CN111780681B - 一种矢量非线性光学空间滤波器 - Google Patents

一种矢量非线性光学空间滤波器 Download PDF

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Abstract

一种矢量非线性光学空间滤波器，涉及非线性光学中光场边缘增强技术。设有激光器，激光器发出的激光束经半波片和第一非偏振分束器后分为两束光，一束光入射到物体或者样本上产生物光波，另一束光经过Q板产生结构光场；利用4f系统和单个透镜将物光波的频谱面和Q板的像面入射到一组正交放置的二类相位匹配的非线性晶体上；两束光束在晶体上的夹角满足晶体发生倍频效应所需的相位匹配条件；倍频光束经过透镜将物光波的频谱进行傅里叶变换成像到CCD相机上；CCD相机前设有带通滤波器用于滤除红外光，保留倍频的可见光。实现对不可见光照射样本或物体后，在可见光波段样本或物体轮廓的选择性边缘增强，且具有高对比度和弱信号放大提取的特性。

Description

一种矢量非线性光学空间滤波器
技术领域
本发明涉及非线性光学中光场边缘增强技术，尤其是涉及利用倍频效应(SHG)实现不可见光到可见选择性边缘增强的一种矢量非线性光学空间滤波器。
背景技术
在光学信息处理中，通过边缘增强技术可以得到物体的轮廓。该技术在图像处理、显微镜和生物成像、指纹识别和天文探测中被广泛应用。边缘检测理论1980年提出(D.Marrand E.Hildreth,Proceedings of the Royal Society of London 207,187(1980))，直至1992年才由Khonina等人(S.Khonina,V.Kotlyar,M.Shinkaryev,V.Soifer,andG.Uspleniev,Journal of Modern Optics 39,1147(1992))进行实验尝试。希尔伯特变换是实现光学边缘增强的基本方法之一，对输入图像的正负频分量产生π相位的偏移效应(R.Bracewell,“The傅里叶transform and its application,”(2000))。之后，Davis等人(J.A.Davis,D.E.McNamara,D.M.Cottrell,and J.Campos,Opt.Lett.25,99(2000))在4f光学系统中引入具有涡旋相位板的径向对称希尔伯特变换，亦称涡旋滤波。涡旋滤波可分为标量滤波与矢量滤波。与标量涡旋滤波相比，矢量涡旋滤波除需在4f系统中傅里叶平面的设置一螺旋相位板以外(G.P.Guohai Situ and W.Osten,J.Opt.Soc.Am.A 26,1788(2009))，还需要考虑光场的偏振状态，常规方法是在傅里叶平面中使用空间变双折射元件或空间变化的半波片来实现对目标的特定特性边缘增强(B.S.B.Ram,P.Senthilkumaran,and A.Sharma,Appl.Opt.56,3171(2017))。
近年来，基于非线性光学中的倍频效应(SHG)，提出了一种标量非线性涡旋滤波器来实现不可见光的可见边缘增强(X.Qiu,F.Li,W.Zhang,Z.Zhu,and L.Chen,Optica 5,208(2018))。最近，Engay等人(E.Engay and P.J.Rodrigo,Opt.Lett.45,1579(2020))提出了一种基于和频产生的非线性光学涡旋日冕观测仪[8]，可用来改变观测波长。但常规的标量非线性涡旋滤波器无法使某些特定的局部方向的相位或强度边缘高亮显示。另一方面，非线性光学中的矢量光场调制引起人们的广泛关注。2019年，Zhang等人(L.Zhang,X.Qiu,F.Li,H.Liu,X.Chen,and L.Chen,Opt.Express 26,11678(2018))用全Poincare光束进行倍频效应，观察了2阶和4阶全Poincare光束偏振奇异性的拓扑结构，从而实现了红外全庞加莱光束矢量倍频的可视化。
