CN110187511A - 一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置及方法 - Google Patents

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杨欣
李海峰
徐良
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Abstract

本发明公开了一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置及方法，属于显微技术领域，包括光源、MEMS微镜、方棒或者方形光纤、MEMS微镜驱动控制器和计算机；MEMS微镜使光源发出的激光光束在方棒或者方形光纤的入射端面进行扫描；方棒或者方形光纤接受其入射端面的光束并发生全反射，最后将光束从方棒或者方形光纤的出射端面射出；计算机用于产生MEMS控制信号送于MEMS微镜驱动控制器。使用快速扫描设备MEMS微镜，使激光在小范围内快速扫描，使多个不相干的衍射场在视觉积分时间内高速叠加，从而降低相干性和消除散斑；扫描光束通过方棒或者方形光纤匀光，使光束的均匀度提升。解决了激光相干性好而导致形成干涉和衍射造成散斑的问题和激光强度不均匀的问题。

Description

一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置及方法
技术领域
本发明涉及显微技术领域，具体地说，涉及一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置及方法。
背景技术
利用结构光照明打破衍射极限的理论早在1963年就被科学家卢克奥兹提出。2000年，美国科学家古斯塔夫松在此基础上，研制出了第一台结构光照明显微镜(Structureillumination Microscopy，SIM)。
从频域的角度看，光学显微镜系统可以被认为是一个低通滤波器。因此，信号光中携带样品细节信息的高频部分无法被显微镜系统接收，导致系统的成像效果无法达到理想的分辨率。SIM成像的基本原理就是通过扩大系统的可探测频域范围(即OTF)来获取高频信息从而提高分辨率。采用周期性的光栅条纹(即结构光)照明样品，该条纹对样品的高频信息进行调制，将样品细节的高频部分信息编码到低频图像中。由于条纹的频率已知，获得的图像频率已知，那么通过相应的算法解调出高频信息，这样就可以得到高分辨率的图像。
SIM采用周期性的条纹光照明，这就要求光源的均匀性好，相干性差，既不能因为均匀性不好而造成在投影面有附加亮暗斑从而影响投影效果，也不能由于相干性在投影像面上发生干涉和衍射产生亮暗斑从而影响投影条纹的效果。而一般SIM中采用的都是激光器作为光源，激光光源相干性很好，并且均匀性较差，从而导致成像效果无法达到理想的分辨率。
传统的使用方棒或者方形光纤进行匀光的装置如图1所示，包括激光器1，第一光纤2，第一透镜3，第二透镜4和方棒或者方形光纤6。公告号为CN201340489Y的中国专利文献公开了一种激光消散斑装置，该装置采用电磁振动装置使光纤束产生随机振动；公告号为CN201387516Y的中国专利文献公开了一种消散斑装置及使用该消散斑装置的激光投影仪，该投影仪采用脉冲电源与逆压电材料体，使环绕在逆压电材料体上的光纤束产生无规伸缩；公布号为CN101425656A的中国专利文献公开了一种减少激光散斑效应的方法，该方法利用压电效应、电光效应、声光效应及标准具快速改变激光器腔长，使激光输出波长快速变化或跃变，从而达到降低激光的时间相干性、降低散斑效应的目的。此外，公布号为CN1727938A的中国专利文献公开了一种激光投影电视照明系统中的光束均匀化装置，该装置采用衍射光学器件把扩束后的圆形或环形或椭圆形激光束转换为方形照明光束，经过对所用衍射光学器件进行特殊设计，该装置在实现光束整形的同时具有一定的匀光效果，但无法解决干涉和衍射造成散斑的问题和激光强度不均匀的问题。
发明内容
本发明的目的为提供一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置及方法，可消除激光光源的大部分散斑，使光源的均匀性提高。
本发明的另一目的为提供一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑方法，该方法通过上述激光光束匀光整形消散斑装置实现。
为了实现上述目的，本发明提供的基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置包括光源、MEMS微镜、方棒或者方形光纤、MEMS微镜驱动控制器和计算机；
MEMS微镜使光源发出的激光光束在方棒或者方形光纤的入射端面进行扫描；
方棒或者方形光纤接受其入射端面的光束并发生全反射，最后将光束从方棒或者方形光纤的出射端面射出；
计算机用于产生MEMS控制信号送于MEMS微镜驱动控制器。
上述技术方案中，通过两个装置实现消除散斑和提高光的均匀性，第一次是使用快速扫描设备MEMS微镜，使激光在小范围内快速扫描，使多个不相干的衍射场在视觉积分时间内高速叠加，从而降低相干性和消除散斑；第二次是使用方棒或者方形光纤，扫描器件使聚焦于方棒或者方形光纤上的激光均匀扫描，扫描光束通过方棒或者方形光纤匀光，使光束的均匀度提升。通过第一次的高速扫描去除相干性和消除散斑，第二次的方棒或者方形光纤得到强度均匀的光斑，解决了激光相干性好而导致形成干涉和衍射造成散斑的问题和激光强度不均匀的问题。
