CN107478332A - 一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环形共聚焦纵向高分辨成像装置，属于光学技术领域。本发明所述成像装置主要是利用圆锥透镜产生同轴贝塞尔环形光束，再经过共聚焦系统照射到被测物体上，不同半径的环形光束会在被测物体上产生不同光学纵深的焦点，从而实现在不同深度对被测物体进行高分辨测量的目的；所述成像装置适用于透明样品横向和纵向的空间分辨观测，而且纵向分辨率可以达到亚微米级，该成像装置可以作为原有光学检测手段的拓展性应用，它将促进生物样品的空间分辨研究，以及材料内部结构的研究。

Description

一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置
技术领域
本发明涉及一种环形共聚焦纵向高分辨成像装置，属于光学技术领域。
背景技术
共聚焦光谱系统具有很高灵敏度的空间分辨能力，已在成像装置方面实现商品化，如共焦显微镜、共焦拉曼光谱仪等。采用于上述设备进行测试时，虽然横向观测的空间分辨可以达到亚微米级，但是竖直观测分辨率往往较低；尤其是对于某些非均相被测物体内部形貌复杂，聚焦激光在被测物界面处发生折射后，在被测物体内部无法聚焦，从而使得对被测物体在深度测量时，无法获得高精度的结果。
发明内容
针对现有技术中基于共聚焦光谱系统的成像装置的纵向分辨率低的问题，本发明的目的在于提供一种环形共聚焦纵向高分辨成像装置，所述成像装置主要是利用圆锥透镜产生的同轴多环激光经过物镜形成空心光锥，穿过被测物体表面在空间区域产生聚焦，从而实现在不同深度对被测物体进行高分辨测量的目的；所述成像装置适用于透明样品横向和纵向的空间分辨观测，而且纵向分辨率可以达到亚微米级。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，所述成像装置包括激光光源、透镜组A、圆锥透镜、环形光阑、反射镜Ⅰ、分光片、透镜组B、针孔、反射镜Ⅱ、物镜、透镜组C、凸透镜以及图像传感器。
所述激光光源产生的是高斯激光。
所述透镜组A为扩束透镜，透镜组A中的前透镜焦距应为后透镜焦距的十倍，两透镜之间的距离为焦距之和。
所述环形光阑的半径为R，环形狭缝的内半径为r，狭缝的宽度为b，0≤r≤R-b；经过环形光阑过滤后形成特定半径的环形光束，该环形光束的半径决定于环形狭缝的内半径r，而且不同半径的环形光束会在被测物体上产生不同光学纵深的焦点，通过调整环形光阑中环形狭缝的内半径r，从而可以得到不同穿透深度的激光光谱信息。
针孔分别置于透镜组B和透镜组C中。
所述成像装置的工作原理：激光光源产生的激光经过透镜组A扩束后形成平行光，平行光经过圆锥透镜后形成不同半径的同轴环形光束，不同半径的同轴环形光束经过环形光阑过滤后得到特定半径的环形光束，特定半径的环形光束分别经过反射镜Ⅰ、分光片、反射镜Ⅱ的反射以及透镜组B和物镜的聚焦后形成环形光锥，环形光锥穿过待测物体的表面且经过待测物体的作用后形成散射光，散射光再依次经过物镜、反射镜Ⅱ、透镜组B、分光片、透镜组C、凸透镜后传送给图像传感器，对图像传感器所收集的信息进行分析得到与该特定半径对应的穿透深度的激光光谱信息。
所述成像装置内还包括光栅，可以实现纵向高分辨的拉曼成像观测；所述光栅置于透镜组C与凸透镜之间，使通过的光发生色散，不同波长的谱线在不同的位置出现形成光谱，用于进一步的分析研究。
有益效果：
本发明所述成像装置主要是利用圆锥透镜产生同轴贝塞尔环形光束，再经过共聚焦系统照射到被测物体上，不同半径的的环形光束会在被测物体上产生不同光学纵深的焦点，从而实现在不同深度对被测物体进行高分辨测量的目的，而且该成像装置的纵向分辨率可以达到亚微米级。本发明所述装置可以应用与所有的光学显微镜系统以及共焦拉曼系统，实现高分辨的光学成像和拉曼成像观测，特别适合于透明样品纵向的高空间分辨观测，该成像装置可以作为原有光学检测手段的拓展性应用，它将促进生物样品的空间分辨研究，以及材料内部结构的研究。
附图说明
图1为圆锥透镜产生的贝塞尔光束的示意图。
图2为本发明所述成像装置检测水平界面的不同聚焦深度的示意图。
图3为环形光阑的结构示意图。
图4为本发明所述成像装置成像过程的光路示意图。
图5为本发明中结合拉曼光谱技术所述成像装置成像过程的光路示意图。
其中，1-激光光源，2-透镜组A，3-圆锥透镜，4-环形光阑，5-反射镜Ⅰ，6-分光片，7-透镜组B，8-透镜组C，9-针孔，10-反射镜Ⅱ，11-物镜，12-凸透镜，13-图像传感器，14-光栅。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例
