CN109656028A - 一种产生无衍射光的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种产生无衍射光的系统及方法，所述无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，产生无衍射光的系统包括：沿光轴依次设置的相位调制单元、第一透镜、空间频率滤波单元和第二透镜；所述第一透镜与所述第二透镜共焦设置，所述空间频率滤波单元位于所述第一透镜以及所述第二透镜的焦平面上。本发明实施例提供一种产生无衍射光的系统及方法，以实现可以产生任意无衍射光图案，且光路简单、光利用率高。

Description

一种产生无衍射光的系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种产生无衍射光的系统及方法。

背景技术

无衍射光是光学类型中一种常见的光分类。在实际光学应用中，能够传播很长一段距离而不发生光学衍射的光称为无衍射光。无衍射光可以作为光镊、光刻等应用，并可以应用于机器视觉、生物医学、质量控制和逆向工程等。

目前产生无衍射光的方法主要有三种：多光束干涉方法、傅里叶转换方法及相位振幅双重调制方法。

第一种，多光束干涉方法利用多棱镜等光学原件将原有的激光分光成多束光，或者直接产生几束相干光，这几束相干光具有无衍射光的需求，再将光束“叠加”，即干涉的方式产生部分无衍射光。这种方法的缺点是，光学元件比较固定，图形易变性差，只能产生比较少的分光的干涉图案。也就是说，多光束干涉方法产生的无衍射光的类型比较单一(无衍射光例如可以包括贝塞尔光、马修光、包括横向具有具有正弦特点的栅型晶格光)。

第二种，傅里叶转换方法使用平行光照射一个“细”的环(或有分布透光小孔的环)，使入射光(一定是平行光)强行转换成环的形状，转换为环状的光线经过一个透镜后，“叠加”形成无衍射光。这种方法的缺点是：大量光强被过滤，光利用率很低。实际应用方面，不能直接应用在光刻等光强需求较高的应用中。

第三种，相位振幅双重调制方法是经过振幅和强度双重调整，这样光路中至少需要两个空间光调制器，需要两次4f的光路组建才能完成整体调制。这样光路就变得很复杂，导致工程参数问题也会相应增加许多。

发明内容

本发明实施例提供一种产生无衍射光的系统及方法，以实现可以产生任意无衍射光图案，且光路简单、光利用率高。

第一方面，本发明实施例提供一种产生无衍射光的系统，所述无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，包括：

沿光轴依次设置的相位调制单元、第一透镜、空间频率滤波单元和第二透镜；

所述第一透镜与所述第二透镜共焦设置，所述空间频率滤波单元位于所述第一透镜以及所述第二透镜的焦平面上。

可选地，所述相位调制单元为空间光调制器。

可选地，所述空间频率滤波单元包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第三区域围绕所述第二区域，所述第二区域围绕所述第一区域，所述第一区域和所述第三区域不透光，用于过滤衍射光；所述第二区域透光，用于透过无衍射光。

可选地，所述第一区域与所述第二区域的交界线为L1，所述第二区域与所述第三区域的交界线为L2，L1和L2均为圆形。

可选地，所述第二区域的环半径大于或等于100μm且小于或等于200μm。

可选地，所述空间频率滤波单元包括沿光轴排列的光阑和挡光屏，光通过所述光阑后形成的光斑面积大于所述挡光屏的面积。

可选地，还包括成像单元，所述成像单元位于所述第二透镜远离所述空间频率滤波单元一侧，用于将接收到的无衍射光成像。

第二方面，本发明实施例提供一种产生无衍射光的方法，所述无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，由第一方面所述的系统执行，包括：

计算所需无衍射光的复振幅，调整相位调制单元以得到所需无衍射光的复振幅中的相位，调整空间滤波单元以修正复振幅中振幅的偏差，得到无衍射光图形；光源发出的光经过所述相位调制单元、第一透镜、所述空间频率滤波单元和第二透镜后产生无衍射光。

