CN109490201A - 一种基于光束整形的结构光生成装置和方法 - Google Patents

一种基于光束整形的结构光生成装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光束整形的结构光生成装置和方法。激光器发出线偏振光依次经电光强度调制器、半波片和第一扩束镜后入射到第一偏振分光棱镜发生透射和反射，透射光束依次经光束整形镜、光学延迟线和第一反射镜后形成平行环形光束并从第二偏振分光棱镜中透射，反射光束依次经电光相位调制器、第二反射镜和第二扩束镜后从第二偏振分光棱镜反射并与透射光束合为一束光，再经过偏振片调节为偏振方向一致的光束，最终经聚焦镜聚焦在焦平面处发生干涉。本发明消除了传统结构光生成方式或分区调制方法中边缘衍射或狭缝衍射等衍射效应对系统造成的不利影响，提高了光能利用率和调制的效率，能够明显提升荧光显微图像的信噪比和成像效果。

Description

一种基于光束整形的结构光生成装置和方法
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，具体涉及一种基于光束整形的结构光生成装置和方法。
背景技术
结构光照明技术是在常规光学显微镜的基础上，对其照明方式进行改进，以特殊调制的结构光成像，从而获得高分辨样品信息的方法。结构光的产生主要是通过在照明光路中加入光学调制器件如空间光调制器或数字微镜阵列或二元光学元件等，对照明光进行调制后照射在样品的焦面上，而离焦平面不受影响，调制光照射样品所激发出的荧光信号通过成像系统被光电探测器采集。特定结构的照明光在成像过程把位于光学传递函数范围外的一部分信息转移到范围内，利用特定算法将范围内的高频信息移动到原始位置，从而扩展通过显微系统的样品频域信息。
目前的结构光显微成像方法只能对样品表面进行显微成像，不能够对厚生物组织一定深度处进行有效地显微成像，除此之外，结构光生成过程中，常常需要对光束进行分区调制，传统的分区调制方法中，边缘衍射或狭缝衍射等衍射效应会对系统造成不利影响，从而无法保证调制效率和光能利用率，这些不足限制了显微成像的信噪比和成像深度。本发明的基于光束整形的结构光照明应用在显微成像领域可有效解决这些问题，大大提高生物组织深层无损成像的能力。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明基于光束整形的方式，结合马赫-曾德干涉仪结构和偏振分光棱镜的特点，提供了一种基于光束整形的结构光生成装置和方法，为结构光照明提供了一种新的合理有效的方案。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于光束整形的结构光生成装置：
所述的装置光路中，包括激光器、电光强度调制器、半波片、第一扩束镜、第一偏振分光棱镜、光束整形镜、光学延迟线、第一反射镜、电光相位调制器、第二反射镜、第二扩束镜、第二偏振分光棱镜、偏振片和聚焦镜；激光器发出线偏振光的光束依次经过电光强度调制器功率调制、半波片调节偏振态和第一扩束镜准直扩束，入射到第一偏振分光棱镜后发生透射和反射分为功率相等的两路光束；第一偏振分光棱镜透射的光束为第一路光束，第一路光束依次经过光束整形镜整形为平行中空环形光束、通过光学延迟线调节光程差后，再经第一反射镜反射后入射到第二偏振分光棱镜发生透射；第一偏振分光棱镜反射的光束为第二路光束，第二路光束依次经过电光相位调制器相位调制、第二反射镜反射和第二扩束镜扩束后，入射到第二偏振分光棱镜发生反射；第二偏振分光棱镜透射出来的第一路光束和第二偏振分光棱镜反射出来的第二路光束互补合为一束光入射到偏振片，再经过偏振片调节为偏振方向一致的光束，最终经聚焦镜聚焦在焦平面处发生干涉形成结构光。
