CN111913313A - 一种参数可调轴向余弦结构光产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种参数可调轴向余弦结构光产生装置及方法，主要包括激光器、线偏振片、纯相位型空间光调制器、孔径光阑、工作站。激光器发出一准直光束斜入射至纯相位型空间光调制器，在纯相位型空间光调制器前放置一偏振片以保证纯相位型空间光调制器对光的纯相位调制，通过工作站向纯相位型空间光调制器加载双环缝相位图。纯相位型空间光调制器的出射光通过第一聚光透镜，并在焦点处放置孔径光阑挡住衍射零级光，仅让衍射一级光通过，进而获得双环缝光束。最后双环缝光束通过第二聚光透镜准直和第一物镜聚焦后，在焦点区域干涉产生轴向余弦结构光。该方法为光镊等领域的结构光生成提供了很好的解决方案。

Description

一种参数可调轴向余弦结构光产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光声成像领域，特别是涉及一种参数可调轴向余弦结构光产生装置及方法。

背景技术

轴向余弦型结构光是在轴向上光强呈现出余弦分布的光束，该种类光束应用广泛，如在对微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等的操控的光镊技术、结构光照明荧光显微成像、光声显微成像系统中的为提升轴向分辨率的轴向调制等领域。这些技术都要求产生的结构光能够在周期和相位上可调，以满足不同的实验需求。如在光声显微成像系统中，为实现较高的横向分辨率(几微米水平)，常采用高数值孔径的物镜对激光束进行强聚焦。然而轴向分辨率则由较窄带宽的超声换能器决定，在几十微米水平，远远差于横向分辨率，有研究者则采用在轴向上使用余弦型结构光来调制光声信号来将高频信息获取，继而提升轴向分辨率。

目前有很多种方式产生轴向余弦型结构光，如用有同心双环缝的掩膜板产生双环缝光束，置于透镜后焦面处，每个环缝光束在透镜焦点处产生贝塞尔光束，进而发生干涉产生轴向余弦型结构光。该方法需要制作掩膜板，成本较高，且参数不可调。也有研究者采用两个不同锥角的锥透镜分别产生两个不同轴向波矢的贝塞尔光束，发生干涉产生轴向余弦型结构光。这种方法成本也比较高，且参数不可调，同时锥透镜产生的贝塞尔光束质量不好，导致产生的轴向余弦型结构光旁瓣光强较强，调制度不高。因此，有必要研究出一种能够产生方便、参数可调的轴向余弦型结构光生成方案。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的问题，提供一种参数可调轴向余弦结构光产生装置及方法。

一种参数可调轴向余弦结构光产生装置，其特征在于：所述的一种参数可调轴向结构光产生装置主要包括激光器、线偏振片、纯相位型空间光调制器、第一聚光透镜、孔径光阑、第一反射镜、第二聚光透镜、第一物镜、工作站。过程如下：

S1：激光器发出一准直光束，通过线偏振片后以一定角度斜入射至纯相位型空间光调制器；

S2：根据纯相位型空间光调制器像素数绘制双环缝相位图，并加载至纯相位型空间光调制器。纯相位型空间光调制器的出射光通过第一聚光透镜，并在焦点处放置孔径光阑挡住衍射零级光，仅让衍射一级光通过，进而获得双环缝光束；

S3:双环缝光束通过第二聚光透镜准直和第一物镜聚焦后，在焦点区域干涉产生相位和周期均可调的轴向余弦结构光。

优选的，S1中偏振片偏振方向应和纯相位型空间光调制器液晶面板长边平行，目的是使激光偏振方向平行于空间光调制器液晶分子的长轴方向，实现空间光调制器的纯相位调制，而如果偏振方向不与分子长轴平行的话，则会引起不希望的振幅调制，调制效率降低，入射光与纯相位型空间光调制器的夹角一般不超过10度，保证高的调制效率。

优选的，S2中所述双环缝由两个半径和缝宽分别为r₁、Δr₁，r₂、Δr₂同心圆环组成；

所述相位图由棱镜相位φ_prism和各自初始相位组成，内外环缝的相位分别为φ₁＝φ_prism、φ₂＝φ_prism+φ₀，其中φ₀为一常数，φ_prism为在两个环缝上施加一个棱镜相位。该相位能使入射到环缝的光束在横向上偏移光轴，获得受到调制的衍射一级光；而入射到没有施加棱镜相位的区域的光未受到调制，为衍射零级光，该光束继续沿着光轴行进，将纯相位型空间光调制器放置在第一聚光透镜后焦面处，在第一聚光透镜焦点处放置一个孔径光阑挡住衍射零级光，允许衍射一级光通过，这样就获得了双环缝光束。

