CN110609392A - 一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法，包括沿着光路方向依次放置的激光器、偏振晶体、检偏器、反射式衍射光学元件、光学成像处理模块；本发明通过采用反射式衍射光学元件，基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；本发明系统结构简单，操作灵活，成本低，可扩展延伸性强，不仅大大提高了光学系统的光能利用率，而且最终的光束成像和加工效果较好。

Description

一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法
技术领域
本发明属于激光应用领域，更具体地，涉及一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法。
背景技术
传统激光加工的光束能量一般呈高斯分布，在诸如激光焊接、生物医学工程等技术领域，这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积，从而破坏材料特性，影响加工效果的一致性。若利用反射式衍射光学元件对激光光场进行调制，能生成特殊的光场分布，实现光束整形，得到任意一个特殊分布的表面光斑，如：圆形均匀光斑、矩形均匀光斑、环形均匀光斑，纵向多焦点等可以满足更多的激光加工应用需求。用反射式衍射光学元件加载具有灵活性高、低噪声、重复性高等优势的计算全息图以实现全息投影的数字全息显示技术，因其能够实时性显示的显著优点，在显示领域被广泛接受使用。因此，研究一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统具有重要意义。
但是光学系统中的反射式衍射光学元件相邻像素沉底之间具有细小的隔离带，隔离带的存在使得反射式衍射光学元件的像素填充率难以达到100％，呈现“栅格结构”，这种栅格效应使得再现像面存在零级光，不仅使得光能利用率受到较大影响，而且影响最后的光束成像和加工效果。
现有的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统中消除零级光的方法包括菲涅尔透镜相位法、柱透镜散射法、光束阻隔法。其中，加菲涅尔透镜相位法是在反射式衍射光学元件上加载调制相位时同时加载一个负透镜相位，然后在光路上放一个聚焦镜使得零级光和目标光场在轴向上分离，但这种方法无法做到聚焦镜紧贴反射式衍射光学元件，故不能完全消除零级光的干扰。光束阻隔法是在零级衍射光传播过程中加入一个光束阻隔块，阻止其继续传播，这样零级衍射光不进入物镜且不参与荧光激发，但这种方法会在激励场中引入盲区，使得有效光的衍射效率降低的同时也减少了能量的利用率。柱透镜散射法是在光路中引入柱透镜对零级光进行散射，这种方式可以使零级光分布在一个大范围的体积内，从而减少焦面上单位面积内的零级衍射光强，但这种方法不能完全消除零级光的干扰。
综上所述，提出一种能够完全消除零级光干扰的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法，旨在解决现有技术无法完全消除零级光干扰的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，包括沿着光路方向依次放置的激光器、偏振晶体、检偏器、反射式衍射光学元件、光学成像处理模块；
激光器用于提供高斯光源；
偏振晶体用于将入射光变为线偏光；
检偏器用于保证线偏光与反射式衍射光学元件的调制方向一致；
反射式衍射光学元件用于基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；
光学成像处理模块用于对反射式衍射光学元件反射的聚焦光进行处理，得到最终的成像结果。
进一步优选地，上述偏振晶体可以使得水平方向线偏光的透过率高于99％。
进一步优选地，上述反射式衍射光学元件为反射式相位型液晶空间光调制器。
进一步优选地，所述复合相位信息包括将入射高斯光变成目标光场的调制相位信息和使零级光和聚焦光在光轴上处于不同位置的聚焦相位信息。
进一步优选地，上述光学成像处理模块为1个或多个聚焦镜，通过调节聚焦镜的焦距和位置来控制最终成像的大小和位置。
进一步优选地，上述光学成像系统还包括保护镜，紧贴在所述反射式衍射光学元件表面，用于防止反射式衍射光学元件由于光强过大而损坏。
进一步优选地，上述光学成像系统还包括减反射高透光玻璃，放置在所述反射式衍射光学元件和所述光学成像处理模块之间，用于消除反射式衍射光学元件反射的聚焦光以外的其他光，提高成像质量。
本发明另一方面提供了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像方法，包括以下步骤：
S1、发射高斯光源；
S2、将入射的高斯光变为线偏光，并保证线偏光与反射式衍射光学元件的调制方向一致；
S3、基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；
S4、对反射的聚焦光进行处理，得到最终成像结果。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
1、本发明提供了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，通过采用反射式衍射光学元件，对一定偏振方向的线偏光进行相位调制，使入射高斯光生成满足加工需求并按照目标光场分布的多束聚焦光，并使得零级光与生成的聚焦光在光轴上处于不同位置，从而使聚焦面避开零级光的干扰，从而解决现有技术无法完全消除零级光干扰的问题。
