CN109491080A - 一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法与系统 - Google Patents

Abstract

为解决现有的多模光纤出射光斑聚焦方法在多模光纤出射端不能快速形成批量聚焦光斑的问题，本发明提供了一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法与系统。方法包括在线散斑采集和离线振幅优化；在线散斑采集是对空间光调制器的每个调制子区域，在其处于开状态时，分别采集多模光纤出射端无干涉散斑图像及其与参考子区域处于开状态时的干涉散斑图像，遍历扫描所有M个调制子区域，获得2M幅散斑图像。离线振幅优化是对预设的N个聚焦光斑，使用所述2M幅散斑图像上对应聚焦位置的强度信息，依次计算所有聚焦光斑对应的每个测试模态的二值振幅调制状态，组成二值振幅调制掩模，逐个加载在空间光调制器上，实现多模光纤N个出射光斑逐点聚焦。

Description

一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法与系统

技术领域

本发明属于新型光学成像与光场调控技术领域，特别涉及一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法与系统。

背景技术

多模光纤具有多个导波模式，可以并行进行信息传输，实现区域内成像。近年来，多模光纤成像方法成为了研究热点。但多模光纤的入射光以不同导波模式传播时，模式色散和模间耦合导致模式间的能量交换，扰乱了入射光场的时间和空间信息，产生信号串扰，使得多模光纤的输出为一系列的散斑，阻碍了多模光纤在数字信号和图像信号传输方面的应用。

目前多模光纤成像方法主要分为传输矩阵法和聚焦光斑扫描法，其中，传输矩阵法需要预先测量传输矩阵，计算量非常大，且光纤的弯曲会影响传输矩阵测量的准确性，实验系统的灵活性和稳定性都有待提高。聚焦光斑扫描法无需测量传输矩阵，光路简单，系统稳定性好，但要在多模光纤末端先形成聚焦光斑，使用聚焦光斑作为采样光斑，扫描被测物体成像，光斑数目通常达到几百甚至上千，为了使扫描速度更快，光斑聚焦速度必须更快。

现有的多模光纤出射光斑聚焦方法包括基于数字相位共轭的聚焦方法和波前调制形成聚焦光斑的方法，其中，基于数字相位共轭的聚焦方法通过测量点光源经多模光纤传播后的散射光场，对该散射光场进行复共轭运算后，根据光路可逆原理，可在原点光源的位置形成聚焦。这一方法无需测量传输矩阵，没有迭代过程，但光学元件的位置对共轭相位的计算影响较大，实验系统受环境噪声影响较大。波前调制形成聚焦光斑的方法是基于动态衍射光学元件对入射光的波前进行调制，使得光通过多模光纤传输后可以在光纤出射端形成聚焦光斑，无需测量传输矩阵，光路简单，系统稳定性较好。但是，这两种多模光纤出射光斑聚焦方法都需要多次迭代、反复访问外部设备、计算量大，形成批量聚焦光斑所需时间长。

发明内容

为解决现有的多模光纤出射光斑聚焦方法在多模光纤出射端不能快速形成批量聚焦光斑的技术问题，本发明提供了一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法与系统。

本发明的技术方案如下：

一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法，其特殊之处在于，包括步骤：

步骤1)在线散斑采集

1.1)将空间光调制器分为M个调制子区域，将其中一个调制子区域作为参考模态，其余M-1个子区域作为测试模态；S_m为预设的空间光调制器每个调制子区域的尺寸大小，取值范围为0.1mm×0.1mm～0.96mm×0.96mm；S_all为能够耦合进多模光纤的空间光调制器像面大小；所述空间光调制器为可对入射光具有二值振幅调制作用的器件；

1.2)选通第一个测试模态；

1.3)采集多模光纤出射端的无干涉散斑图像；

1.4)选通参考模态；

1.5)采集多模光纤出射端的干涉散斑图像；

1.6)判断是否扫描完全部调制子区域，若否，关闭参考模态，选通下一个测试模态，返回步骤1.3)；若是，采集终止，共得到2M幅散斑图像，进入步骤2)；

步骤2)离线振幅优化

2.1)设定N个不同位置的聚焦光斑；N的取值上限是多模光纤出射散斑区域大小和一个聚焦光斑区域大小的比值，N的取值下限为2；聚焦光斑的位置应设定在多模光纤出射端的散斑图像范围内；

2.2)选取第一个测试模态对应的无干涉散斑图像和干涉散斑图像；

2.3)计算所有聚焦光斑在当前测试模态下的优化二值振幅调制状态；

2.4)判断是否计算完所有聚焦光斑在所有测试模态下优化二值振幅调制状态，若否，选取下一个测试模态对应的无干涉散斑图像和干涉散斑图像，转入步骤2.3)；若是，算法终止，共获得N个二值振幅调制掩膜；