所述的第一扩束镜包括第一透镜和第二透镜，两个透镜构成4F系统，光束依次经过第一透镜和第二透镜后扩束到电光相位调制器和光束整形镜的通光口径大小。
所述的光束整形镜包括第一锥透镜和第二锥透镜，第一锥透镜和第二锥透镜厚度和顶角完全相同，第一锥透镜和第二锥透镜顶角相对布置并保持间隔距离，使得圆形光束依次经第一锥透镜和第二锥透镜后扩束形成平行中空环形光束；
所述的第二扩束镜包括第三透镜和第四透镜，第三透镜和第四透镜构成4F系统，第二路光束依次经第三透镜和第四透镜扩束为与平行中空环形光束恰好互补的圆形光束，平行中空环形光束和圆形光束的两束光面积相等、功率相等。
所述的光学延迟线包括一个后向棱镜反射镜和一个一维位移台，后向棱镜反射镜固定于一维位移台，光束入射到后向棱镜反射镜从其第一个反射面反射到其第二个反射面后以平行于入射方向的相反方向从第二个反射面出射，电光相位调制器的内部晶体折射率很大导致两路光束经过的光程不一致，通过调节一维位移台带动后向棱镜反射镜沿光束入射方向或出射方向往复移动，从而调节第一路光束和第二路光束均从第一偏振分光棱镜到第二偏振分光棱镜的光程相等。
所述的激光器发出线偏振光的偏振方向沿水平方向，即如图1所示的Z轴方向。
所述的半波片垂直于光束传播方向放置，其光轴方向与激光器发出线偏振光的光轴方向呈22.5°夹角，以使得从半波片(3)出射的偏振光具有相等的水平偏振分量与竖直偏振分量。
所述的偏振片垂直于光束传播方向放置，其光轴方向与激光器发出线偏振光的光轴方向呈45°夹角，以使得第一路光束和第二路光束经过偏振片(17)后偏振方向一致。
二、一种基于光束整形的结构光生成方法：
(1)激光器发出线偏振光的光束，经电光强度调制器调节出射功率后入射到半波片上，旋转调节半波片使得半波片的光轴方向与激光器发出线偏振光的光轴方向呈22.5°夹角，光束经半波片后偏振方向旋转为与激光器发出线偏振光的光轴方向呈45°夹角；
(2)光束再经第一扩束镜准直扩束到和电光相位调制器和光束整形镜通光口径大小一致后入射到第一偏振分光棱镜中，第一偏振分光棱镜处发生透射和反射分成两路光束，发生透射的光束为第一路光束，发生反射的光束为第二路光束；
(3)第一路光束经光束整形镜整形形成平行中空环形光束，再经过光学延迟线调整光程后经第一反射镜反射后到第二偏振分光棱镜发生透射；
(4)第二路光束依次经电光相位调制器相位调制、第二反射镜反射，再通过第二扩束镜扩束后入射到第二偏振分光棱镜发生反射；
第二偏振分光棱镜透射出来的第一路光束和第二偏振分光棱镜反射出来的第二路光束互补合为一束光从第二偏振分光棱镜出射，两束光形状互补、面积相等、功率相等；
(5)合束后的两束光入射到偏振片上，经过偏振片后只通过沿偏振片光轴方向的分量，且分量振幅大小相等，通过的两束光的分量经聚焦镜聚焦在焦平面处发生干涉，生成结构光。
电光相位调制器对通过的第二路光束进行相位调制，第二路光束与第一路光束经第二偏振分光棱镜后，第二路光束相对于第一路光束产生随时间周期性变化的相位延迟。
当经电光相位调制器调制后，在第一路光束和第二路光束同相位时，发生相长干涉，聚焦的结构光的光斑光强度达到最大值；
当经电光相位调制器调制后，在第一路光束和第二路光束的两束光的相位差为π时，发生相消干涉，聚焦的结构光的光斑大部分光强度分布在焦平面光斑外侧；
当经电光相位调制器调制后，在第一路光束和第二路光束的两束光的相位差发生周期性变化，聚焦的结构光最大光强的位置在聚焦镜的焦平面沿水平方向往复运动。
