CN108845409B - 一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置及方法，装置包括：多面体棱镜以及聚焦单元，其中，多面体棱镜、聚焦单元沿同一光轴线依次设置，多面体棱镜用于对通过棱镜的光束进行折射，得到折射光束，聚焦单元用于对折射光束进行聚焦，并在聚焦面上显示聚焦单元聚焦形成的多个聚焦光斑，聚焦单元包括一个透镜或多个透镜的组合。将本发明所涉及的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置应用在激光共聚焦扫描显微镜中，可以利用其产生的阵列分布聚焦光斑实现多点同时扫描成像，从而提高激光共聚焦扫描显微的成像速度。本发明具有能够任意控制多焦点排列方式和多焦点彼此间的距离、控制各个焦点强度大小、光能利用率高、结构紧凑且稳定等特点。

Description

一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置及方法
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置及方法。
背景技术
现有的多焦点产生方法，大多通过采用微透镜阵列、光束分离器或衍射光学元件等元件或方法生成多焦点光束。或者利用照明光束的振幅调制、位相调制上实现激光束直接聚焦产生多个焦点。
其中，采用微透镜阵列方法产生多焦点光束时，因入射光一般采用高斯光束，又因高斯光束的不均匀性，导致该方法存在光能利用率不高的缺点；而光束分离器需要多个分束元件分束，结构复杂、体积较大，调节精度要求高，在使用上较困难；衍射光学元件使用时必须与设计波长匹配，且不能用于不同波长，造价太高。
现有技术中，参见“多焦点光束产生装置及多焦点共焦扫描显微镜.授权号：ZL201210030310.9”，多焦点的产生是通过对照明光束引入
Figure BDA0001716858070000011
和
Figure BDA0001716858070000012
振幅调制。在先技术中，参见“一种相位板多焦点产生装置及方法.申请号：201210030296.2”，多焦点的产生是通过对照明光束的波前相位分布进行了0相位和π相位调节。这种产生多焦点的方法难以任意控制多焦点排列方式和多焦点彼此间的距离，而且焦点光斑质量比较差。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置以及方法。
本发明提供了一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置，具有这样的特征，包括多面体棱镜以及聚焦单元，其中，多面体棱镜、聚焦单元沿同一光轴线依次放置，多面体棱镜用于对通过棱镜的光束进行折射，得到多束与光轴有一定夹角的折射光束(该发明中简称多束折射光束)，聚焦单元用于对折射光束进行聚焦，并在聚焦面上显示聚焦单元聚焦形成的多个聚焦光斑，聚焦单元包括一个透镜或多个透镜的组合。
本发明提供了一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的方法，利用上述的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一，将多面体棱镜、聚焦单元沿同一光轴线依次放置；
步骤二，入射光束经过多面体棱镜折射后，得到得到多束折射光束；
步骤三，多束折射光束射入聚焦单元，聚焦单元对折射光束进行聚焦后在聚焦面上显示聚焦形成的多个聚焦光斑。
在本发明提供的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的方法中，还可以具有这样的特征：其中，多面体棱镜为具有底面和多个棱面的柱体，其横截面为多边形，光束的方向与底面垂直且光束先进入底面，聚焦光斑为一维阵列分分布，聚焦光斑的数量与棱面的数量相同。
另外，在本发明提供的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的方法中，还可以具有这样的特征：其中，当聚焦单元具有一个透镜，多面体棱镜的横截面为三角形的三棱镜，三角形包括底边、第一棱边以及第二棱边，透镜对来自第一棱边、第二棱边的折射光束进行聚焦后在聚焦面上得到第一聚焦光斑、第二聚焦光斑，
第一聚焦光斑与光轴线的距离h1表达式为：
h1＝fsin[asin(nsinθ1-θ1)]