作为优选，光源和所述的MEMS微镜之间还设有第一透镜和第二透镜，第一透镜用于对光源发出的激发光进行准直；第二透镜用于对第一透镜出射的激发光进行聚焦；
方棒或者方形光纤的出射端面后设有第三透镜，用于对从方棒或者方形光纤出射的光束进行聚焦。
作为优选，方棒或者方形光纤为矩形实心通光管。
作为优选，计算机发送的控制信号包括x轴和y轴的幅度、频率以及扫描模式。其中，x轴是快轴，y轴是慢轴。幅度是指两个轴的扫描角度，从0度到20度，频率控制是控制慢轴，从0hz到600hz，快轴是34khz。
作为优选，扫描模式为：x轴和y轴的驱动信号均为正弦波；或x轴的驱动信号是正弦波，y轴的驱动信号是三角波；或只有x轴或y轴一个轴有驱动信号；或一个轴是正弦信号，另一个轴是余弦信号。
作为优选，方棒或者方形光纤的横截面直径不小于200um，长度不小于550mm。
为了实现上述另一目的，本发明提供的基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑方法包括以下步骤：
(1)光源发出激光光束，激光光束经MEMS微镜聚焦于方棒或者方形光纤端面；
(2)MEMS微镜使激光光束在方棒或者方形光纤端面进行扫描，使多个不相干的衍射场在视觉积分时间内高速叠加；
(3)在方棒或者方形光纤端面均匀扫描的激光光束进入方棒或者方形光纤，在方棒或者方形光纤中发生全反射，最后从方棒或者方形光纤中出射。
经方棒或者方形光纤匀光的激光光束经过透镜聚焦于光纤端面，光纤的出射端为均匀光束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明相对于原有的匀光装置，通过增加高速扫描装置，不仅可以进行光束匀光整形，还以进行光束消散斑；通过使用MEMS扫描器件和方棒或者方形光纤，装置结构简单、紧凑。
附图说明
图1为传统的使用方棒或者方形光纤进行匀光的装置示意图；
图2为本发明实施例中基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图2，本实施例的基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置包括激光器1，第一光纤2，第一透镜3，第二透镜4，MEMS微镜5，方棒或者方形光纤6，第三透镜7，第二光纤8，MEMS驱动控制器9，计算机10。
采用图2所示的装置实现对激光光束匀光整形消散斑的方法，其过程如下：
(1)激光器1发出照明光，第一光纤2出射；
(2)经第一光纤2出射的激光光束，经第一透镜3进行准直，第二透镜4聚焦；
(3)激光光束经过MEMS微镜5在方棒或者方形光纤入射端面进行扫描；
(4)其中MEMS微镜由计算机10发送控制信号给MEMS驱动控制器9，由MEMS驱动控制器9去驱动MEMS微镜5进行转动，从而使激光光束的传播方向发生偏转，达到扫描激光光束的目的。其中MEMS微镜5的最快运动频率可达到28KHz，可实现光束的高速扫描，从而使的多个不相干的衍射场高速叠加，降低相干性，消除散斑；
(5)其中计算机10发送的控制信号包括：x轴(快轴)的控制信号和：y轴(慢轴)的控制信号的幅度和频率以及扫描模式，幅度用来控制扫描角度范围，频率用来控制扫描速度，扫描模式可以使李莎茹模式、静态扫描模式、单轴模式、圆形扫描模式、椭圆扫描模式等模式，其中李莎茹扫描模式是指：x轴和y轴的驱动信号都是正弦波，静态扫描模式是指：x轴的驱动信号是正弦波，y轴是三角波，单轴模式是指：只有x轴或者快轴有驱动信号，驱动信号可以是正弦信号、余弦信号、三角波信号等，圆形扫描模式和椭圆扫描模式是指：一个轴是正弦驱动信号，另一个轴式余弦驱动信号，正弦信号与余弦信号的频率和幅度相同，他们之间有相位差，当相位差是Π的整数倍时，是圆形，其他的时候是椭圆；
(6)其中第二透镜的焦点在方棒或者方形光纤6的入射端面处；
(7)经过MEMS微镜5扫描的光束再由方棒或者方形光纤6进行激光光强的均匀化；
(8)由方棒或者方形光纤6出射的激光光束经过第三透镜7聚焦后耦合进第二光纤8。方棒或者方形光纤的横截面直径不小于200um，长度不小于550mm。
本发明原理如下：
在基础匀光装置上，加入了快速扫描装置MEMS微镜，提高了出射光束的均匀性。首先利用透镜对光纤出射的激光光束进行准直，然后再利用一个透镜进行聚焦，然后利用快速扫描装置对照明光束进行快速扫描，使多个不相干的衍射场在视觉积分时间内高速叠加，从而降低相干性以及消除散斑，接着利用方棒或者方形光纤对光束进行匀光整形，匀光原理是光在光棒里面多次反射，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，从而使得光更加的均匀，为了使光在方棒或者方形光纤内更多的反射，需要方棒或者方形光纤截面小，并且入射角度大，在方棒或者方形光纤截面相对比较小，入射角度也不是很大的情况下，增加方棒或者方形光纤的长度也可以增加均匀度，但是，长度并不能无限增加，一方面结构尺寸限制了方棒或者方形光纤的长度，另一方面随着长度的增加，均匀性呈现震荡上升，到达一定程度后继续增加长度对于均匀度的提升不明显，反而降低亮度。