本发明的有益效果是：
本发明基于光束整形的方式，结合偏振分光棱镜对马赫-曾德干涉仪结构进行改进，对两路光束分别进行整形和相位调制。
本发明通过光路结构的特殊设计消除了传统结构光生成方式或分区调制方法中边缘衍射或狭缝衍射等衍射效应对系统造成的不利影响，提高了光能利用率和调制的效率，因此进而能够应用于荧光显微成像上，能够明显提升荧光显微图像的信噪比，在深层组织中良好地保持衍射极限分辨率，提高成像效果。
附图说明
为了更加详细而具体地说明本发明中采用的技术方案或细节，下面将结合以下附图进行描述。附图展示了本发明装置的结构图，列出了元件编号并作相应解释；附图通过列举非局限性的例子展示了对激光束基于光束整形的分光束方案。
图1是本发明装置的结构示意图，装置中XYZ轴方向如图右下角所示；
图2是本发明的光束整形原理示意图；
图3是本发明的分光束调制方案举例——外部环形光束和互补的内部圆形光束；
图4是实施例的焦平面区光强分布图，随调制光与未调制光相位差变化而不同。
图中：激光器1，电光强度调制器2，半波片3，第一透镜4，第二透镜5，第一偏振分光棱镜6，第一锥透镜7，第二锥透镜8，后向反射棱镜9，一维位移台10，第一反射镜11，电光相位调制器12，第二反射镜13，第三透镜14，第四透镜15，第二偏振分光棱镜16，偏振片17，聚焦镜18。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
如图1所示，装置光路具体包括激光器1、电光强度调制器2、半波片3、第一扩束镜、第一偏振分光棱镜6、光束整形镜、光学延迟线、第一反射镜11、电光相位调制器12、第二反射镜13、第二扩束镜、第二偏振分光棱镜16、偏振片17和聚焦镜18。
如图1所示，激光器1发出线偏振光的光束依次经过电光强度调制器2功率调制、半波片3调节偏振态和第一扩束镜准直扩束，入射到第一偏振分光棱镜6后发生透射和反射分为功率相等的两路光束，两路光束在改进的马赫-曾德干涉仪结构光路中传播。第一偏振分光棱镜6透射的光束为第一路光束，其实质为水平偏振光，第一路光束依次经过光束整形镜整形为平行中空环形光束、通过光学延迟线调节光程差后，再经第一反射镜11反射后入射到第二偏振分光棱镜16发生透射；第一偏振分光棱镜6反射的光束为第二路光束，其实质为竖直偏振光，第二路光束依次经过电光相位调制器12相位调制、第二反射镜13反射和第二扩束镜扩束后，入射到第二偏振分光棱镜16发生反射；第二偏振分光棱镜16透射出来的第一路光束和第二偏振分光棱镜16反射出来的第二路光束互补合为一束光出射偏振片17，再经过偏振片17调节为偏振方向一致的光束，最终经聚焦镜18聚焦在焦平面处发生干涉形成结构光。
第一扩束镜包括第一透镜4和第二透镜5，两个透镜构成4F系统，光束依次经过第一透镜4和第二透镜5后扩束到电光相位调制器12和光束整形镜的通光口径大小。
光束整形镜包括第一锥透镜7和第二锥透镜8，第一锥透镜7和第二锥透镜8厚度和顶角完全相同，第一锥透镜7和第二锥透镜8顶角相对布置并保持间隔距离，使得圆形光束依次经第一锥透镜7和第二锥透镜8后扩束形成平行中空环形光束。第二扩束镜包括第三透镜14和第四透镜15，第三透镜14和第四透镜15构成4F系统，第二路光束依次经第三透镜14和第四透镜15扩束为与平行中空环形光束恰好互补的圆形光束，即平行中空环形光束的内径和圆形光束外径尺寸相同，使得圆形光束刚好填补平行中空环形光束中间空缺，平行中空环形光束和圆形光束的两束光面积相等、功率相等。