所述棱镜相位设置方法：在纯相位型空间光调制器上引入一个线性增加的相位延迟φ_prism，如果要在第一聚光透镜像面上引起一个横向的移动(Δx,Δy)，则有φ_prism(x_h,y_h)＝α(Δxx_h+Δyy_h)，α为一常数，该常数取决于成像特性和波长。

优选的，S3所述第二聚光透镜和第一聚光透镜共焦组成一个4f系统，放大倍率为1。

优选的，所述第一物镜是放置在第二聚光透镜的前焦面处，这样在在物镜入瞳处双环缝光束和纯相位型空间光调制器液晶面板产生的双环缝尺寸一样。双环缝光束通过物镜后干涉产生轴向余弦型结构光。

所述干涉是指双环缝光束中内外环缝光束发生干涉，双环缝光场U₁(r,z)可表述为：

其中

表示半径为r₁的圆孔函数，双环缝光束通过物镜之后发生干涉场光强分布I(r,z)为：

可以看到干涉光强呈现余弦分布，其中

其中f是物镜的焦距，Δφ＝φ₀是双环缝的初始相位差，J₀是零阶贝塞尔函数，λ是激光波长。余弦结构光的周期为

周期在物镜焦距固定下，可通过改变双环缝内外半径来改变周期，通过改变双环缝的初始相位差改变结构光的相位，进而实现参数可调。

本发明的优点及有益效果是：

本发明主要是使用纯相位型空间光调制器加载双环缝相位图，通过孔径光阑获得衍射一级产生双环缝光束，最后通过4f系统中距到物镜后焦面处，在物镜焦点处干涉产生轴向余弦结构光。优势是只需要加载相位图就可以很方便的产生轴向余弦性结构光，且结构光的周期和相位可通过相位图来控制，实现参数可调。该发明将有助于光镊、结构光照明荧光显微成像、光声显微成像等领域的发展。

附图说明

图1为本发明一实施例中的一种参数可调轴向余弦结构光产生装置示意图；

图2为双环缝相位图；

图3为产生的轴向余弦型结构光。

图中：

1、激光器；2、线偏振片；3、纯相位型空间光调制器；4、第一聚光透镜；5、孔径光阑；6、衍射零级光；7、衍射一级光；8、第一反射镜；9、第二聚光透镜；10、第一物镜；11、工作站。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

本发明的装置和方法：图1为本发明整套成像装置的结构示意图。该装置主要包括激光器1，线偏振片2，纯相位型空间光调制器3，第一聚光透镜4，孔径光阑5，第一反射镜8，第二聚光透镜9，第一物镜10，工作站11；激光器1为Nd:YLF脉冲激光器，激光器1脉冲发放频率为1KHz、激光波长为523纳秒、脉宽为9纳秒。然后以一定角度(角度不能过大，否则会导致衍射效率下降，一般入射角度控制在10度以内)斜入射至纯相位型空间光调制器3(1920*1080像素，像素尺寸为8微米)。光束入射至纯相位型空间光调制器3前，需要用一个线偏振片2将光偏振方向与纯相位型空间光调制器3液晶面板长边平行，目的是使激光偏振方向平行于纯相位型空间光调制器3液晶分子的长轴方向，实现纯相位型空间光调制器3的纯相位调制，而如果偏振方向不与分子长轴平行的话，则会引起不希望的振幅调制，调制效率降低。将产生结构光的相位图加载至纯相位型空间光调制器3，光束经过纯相位型空间光调制器3进行调制后经过第一聚光透镜4(f＝200mm)汇聚在焦点处。在焦点处会有很多衍射级，包括衍射零级光6(未被调制的光)、衍射一级光7和其他高阶级，通过在焦点处放置一个孔径光阑5将其他衍射级挡住，而只允许衍射一级光7(被调制的光)通过。