在生物成像和显微镜研究领域，特别是对于一些光敏物质的形貌结构探测，高光通量易损伤样本，就是说从样品反射或者透射的光线强度较弱，传统的线性光学探测技术有一定的局限性，在此条件下利用非线性光学倍频效应实现弱光场信号的边缘增强具有重要意义。
目前，国内外的研究还缺乏能够高对比度突出特定方向的矢量非线性涡旋滤波器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供基于倍频效应，可实现对不可见光照射样本或者物体后，在可见光波段样本或物体轮廓的选择性边缘增强，而且具有高对比度和弱信号放大提取优良特性的一种矢量非线性光学空间滤波器。
本发明所述矢量非线性光学空间滤波器设有激光器，激光器发出的激光束经半波片和第一非偏振分束器后分为两束光，一束光入射到物体或者样本上产生物光波，另一束光经过Q板产生结构光场；利用4f系统和单个透镜将物光波的频谱面和Q板的像面入射到一组正交放置的二类相位匹配的非线性晶体上；两束光束在晶体上的夹角满足晶体发生倍频效应所需的相位匹配条件；倍频光束经过一透镜将物光波的频谱进行傅里叶变换成像到CCD相机上；CCD相机前设有带通滤波器用于滤除红外光，保留倍频的可见光。
所述激光器可采用近红外或红外的线偏振激光器，所述激光器为波长为1064nm的不可见光激光器。
所述第一非偏振分束器、第二非偏振分束器可根据物光波的强弱采用任意比例，所述第一非偏振分束器、第二非偏振分束器均为50︰50非偏振分束器。
所述二类相位匹配的非线性晶体可采用满足二类相位匹配条件的任意非线性晶体，所述二类相位匹配的非线性晶体采用两块BB0晶体。
所述两束光束在晶体上的夹角可为90°。
所述带通滤波器用于滤除激光器的光波，保留倍频光通过。
所述矢量非线性光学空间滤波器的工作方法如下：
1)按要求将矢量非线性光学空间滤波器布置好光路；
2)将样本或物体放置在光路的一路中上，用计算全息产生的物体加载到空间光调制器中产生携带物体光波；
3)打开激光器，激光器发出激光，利用半波片产生所需的偏振态，在非偏振分束器作用下激光分为透射光和反射光，其中反射光束入射到样品或者物体上，经过样本或物体的反射光通过第一透镜，获得目标样品或者物体的傅里叶谱，而透射光通过一个Q板，利用具有2f～2f配置的第二透镜将Q板成像到非线性晶体上，二者在第二非偏振分束器上重新组合；组合后的光束经过一组正交放置的BBO非线性晶体，该晶体同时置于第一透镜和第二透镜的后焦面上，经过非线性晶体的光通过带通滤波器滤除激光器的光波，再经过一个第三透镜将样本或物体的傅里叶谱再次傅里叶变换得到经过边缘增强后的滤波图像，该图像的边缘增强取向取决于入射激光器的偏振态的方向，将CCD设置在第三透镜的后焦面上，经过CCD相机成像，然后存储入计算机。
以下给出本发明的工作原理：
在本发明中，用包含一个Q板和两个非线性晶体的非线性滤波器代替常规滤波器，两非线性相位匹配晶体正交放置。假设有一束波长为λvis的不可见光照射样本或物体得到目标光场，通过第一透镜后，目标光场的傅里叶谱为
Figure BDA0002548140690000031
F表示傅里叶变换。另一束波长为λvis的不可见光偏振态
Figure BDA0002548140690000032
照射Q板，经过Q板的光场可以表示为Q板的透射函数
Figure BDA0002548140690000033
与入射光场Lin的乘积:
Figure BDA0002548140690000034
物体的傅里叶谱与透过Q板的光场经过非线性晶体的作用，若考虑近轴近似，其倍频效应光场可被描述为：
