应系统的框图。

图4A是用于使用偏振控制单元(PCU)测量双折射装置的剪切位移的光学设置的示意图。图4B示出了用于使用偏振控制单元(PCU)测量双折射装置的剪切位移的相应系统的框图。

图5A是用于使用偏振器测量双折射装置的剪切位移的光学设置的示意图。图5B示出了用于使用偏振器测量双折射装置的剪切位移的相应系统的框图。

图6示出了通过数据获取模块收集的强度分布以及定位分析的结果。图6A示出了具有混合偏振P

图7是示出测量双折射装置的剪切角和位移的方法的过程的框图。

具体实施方式

图2A中示出了用于直接测量双折射装置的剪切角的第一光学设置。直径为D的光束201入射至双折射装置中，该双折射装置在剪切面202后面将具有偏振P

焦平面上每个光束的光斑大小被估计为

使用常规的直接测量，分辨图像中两个光斑206和207的必要条件是Δ>d，即

根据偏振状态，PCU包括不同的光学部件。1)在非偏振入射光的情况下，PCU由用于选择P

图2B示出了用于在第一光学设置中测量双折射装置的剪切角的相应系统的框图。为了实现图1A的功能，该系统由发射光束的照射模块210、PCU 209、双折射装置212、透镜模块215和数据获取模块218组成。

图3A示出了用于直接测量双折射装置的剪切角的第二光学设置。与图2A中的第一光学设置不同，偏振器309被放置在光强度分布记录装置208前方。在这种设置中，入射光束包括P

图3B示出了用于在第二光学设置中测量双折射装置的剪切角的相应系统的框图。为了实现图3A的功能，该系统由发射光束的照射模块310、双折射装置212、透镜模块215、可切换偏振器309和数据获取模块218组成。

图4A示出了用于直接测量双折射装置的剪切位移的第一光学设置。光束401聚焦在剪切面402上，在剪切面402处两个输出正交偏振分量403和404横向偏移位移S。然后，通过成像系统405以放大率M将剪切面成像到光强度分布记录装置208上。最后，208收集两个光斑406和407。PCU 209用于控制入射光束的偏振状态，使得可以在不同数据帧处分别获取I

图4B示出了用于在第一光学设置中测量双折射装置的剪切位移的相应系统的框图。为了实现图4A的功能，该系统由发射聚焦光束的照射模块410、PCU 209、双折射装置412、成像模块415和数据获取模块218组成。

图5A示出了用于直接测量双折射装置的剪切位移的第二光学设置。可切换偏振器309被放置在光强度分布记录装置208前方。在这种设置中，入射光束包括混合偏振态，即P

图5B示出了用于在第二光学设置中测量双折射装置的剪切位移的相应系统的框图。为了实现图5A的功能，该系统由发射具有混合偏振的聚焦光束的照射模块510、双折射装置412、成像模块415、偏振器309和数据获取模块218组成。

为了在不失一般性的情况下说明该方法中的定位分析，图6中给出了双折射装置(图1A或者图1B)的光学剪切小于或等于

由式(1)确定相应的剪切角。定位精度被估计为

其中σ是单一光斑强度分布的标准偏差，a是数据获取模块的像素大小，N是收集的光子数，以及b是背景噪声。由于原则上对光子预算没有任何限制，因而N仅受到相机传感器饱和度的限制。因此，考虑到来自环境的系统干扰，例如机械振动和温度波动，实际上能够实现超出衍射极限的纳米定位精度。

为了测量图2和图3中的双折射装置的剪切角，应用式(1)获得剪切角的值

剪切角测量精度或分辨率由下式给出

对于图2和图3中的f＝10cm的典型配置，纳米定位精度使得剪切角测量精度达到10

为了测量图4和图5的双折射装置的剪切位移，通过下式确定剪切位移：

图7总结了测量和确定剪切角ε和剪切位移S的方法和过程。在步骤701处开始检查双折射装置的类型。如果任务是测量剪切角ε，则转至步骤702并且使用图2或图3中的设置。在步骤703中，取得具有I