CN114518652A - 基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光场调控与高速扫描技术领域，涉及一种基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法与装置。本发明首次提出通过使用光场调控技术精确调控光场表达式中含有离焦因子和方向因子的光束，进而实现对光束的高速三维扫描。相较于现有的扫描技术，本发明可生成多个扫描光束对被测样品进行扫描，并且可以在不改变装置的情况下灵活地切换扫描光束的数量。同时，本发明选取数字微镜阵列进行光场调控，很好的保证了扫描的速度。此外，本发明所生成的扫描光束可以进行任意非连续的扫描，产生的扫描角度可以是非连续改变的，并且切换速度非常快，不存在扫描空程问题。

Description

基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法与装置

技术领域

本发明属于高速光学成像、检测及加工技术领域，可用于生成单个或多个高精度的光束，对目标物体进行高速三维同步扫描，进而显著提高扫描式光学成像、检测及加工系统的速度、精度和稳定性。

背景技术

对于三维光束扫描技术而言，扫描的速度、精度及稳定性等因素往往限制了三维扫描技术的应用。目前，三维光束扫描技术中使用最成熟的是机械扫描技术（转台、振镜和MEMS镜等）。然而使用机械扫描技术实现三维光束扫描需要通过改变聚焦镜片组等方式来调节焦点在光轴方向的位置，通过此种方式实现三维扫描，装置复杂，使用不便。同时，机械扫描会出现空程问题，严重影响扫描的速度与精度。为了解决机械扫描存在的诸多问题，有学者提出了液晶相控阵扫描的方式，利用液晶空间光调制器对入射到其上的光束调制一个倾斜方向的相位，进而实现对光束的扫描。但是，由于液晶偏转受其材料特性的影响，响应速度较慢，因此该方法扫描速度较慢，难以满足高速光学成像和检测系统的速度需求。

此外，上述光束扫描技术难以实现同时聚焦多个焦点进行操控扫描，如果需要同时对多个聚焦焦点进行操控扫描，则需要对装置进行改动，额外增加多套光束扫描系统，系统装置将会非常复杂，各路光束之间的相对稳定性难以得到有效保障。此外，现有的多光束扫描技术光束数量固定，仅能通过固定的光束数量对物体进行扫描，扫描方式不够灵活。若能实现光束数量可变的多光束三维扫描，将会极大地提高光束扫描的效率，同时扫描方式灵活多变，能够更好的满足使用需求。

近年来，复振幅光场调控技术应用越来越广泛，若能将该技术运用于光束扫描中，则可以实现光束的快速扫描，并且无需改变装置就能在不同扫描光束数量之间实现任意切换，还能彻底解决传统机械扫描带来光束不稳定的问题。

发明内容

基于此，本发明提出了基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法与装置，通过使用光场调控技术以及光场调控装置，实现对光场的精确调控，再通过透镜聚焦得到的表达式中含有离焦因子的复振幅调控光场，在扫描空间形成单个或多个焦点，通过程序控制调控光场的离焦因子的相关参数，改变扫描焦点的空间位置，最后完成对整个扫描空间的三维光束扫描，且通过使用多光束扫描整个空间的方法，极大地提高了光学系统的扫描速度。

一方面，本发明提供了一种基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，具体的实现方式是：通过复振幅光场调控系统调制出的复振幅光场E _mod是N（N≥1）个复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N 的叠加，即E _mod = E ₁ + E ₂ +…+ E _N ，其中E _i = A _i exp[j(α _i x ² +α _i y ² +β _i x+γ _i y)]，i= 1, 2, …, N，j为虚数单位，A _i 为E _i 的振幅，α _i 为E _i 的离焦因子，β _i 和γ _i 为E _i 的方向因子；通过会聚透镜将E _mod进行聚焦形成N个焦点F ₁, F ₂, …, F _N ，通过改变所述E _i 中α _i 、β _i 和γ _i 的大小来实现对F ₁, F ₂, …, F _N 的三维扫描。

另一方面，本发明还提供了一种基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置，包括准直光束生成系统和复振幅光场调控系统；所述准直光束生成系统用于产生准直光束并入射到所述复振幅光场调控系统中；所述复振幅光场调控系统由空间光调制器和4f滤波系统组成，用于对所述准直光束进行光场调控并得到复振幅光场E _mod，所述E _mod是N（N≥1）个复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N 的叠加，所述4f滤波系统由两个透镜和低通滤波器组成，所述两个透镜的焦平面相重合，所述低通滤波器的位置处于所述两个透镜重合的焦平面上；通过改变所述空间光调制器上所加载的信息来实现对N个光束的三维扫描。