光学延迟线包括一个后向棱镜反射镜9和一个沿X轴方向移动的一维位移台10，X轴方向为激光器的出射光束方向，后向棱镜反射镜9固定于一维位移台10，光束入射到后向棱镜反射镜9从其第一个反射面反射到其第二个反射面后以平行于X轴方向从第二个反射面出射，通过调节一维位移台10带动后向棱镜反射镜9沿X轴方向往复移动，从而调节第一路光束和第二路光束所经过的光程相等。
如图1所示，激光器发出线偏振光的偏振方向沿Z轴方向，半波片和偏振片均垂直于光束传播方向放置，半波片光轴方向与激光器发出线偏振光的光轴方向呈22.5°夹角，偏振片光轴方向与激光器发出线偏振光的光轴方向呈45°夹角。
本发明的实施例及其具体过程如下：
(1)激光器1发出线偏振光的光束，经电光强度调制器2调节出射功率后入射到半波片3上，例如，激光器可以是632.8nm的氦氖激光器，出射的线偏振光振动方向为水平方向，即如图1所示的Z轴方向。然后旋转调节半波片3使得半波片3的光轴方向与激光器1发出线偏振光的光轴方向呈22.5°夹角，光束经半波片3后偏振方向旋转为与激光器1发出线偏振光的光轴方向呈45°夹角；
(2)光束再经第一扩束镜准直扩束到和电光相位调制器12和光束整形镜通光口径大小一致后入射到第一偏振分光棱镜6中，例如，光束直径由1mm扩束到2mm。第一偏振分光棱镜6处发生透射和反射分成两路光束，发生透射的光束为第一路光束，其实质为水平偏振光发生反射的光束为第二路光束，其实质为竖直偏振光；
(3)透射过第一偏振分光棱镜6的水平偏振光束即第一路光束经光束整形镜整形形成平行中空环形光束，再经过光学延迟线调整光程后经第一反射镜11反射后到第二偏振分光棱镜16发生透射；
如图2所示，第一路光束照射到光束整形镜的第一锥透镜7的平面上，光束中心与锥透镜光轴重合，第二锥透镜8与第一锥透镜7同轴心相对放置，光束经过光束整形镜后形成平行中空环形光束，环形光束的内外半径之差等于原入射光束的半径，通过调整两锥透镜的距离，可形成内外圆面积为1:2的环形光束，例如对于折射率为1.4515的N-BK7光学玻璃制成的顶角为140°的锥透镜，两锥透镜圆锥面顶点距离为18.596mm，整形后的光束内圆直径为4.83mm，外圆直径为6.83mm。
(4)从第一偏振分光棱镜6反射出的竖直偏振光束即第二路光束依次经电光相位调制器12相位调制、第二反射镜13反射，再通过第二扩束镜扩束后入射到第二偏振分光棱镜16发生反射；
如图3所示，第二偏振分光棱镜16透射出来的第一路光束和第二偏振分光棱镜16反射出来的第二路光束互补合为一束光从第二偏振分光棱镜16出射，两束光形状互补、面积相等、功率相等，例如经第二扩束镜扩束后的圆形光束直径为4.83mm，与中空平行环形光束内径相等。
(5)最后，合束后的两束光入射到偏振片17上，经过偏振片17后只通过沿偏振片17光轴方向的分量，且分量振幅大小相等，通过的两束光的分量经聚焦镜18聚焦在焦平面处发生干涉，生成结构光。
电光相位调制器12对通过的第二路光束进行相位调制，第二路光束与第一路光束经第二偏振分光棱镜16后，第二路光束相对于第一路光束产生随时间周期性变化的相位延迟。
具体实施中，通过电光相位调制器12采用以下方式调制控制光斑运动：
当经电光相位调制器12调制后，在第一路光束和第二路光束同相位时，发生相长干涉，聚焦的结构光的光斑光强度达到最大值；当经电光相位调制器12调制后，在第一路光束和第二路光束的两束光的相位差为π时，发生相消干涉，聚焦的结构光的光斑大部分光强度分布在焦平面光斑外侧；当经电光相位调制器12调制后，在第一路光束和第二路光束的两束光的相位差发生周期性变化，聚焦的结构光最大光强的位置在聚焦镜18的焦平面沿X轴方向往复运动，不同相位下结果如图4所示。
本发明光束整形原理如下：
