CN109521580A - 基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

一种基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置和成像方法，多层成像的主要器件是涡旋光子筛与望远镜系统的组合，所述的涡旋光子筛是一种能够实现涡旋光场的衍射光学元件。本发明可以实现相干光场的固定系统离散化多层成像，通过移动光子筛可以同时实现不同倍率的离轴成像，增加了光路设计的自由度，操作简单，结构稳定。这种器件将很可能应用于多层成像系统、内窥镜系统、波前测量、医学成像、断层摄影、三维信息存储和光学捕获等领域。

Description

基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置和成像方法

技术领域

本发明涉及相干光场的多层成像，特别是一种基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置和成像方法。

背景技术

多层成像在生物细胞显微、内窥镜系统、波前测量、医学成像、断层摄影、三维信息存储、全息干涉计量等学科方面有着实际的需求与应用。传统的多平面成像方法通常采用透镜阵列或者分光元件，前者使用多透镜矩阵产生阵列像平面光场，后者利用多光谱成像与共焦系统结合产生彩色复合光场。无论哪种方式都需要三个以上的透镜组合。

菲涅尔波带片作为衍射光学元件，是一种传统的衍射透镜，可以实现极紫外至x射线波段的聚焦与成像。2001年德国科学家首次在波带片的基础上提出光子筛的概念，相对于波带片而言光子筛可以实现更高的分辨率。然而普通的波带片或光子筛只有一个主焦点；在2015年，我们基于希腊梯子编码制作的光子筛可以产生等强度的三维阵列焦点。但是希腊梯子光子筛阵列焦点的产生需要对光子筛的筛孔进行较为复杂的编码才能获取多个焦面。

相比于复杂编码的希腊梯子，单焦点的费马螺旋光子筛更容易制作。我们在前期费马螺旋光子筛的基础上，结合望远镜系统，提出了一类构造更加简单、操作更加方便的实现多层像面的新方法。这种新型的多层成像技术可以应用于相干光场的波前测量以及分层成像、全息干涉计量、活体细胞显微和阵列成像。此外，在三维显示、图像增强处理等研究领域也存在应用前景。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于提供一种基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置和成像方法，实现相干光场的多层成像。该成像方法在利用光子筛望远镜系统成像装置的情况下，可以实现固定系统的多层成像。除此之外，还可以通过控制光子筛相对位置来改变像的间距与大小，拥有灵活的成像特性，相比一般的多层成像装置，本装置操作简单，结构稳定，抗干扰能力更强。

本发明的原理如下：

成像光路利用了衍射透镜与传统折射透镜的组合，利用单光路望远镜系统同时实现三个像面；涡旋光子筛能够产生涡旋光场，该系统以f₁、f₂表示望远镜前后透镜的焦距，F_n表示轴上多焦点光子筛的焦距，以p表示物体与前透镜的距离，q_n表示望远镜系统产生的像面与后透镜的距离。像平面位置满足如下关系：

对于涡旋光子筛，n取不同的值进行计算可得到对应多个像面的位置。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置，其特点在于，包括相干光源、扩束系统、光阑、插有涡旋光子筛的望远镜系统、光电耦合探测器和计算机；

沿所述的相干光源的输出光的光轴方向依次放置扩束系统、光阑、望远镜系统和光电耦合探测器，所述光电耦合探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。

所述的涡旋光子筛是一种的衍射光学元件，可以实现相干光场下从x射线到太赫兹波段的聚焦和成像。

所述的基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置对待测物体实现多层成像的方法，该方法包括以下步骤：

①将所述的待测物体置于所述的光阑后，使相干光源经过扩束系统扩束的光均匀照射至所述的待测物体；

②调节涡旋光子筛的位置，使其中心与所述的相干光源的输出光的光轴偏离；

③移动光电耦合探测器，通过计算机监控探测器信号的强弱，在信号去强度达到极值的时候接收到像面，获得同一物体放大与缩小的多个像。

可控制光子筛位置进行成像间距与大小的调控，产生三维阵列像面，实现多层成像。

所述多层成像光路包括相干光源、扩束系统、光阑、望远镜系统、涡旋光子筛、光电耦合探测器、和数据处理终端；

进一步地，所述相干光源产生激光，置于成像光路的最前端；

进一步地，所述扩束系统置于相干光源后，产生均匀分布的平面波光源，提高光束质量；

进一步地，所述光阑置于扩束系统后，用于限制光场范围，使光束均匀照射成像物体，在一定的物距范围内均可以得到成像结果；

进一步地，望远镜系统置于成像物体后一段距离，用于成像光路的多层成像；

进一步地，所述涡旋光子筛置于前透镜与后透镜组成的望远镜系统内，用于与望远镜系统相结合进行多层成像；

进一步地，所述光电耦合探测器置于光路后透镜后，调节光电耦合探测器的位置置于像面上，用于检测组合望远镜系统光路产生的像，移动探测器的位置得到不同像面的成像；

进一步地，所述数据处理终端用于记录、显示光电耦合探测器的探测结果；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以在不改变光学系统参数的情况下实现多层成像，主要的成像器件涡旋光子筛是一种振幅型衍射元件，可以实现相干条件下从软x射线到太赫兹波段的聚焦和成像。此外，这类系统能够产生空间三维阵列聚焦和成像，进一步实现离轴成像，这样可以在光路中加入探测或处理元件而不影响后续光路成像，提高了设计的自由度；相比现有的多层成像方案，本成像装置结构简单，制作方便，成像方法稳定性强，抗干扰能力更高。