2.5)将N个聚焦光斑的空间光调制器二值振幅调制掩膜逐个加载至空间光调制器上，对激光器输出的光束进行调制，实现多模光纤N个出射光斑逐点聚焦。

进一步地，所述步骤1.1)中的调制子区域的大小为8*8个空间光调制器像素。

进一步地，所述步骤1.1)中，参考模态在M个调制子区域中心选取。

进一步地，步骤2.3)具体为：

将参考模态无干涉散斑图像对应位置的总光强记为I₁，测试模态无干涉散斑图像对应位置的总光强记为I₂，测试模态干涉散斑图像对应位置的总光强记为I，当满足时，则置当前测试模态的二值振幅调制状态为1，否则置为0。

本发明同时提供了一种实现上述多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法的多模光纤出射光斑逐点聚焦系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的激光器、准直扩束模块、空间光调制器、4f系统、聚焦物镜、成像物镜、CCD相机；

准直扩束模块用于对激光器发射出的光束进行准直扩束后入射至空间光调制器；

空间光调制器为可对入射光具有二值振幅调制作用的器件；

4f系统用于仅选通空间光调制器反射的0级衍射光；

聚焦物镜用于将所述0级衍射光聚焦到多模光纤的前端面上；

成像物镜用于将多模光纤的后端面上的光斑成像到所述CCD相机，被CCD相机接收；

所述多模光纤出射光斑逐点聚焦系统还包括计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时上述方法的步骤。

进一步地，所述的准直扩束模块包括沿激光器的出射光路依次设置的第一透镜和第二透镜。

进一步地，所述的4f系统包括沿光路依次设置的第一凸透镜、小孔光阑和第二凸透镜，小孔光阑设置在第一凸透镜和第二凸透镜的焦平面上，第一凸透镜用于接收空间光调制器的反射光束。

进一步地，空间光调制器为数字微镜器件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在线散斑采集过程只需遍历一次空间光调制器的所有调制子区域，通过离线振幅优化即可得到满足所有目标位置形成聚焦光斑的二值振幅调制掩模，实现了在线访问空间光调制器调制子区域次数最少、无迭代、计算量小以及并行获取多个光斑逐点聚焦的二值振幅调制掩模。因此，本发明的聚焦方法简便有效、调制速度快。

2、本发明仅需一次扫描，就能形成批量聚焦光斑，可应用于快速光场调控和生物医学成像等相关应用领域。

3、本发明的聚焦方法在实现时，光路结构简单、光路稳定性好。

附图说明

图1为本发明实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的系统构成示意图。

图2为本发明实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法流程示意图。

图3为本发明实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法中在线散斑采集过程示意图。

图4为采用本发明对多模光纤出射光斑进行逐点聚焦一次得到的50个不同位置的聚焦光斑效果图。

附图标记：

1、激光器，2、第一透镜，3、第二透镜，4、空间光调制器，5、第一凸透镜，6、小孔光阑，7、第二凸透镜，8、聚焦物镜，9、多模光纤，10、成像物镜，11、CCD相机，12、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明所提供的实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的系统包括沿光路依次设置的激光器1、第一透镜2、第二透镜3、空间光调制器4、第一凸透镜5、小孔光阑6、第二凸透镜7和聚焦物镜8；聚焦物镜8的后端通过多模光纤9连接成像物镜10；成像物镜10的出射光路上设置有CCD相机11；CCD相机11与计算机12相连。

第一透镜2和第二透镜3构成准直扩束模块，用于对激光器1发射出的光束进行准直扩束后，入射到空间光调制器4。

小孔光阑6设置在第一凸透镜5和第二凸透镜7的焦平面上，第一凸透镜5、小孔光阑6和第二凸透镜7构成4f系统，只选通空间光调制器4反射的0级衍射光用于二值振幅调制，滤除其他杂散光；被选通的0级衍射光通过聚焦物镜8聚焦到多模光纤9的前端面上，多模光纤9的后端面上的光斑经成像物镜10入射到CCD相机11被接收。

基于图1所示系统的实施例，实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法的实施例，具体包括以下步骤：

步骤1)在线散斑采集

1.1)将空间光调制器4分为M个调制子区域，每个调制子区域对应H个空间光调制器像素。

调制子区域的数目M与能够耦合进多模光纤的空间光调制器像面大小以及预设的空间光调制器每个调制子区域的尺寸大小有关。每个调制子区域对应的空间光调制器像素数H和预设的空间光调制器每个调制子区域的尺寸大小以及空间光调制器的单个像元尺寸有关。