本发明对比已有技术具有以下创新点和显著优点：

1.本发明可同时生成多个扫描光束对被测样品进行三维扫描，并且可以在不改变装置的情况下灵活地切换扫描光束的数量，极大地提高了光束扫描的效率并同时降低了多光束扫描装置的复杂度；

2.本发明所采用的超像素调制方法在调制光场时具有极高的保真度，有效地保障了扫描光束的像差及其扫描角度的准确性；

3.本发明利用数字微镜阵列极高的切换速度，保障了调控光场之间的切换速度，进而保障了光束的扫描速度；

4.本发明所生成的扫描光束可以进行任意非连续的扫描，产生的扫描角度可以是非连续改变的，并且切换速度非常快，不存在扫描空程问题，这是普通机械扫描无法得到的。

5.本发明进行三维光束扫描时，只需要通过控制光场调控装置更改调制光场的离焦因子，就可以改变扫描点在光轴方向的位置坐标，目前大多数三维光束扫描需要对透镜组进行调整或使用机械装置进行改变，实现扫描点在光轴方向的位置坐标的改变。本发明可以避免机械移动引起的不稳定，实现高速、不连续的三维扫描。

附图说明

图1为本发明基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置的示意图；

图2为本发明实施例1中基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置的单光束螺旋线扫描示意图；

图3为本发明实施例1中基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置的单光束螺旋线扫描结果图；

图4为本发明实施例2中基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置的多光束扫描示意图；

其中：1-光源、2-扩束光学系统、3-复振幅光场调控系统、4-数字微镜阵列、5-4f光学系统、6-空间滤波器、7-聚焦透镜、8-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在本发明中，用户通过基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置对投影空间进行精准快速的扫描；用户根据所需实现的扫描路径确定载入空间光调制器的一系列图案，将图案通过计算机传输至空间光调制器中，调制出所要扫描各个光束复振幅光场叠加后得到合成的复振幅光场，通过透镜聚焦复振幅光场，聚焦多个焦点于投影空间，通过改变所述复振幅光场中的方向因子，控制多个扫描焦点的位置，实现对整个空间的快速扫描。

实施例1

实施例1利用基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置实现了对单个光束的快速三维扫描。如图2所示，本具体实施例中所用的基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置，包括光源1、扩束光学系统2、复振幅光场调控系统3、聚焦透镜7；复振幅光场调控系统3包括数字微镜阵列4、4f光学系统5、空间滤波器6。

本具体实施例中所用的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置的工作原理为：光源1产生波长为633 nm、口径为5 mm的光束，光束通过扩束光学系统2后扩束成口径为15 mm的准直光束，扩束光学系统2由两个透镜组成，其中第一透镜的焦距为100 mm，第二透镜为300 mm。将扩束后的准直光束输入复振幅光场调控系统3进行调控得到目标光场，目标光场复振幅分布表达式为：E _mod(x,y)=Aexp[j(αx ² +αy ² +βx+γy)]，j为虚数单位，A为E _mod的振幅，α为E _mod的离焦因子，β和γ为E _mod的方向因子；通过改变参数α、β和γ的数值大小，实现光场焦点位置的改变。复振幅光场调控系统3中的数字微镜阵列4包括1920×1080个微镜，相邻微镜的距离为10.8 µm，选择数字微镜阵列4中位于中心区域的800×800个微镜作为有效调控区域，剩余微镜在调控时始终处于关闭状态，将有效调控区域的每4×4个相邻微镜组成一个超像素，通过对超像素中所包含的微镜进行开和关的二进制强度调控来实现对目标复振幅光场中的所对应点的复振幅光场值的调控；4f光学系统5由两个透镜组成，两个透镜沿光传播方向一前一后放置，并且两个透镜的焦平面相重合，其中第一透镜的焦距为300mm，第二透镜为100 mm；空间滤波器6为半径为1.1 mm的圆孔滤波器，放置在4f光学系统两个透镜之间的焦平面位置处，用于滤出一级衍射光，经过4f光学系统5后在数字微镜阵列4的共轭位置处生成目标复振幅光场；通过倾斜数字微镜阵列4，使超像素中的4×4个微镜彼此产生一定的相位差，超像素中的4×4个微镜在目标复振幅光场的相位值分别为(0, π/8,π/4, 3π/8, … ,15π/8)；将目标复振幅光场等分为200×200个单元，通过空间滤波器滤除高频信息并使目标复振幅光场每个单元的光场为对应的超像素内各微镜所生成的光场的平均值，通过控制超像素内各微镜的开和关使目标复振幅光场中每个单元的振幅和相位均可独立调控；聚焦透镜7的焦距为200 mm，聚焦透镜7对得到的目标光场进行聚焦，使目标光场的焦点位于投影物体上。用户事先根据所需扫描点的三维坐标确定复振幅光场调控系统3调制出的对应的目标光场表达式中α、β和γ的数值大小，复振幅光场调控系统3调制出的对应的目标光场表达式中α、β和γ的数值大小发生改变时，焦点位置随之变化（当α发生变化时，焦点沿z轴方向的坐标发生改变，当β发生变化时，焦点沿x轴方向的坐标发生改变，当γ发生变化时，焦点沿y轴方向的坐标发生改变），进而实现单光束快速三维扫描。

