CN110161716B - 一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置。实施步骤是：用计算机制备一组全息相图序列并加载至空间光调制器以动态帧的形式重复播放；用激光器照射空间光调制器，所得反射光经选取一级衍射光后将其照射两角向物点，透射光经聚焦准直后在检测器上得到两角向物点所成像的清晰度；不断改变全息相图序列中的拓扑荷绝对值，直到获取可用于制备超分辨成像的最佳拓扑荷值所对应的全息相图序列。本发明所提供的角向非相干光可应用于光学成像等领域。本发明所提供的装置通过控制全息相位叠加模式可直接产生相干度随幅角可控变化的角向非相干光束，实现对角向物体的超分辨成像。本发明所提供的装置只有一个激光器，光学器件数目少，布局简单。
Description
技术领域
本发明提供一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置。该装置产生的角向部分相干光可突破瑞利衍射极限，实现角向物体的超分辨识别和成像，属于光学成像领域。
背景技术
部分相干光在光学成像，波前传感，光学捕获等领域都起着重要的作用。具有特定相干函数的部分相干光，因其在传播和与介质相互作用中表现出的特性而具有较大的应用前景。
光学系统的分辨率指的是它能分辨开两个靠近的点物或物体细节的能力。而光学系统对点物所成的像，因衍射的存在，总是具有一定大小的艾里斑。当两点物距离过近时，它们的像部分重叠，导致无法分辨两个点物。这对像质产生了严重影响。理论上认为，一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍射图样的第一极小重合时，为光学系统的分辨极限。此分辨标准称为瑞利判据。突破瑞利衍射极限，进而改进光学系统成像分辨率的方法引起了人们的广泛关注。许多克服瑞利衍射极限的方法相继被人们提出。其中一种有效的办法就是利用两艾里斑重叠部分的光进行干涉相消。光斑重叠部分的光强视相干度的大小即可部分或全部消除，达到分辨两点物的目的。为了使通过两点物的光具有上述性质，需要一种具有特殊相干函数的光源。
文献[G.PIQUERO,M.SANTARSIERO,R.MARTINEZ-HERRERO,J.C.G.DE SANDE,M.ALONZO,AND F.GORI,“Partially coherent sources with radial coherence”,OpticsLetters Vol.43,No.10,2376-2379(2018)]报道了一种利用双激光器产生角向非相干光源的方法。该光源的相干度绝对值，仅依赖于辐角差。然而，角向非相干光的关联特性，能否以及如何用于物点超分辨识别，是目前尚未解决的问题。
上述文献公开的方案装置庞大，光学器件数目较多，双激光器调控及校准的要求高，不利于超分辨系统器件的片上化，集成化。在先技术(中国专利，“相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置”，授权公告号CN207037267U)公开了一种利用空间光调制器实现部分相干光束的方法。该方法在时间维度控制随机相位图的随机度以使得光束的相干度随时间变化。然而，现有技术没有提供可以在空间角向中控制光束相干性的方法。控制光束的角向相干性，并不是通过控制随机相图的随机度就可以直接实现。它需要在光束的关联维度中进行特殊的空间结构设计，而本领域技术人员在没有进行创造性思考的情况下，无法通过已公开的技术知识获得单激光器产生角向非相干光的方法。因此，目前尚未有利用单激光器产生角向部分相干光源的方法及装置。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置。本发明所提供的装置可直接产生相干度随幅角可控变化的角向非相干光束，操作简单；通过控制空间光调制器上的全息相位叠加模式，可实现对角向物体的超分辨成像。本发明所提供的装置只有一个激光器，光学器件数目少，布局简单。
实现本发明目的的技术方案是提供一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置，包括以下步骤：
(1)计算机产生一种特殊的数字全息相图；该数字全息相图能够产生以下形式的叠加态光场：
其中U1和U2是同种类型的涡旋场表达式，U1拓扑荷为m，U2拓扑荷为-m，是介于π至-π间的随机相位；利用计算机反复产生该数字全息相图，制备一组全息相图序列{Vj(r)，j＝1，2，...}；该全息相图序列中，各张全息相图的随机相位/>皆由计算机随机产生，彼此之间没有关联；
(2)将计算机与空间光调制器连接；将全息相图序列加载至空间光调制器，并以动态帧的形式在液晶屏重复播放；
(3)打开激光器产生波长稳定的线偏振光，调整激光器出射光的偏振面使其与空间光调制器匹配；将激光器出射光束射入扩束器上进行扩束；
(4)将扩束后的光束照射空间光调制器的液晶屏，经液晶屏反射，照射第一块透镜L1；在透镜L1的像焦面处放置第一个小孔光阑选取一级衍射光，并由第二块透镜L2进行准直；从透镜L2出射的光，即为角向非相干光；
(5)所述角向非相干光在自由空间传输一定距离后，作为光源照射开有两物点小孔的不透明屏；透过两物点小孔的光，经过由第三块透镜L3、第二个小孔光阑、第四块透镜L4所组成的聚焦准直系统后，传输一定距离，然后被CCD检测器接收；所述CCD检测器上得到两物点小孔所成像的清晰度；
(6)改变全息相图序列{Vj(r)，j＝1，2，...}中的拓扑荷m绝对值，重新得到一组全息相图序列，并加载至空间光调制器进行动态播放；