Figure BDA0002548140690000035
式中，
Figure BDA0002548140690000036
TH,TV分别表示晶体中目标光场
Figure BDA0002548140690000037
和Q板光场
Figure BDA0002548140690000038
的水平和垂直分量；nvis表示可见光的折射率，deff表示有效非线性系数，z表示传播距离。式(1)表明，该方法可得到在双晶体排列下具有正交偏振态的两个标量非线性滤波；在小信号近似下，得到会聚透镜右焦平面上的滤波图像，可表示为：
Figure BDA0002548140690000039
式中，常数系数可忽略，右侧可分为水平和垂直分量两部分。
对于上述公式(2)最终输出的光场强度正比于物光场和Q板光场，如果输入物光场很弱，通过增加Q板光场的强度也可以得出比较强的输出光场，这样对于实际应用非常有用，一般来说从物体反射的物光场信号都比较弱，或者对于一些生物成像应用，比如生物组织细胞需要弱光场才不会损伤，该滤波器可以只依赖于增加Q板的光场强度来实现极弱物光场的边缘增强。
另外，对于上述公式(2)如果不考虑波长的不同，其形式等效于线性光场下的矢量涡旋滤波器[D.Li,S.Feng,S.Nie,J.Ma,and C.Yuan,J.Opt.21(2019)]，对于线性矢量涡旋滤波器的点扩散函数为：
Figure BDA0002548140690000041
其中，A是常数因子，f是L2透镜的焦距，R是Q板的半径，J1(·)是一阶贝塞尔函数(Z.Liu,L.Tian,S.Liu,and L.Waller,Journal of biomedical optics 19,106002(2014))，基于线性光学涡旋滤波系统的矢量点拓展函数可以预测边缘增强的方向取决于入射不可见光的偏振方向；同时，由于两晶体倍频效应的相位匹配条件的限制，两块晶体实际上也起到了偏振片的作用，所以相比于常规的线性光学中矢量涡旋滤波器，在本发明中CCD前的偏振片可被省略。
本发明提供了一种基于倍频效应的矢量非线性空间滤波器的装置设计，实现了对不可见光照射样本或者物体后，在可见光波段样本或物体轮廓的选择性边缘增强，而且具有高对比度和弱信号放大提取的优良特性。本发明适用于不可见光照射样本或者物体时，在可见光波段实现物体或者样本的选择性边缘增强。本发明尤其适用于极弱的样本或者物体信号的边缘轮廓探测上，可实现无损活体生物组织或细胞的形貌识别。具有对比度高和易于集成探测的特点。本发明同样适用于观测和增强物体不同方位上的边缘。本发明在图像处理、生物成像和显微镜研究领域有一定的应用价值。
附图说明
图1是本发明所述矢量非线性光学空间滤波器的结构图。在图1中，各标记为：1-激光器，2-半波片，3-50︰50第一非偏振分束器3，4-空间光调制器，5-第一透镜，6-Q板，7-反射镜，8-第二透镜，9-50︰50第二非偏振分束器，10-两正交放置的BBO晶体，11-第三透镜，12-短通滤波器，13-CCD相机。
图2为实施例1中特定对象滤波图像的实验结果。
图3为实施例2中特定对象滤波图像的实验结果。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1，本发明实施例设有一波长为1064nm的不可见线偏振激光器1，在激光器1光束前进方向依次设有半波片2，50︰50第一非偏振分束器3；经非偏振分束器3后，光束分为反射光束与透射光束，反射光束与透射光束互成90°夹角，反射光束入射到计算机控制的空间光调制器4上后得到目标光场，经过第一透镜5后，在第一透镜5的后焦面上获取目标光场的傅里叶频谱信息；透射光束通过Q板6照射在反射镜7上使之发生90°偏转，然后通过具有2f～2f配置的第二透镜8将Q板成像到两正交放置的BBO晶体10上；透射光束与反射光束在第二50︰50非偏振分束器9上重新组合，组合后的光束先后经过一组两正交放置的BBO晶体10，再经过第三透镜11(会聚透镜)后，经短通滤波器12过滤后进入CCD相机13成像，然后存储入计算机；短通滤波器12用于滤除波长为1064nm的光场，CCD相机放置在第三透镜11的后焦面上。