实施例2

实施例2利用基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置实现了对多个光束的快速三维扫描。如图2所示，本具体实施例中所用的基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置，包括光源1、扩束光学系统2、复振幅光场调控系统3、聚焦透镜7；复振幅光场调控系统3包括数字微镜阵列4、4f光学系统5、空间滤波器6。

本具体实施例中所用的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置的工作原理为：光源1产生波长为633 nm、口径为5 mm的光束，光束通过扩束光学系统2后扩束成口径为15 mm的准直光束，扩束光学系统2由两个透镜组成，其中第一透镜的焦距为100 mm，第二透镜为300 mm。将扩束后的准直光束输入复振幅光场调控系统3进行调控得到目标光场，目标光场E _mod是10个复振幅光场E ₁, E ₂, …, E ₁₀的叠加，即E _mod = E ₁ + E ₂ +…+ E ₁₀，其中E _i =A _i exp[j(α _i x ² +α _i y ² +β _i x+γ _i y)]，i = 1, 2, …, 10，j为虚数单位，A _i 为E _i 的振幅，α _i 为E _i 的离焦因子，β _i 和γ _i 为E _i 的方向因子；通过会聚透镜将E _mod进行聚焦形成10个焦点F ₁, F ₂, …,F ₁₀，通过改变所述E _i 中α _i 、β _i 和γ _i 的大小来实现对F ₁, F ₂, …, F ₁₀的三维扫描。复振幅光场调控系统3中的数字微镜阵列4包括1920×1080个微镜，相邻微镜的距离为10.8 µm，选择数字微镜阵列4中位于中心区域的800×800个微镜作为有效调控区域，剩余微镜在调控时始终处于关闭状态，将有效调控区域的每4×4个相邻微镜组成一个超像素，通过对超像素中所包含的微镜进行开和关的二进制强度调控来实现对目标复振幅光场中的所对应点的复振幅光场值的调控；4f光学系统5由两个透镜组成，两个透镜沿光传播方向一前一后放置，并且两个透镜的焦平面相重合，其中第一透镜的焦距为300 mm，第二透镜为100 mm；空间滤波器6为半径为1.1 mm的圆孔滤波器，放置在4f光学系统两个透镜之间的焦平面位置处，用于滤出一级衍射光，经过4f光学系统5后在数字微镜阵列4的共轭位置处生成目标复振幅光场；通过倾斜数字微镜阵列4，使超像素中的4×4个微镜彼此产生一定的相位差，超像素中的4×4个微镜在目标复振幅光场的相位值分别为(0, π/8, π/4, 3π/8, … ,15π/8)；将目标复振幅光场等分为200×200个单元，通过空间滤波器滤除高频信息并使目标复振幅光场每个单元的光场为对应的超像素内各微镜所生成的光场的平均值，通过控制超像素内各微镜的开和关使目标复振幅光场中每个单元的振幅和相位均可独立调控；聚焦透镜7的焦距为200 mm，聚焦透镜7对得到的目标光场进行聚焦，使目标光场的焦点位于投影物体上。用户事先根据所需扫描点的三维坐标确定复振幅光场调控系统3调制出的对应的10个光束的复振幅光场表达式中α _i 、β _i 和γ _i 的数值大小，复振幅光场调控系统3调制出的对应的N个光束的复振幅光场表达式中α _i 、β _i 和γ _i 的数值大小发生改变时，焦点位置随之变化（当α _i 发生变化时，焦点沿z轴方向的坐标发生改变，当β _i 发生变化时，焦点沿x轴方向的坐标发生改变，当γ _i 发生变化时，焦点沿y轴方向的坐标发生改变），进而实现对投影物体的多光束快速三维扫描。