(7)观察全息相图序列改变后CCD检测器上得到的两物点小孔所成像的清晰度改变；重复步骤(6)，直至获得全息相图序列的最佳拓扑荷数值；以该拓扑荷数值制备的全息相图序列，可以获得突破瑞利衍射极限的物点图像。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置。本发明提出的装置适用于平面内任意幅角差两点的突破瑞利衍射极限超分辨成像。
2.本发明所采用的装置光路简单，测量方法直观，数据处理方便。
3.通过控制加载至空间光调制器的全息相位图的参数，可以达到调整光源关联结构的目的，无需借助额外的激光器，被调控模式间不会发生相互干扰。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，它是本实施例提供的一种单激光器角向非相干光实现超分辨装置的结构示意图：它包括激光器1；扩束器2；空间光调制器3；第一计算机4；第一块透镜5；第一个小孔光阑6；第二块透镜7；开有两物点小孔的不透明屏8；第三块透镜9；第二个小孔光阑10；第四块透镜11；CCD检测器12；第二计算机13。
本实施例中，所述用于产生叠加态光场的数字全息相图由第一计算机4反复产生，构成一组全息相图序列{Vj(r)，j＝1，2，...}，各张全息相图的随机相位/>皆由第一计算机4随机产生，彼此之间无关联；将第一计算机4与空间光调制器3连接；将上述全息相图序列加载至空间光调制器3的液晶屏上，以动态帧的形式重复播放；打开激光器1产生波长稳定的线偏振光，调整激光器1出射光的偏振面使其与空间光调制器3匹配；将激光器1的出射光束射入扩束器2进行扩束；扩束后的光束照射至空间光调制器3的液晶屏，经液晶屏反射，照射至第一块透镜5；在第一块透镜5的像焦面处放置第一个小孔光阑6选取一级衍射光，然后用一级衍射光照射第二块透镜7，由第二块透镜7对一级衍射光进行准直，其中，第一块透镜5与第一个小孔光阑6的距离为第一块透镜5的焦距f1，第一个小孔光阑6与第二块透镜7的距离为第二块透镜7的焦距f2；从第二块透镜7出射的光即为本发明的角向非相干光；将所述角向非相干光在自由空间传输一定距离后，作为光源照射开有两物点小孔的不透明屏8；透过两物点小孔的光，经过第三块透镜9、第二个小孔光阑10、第四块透镜11组成的聚焦准直系统后，在自由空间传输一定距离，然后被CCD检测器12接收，其中第二个小孔光阑10距离第三块透镜9、第四块透镜11的距离分别为第三块透镜9的焦距f3与第四块透镜11的焦距f4；将CCD检测器12与第二计算机13连接，在第二计算机13上观察CCD检测器12上接收到的两物点小孔所成像的清晰度。
本实施例中，改变全息相位图序列{Vj(r)，j＝1，2...}中的拓扑荷m的绝对值，重新得到一组全息相图序列；将重新获得的全息相图序列由第一计算机4加载至空间光调制器3上进行动态播放；观察全息相位序列改变后CCD检测器12上获取的两物点小孔所成像的清晰度变化；重复上述步骤，直至获得全息相位图的最佳拓扑荷数值；以该拓扑荷数值制备的全息相图序列，可以获得突破瑞利衍射极限的物点图像。
Claims (3)
1.一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置，其特征在于，该装置包括激光器、扩束器、空间光调制器、第一计算机、第一块透镜L1、第一个小孔光阑、第二块透镜L2、开有两物点小孔的不透明屏、第三块透镜L3、第二个小孔光阑、第四块透镜L4、CCD检测器、第二计算机；角向非相干光的产生与超分辨成像的实现包括如下步骤：
(1)第一计算机产生一种在关联维度中具有特殊空间结构的数字全息相图；该数字全息相图能够产生叠加态光场Vj(r)，利用第一计算机反复产生该数字全息相图，制备一组全息相图序列{Vj(r)，j＝1，2，...}，各张全息相图的随机相位彼此之间没有关联；
(2)将第一计算机与空间光调制器连接；将全息相图序列加载至空间光调制器，并以动态帧的形式在液晶屏重复播放；
(3)打开激光器产生波长稳定的线偏振光，调整激光器出射光的偏振面使其与空间光调制器匹配；将激光器出射光束射入扩束器上进行扩束；
(4)将扩束后的光束照射空间光调制器的液晶屏，经液晶屏反射，照射第一块透镜L1；在透镜L1的像焦面处放置第一个小孔光阑选取一级衍射光，并由第二块透镜L2进行准直；从透镜L2出射的光，为角向非相干光；
(5)所述角向非相干光在自由空间传输一定距离后，作为光源照射开有两物点小孔的不透明屏上；透过两物点小孔的光，经过由第三块透镜L3、第二个小孔光阑、第四块透镜L4所组成的聚焦准直系统后，传输一定距离，然后被CCD检测器接收；在第二计算机上观察所述CCD检测器上得到两物点小孔所成像的清晰度。
2.根据权利要求1所述的一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置，其特征在于：上述叠加态光场按式
其中，U1和U2是同种类型的涡旋场表达式，U1拓扑荷为m，U2拓扑荷为-m，是介于π至-π间的随机相位；利用第一计算机反复产生该数字全息相图，制备一组全息相图序列{Vj(r)，j＝1，2，...}；该全息相图序列中，各张全息相图的随机相位/>皆由第一计算机随机产生，彼此之间没有关联。
3.根据权利要求1所述的一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置，其特征在于，角向非相干光的产生与超分辨成像的实现还包括以下步骤：
(6)改变全息相图序列{Vj(r)，j＝1，2，...}中的拓扑荷m绝对值，重新得到一组全息相图序列，并加载至空间光调制器进行动态播放；
(7)观察全息相图序列改变后CCD检测器上得到的两物点小孔所成像的清晰度改变；重复所述步骤(6)，直至获得全息相图序列的最佳拓扑荷数值；以该拓扑荷数值制备的全息相图序列，可以获得突破瑞利衍射极限的物点图像。
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