2、本发明所提供的一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，采用聚焦镜作为光学成像处理模块来对反射式衍射光学元件反射的聚焦光进行处理，得到最终的成像结果，其结构简单，成本较低，操作灵活，成本低。另外通过调节加载到反射式衍射光学元件的相位即可得到所需要的光场分布，可以生成特殊的光场分布，如：圆形均匀光斑、矩形均匀光斑、环形光斑、一个特殊分布的表面光斑等，能满足激光成像，激光多点加工，激光并行加工等众多需求可扩展性强，适用范围广。
3、本发明所提供的一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，可以完全消除消除零级光的干扰，不仅大大提高了光学系统的光能利用率，而且使得最后的光束成像和加工效果较好。
附图说明
图1是本发明实施例1所提出的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统系统示意图；
图2是本发明实施例1中空间光调制器的像素结构示意图；
图3是本发明实施例1中加载到空间光调制器的复合相位信息示意图；
图4是本发明实施例2所提出的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，包括沿着光路方向依次放置的激光器、偏振晶体、检偏器、反射式衍射光学元件、光学成像处理模块；
其中，激光器用于提供高斯光源；具体的，可以根据使用需求选取满足功率、波长、频率参数要求的激光器。
偏振晶体用于将入射光变为线偏光；具体的，偏振晶体可以使得水平方向线偏光的透过率高于99％。
检偏器用于保证线偏光与反射式衍射光学元件的调制方向一致；
反射式衍射光学元件用于基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；上述复合相位信息包括将入射高斯光变成目标光场的调制相位信息和使零级光和聚焦光在光轴上处于不同位置的聚焦相位信息。具体的，上述调制相位信息可以根据目标光场采用ST算法计算得到，该调制相位信息不包含入射光的聚焦信息。其中，反射式衍射光学元件可以为反射式相位型液晶空间光调制器。
光学成像处理模块用于对反射式衍射光学元件反射的聚焦光进行处理，得到最终的成像结果。具体的，上述光学成像处理模块为1个或多个聚焦镜，通过调节聚焦镜的焦距和位置来控制最终成像的大小和位置。
进一步地，上述光学成像系统还包括保护镜，紧贴在所述反射式衍射光学元件表面，用于防止反射式衍射光学元件由于光强过大而损坏。
进一步地，上述光学成像系统还包括减反射高透光玻璃，放置在所述反射式衍射光学元件和所述光学成像处理模块之间，用于消除反射式衍射光学元件反射的聚焦光以外的其他光，提高成像质量。
本发明另一方面提供了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像方法，包括以下步骤：
S1、发射高斯光源；
S2、将入射的高斯光变为线偏光，并保证线偏光与反射式衍射光学元件的调制方向一致；
S3、基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；
S4、对反射的聚焦光进行处理，得到最终成像结果。
为了进一步说明本发明所提供的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，以反射式衍射光学元件选取反射式相位型液晶空间光调制器为例，结合附图及具体实施例进行详述：
实施例1、
本实施例中选取单个聚焦镜作为光学成像处理模块，如图1所示，本实施例所提供的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统包括沿着光路方向依次放置的激光器1、偏振晶体2、检偏器3、空间光调制器4、聚焦镜5、工作台6；
其中，激光器1产生的激光依次通过所述偏振晶体2和检偏器3后入射到所述空间光调制器4后生成按照目标光场分布的多束聚焦光，进而得到按要求分布的多点聚焦的近场的像，并反射到聚焦镜5上，由聚焦镜5把空间光调制器4的近场的像传递到工作台6上的最终需要成像的位置。
具体的，激光器1用于提供高斯光源；
偏振晶体2用于将入射光变为线偏光；
检偏器3用于保证线偏光与空间光调制器的调制方向一致；
空间光调制器4用于基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；上述复合相位信息包括将入射高斯光变成目标光场的调制相位信息和使零级光和聚焦光在光轴上处于不同位置的聚焦相位信息，其中调制相位信息根据目标光场采用ST算法计算得到，该调制相位信息不包含入射光的聚焦信息。
具体的，由于空间光调制器4的像素填充率无法达到100％，如图2所示，相邻的像素成像区沉底之间具有细小的隔离带，称为“死区”，空间光调制器4的这种栅格结构使得激光经过空间光调制器4时会产生零级光，而零级光仅由空间光调制器4的结构决定，不受其相位调制作用，不受聚焦相位的影响。故通过在空间光调制器上对入射高斯光进行调制得到使其变成目标光场的调制相位信息，并在该调制相位信息上叠加一个聚焦相位信息得到复合相位信息，并加载到空间光调制器4上改变空间光调制器4表面液晶分子的分布，可以使得目标光和零级光在光轴上不同位置处会聚，从而使聚焦面避开零级光的干扰，完全消除零极光。其中，聚焦相位信息为f0。具体的，上述复合相位信息的示意图如图3所示。
聚焦镜5用于对激光经空间光调制器调制后的近场的像进行处理，从而传递空间光调制器近场的像，并调节和控制最终成像位置和成像大小。