在图1中，2f1是指第二透镜8的前后成像面，f2指第一透镜5的前后焦平面f3指第三透镜11的前后焦平面，该矢量非线性滤波器的滤波成像效果取决于这些距离的配置。
本发明激光器可采用近红外或红外的线偏振激光器，这里采用波长为1064nm的不可见光激光器。
本发明第一非偏振分束器、第二非偏振分束器可根据物光波的强弱采用任意比例，这里采用50︰50非偏振分束器。
本发明利用4f系统和单个透镜将物光波的频谱面和Q板的像面入射到一组正交放置的二类相位匹配的非线性晶体上；二类相位匹配的非线性晶体为满足二类相位匹配条件的任意非线性晶体，这里采用两块BB0晶体。
以下给出所述矢量非线性光学空间滤波器的工作过程：
1)将波长为1064nm的不可见线偏振激光器、半波片、50︰50第一非偏振分束器、Q板、第一透镜、傅里叶平面上带有光圈的4f系统、第二透镜、50︰50第二非偏振分束器、两正交放置的BBO晶体、短通滤波器、第三透镜、CCD相机和计算机本发明按所描述结构布置好光路。
2)将样本或物体放置在光路的一路中上，这里为简单说明效果，用计算全息产生的物体加载到空间光调制器中产生携带物体光波。
3)打开波长为1064nm的不可见线偏振激光器，激光器发出激光，利用半波片产生所需的偏振态，在50︰50非偏振分束器作用下激光分为透射光和反射光，其中反射光束入射到样品或者物体上，经过样本或物体的反射光通过第一透镜，获得目标样品或者物体的傅里叶谱，而透射光通过一个Q板，利用具有2f～2f配置的第二透镜将Q板成像到非线性晶体上，二者在另一个50︰50第二非偏振分束器上重新组合；组合后的光束经过一组正交放置的BBO非线性晶体，该晶体同时置于第一透镜和第二透镜的后焦面上，经过非线性晶体的光通过一短通滤波器滤除波长为1064nm的光场，再经过一个第三透镜将样本或物体的傅里叶谱再次傅里叶变换得到经过边缘增强后的滤波图像，该图像的边缘增强取向取决于入射激光器的偏振态的方向，将CCD相机放置在第三透镜的后焦面上，经过CCD相机成像，然后存储入计算机。
以下给出具体的应用实施例。
实施例1
1、将波长为1064nm的不可见线偏振激光器、半波片、50︰50第一非偏振分束器、Q板、第一透镜、第二透镜、50︰50第二非偏振分束器、两正交放置的BBO晶体、短通滤波器、第三透镜、CCD相机和计算机按上文矢量非线性空间滤波器的设计所描述的布置好测量光路；
2、使用计算机编程计算得到一个简单的圆盘形强度对象，将全息图导入空间光调制器4中；
3、移除Q板得到倍频转换的目标图像，如图2中图a0所示圆盘形的强度图。后将Q板插入实验装置中的特定位置。调整1064nm半波片的快轴，使其以任意角度α转动，可在CCD相机中得到一系列形如“间隙环”的圆圈。圆圈的间隙指向不同方向。对水平的、对角线的、垂直的和反对角线的偏振态的结果进行分析(分别对应α＝0°，22.5°，45°，67.5°)。若将垂直间隙方向定义为0°，可知，各个环内均出现明显间隙，且间隙的旋转方向大致为0°、45°、90°、135°，恰与输入1064nm偏振态α角对应。
4、接着，如图(2)中的图(a1)～(a4)对环形边缘间隙的中心(点线)及其正交方向(间隔线)上的结果计算强度对比度，得到图2中的图(b1)～(b4)的结果，其中星号曲线和小圆圈标记点的曲线分别对应点线与间隔线的像素值。其中，标记为小圆圈曲线的双峰表示目标光场已经被边缘增强，而标记为星号曲线的的底值平滑性说明了间隙的方向，实验结果明显表示出了本发明构建的矢量非线性空间滤波器实现的选择性边缘增强。