设能够耦合进多模光纤的空间光调制器像面尺寸大小为S_all，预设的空间光调制器每个调制子区域的尺寸大小为S_m，空间光调制器的单个像元尺寸为S₀，则空间光调制器上的调制子区域的数目为即M是S_all与S_m的比值的向下取整。每个调制子区域对应的空间光调制器像素数目

其中，S_m取值为0.1mm×0.1mm～0.96mm×0.96mm，在耦合进多模光纤的空间光调制器像面大小相同的情况下，若S_m过小会使系统受环境振动的影响过大，信噪比低，且调制子区域数目太多，导致数据处理的计算量增大；S_m过大会使调制子区域数目太少，因此无法精确控制多模光纤的光场，导致光斑聚焦质量不佳。

在本实施例中，选取M＝4096，H＝8*8＝64。

每个调制子区域对应8*8共64个空间光调制器像素，是通过大量实验确定的比较优化的参数，其他取值(例如6*6，16*16)也可以实现聚焦。

1.2)选取其中某一个调制子区域为参考模态(参考模态的位置应尽量靠近中心，以确保能完全耦合进多模光纤)，其余调制子区域为测试模态，依次生成如图3左侧所示的用于无干涉散斑图像采集和干涉散斑图像采集的空间光调制器调制图，共2M张，即8192张图；空间光调制器调制图为可加载到空间光调制器上的二值振幅调制图(仅由0和255构成)，具体可利用MATLAB软件生成，其中，调制子区域的灰度值为255代表选通该子区域，灰度值为0则代表关闭该子区域。

1.3)在空间光调制器4上按顺序加载全部调制图(8192张)，使用CCD相机11一次遍历扫描，采集得到所有无干涉散斑图像和干涉散斑图像；

2)离线振幅优化

2.1)设定N个不同位置的聚焦光斑(在本实施例中，选取N＝5*10＝50，取5行10列不同位置的聚焦光斑)，并将每个聚焦光斑大小设定为5×5个CCD像素；理论上，聚焦光斑的数目上限是多模光纤出射散斑区域大小和一个聚焦光斑区域大小的比值，但具体实践中，应考虑离线计算的时间。预设几行几列并没有特殊要求，也不是必须为连续位置，只要满足聚焦光斑的位置设定在多模光纤出射端的散斑图像范围内即可。

本步骤中，每个聚焦光斑对应的CCD像素数，是在实验前对CCD的像素当量进行标定确定的。首先，利用CCD相机对多模光纤出射端面清晰成像，得出多模光纤出射端面占CCD相机的像素数，则可以得到CCD的每个像素对应的物面大小，即像素当量。然后，用理想聚焦光斑的大小除以像素当量即可得到每个聚焦光斑对应的CCD像素数。理想聚焦光斑的大小定义为光纤出射艾里斑的半高全宽，由多模光纤的数值孔径决定。

2.2)计算M-1(＝4095)个测试模态针对N个聚焦光斑所需的二值振幅调制状态(对于N个聚焦光斑，得到N个二值振幅调制掩模，每个掩模由(M-1)个测试模态的二值振幅调制状态及1个参考模态的恒为1的调制状态组成)：

2.2.1)选取第一个测试模态对应的无干涉散斑图像和干涉散斑图像；

2.2.2)关注第一个聚焦光斑图像所对应的5×5像素区域的总光强，将参考模态无干涉散斑图像对应位置的总光强记为I₁，测试模态无干涉散斑图像对应位置的总光强记为I₂，测试模态干涉散斑图像对应位置的总光强记为I，当满足这个多光束相长干涉条件时，则置当前测试模态的二值振幅调制状态为1，对应开启该测试模态对应的调制子区域，否则置为0，对应关闭该测试模态对应的调制子区域。

2.2.3)利用步骤2.2.2)的方法，类似地依次获取50个聚焦光斑图像在当前测试模态下分别对应的优化二值振幅调制状态(0或1)；

2.2.4)选取下一个测试模态对应的无干涉散斑图像和干涉散斑图像；

2.2.5)重复步骤2.2.2)-2.2.4)，直至得到50个聚焦光斑在M-1(＝4095)个测试模态下的优化二值振幅调制状态，此时，也就得到了分别对应50个聚焦光斑的50个二值振幅调制掩模(每个二值振幅调制掩模由M-1(＝4095)个测试模态的二值振幅调制状态及1个参考模态的恒为1的调制状态组成)。