一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，所述成像装置包括激光光源1、透镜组A2、圆锥透镜3、环形光阑4、反射镜Ⅰ5、分光片6、透镜组B 7、针孔9、反射镜Ⅱ10、物镜11、透镜组C 8、凸透镜12以及图像传感器13，如图4所示；
所述激光光源1产生的是高斯激光；
所述透镜组A2为扩束透镜，将激光扩束至与所有透镜宽度一致，约需要扩束十倍，透镜组A2中的前透镜焦距应为后透镜焦距的十倍，两透镜之间的距离为两透镜的焦距之和；所述透镜组A2中前透镜焦距为10mm，后透镜焦距为100mm，两透镜半径均为25.4mm；
所述圆锥透镜3的作用是将平行光束转化为同轴多环光束，光束的环数以及半径分布与圆锥透镜3的顶角相关；所述圆锥透镜3的半径为25.4mm，顶角为178°；
所述环形光阑4的半径为R，环形狭缝的内半径为r，狭缝的宽度为b，0≤r≤R-b，如图3所示；
针孔9分别置于透镜组B 7和透镜组C 8中；
所述成像装置的工作原理：激光光源1产生的激光经过透镜组A2扩束后形成平行光，平行光经过圆锥透镜3后形成不同半径的同轴环形光束，如图1所示；不同半径的同轴环形光束经过环形光阑4过滤后得到特定半径的环形光束，特定半径的环形光束分别经过反射镜Ⅰ5、分光片6、反射镜Ⅱ10的反射以及透镜组B 7和物镜11的聚焦后形成环形光锥，环形光锥穿过待测物体的表面且经过待测物体的作用后形成散射光，散射光再依次经过物镜11、反射镜Ⅱ10、透镜组B 7、分光片6、透镜组C 8、凸透镜12后传送给图像传感器(CCD)13，对图像传感器13所收集的信息进行分析得到与该特定半径对应的穿透深度的激光光谱信息；
其中，经过环形光阑4过滤后所形成的环形光束的半径决定于环形狭缝的内半径r，而且不同半径的环形光束会在被测物体上产生不同光学纵深的焦点，如图2所示；所以调整环形光阑4中环形狭缝的内半径r，重复测试，从而可以得到不同穿透深度的激光光谱信息；
当特定半径的环形光束的直径为10mm～12mm，物镜11的工作距离为3mm时，聚焦点从界面深入到液体内部2mm；当所测样品折射率为2时，获得的聚焦深度为5.3mm～7.1mm。
另外，本发明所述装置还包括光栅14，光栅14置于透镜组C 8与凸透镜12之间，实现纵向高分辨的拉曼成像观测。结合共焦拉曼技术的成像装置，与上述实施例中的成像装置的光路示意图相似，如图5所示，区别仅在于图像传感器收集的信号不同，收集的不同信号以及相关原理为光谱学基本常识，这里不再赘述。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，其特征在于：所述成像装置包括激光光源(1)、透镜组A(2)、圆锥透镜(3)、环形光阑(4)、反射镜Ⅰ(5)、分光片(6)、透镜组B(7)、针孔(9)、反射镜Ⅱ(10)、物镜(11)、透镜组C(8)、凸透镜(12)以及图像传感器(13)；
所述针孔(9)分别置于透镜组B(7)和透镜组C(8)中；
激光光源(1)产生的激光经过透镜组A(2)扩束后形成平行光，平行光经过圆锥透镜(3)后形成不同半径的同轴环形光束，不同半径的同轴环形光束经过环形光阑(4)过滤后得到特定半径的环形光束，特定半径的环形光束分别经过反射镜Ⅰ(5)、分光片(6)、反射镜Ⅱ(10)的反射以及透镜组B(7)和物镜(11)的聚焦后形成环形光锥，环形光锥穿过待测物体的表面且经过待测物体的作用后形成散射光，散射光再依次经过物镜(11)、反射镜Ⅱ(10)、透镜组B(7)、分光片(6)、透镜组C(8)、凸透镜(12)后传送给图像传感器(13)，对图像传感器(13)所收集的信息进行分析得到与该特定半径对应的穿透深度的激光光谱信息；调整环形光阑(4)中环形狭缝的内半径，重复测试，得到不同穿透深度的激光光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，其特征在于：所述激光光源(1)产生的是高斯激光。
3.根据权利要求1所述的一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，其特征在于：所述透镜组A(2)中前透镜的焦距为后透镜的焦距的十倍，两透镜之间的距离为两透镜焦距之和。
4.根据权利要求1所述的一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，其特征在于：所述环形光阑(4)中环形狭缝的内半径大于等于零。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种环形光束共聚焦纵向高分辨成像装置，其特征在于：所述成像装置还包括光栅(14)，光栅(14)置于透镜组C(8)和凸透镜(12)之间。
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