利用成像原理，使用聚焦镜5可以将经过空间光调制器4调制后的近场形成的像传递到工作台6上的最终所需成像位置处。具体的，通过调节聚焦镜5的位置和焦距可以对最终成像的大小和位置进行控制，如图1所示，根据成像原理，其物象关系满足：其中，f3为聚焦镜5的焦距，l1为光束经过空间光调制器4的聚焦面到聚焦镜5的距离，l2为聚焦镜5与工作台6之间的距离。通过调节聚焦镜5的焦距f3和位置(l1或l2)能够控制最终成像的大小和位置，并且不影响最后的成像效果。
实施例2、
本实施例中选取2个聚焦镜作为光学成像处理模块，如图4所示，本实施例所提供的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统包括沿着光路方向依次放置的激光器1、偏振晶体2、检偏器3、空间光调制器4、第一聚焦镜7、第二聚焦镜8和工作台6；其中，激光器1、偏振晶体2、检偏器3、空间光调制器4、工作台6均与实施例1中所述相同。
具体的，激光器1产生的激光依次通过所述偏振晶体2和检偏器3后入射到所述空间光调制器4后生成按照目标光场分布的多束聚焦光，进而产生按要求分布的多点聚焦的近场的像并反射到第一透镜6和第二透镜7所构成光学成像处理模块上，由第一透镜6和第二透镜7所构成光学成像处理模块把空间光调制器4的近场的像传递到工作台6上的最终需要成像的位置处。
进一步地，第一聚焦镜7和第二聚焦镜8共同构成光学成像处理模块，用于对激光经空间光调制器调制后的近场的像进行处理，从而传递空间光调制器近场的像，并调节和控制最终成像位置和成像大小。具体的，通过改变光学系统中第一聚焦镜7和第二聚焦镜8的焦距和位置来调节最终成像位置和成像大小，如图4所示，光束经过空间光调制器4的聚焦面到第一聚焦镜7的距离为f0+f1，第一聚焦镜7和第二聚焦镜8之间的距离为f1+f2，第二聚焦镜8与工作台6之间的距离为f2，其中，f0为空间光调制器上所加载的聚焦相位的焦距，f1为第一聚焦镜7的焦距，f2为第二聚焦镜8的焦距，通过调节第一聚焦镜7和第二聚焦镜8的焦距即可控制最终成像的大小和位置，并且不影响最后成像效果。
本发明提出了一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统及方法，通过采用反射式衍射光学元件，对一定偏振方向的线偏光进行相位调制，使入射高斯光生成满足加工需求并按照目标光场分布的多束聚焦光，并使得零级光与生成的聚焦光在光轴上处于不同位置，从而使聚焦面避开零级光的干扰，不仅大大提高了光学系统的光能利用率，而且使得最后的光束成像和加工效果较好。另外，本发明采用聚焦镜或者保护镜作为光学成像处理模块来调节和控制最终成像位置和成像大小，其结构简单，成本较低，操作灵活，成本低。另外通过调节加载到反射式衍射光学元件的相位即可得到所需要的光场分布，可扩展性强，适用范围广。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，包括沿着光路方向依次放置的激光器、偏振晶体、检偏器、反射式衍射光学元件、光学成像处理模块；
所述激光器用于提供高斯光源；
所述偏振晶体用于将入射光变为线偏光；
所述检偏器用于保证线偏光与反射式衍射光学元件的调制方向一致；
所述反射式衍射光学元件用于基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；
所述光学成像处理模块用于对反射式衍射光学元件反射的聚焦光进行处理，得到最终的成像结果。
2.根据权利要求1所述的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，所述偏振晶体可以使得水平方向线偏光的透过率高于99％。
3.根据权利要求1所述的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，所述反射式衍射光学元件为反射式相位型液晶空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，所述复合相位信息包括将入射高斯光变成目标光场的调制相位信息和使零级光和聚焦光在光轴上处于不同位置的聚焦相位信息。
5.根据权利要求1所述的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像处理模块为1个或多个聚焦镜，通过调节聚焦镜的焦距和位置来控制最终成像的大小和位置。
6.根据权利要求1所述的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括保护镜，紧贴在所述反射式衍射光学元件表面，用于防止反射式衍射光学元件由于光强过大而损坏。
7.根据权利要求1所述的基于反射式衍射光学元件的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括减反射高透光玻璃，放置在所述反射式衍射光学元件和所述光学成像处理模块之间，用于消除反射式衍射光学元件反射的聚焦光以外的其他光，提高成像质量。
8.一种基于反射式衍射光学元件的光学成像方法，包括以下步骤：
S1、发射高斯光源；
S2、将入射的高斯光变为线偏光，并保证线偏光与反射式衍射光学元件的调制方向一致；
S3、基于按照复合相位信息分布的液晶分子对线偏光进行相位调制，生成按照目标光场分布的多束聚焦光，并使其与零级光在光轴上处于不同位置从而使聚焦面避开零级光的干扰；
S4、对反射式衍射光学元件反射的聚焦光进行处理，得到最终成像结果。
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