如图2所示，圆锥面顶角相同的一对正锥透镜组合成一种新型环形光束扩束器，实现平行高斯光束到空心高斯光束的整形，经该方法整形后的环形光束外径r1为：
内径r2为：
r2＝r1-r0
其中，r0为原入射光束半径，为锥透镜棱角，θ为锥透镜顶角，δ为两锥透镜间光束偏向角，n为锥透镜顶角，d为两锥透镜顶点间距。
经锥透镜进行光束整形后，目标整形光束表现形式为空心高斯光束，，其光场函数形式一般为：
P(r)＝(r2/w2)mexp(-r2/w2)
其中，m为空心高斯光束的阶数，w为高斯光束束腰半径，r为整形后的光束径向坐标
综上，本发明是采用基于光束整形的方式，结合偏振分光棱镜对马赫-曾德干涉仪结构进行改进，对两路光束分别进行整形和相位调制，完全消除了传统结构光生成方式或分区调制方法中边缘衍射或狭缝衍射等衍射效应对系统造成的不利影响，从而提高了光能利用率和焦平面调制的效率，使得荧光显微成像过程中的杂散光和背景噪声得到有效抑制，明显提升荧光显微图像的信噪比，在深层组织中良好地保持衍射极限分辨率，为生物组织深层无损成像提供更为合理有效的方案。

Claims (9)

1.一种基于光束整形的结构光生成装置，其特征在于：所述的装置光路中，包括激光器(1)、电光强度调制器(2)、半波片(3)、第一扩束镜、第一偏振分光棱镜(6)、光束整形镜、光学延迟线、第一反射镜(11)、电光相位调制器(12)、第二反射镜(13)、第二扩束镜、第二偏振分光棱镜(16)、偏振片(17)和聚焦镜(18)；激光器(1)发出线偏振光的光束依次经过电光强度调制器(2)功率调制、半波片(3)调节偏振态和第一扩束镜准直扩束，入射到第一偏振分光棱镜(6)后发生透射和反射分为功率相等的两路光束；第一偏振分光棱镜(6)透射的光束为第一路光束，第一路光束依次经过光束整形镜整形为平行中空环形光束、通过光学延迟线调节光程差后，再经第一反射镜(11)反射后入射到第二偏振分光棱镜(16)发生透射；第一偏振分光棱镜(6)反射的光束为第二路光束，第二路光束依次经过电光相位调制器(12)相位调制、第二反射镜(13)反射和第二扩束镜扩束后，入射到第二偏振分光棱镜(16)发生反射；第二偏振分光棱镜(16)透射出来的第一路光束和第二偏振分光棱镜(16)反射出来的第二路光束互补合为一束光入射到偏振片(17)，再经过偏振片(17)调节为偏振方向一致的光束，最终经聚焦镜(18)聚焦在焦平面处发生干涉形成结构光。
2.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的结构光生成装置，其特征在于：所述的第一扩束镜包括第一透镜(4)和第二透镜(5)，两个透镜构成4F系统，光束依次经过第一透镜(4)和第二透镜(5)后扩束到电光相位调制器(12)和光束整形镜的通光口径大小。
3.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的结构光生成装置，其特征在于：所述的光束整形镜包括第一锥透镜(7)和第二锥透镜(8)，第一锥透镜(7)和第二锥透镜(8)厚度和顶角完全相同，第一锥透镜(7)和第二锥透镜(8)顶角相对布置并保持间隔距离，使得圆形光束依次经第一锥透镜(7)和第二锥透镜(8)后扩束形成平行中空环形光束；