第二聚焦光斑与光轴线的距离h2表达式为：
h2＝fsin[asin(nsinθ2-θ2)]
θ1为第一棱边与底边的夹角，θ2为第二棱边与底边的夹角，n为三棱镜的折射率，f为透镜的焦距。
另外，在本发明提供的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的方法中，还可以具有这样的特征：其中，当多面体棱镜为具有底面和多个棱面的锥棱镜，底面与光束方向垂直，聚焦光斑为二维阵列分布，聚焦光斑的数量与棱面数量相同。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置和方法，可以通过多面体棱镜在成像系统的像面上产生线型阵列分布的多个聚焦光斑，为某些应用提供阵列分布的激发光源。
本发明具有能够任意控制多焦点排列方式和多焦点彼此间的距离、控制各个焦点强度大小、光能利用率高、结构紧凑且稳定等特点。
将本发明所涉及的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置应用在激光共聚焦扫描显微镜中，可以利用其产生的阵列分布聚焦光斑实现多点同时扫描成像，从而提高激光共聚焦扫描显微的成像速度。
附图说明
图1是本发明的实施例中多面体棱镜产生阵列多焦点原理示意图；
图2是本发明的实施例中多面体棱镜的三维示意图；
图3是本发明的实施例一中聚焦面上的聚焦光斑分布示意图；
图4是本发明的实施例二中棱镜剖面及聚焦光斑分布示意图；
图5是本发明的实施例三中棱镜剖面及聚焦光斑分布示意图；
图6是本发明的实施例四中棱镜剖面及聚焦光斑分布示意图；以及
图7是本发明的实施例五中立体棱镜及聚焦光斑分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置及方法作具体阐述。
实施例一
如图1所示，基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置包括多面体棱镜1以及聚焦单元2。
多面体棱镜1、聚焦单元2沿同一光轴线s依次放置，多面体棱镜1用于对通过棱镜的光束g进行折射，得到折射光束，聚焦单元2用于对折射光束进行聚焦，并在聚焦面3上显示聚焦单元聚焦形成的多个聚焦光斑，聚焦单元包括单透镜或多个透镜的组合。
多面体棱镜为柱体，其横截面为具有底边和多条棱边的多边形，光束g的方向与底边垂直且光束g先进入底边，聚焦光斑的数量与棱边的数量相同。多面体棱镜的作用是产生多束与光轴(z轴)有一定夹角的平行光束，这些平行光束经过聚焦单元2后就会在聚焦平面上形成多个聚焦光斑。每一个聚焦光斑的强度决定于其对应棱面的面积相对于整个入射光束截面积之比。多面体棱镜采用光学玻璃、塑料等光学材料制成，实施例中，多面体棱镜采用光学玻璃制成。
一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的方法，包括以下步骤：
步骤一，将多面体棱镜1、聚焦单元2沿同一光轴线依次放置；
步骤二，入射光束经过多面体棱镜折射后，得到得到多束折射光束；
步骤三，多束折射光束射入聚焦单元，聚焦单元对折射光束进行聚焦后在聚焦面上显示聚焦形成的多个聚焦光斑。
实施例中，光学系统的光轴线s方向为z轴，聚焦面3与图中笛卡尔坐标系的xy平面平行。聚焦单元2为一个透镜，透镜的焦距为f，多面体棱镜1为图2所示的三棱镜，其横截面为三角形且两条棱边沿光轴线s对称设置，三棱镜的折射率为n。
一束沿着光轴线s入射的平行光g经过三棱镜的两个棱面m1和m2上发生折射，分别得到折射光g1、g2,在棱面m1和m2上的两束折射光g1、g2与光轴线s有一个夹角，即斜入射到透镜2，就会在聚焦面3上形成如图3所示的两个聚焦光斑A和光斑B。此时聚焦光斑A和光斑B在xy平面上沿着x轴排列。如果多面体棱镜1的面沿着一个维度(如y轴方向)是不变的，得到如图3所示的一维阵列的聚焦光斑。
如图1所示，如果两个平面m1和m2与x轴的夹角分别为θ1和θ2，三棱镜的折射率为n，则可以得到平面m1的折射光与光轴线s夹角为θ1′＝asin(nsinθ1-θ1),聚焦光斑A到光轴线s的高度h1＝fsin[asin(nsinθ1-θ1)]，其中f是透镜的焦距。同理，聚焦光斑B到光轴s的高度h2＝fsin[asin(nsinθ2-θ2)]。因此，可以通过三棱镜的折射率为n、平面m1、m2与x轴的夹角，以及透镜2的焦距f可以精确控制聚焦光斑的位置。如果平面m1与m2关于光轴s不对称，则聚焦光斑A与聚焦光斑B的强度不同。聚焦光斑A与聚焦光斑B的强度决定于平面m1、m2的面积与整个入射光束截面积之比。
