CN104634285B - 一种对比度值可调控的散斑产生装置及其产生方法 - Google Patents
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Abstract
一种对比度值可调控的散斑产生装置及其产生方法，包括一连续波激光器，在该连续波激光器的光束前进方向上依次设有光束缩放器、起偏器、光阑、空间光调制器、检偏器、傅里叶透镜、CCD相机，经空间光调制器后产生的散斑场信息经CCD相机成像后，存储进计算机；所述的空间光调制器和CCD相机分别与计算机相连，所述的空间光调制器上的图像由计算机写入；所述的光束缩放器用于控制照射在空间光调制器上的激光束束腰尺寸；所述的空间光调制器位于傅里叶透镜的前焦平面上，所述的CCD相机位于傅里叶透镜的后焦平面上。并且具有原理简洁、装置简单、可在线调控的优点；本发明可广泛应用于激光散斑照明显微技术和散斑对比度值测试技术等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光散斑产生装置和方法，具体的说涉及一种对比度值可调控的散斑产生装置和方法，属于光学测试与显微应用领域。
背景技术
激光散斑是指当激光照射在粗糙物体表面上时，漫反射光在反射空间相互干涉后形成的明暗相间的斑点。散斑携带了被测物体信息，通过对散斑场的分析可以得到被测物体的变化信息。
在散斑照明显微成像技术中，照明散斑光场的对比度是一个重要的参数；散斑场对比度轴向变化可以用来获得更好的光学切片，而通过降低散斑场对比度可以减少投影散斑数量，获得平滑的图像、提高图像的采集率。在散斑理论中，散斑图的对比度属于散斑场的二阶统计特性。应用于散斑照明显微成像技术的散斑场大部分为瑞利统计散斑，这种散斑场的对比度值为1（实际实验中略有差异）；其方法是利用表面粗糙度超出一个波长的粗糙物体产生，由此引起大于的相变。而要获得对比度值小于1的散斑图，需要利用表面粗糙度小于一个波长的弱散射屏来产生。
产生对比度值小于1和大于1的非瑞利统计散斑场、并且实现对比度值可调控性的散斑是散斑照明显微成像技术面临的一个技术难题。经文献检索，发明专利“一种基于散斑对比度的OCT图像分析方法”(公开号为CN102783938A，公开日为2012.11.21)，其采用的散斑为瑞利散射，其对比度值为1；但其没有考虑散斑对比度值不同而引起的变化；发明专利“激光散斑成像系统和方法”(授权号为ZL200880101886.1，授权日为2013.12.04)，利用散斑图对比度对生物组织的特性进行了测试分析，但其没有涉及生成对比度可调控散斑场的内容。
分析可知，在散斑照明显微技术中，尚缺少对比度值可调控的散斑产生装置及方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种对比度值可调控的散斑产生装置及其产生方法，具有装置简单、可在线调控的优点。
本发明采用如下技术方案：一种对比度值可调控的散斑产生装置，包括一连续波激光器，在该连续波激光器的光束前进方向上依次设有光束缩放器、起偏器、光阑、空间光调制器、检偏器、傅里叶透镜、CCD相机，经空间光调制器后产生的散斑场信息经CCD相机成像后，存储进计算机；
所述的空间光调制器和CCD相机分别与计算机相连，所述的空间光调制器上的图像由计算机写入；所述的光束缩放器用于控制照射在空间光调制器上的激光束束腰尺寸；所述的空间光调制器位于傅里叶透镜的前焦平面上，所述的CCD相机位于傅里叶透镜的后焦平面上。
一种对比度值可调控的散斑产生方法，具体步骤如下：
步骤一、利用计算机生成在区间[0 1]内均匀分布的随机矩阵P，得到其对应的随机相位分布矩阵：，其中， 为虚数单位；
步骤二、对相位分布矩阵进行傅里叶变换，得到符合瑞利统计的散斑场复振幅分布，，其中FFT表示傅里叶变换；
步骤三、利用非线性变换对瑞利散斑的光强进行重新分布，使其傅里叶频谱面的复振幅分布变为；以空间光调制器平面作为输入平面，夫琅禾费衍射平面为目标平面；输入平面的光束为高斯光束，其复振幅分布为，目标平面的复振幅为；