Claims (8)

1.一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征在于：
包括光源、MEMS微镜、方棒或者方形光纤、MEMS微镜驱动控制器和计算机；
所述MEMS微镜使所述光源发出的激光光束在所述方棒或者方形光纤的入射端面进行扫描；
所述方棒或者方形光纤接受其入射端面的光束并发生全反射，最后将光束从方棒或者方形光纤的出射端面射出；
所述计算机用于产生MEMS控制信号送于MEMS微镜驱动控制器。
2.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征在于，所述的光源和所述的MEMS微镜之间还设有第一透镜和第二透镜，所述第一透镜用于对所述光源发出的激发光进行准直；所述第二透镜用于对所述第一透镜出射的激发光进行聚焦；
所述的方棒或者方形光纤的出射端面后设有第三透镜，用于对从所述方棒或者方形光纤出射的光束进行聚焦。
3.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征在于，所述的方棒或者方形光纤为矩形实心通光管。
4.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征在于，所述的计算机发送的控制信号包括x轴和y轴的幅度、频率以及扫描模式。
5.根据权利要求4所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征在于，所述的扫描模式为：x轴和y轴的驱动信号均为正弦波；或x轴的驱动信号是正弦波，y轴的驱动信号是三角波；或者只有x轴或y轴一个轴有驱动信号；或一个轴是正弦信号，另一个轴是余弦信号。
6.根据权利要求1所述的激光光束匀光整形消散斑装置，其特征在于，所述的方棒或者方形光纤的横截面直径不小于200um，长度不小于550mm。
7.一种基于快速扫描的激光光束匀光整形消散斑方法，基于权利要求1～5中任一所述的激光光束匀光整形消散斑装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
(1)光源发出激光光束，激光光束经MEMS微镜聚焦于方棒或者方形光纤端面；
(2)MEMS微镜使激光光束在方棒或者方形光纤的入射端面进行扫描，使多个不相干的衍射场在视觉积分时间内叠加；
(3)在方棒或者方形光纤的入射端面均匀扫描的激光光束进入方棒或者方形光纤，在方棒或者方形光纤中发生全反射，最后从方棒或者方形光纤的出射端面射出。
8.根据权利要求7所述的激光光束匀光整形消散斑方法，其特征在于，经方棒或者方形光纤匀光的激光光束经过透镜聚焦于光纤端面，所述光纤的出射端为均匀光束。
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