所述的第二扩束镜包括第三透镜(14)和第四透镜(15)，第三透镜(14)和第四透镜(15)构成4F系统，第二路光束依次经第三透镜(14)和第四透镜(15)扩束为与平行中空环形光束恰好互补的圆形光束，平行中空环形光束和圆形光束的两束光面积相等、功率相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的结构光生成装置，其特征在于：所述的光学延迟线包括一个后向棱镜反射镜(9)和一个一维位移台(10)，后向棱镜反射镜(9)固定于一维位移台(10)，光束入射到后向棱镜反射镜(9)从其第一个反射面反射到其第二个反射面后以平行于入射方向的相反方向从第二个反射面出射，通过调节一维位移台(10)带动后向棱镜反射镜(9)沿光束入射方向或出射方向往复移动，从而调节第一路光束和第二路光束均从第一偏振分光棱镜(6)到第二偏振分光棱镜(16)的光程相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的结构光生成装置，其特征在于：所述的半波片(3)垂直于光束传播方向放置，其光轴方向调节至与激光器(1)发出线偏振光的光轴方向呈22.5°夹角。
6.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的结构光生成装置，其特征在于：所述的偏振片(17)垂直于光束传播方向放置，其光轴方向与激光器(1)发出线偏振光的光轴方向呈45°夹角。
7.一种基于光束整形的结构光生成方法，其特征在于采用权利要求1-6任一所述装置，具体步骤如下：
(1)激光器(1)发出线偏振光的光束，经电光强度调制器(2)调节出射功率后入射到半波片(3)上，旋转调节半波片(3)使得半波片(3)的光轴方向与激光器(1)发出线偏振光的光轴方向呈22.5°夹角，光束经半波片(3)后偏振方向旋转为与激光器(1)发出线偏振光的光轴方向呈45°夹角；
(2)光束再经第一扩束镜准直扩束到和电光相位调制器(12)和光束整形镜通光口径大小一致后入射到第一偏振分光棱镜(6)中，第一偏振分光棱镜(6)处发生透射和反射分成两路光束，发生透射的光束为第一路光束，发生反射的光束为第二路光束；
(3)第一路光束经光束整形镜整形形成平行中空环形光束，再经过光学延迟线调整光程后经第一反射镜(11)反射后到第二偏振分光棱镜(16)发生透射；
(4)第二路光束依次经电光相位调制器(12)相位调制、第二反射镜(13)反射，再通过第二扩束镜扩束后入射到第二偏振分光棱镜(16)发生反射；
第二偏振分光棱镜(16)透射出来的第一路光束和第二偏振分光棱镜(16)反射出来的第二路光束互补合为一束光从第二偏振分光棱镜(16)出射，两束光形状互补、面积相等、功率相等；
(5)合束后的两束光入射到偏振片(17)上，经过偏振片(17)后只通过沿偏振片(17)光轴方向的分量，且分量振幅大小相等，通过的两束光的分量经聚焦镜(18)聚焦在焦平面处发生干涉，生成结构光。
8.根据权利要求7所述的一种基于光束整形的结构光生成方法，其特征在于：电光相位调制器(12)对通过的第二路光束进行相位调制，第二路光束与第一路光束经偏振片(17)后，第二路光束相对于第一路光束产生随时间周期性变化的相位延迟。
9.根据权利要求7所述的一种基于光束整形的结构光生成方法，其特征在于：当经电光相位调制器(12)调制后，在第一路光束和第二路光束同相位时，发生相长干涉，聚焦的结构光的光斑光强度达到最大值；
当经电光相位调制器(12)调制后，在第一路光束和第二路光束的两束光的相位差为π时，发生相消干涉，聚焦的结构光的光斑大部分光强度分布在焦平面光斑外侧；
当经电光相位调制器(12)调制后，在第一路光束和第二路光束的两束光的相位差发生周期性变化，聚焦的结构光最大光强的位置在聚焦镜(18)的焦平面沿水平方向往复运动。
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