附图说明

图1为本发明基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置图；

图2为利用全息法实验测量本发明基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置所产生的多个像面的实验装置图；

图3为本发明基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置中涡旋光子筛器件的结构示意图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置图，由图可见本发明基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置包括相干光源1，望远镜系统5，涡旋光子筛6，光电耦合探测器7和计算机8，其特点在于还有显微物镜、针孔和透镜组成的扩束系统2和光阑3。在单色平行光照明待测物体4 时，该装置能够产生三维阵列像面，实现固定系统下的离散化成像。上述元件的位置关系如下：

沿所述的相干光源1的输出光的光轴方向，依次放置扩束系统2,、光阑3、成像物体4、插入涡旋光子筛6的望远镜系统5、光电耦合探测器7和计算机8，所述涡旋光子筛6中心偏离相干光源1的输出光的光轴。

图2所示的相移全息法用以展示该系统的成像特性，对光子筛置于望远镜系统频谱面处的情况进行成像实验。利用图2所示的相移全息法进行全息实验对应的光路所用器件包括He-Ne激光器9、分束器10和17、衰减片11、扩束系统2 和12、1/4波片13、反射镜14和15、光阑3、待测物体16、望远镜系统5、涡旋光子筛6、光电耦合探测器7和计算机8。

进一步地，所述He-Ne激光器9产生632.8nm的激光，通过分束器10分束，其中一束光经过反射镜15对应为物光路，另一束光经过衰减片11对应为参考光光路；

进一步地，在物光路，激光通过针孔直径为10μm的空间针孔滤波器和焦距为175mm透镜组成的扩束系统2扩束，以产生分布均匀的平行光；

进一步地，在物光路，扩束后的激光照明光阑3，以控制照射到被测物体16 上的光强分布，所述被测物体16是外径1.70mm、内径0.90mm的通光圆环；

进一步地，在物光路，所述涡旋光子筛6插入望远镜系统5组合后置于被测物体16后一段距离，在不改变光学系统参数的情况下在三个像面成像，实现固定系统的离散化多层成像。

进一步地，在物光路，望远镜系统5的前后透镜焦距分别为100mm和125mm，此时望远镜系统对应的理论垂轴放大率等于-1.25。

进一步地，在物光路，所述涡旋光子筛6的焦距F₁＝180mm，放置于望远镜系统的频谱面处，用以得到垂轴放大率相等的三个像；

进一步地，在参考光光路，经过同样参数的扩束系统12扩束后的激光照射在1/4波片13上，转动1/4波片13改变参考光相位，参考光经过反射镜14和分束器17后与物光在光电耦合探测器7靶面干涉产生多幅相移全息图；

进一步地，所述光电耦合探测器7对应的分辨率为5.5μm×5.5μm，像素点阵为3296×2472。将光电耦合探测器7置于望远镜系统5后，调节光电耦合探测器 7的位置并记录下全息图。

进一步地，利用计算机8处理全息图获得最终的成像结果。三层像面的成像结果与理论值对比如下表1所示，多层成像全息实验恢复结果图如图3所示。

表1：物距＝93.3mm处的多层成像情况

利用涡旋光子筛望远镜系统实现了同一光路的多层成像，同时还可以通过移动涡旋光子筛的位置以改多层成像面坐标系位置。多层成像光路可以在光学探测或光学处理元件加入光路后而不影响后续光路，提高了设计的自由度。

本发明未阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。

以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置，其特征在于，包括相干光源(1)、扩束系统(2)、光阑(3)、插有涡旋光子筛(6)的望远镜系统(5)、光电耦合探测器(7)和计算机(8)；

沿所述的相干光源(1)的输出光的光轴方向依次放置扩束系统(2)、光阑(3)、望远镜系统(5)和光电耦合探测器(7)，所述光电耦合探测器(7)的输出端与所述的计算机(8)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置，其特征在于，所述的涡旋光子筛是一种的衍射光学元件，可以实现相干光场下从x射线到太赫兹波段的聚焦和成像。

3.根据权利要求1或2所述的基于涡旋光子筛望远镜系统的多层成像装置对待测物体实现多层成像的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①将所述的待测物体(4)置于所述的光阑(3)后，使相干光源(1)经过扩束系统(2)扩束的光均匀照射至所述的待测物体(4)；

②调节涡旋光子筛(6)的位置，使其中心与所述的相干光源(1)的输出光的光轴偏离；

③移动光电耦合探测器(7)，通过计算机(8)监控探测器信号的强弱，在信号去强度达到极值的时候接收到像面，获得同一物体放大与缩小的多个像。

4.根据权利要求3所述的实现多层成像的方法，其特征在于，可控制光子筛位置进行成像间距与大小的调控，产生三维阵列像面，实现多层成像。