2.3)在空间光调制器4上依次加载步骤2.2.5)得到的50个聚焦光斑对应的二值振幅调制掩模，即可实现多模光纤50个出射光斑逐点聚焦。

2.4)使用CCD相机11拍摄步骤2.3)得到的多模光纤50个出射端不同位置的聚焦光斑，效果图如图4所示。由图4可以看出本发明仅需一次扫描，就能在较短时间内形成质量较好的批量聚焦光斑，为多模光纤聚焦光斑扫描成像提供扫描采样光斑。

Claims (8)

1.一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1)在线散斑采集

1.1)将空间光调制器分为M个调制子区域，将其中一个调制子区域作为参考模态，其余M-1个子区域作为测试模态；S_m为预设的空间光调制器每个调制子区域的尺寸大小，取值范围为0.1mm×0.1mm～0.96mm×0.96mm；S_all为能够耦合进多模光纤的空间光调制器像面大小；所述空间光调制器为可对入射光具有二值振幅调制作用的器件；

1.2)选通第一个测试模态；

1.3)采集多模光纤出射端的无干涉散斑图像；

1.4)选通参考模态；

1.5)采集多模光纤出射端的干涉散斑图像；

1.6)判断是否扫描完全部调制子区域，若否，关闭参考模态，选通下一个测试模态，返回步骤1.3)；若是，采集终止，共得到2M幅散斑图像，进入步骤2)；

步骤2)离线振幅优化

2.1)设定N个不同位置的聚焦光斑；N的取值上限是多模光纤出射散斑区域大小和一个聚焦光斑区域大小的比值，N的取值下限为2；聚焦光斑的位置应设定在多模光纤出射端的散斑图像范围内；

2.2)选取第一个测试模态对应的无干涉散斑图像和干涉散斑图像；

2.3)计算所有聚焦光斑在当前测试模态下的优化二值振幅调制状态；

2.4)判断是否计算完所有聚焦光斑在所有测试模态下优化二值振幅调制状态，若否，选取下一个测试模态对应的无干涉散斑图像和干涉散斑图像，转入步骤2.3)；若是，算法终止，共获得N个二值振幅调制掩膜；

2.5)将N个聚焦光斑的空间光调制器二值振幅调制掩膜逐个加载至空间光调制器上，对激光器输出的光束进行调制，实现多模光纤N个出射光斑逐点聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法，其特征在于：所述步骤1.1)中的调制子区域的大小为8*8个空间光调制器像素。

3.根据权利要求1所述的一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法，其特征在于：所述步骤1.1)中，参考模态在M个调制子区域中心选取。

4.根据权利要求1所述的一种实现多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法，其特征在于，步骤2.3)具体为：

将参考模态无干涉散斑图像对应位置的总光强记为I₁，测试模态无干涉散斑图像对应位置的总光强记为I₂，测试模态干涉散斑图像对应位置的总光强记为I，当满足时，则置当前测试模态的二值振幅调制状态为1，否则置为0。

5.实现权利要求1所述多模光纤出射光斑逐点聚焦的方法的多模光纤出射光斑逐点聚焦系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的激光器(1)、准直扩束模块、空间光调制器(4)、4f系统、聚焦物镜(8)、成像物镜(10)、CCD相机(11)；

准直扩束模块用于对激光器(1)发射出的光束经进行准直扩束后入射至空间光调制器(4)；

空间光调制器(4)为可对入射光具有二值振幅调制作用的器件；

4f系统用于仅选通空间光调制器(4)反射的0级衍射光；

聚焦物镜(8)用于将所述0级衍射光聚焦到多模光纤(9)的前端面上；

成像物镜(10)用于将多模光纤(9)的后端面上的光斑成像到所述CCD相机(11)，被CCD相机(11)接收；

所述多模光纤出射光斑逐点聚焦系统还包括计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现权利要求1所述方法的步骤。

6.根据权利要求5所述的多模光纤出射光斑逐点聚焦的系统，其特征在于：所述的准直扩束模块包括沿激光器(1)的出射光路依次设置的第一透镜(2)和第二透镜(3)。

7.根据权利要求5所述的多模光纤出射光斑逐点聚焦的系统，其特征在于：所述的4f系统包括沿光路依次设置的第一凸透镜(5)、小孔光阑(6)和第二凸透镜(7)，小孔光阑(6)设置在第一凸透镜(5)和第二凸透镜(7)的焦平面上，第一凸透镜(5)用于接收空间光调制器(4)的反射光束。

8.根据权利要求5、6或7所述的多模光纤出射光斑逐点聚焦的系统，其特征在于：空间光调制器(4)为数字微镜器件。