步骤四、为在实际光路中实现目标平面的光强分布，利用Gershberg-Saxton（G-S）迭代算法，生成写入空间光调制器的衍射光学元件（DOE）的相位图；G-S算法具体计算过程为：由于输入平面与目标平面是傅里叶变换关系，在输入平面和目标平面间不断利用傅里叶变换和傅里叶逆变换进行迭代计算；每个迭代过程中，在输入平面和目标平面其相位利用变换后的相位，振幅分别用输入平面振幅和目标平面振幅A o 替换；经过n次迭代运算后得到DOE的相位图；
步骤五、利用计算机将相位图输入空间光调制器；
步骤六、打开连续波激光器，出射激光束依次经过光束缩放器、起偏器、光阑后照射在空间光调制器显示屏的正中心位置；
步骤七、经过空间光调制器出射的散斑光束经检偏器、傅里叶透镜后，进入CCD相机成像，所成图像I存储进计算机进行分析；
步骤八、所述的空间光调制器置于傅里叶透镜前焦平面上，所述的CCD相机置于傅里叶透镜的后焦平面上；
步骤九、利用图像对比度定义公式计算出目标平面散斑图I的对比度值，其中表示光强图的系综平均；
步骤十、目标平面散斑场对比度值C与入射在空间光调制器上的束腰存在如下关系，，其中，束腰的单位为毫米，调节光束缩放器，改变照射在空间光调制器上的激光束的束腰尺寸，得到对比度值C在0.7~2.0之间自由调控的的散斑场。
有益效果：与以往技术相比，本发明装置和方法能够实现对比度值C在0.7~2.0之间自由调控的的散斑场；并且具有原理简洁、装置简单、可在线调控的优点；本发明可广泛应用于激光散斑照明显微技术和散斑对比度值测试技术等领域。
附图说明
图1是本发明的装置原理图；
图2是一幅对比度值为0.9610的符合瑞利统计的散斑图；
图3是一幅对比度值为1.2575的散斑图；
图4是一幅对比度值为0.7654的散斑图。
图中标记：100-激光器，110-光束缩放器，121-起偏器，122-检偏器，130-光阑，200-空间光调制器，140-傅里叶透镜，300-CCD相机，400-计算机。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种对比度值可调控的散斑产生装置，包括一连续波激光器100，连续波激光器100采用He-Ne激光器，波长为632.8nm，功率为1mW，在该连续波激光器100的光束前进方向依次设有光束缩放器110、起偏器121、光阑130、空间光调制器200、检偏器122、傅里叶透镜140、CCD相机300；
所述的空间光调制器200和CCD相机300分别与计算机400相连；所述的空间光调制器200上的图像由计算机400写入；所述的光束缩放器110的作用是控制照射在空间光调制器200上的激光束的束腰尺寸；所述的空间光调制器200位于傅里叶透镜140的前焦平面上，所述的CCD相机300位于傅里叶透镜140的后焦平面上；
所述经空间光调制器200后产生的散斑场信息经CCD相机300成像后，存储进计算机400。
一种对比度值可调控的散斑产生方法，其具体步骤如下：
步骤一、利用计算机400生成在区间[0 1]内均匀分布的随机矩阵P，本实施例中随机矩阵P的大小为512×512，得到其对应的随机相位分布矩阵：，其中，为虚数单位；
步骤二、对相位分布矩阵进行傅里叶变换，得到符合瑞利统计的散斑场复振幅分布，，其中FFT表示傅里叶变换；该符合瑞利统计的散斑图如图2所示，利用图像对比度定义公式计算得出该散斑图的对比度值为0.9610，其中表示光强图的系综平均；
步骤三、利用非线性变换对瑞利散斑的光强进行重新分布，使其傅里叶频谱面的复振幅分布变为；以空间光调制器200平面作为输入平面，其夫琅禾费衍射平面（即傅里叶频谱面）为目标平面；输入平面的光束为高斯光束，其复振幅分布为，目标平面的复振幅为；
步骤四、为在实际光路中实现目标平面的光强分布，利用Gershberg-Saxton（G-S）迭代算法，简称为G-S算法，生成写入空间光调制器200的衍射光学元件（DOE）的相位图；G-S算法具体计算过程为：由于输入平面与目标平面是傅里叶变换关系，在输入平面和目标平面间不断利用傅里叶变换和傅里叶逆变换进行迭代计算；每个迭代过程中，在输入平面和目标平面其相位利用变换后的相位，振幅分别用输入平面振幅和目标平面振幅A o 替换；经过50次迭代运算后得到DOE的相位图；