本发明实施例提供的产生无衍射光的系统中，通过相位调制单元实现无衍射光的相位调制，利用无衍射光傅里叶频域特性，在复频域上通过空间滤波单元进行滤波，达到振幅调制的相同效果，因此可以通过本发明实施例提供的产生无衍射光的系统来产生任意类型的无衍射光。由于空间频率滤波单元设置于第一透镜的焦平面上，大量的光线可以通过空间频率滤波单元，只有少量的衍射光被空间频率滤波单元过滤掉，同时也过滤掉空间光调制器产生的其他级的杂光。第一透镜和第二透镜共同的焦面为光线的傅里叶频域，因此可以在傅里叶频域上对光线进行空间频率的滤波处理。本发明实施例提供一种产生无衍射光的系统，以实现可以产生任意无衍射光图案，且光路简单、光利用率高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种产生无衍射光的系统的示意图；

图2为图1中所示空间频率滤波单元的一种结构示意图；

图3为图1中所示空间频率滤波单元的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种产生无衍射光的系统的示意图，参考图1，一种产生无衍射光的系统，无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，光的傅里叶频域指的是光的波函数经过一次傅里叶变换后形成的空间频域。(需要说明的是，所有类型的无衍射光在傅里叶频域的形状均为环状，本发明基于此，设计一种4f空间滤波系统产生无衍射光)。示例性地，平行光的傅里叶频域可以通过透镜聚焦并在其焦平面上实现。产生无衍射光的系统包括：沿光轴依次设置的相位调制单元10、第一透镜20、空间频率滤波单元30和第二透镜40。相位调制单元10用于根据加载到相位调制单元10上的电信号来产生相应的相位延迟，以实现无衍射光的相位调制。空间频率滤波单元30用于过滤衍射光，并透过无衍射光。第一透镜20与第二透镜40共焦设置，空间频率滤波单元30位于第一透镜20以及第二透镜40的焦平面上。

本发明实施例提供的产生无衍射光的系统中，通过相位调制单元实现无衍射光的相位调制，利用无衍射光傅里叶频域特性，在复频域上通过空间滤波单元进行滤波，达到振幅调制的相同效果，因此可以通过本发明实施例提供的产生无衍射光的系统及无衍射光的特定相位计算来产生任意类型的无衍射光。由于先经过了相位调制，使得在傅里叶面上大量的光线集中在环上，可以通过空间频率滤波单元，只有少量的衍射光被空间频率滤波单元过滤掉，从而可以达到高利用的效果。第一透镜和第二透镜共同的焦面为光线的傅里叶频域，因此可以在傅里叶频域上对光线进行空间频率的滤波处理。本发明实施例提供一种产生无衍射光的系统，以实现可以产生任意无衍射光图案，且光路简单、光利用率高。

可选地，参考图1，相位调制单元10为空间光调制器。一般地说，空间光调制器含有许多独立单元，他们在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接收光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长。本发明实施例中空间光调制器用于实现对光的相位调制。图1中示例性地，空间光调制器为反射式空间光调制器，在其他实施方式中，空间光调制器还可以为透射式的空间光调制器。

图2为图1中所示空间频率滤波单元的一种结构示意图，参考图1和图2，空间频率滤波单元30包括第一区域301、第二区域302和第三区域303，第三区域303围绕第二区域302，第二区域302围绕第一区域301，第一区域301和第三区域303不透光，用于过滤衍射光(第一区域301过滤掉了低频的空间频率的光，第三区域303过滤掉了高频的空间频率的光)。第二区域302透光，用于透过无衍射光。由于经过相位调制单元10调制后的光(相位调制单元10调制后的光的相位与设定的无衍射光的相位一致)，经过第一透镜20聚焦后在第一透镜20的焦面形状为环状，空间频率滤波单元30能透过大部分的入射光线，从而具有较高的光利用率。