实施例二
本实施例与实施例一中其它结构及设置相同，只是多面体棱镜1在本实施例中换成了如图4中左面所示的多面体棱镜。该多面体棱镜为四面柱体棱镜，具有底面和三个棱面，三个棱面沿光轴线s对称设置。
本实施例中聚焦光斑分布为：在聚焦面3上形成如图4中右面的三个在xy平面上沿着x轴排列的聚焦光斑。如果棱面与光束g垂直且沿光轴线s对称设置，经过该棱面得到的聚焦光斑在坐标轴的原点上。
实施例三
本实施例与实施例一中其它结构及设置相同，只是多面体棱镜1在本实施例中换成了如图5中左面所示的多面体棱镜。该多面体棱镜为五面柱体棱镜，具有底面和四个棱面，四个棱面沿光轴线s对称设置。
本实施例中聚焦光斑分布为：在聚焦面3上形成如图5中右面的四个在xy平面上沿着x轴排列的聚焦光斑。
实施例四
本实施例与实施例一中其它结构及设置相同，只是多面体棱镜1在本实施例中换成了如图6中左面所示的多面体棱镜。该多面体棱镜为六面柱体棱镜，具有底面和五个棱面，五个棱面沿光轴线s对称设置。
本实施例中聚焦光斑分布为：在聚焦面3上形成如图6中右面的五个在xy平面上沿着x轴排列的聚焦光斑。
实施例五
本实施例与实施例一中其它结构及设置相同，只是多面体棱镜1在本实施例中换成了如图7中左面所示的多面体棱镜。该多面体棱镜为锥棱镜，具有底面和四个棱面，四个棱面沿轴线z旋转设置，则产生关于z轴旋转分布的二维阵列的聚焦光斑。
本实施例中聚焦光斑分布为：在聚焦面3上形成如图7中右面的四个在xy平面上沿着x、y轴均布排列的聚焦光斑。
如果多面体棱镜的面沿着两个维度进行变化，得到二维阵列的聚焦光斑。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置和方法，可以通过多面体棱镜在成像系统的像面上产生线型阵列分布的多个聚焦光斑，为某些应用提供线型阵列分布的激发光源。
将本发明的本发明所涉及的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置应用在激光共聚焦扫描显微镜中，可以利用其产生的线型阵列分布聚焦光斑实现多点同时扫描成像，从而提高激光共聚焦扫描显微的成像速度。
另外，当多面体棱镜采用锥棱镜，成像系统的像面上产生面型阵列分布的多个聚焦光斑，为某些应用提供面型阵列分布的激发光源。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置，用于入射光束通过多面体棱镜在成像面上产生阵列分布的聚焦光斑，其特征在于，包括
多面体棱镜以及聚焦单元，
其中，所述多面体棱镜、所述聚焦单元沿同一光轴线依次设置，
所述多面体棱镜用于对通过所述多面体棱镜的所述入射光束进行折射，得到折射光束，
所述聚焦单元用于对所述折射光束进行聚焦，并在聚焦面上显示所述聚焦单元聚焦形成的多个聚焦光斑，
所述聚焦单元包括一个透镜或多个透镜的组合，
当所述聚焦单元为单透镜，所述多面体棱镜的横截面为三角形的三棱镜时，具有底面和两个棱面，
所述三角形包括底边、第一棱边以及第二棱边，
所述入射光束的方向与所述底面垂直且所述入射光束先进入所述底面，
所述透镜对来自所述第一棱边、所述第二棱边的所述折射光束进行聚焦后在聚焦面上得到第一聚焦光斑、第二聚焦光斑，
所述第一聚焦光斑与所述光轴线的距离h1表达式为：
h1＝f sin[asin(nsinθ1-θ1)]
所述第二聚焦光斑与所述光轴线的距离h2表达式为：
h2＝f sin[asin(nsinθ2-θ2)]
θ1为所述第一棱边与所述底边的夹角，θ2为所述第二棱边与所述底边的夹角，n为所述三棱镜的折射率，f为所述透镜的焦距。
2.一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的方法，利用权利要求1所述的基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一，将所述多面体棱镜、所述聚焦单元沿同一光轴线依次设置；
步骤二，入射光束经过所述多面体棱镜折射后，得到多束折射光束；
步骤三，多束所述折射光束射入所述聚焦单元，所述聚焦单元对所述折射光束进行聚焦后在聚焦面上显示聚焦形成的多个聚焦光斑。
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