步骤五、利用计算机400将相位图输入空间光调制器200；
步骤六、打开连续波激光器100，出射激光束经过光束缩放器110、起偏器121、光阑130后照射度在空间光调制器200显示屏的中心位置；
步骤七、经过空间光调制器200出射的散斑光束经检偏器122、傅里叶透镜140后，进入CCD相机成像300，所成图像I存储进计算机400进行分析；
步骤八、所述的空间光调制器200置于傅里叶透镜140前焦平面上（即G-S算法的输入平面），所述的CCD相机300置于傅里叶透镜140的后焦平面上（即G-S算法的目标平面）；
步骤九、利用图像对比度定义公式计算出目标平面散斑图I的对比度值，其中表示光强图的系综平均；
步骤十、目标平面散斑场对比度值C与入射在空间光调制器200上的束腰存在如下关系，，其中束腰的单位为毫米（mm），调节光束缩放器110，改变照射在空间光调制器200上的激光束的束腰尺寸，得到对比度值C在0.7~2.0之间自由调控的的散斑场；本实施例中，通过调节光束缩放器110，使照射在空间光调制器200上的激光束的束腰尺寸分别为2mm和5mm时，CCD相机300获得的散斑图分别如图3、图4所示，利用图像对比度定义公式计算得到其对比度值分别为1.2575和0.7654；本发明能实现对比度值C在0.7~2.0之间自由调控的的散斑场。
经实验表明：本发明装置和方法能实现散斑对比度可调控的散斑场，并且具有原理简洁、结构简单，可在线调控，易于操作的优点。
Claims (1)
1.一种对比度值可调控的散斑产生方法，其特征在于：该散斑产生方法所用的装置包括一连续波激光器，在该连续波激光器的光束前进方向上依次设有光束缩放器、起偏器、光阑、空间光调制器、检偏器、傅里叶透镜、CCD相机，经空间光调制器后产生的散斑场信息经CCD相机成像后，存储进计算机；
所述的空间光调制器和CCD相机分别与计算机相连，所述的空间光调制器上的图像由计算机写入；所述的光束缩放器用于控制照射在空间光调制器上的激光束束腰尺寸；所述的空间光调制器位于傅里叶透镜的前焦平面上，所述的CCD相机位于傅里叶透镜的后焦平面上；
步骤如下：
步骤一、利用计算机生成在区间[0 1]内均匀分布的随机矩阵P，得到其对应的随机相位分布矩阵：，其中， 为虚数单位；
步骤二、对相位分布矩阵进行傅里叶变换，得到符合瑞利统计的散斑场复振幅分布，，其中FFT表示傅里叶变换；
步骤三、利用非线性变换对瑞利散斑的光强进行重新分布，使其傅里叶频谱面的复振幅分布变为；以空间光调制器平面作为输入平面，夫琅禾费衍射平面为目标平面；输入平面的光束为高斯光束，其复振幅分布为，目标平面的复振幅为；
步骤四、为在实际光路中实现目标平面的光强分布，利用Gershberg-Saxton迭代算法，生成写入空间光调制器的衍射光学元件的相位图；G-S算法具体计算过程为：由于输入平面与目标平面是傅里叶变换关系，在输入平面和目标平面间不断利用傅里叶变换和傅里叶逆变换进行迭代计算；每个迭代过程中，在输入平面和目标平面其相位利用变换后的相位，振幅分别用输入平面振幅
和目标平面振幅A o 替换；经过n次迭代运算后得到衍射光学元件的相位图；
步骤五、利用计算机将相位图输入空间光调制器；
步骤六、打开连续波激光器，出射激光束依次经过光束缩放器、起偏器、光阑后照射在空间光调制器显示屏的正中心位置；
步骤七、经过空间光调制器出射的散斑光束经检偏器、傅里叶透镜后，进入CCD相机成像，所成图像I存储进计算机进行分析；
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步骤九、利用图像对比度定义公式计算出目标平面散斑图I的对比度值，其中表示光强图的系综平均；
步骤十、目标平面散斑场对比度值C与入射在空间光调制器上的束腰
存在如下关系，，其中，束腰的单位为毫米，调节光束缩放器，改变照射在空间光调制器上的激光束的束腰尺寸，得到对比度值C在0.7~2.0之间自由调控的的散斑场。
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