可选地，参考图1和图2，第一区域301与第二区域302的交界线为L1，第二区域302与第三区域303的交界线为L2，L1和L2均为圆形。第二区域302构成了透光圆环。其他实施方案中，透光圆环可以用小孔代替。

可选地，参考图1和图2，第二区域302为透光圆环时，第二区域302的环半径P大于或等于100μm且小于或等于200μm。也就是说，沿径向上L1和L2之间的距离P大于或等于100μm且小于或等于200μm。

图3为图1中所示空间频率滤波单元的另一种结构示意图，参考图1和图3，空间频率滤波单元30包括沿光轴排列的光阑31和挡光屏32，光通过光阑31后形成的光斑面积大于挡光屏32的面积。光阑31的通光孔径大于挡光屏32的面积。光阑31和挡光屏32共同形成了环形的透光区域。由于空间频率滤波单元30位于第一透镜20以及第二透镜40的焦平面上，构成空间频率滤波单元30的光阑31和挡光屏32均位于第一透镜20以及第二透镜40的焦平面上。光阑31和挡光屏32之间的距离小于等于设定值(光阑31和挡光屏32邻近设置)。在一可选的实施方式中，光阑31可以位于第一透镜20与挡光屏32之间。在另一可选的实施方式中，挡光屏32可以位于第一透镜20与光阑31之间。

可选地，参考图1，产生无衍射光的系统还包括成像单元50，成像单元50位于第二透镜40远离空间频率滤波单元30一侧，用于将接收到的无衍射光成像。成像单元50例如可以为包括电荷耦合元件(CCD)的成像单元，或者为包括互补金属氧化物半导体(CMOS)的成像单元。

本发明实施例还提供一种产生无衍射光的方法，无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，由上述任一实施例中产生无衍射光的系统执行，产生无衍射光的方法包括：

计算所需无衍射光的复振幅，调整相位调制单元以得到所需无衍射光的复振幅中的相位(即提取复振幅中的相位成分，并应用于相位调制单元)，调整空间滤波单元以修正复振幅中振幅的偏差，得到无衍射光图形。也就是说，利用无衍射光在傅里叶频域特性(无衍射光在傅里叶频域一定是环形)，让空间滤波单元修正无衍射光图形，作为振幅调制。

光源发出的光经过相位调制单元、第一透镜、空间频率滤波单元和第二透镜后产生无衍射光。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种产生无衍射光的系统，所述无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，其特征在于，包括：

沿光轴依次设置的相位调制单元、第一透镜、空间频率滤波单元和第二透镜；

所述第一透镜与所述第二透镜共焦设置，所述空间频率滤波单元位于所述第一透镜以及所述第二透镜的焦平面上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相位调制单元为空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间频率滤波单元包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第三区域围绕所述第二区域，所述第二区域围绕所述第一区域，所述第一区域和所述第三区域不透光，用于过滤衍射光；所述第二区域透光，用于透过无衍射光。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一区域与所述第二区域的交界线为L1，所述第二区域与所述第三区域的交界线为L2，L1和L2均为圆形。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二区域的环半径大于或等于100μm且小于或等于200μm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间频率滤波单元包括沿光轴排列的光阑和挡光屏，光通过所述光阑后形成的光斑面积大于所述挡光屏的面积。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括成像单元，所述成像单元位于所述第二透镜远离所述空间频率滤波单元一侧，用于将接收到的无衍射光成像。

8.一种产生无衍射光的方法，所述无衍射光在傅里叶频域的形状为环状，由权利要求1-7任一项所述的系统执行，其特征在于，包括：

计算所需无衍射光的复振幅，调整相位调制单元以得到所需无衍射光的复振幅中的相位，调整空间滤波单元以修正复振幅中振幅的偏差，得到无衍射光图形；

光源发出的光经过所述相位调制单元、第一透镜、所述空间频率滤波单元和第二透镜后产生无衍射光。