实施例2
操作过程与实施例1相同，其区别在于使用一个强度均匀但相位在内外圆之间有0到π跃变的复振幅目标作为目标对象,未经滤波直接倍频的实验结果如图3中的图a0所示，其强度剖面比实施例1的圆盘结果在沿着π相位跃变的地方增加一条暗线。经过矢量非线性涡旋滤波后，得到图(3)中的图(a1)～(a4)的结果，均可见间隙方位一致的双环。同样对环形边缘间隙的中心(点线)及其正交方向(间隔线)上的结果计算强度对比度，得到图3中的图(c1)～(c4)的结果，其中，标记为小圆圈曲线的四个峰表示目标光场已经被边缘增强成双环结构，而标记为星号曲线的底值平滑性说明了间隙的存在及其方向，实验结果明显表示出了本发明构建的矢量非线性空间滤波器实现相位物体的选择性边缘增强。
本发明提供一种利用倍频效应(SHG)实现不可见光到可见选择性边缘增强的矢量非线性光学空间滤波器的设计，主要由线偏振的激光器，光轴相互正交的一对非线性晶体，Q-板，透镜，反射镜等光学元件构成。适用于不可见光照射样本或者物体时，在可见光波段实现物体或者样本的选择性边缘增强。也适用于极弱的样本或者物体信号的边缘轮廓探测上，可实现无损活体生物组织或细胞的形貌识别。

Claims (6)

1.一种矢量非线性光学空间滤波器，其特征在于设有激光器，激光器发出的激光束经半波片和第一非偏振分束器后分为两束光，一束光入射到物体或者样本上产生物光波，另一束光经过Q板产生结构光场；利用4f系统和单个透镜将物光波的频谱面和Q板的像面入射到一组正交放置的二类相位匹配的非线性晶体上；两束光束在晶体上的夹角满足晶体发生倍频效应所需的相位匹配条件；倍频光束经过一透镜将物光波的频谱进行傅里叶变换成像到CCD相机上；CCD相机前设有带通滤波器，带通滤波器用于滤除红外光，保留倍频的可见光；
所述激光器采用近红外或红外的线偏振激光器；所述激光器为波长为1064nm的不可见光激光器。
2.如权利要求1所述一种矢量非线性光学空间滤波器，其特征在于所述第一非偏振分束器、第二非偏振分束器均采用50︰50非偏振分束器。
3.如权利要求1所述一种矢量非线性光学空间滤波器，其特征在于所述二类相位匹配的非线性晶体采用满足二类相位匹配条件的任意非线性晶体。
4.如权利要求1所述一种矢量非线性光学空间滤波器，其特征在于所述二类相位匹配的非线性晶体采用两块BB0晶体。
5.如权利要求1所述一种矢量非线性光学空间滤波器，其特征在于所述两束光束在晶体上的夹角可为90°。
6.如权利要求1所述一种矢量非线性光学空间滤波器的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按要求布置好矢量非线性光学空间滤波器的光路；
2)将样本或物体放置在光路的一路中上，用计算全息产生的物体加载到空间光调制器中产生携带物体光波；
3)打开激光器，激光器发出激光，利用半波片产生所需的偏振态，在非偏振分束器作用下激光分为透射光和反射光，其中反射光束入射到样品或者物体上，经过样本或物体的反射光通过第一透镜，获得目标样品或者物体的傅里叶谱，而透射光通过一个Q板，利用具有2f～2f配置的第二透镜将Q板成像到非线性晶体上，二者在第二非偏振分束器上重新组合；组合后的光束经过一组正交放置的BBO非线性晶体，该晶体同时置于第一透镜和第二透镜的后焦面上，经过非线性晶体的光通过带通滤波器滤除激光器的光波，再经过一个第三透镜将样本或物体的傅里叶谱再次傅里叶变换得到经过边缘增强后的滤波图像，该图像的边缘增强取向取决于入射激光器的偏振态的方向，将CCD相机放置在第三透镜的后焦面上，经过CCD相机成像，然后存储入计算机。
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