随后光束被第一反射镜8反射，被第二聚光透镜9(f＝200mm)准直，第一聚光透镜4和第二聚光透镜9形成一个4f系统，放大倍率为1。此时出来的光束为和纯相位型空间光调制器3设置的等尺寸的双环缝光束，后经过第一物镜(20X,有效焦距为9毫米)，在焦点区域干涉产生轴向余弦型结构光，如图3所示。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种参数可调轴向余弦结构光产生装置，包括：激光器(1)、线偏振片(2)、纯相位型空间光调制器(3)、第一聚光透镜(4)、孔径光阑(5)、第一反射镜(8)、第二聚光透镜(9)、第一物镜(10)、工作站(11)。

2.根据权利要求1所述的一种参数可调轴向余弦结构光产生装置，其特征在于：所述激光器(1)发射准直光束，所述准直光束依次穿过线偏振片(2)、纯相位型空间光调制器(3)、第一聚光透镜(4)、孔径光阑(5)、第一反射镜(8)、第二聚光透镜(9)、第一物镜(10)。

3.一种参数可调轴向余弦结构光产生方法，包括：

S1：激光器(1)发出一准直光束，通过线偏振片(2)后以一定角度斜入射至纯相位型空间光调制器(3)；

S2：根据纯相位型空间光调制器(3)像素数绘制双环缝相位图，并加载至纯相位型空间光调制器(3)，纯相位型空间光调制器(3)的出射光通过第一聚光透镜(4)，并在焦点处放置孔径光阑挡住衍射零级光(6)，仅让衍射一级光(7)通过，进而获得双环缝光束；

S3:双环缝光束通过第二聚光透镜(9)准直和第一物镜(10)聚焦后，在焦点区域干涉产生相位和周期均可调的轴向余弦结构光。

4.根据权利要求3所述的一种参数可调轴向余弦结构光产生方法，其特征在于：

S1中所述偏振片(2)偏振方向应和纯相位型空间光调制器(3)液晶面板长边平行，目的是使激光偏振方向平行于空间光调制器液晶分子的长轴方向，实现空间光调制器的纯相位调制，入射光与纯相位型空间光调制器(3)的夹角一般不超过10度，保证高的调制效率。

5.根据权利要求3所述的一种参数可调轴向余弦结构光产生方法，其特征在于：

S2中所述双环缝由两个半径和缝宽分别为r₁、Δr₁，r₂、Δr₂同心圆环组成；所述相位图由棱镜相位φ_prism和各自初始相位组成，内外环缝的相位分别为φ₁＝φ_prism、φ₂＝φ_prism+φ₀，其中φ₀为一常数，φ_prism为在两个环缝上施加一个棱镜相位，棱镜相位能使入射到环缝的光束在横向上偏移光轴，获得受到调制的衍射一级光(7)；而入射到没有施加棱镜相位的区域的光未受到调制，为衍射零级光(6)，衍射零级光(6)继续沿着光轴行进，将纯相位型空间光调制器(3)放置在第一聚光透镜(4)后焦面处，在第一聚光透镜(4)焦点处放置一个孔径光阑挡住衍射零级光(6)，允许衍射一级光(7)通过，获得了双环缝光束；

所述棱镜相位设置方法：在纯相位型空间光调制器(3)上引入一个线性增加的相位延迟φ_prism，如果要在第一聚光透镜(4)像面上引起一个横向的移动(Δx,Δy)，则有φ_prism(x_h,y_h)＝α(Δxx_h+Δyy_h)，α为一常数，所述常数取决于成像特性和波长。

6.根据权利要求3所述的一种参数可调轴向余弦结构光产生方法，其特征在于：

S3中所述第二聚光透镜(9)和第一聚光透镜(4)共焦组成一个4f系统，放大倍率为1；

所述第一物镜(10)是放置在第二聚光透镜(9)的前焦面处，这样在第一物镜(10)入瞳处双环缝光束和纯相位型空间光调制器(3)液晶面板产生的双环缝尺寸一样，双环缝光束通过物镜后干涉产生轴向余弦型结构光；

所述干涉是指双环缝光束中内外环缝光束发生干涉，双环缝光束通过物镜之后发生干涉，干涉场光强分布I(r,z)为：

干涉光强呈现余弦分布，其中

其中f是物镜的焦距，Δφ＝φ₀是双环缝的初始相位差，J₀是零阶贝塞尔函数，λ是激光波长；余弦结构光的周期为

周期在物镜焦距固定下，可通过改变双环缝内外半径来改变周期，通过改变双环缝的初始相位差改变结构光的相位，进而实现参数可调。

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