实施例3

与实施例1不同的是，本具体实施例中复振幅光场调控装置通过基于数字微镜阵列的二元计算全息调控方法对输入光进行复振幅调控，具体方法为：对数字微镜阵列4中每个微镜进行开和关的二进制强度调控，通过4f光学系统5和空间滤波器6滤出一级衍射光，对目标复振幅光场的相位进行调控；通过改变所述数字微镜阵列4中不同方向的空间频率，对所述目标复振幅光场的幅值进行调控，实现对目标复振幅光场的调控。

实施例4

与实施例1不同的是，本具体实施例中复振幅光场调控装置通过基于液晶空间光调制器的超像素调控方法对输入光进行复振幅调控，具体方法为：液晶空间光调制器包括1920×1080个液晶，相邻液晶的距离为8.0 µm，选择液晶空间光调制器中位于中心区域的800×800液晶作为有效调控区域，剩余液晶的相位值始终调控为0，将有效调控区域的每4×4个相邻液晶组成一个超像素，通过调节超像素中所包含的液晶的相位来实现对目标复振幅光场中所对应点的复振幅光场的调控。本具体实施例中光场调控装置为基于液晶空间光调制器的复光场调控装置，包括液晶空间光调制器、4f光学系统和空间滤波器；所述4f光学系统由两个透镜组成，两个透镜沿光传播方向一前一后放置，并且两个透镜的焦平面相重合，其中第一透镜的焦距为300 mm，第二透镜的焦距为100 mm；空间滤波器6为半径为1.5 mm的圆孔滤波器，放置在4f光学系统两个透镜之间的焦平面位置处，用于滤出一级衍射光，经过4f光学系统后在液晶空间光调制器的共轭位置处生成目标复振幅光场，将目标复振幅光场等分为200×200个单元，使目标复振幅光场中每个单元的振幅和相位均可独立调控。聚焦透镜7的焦距为200 mm，聚焦透镜对得到的目标光场进行聚焦，使目标光场的焦点位于投影物体上。通过改变微镜的开关状态改变焦点的位置进行扫描点的移动，实现对整个物体的扫描。

实施例5

与实施例1不同的是，本具体实施例中在4f光学系统5后面叠加4f系统来改变光束的扫描角度，进而改变各个扫描光束的扫描角度，具体方法为：叠加的4f光学系统10由两个透镜组成，两个透镜沿光传播方向一前一后放置，并且两个透镜的焦平面相重合，其中第一透镜的焦距为300 mm，第二透镜的焦距为150 mm；由于入射叠加的4f光学系统前的光束相对于光轴的倾斜角的正切值与叠加的4f光学系统的出射光束相对于光轴的倾斜角的正切值正比于第二透镜与第一透镜的焦距之比，因此通过叠加的4f光学系统后的出射光束相对于光轴的倾斜角度被放大，装置的扫描角度变大。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的适用范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：通过复振幅光场调控系统调制出的复振幅光场E _mod是N（N≥1）个复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N 的叠加，即E _mod = E ₁ +E ₂ +…+ E _N ，其中E _i = A _i exp[j(α _i x ² +α _i y ² +β _i x+γ _i y)]，i = 1, 2, …, N，j为虚数单位，A _i 为E _i 的振幅，α _i 为E _i 的离焦因子，β _i 和γ _i 为E _i 的方向因子；通过会聚透镜将E _mod进行聚焦形成N个焦点F ₁, F ₂, …, F _N ，通过改变所述E _i 中α _i 、β _i 和γ _i 的大小来实现对F ₁, F ₂, …, F _N 的三维扫描。

2.根据权利要求1所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：所述复振幅光场调控系统由空间光调制器和4f滤波系统组成；所述4f滤波系统由两个透镜与低通滤波器组成，两个透镜的焦平面相重合，所述低通滤波器的位置处于两透镜重合的焦平面上；准直光束生成系统产生准直光束并照射到所述空间光调制器上，由所述空间光调制器对所述准直光束进行光场调控，调控后的光场经过所述4f滤波系统后产生所述复振幅光场E _mod。

3.根据权利要求2所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：所述空间光调制器为数字微镜阵列，所述复振幅光场调控系统通过基于数字微镜阵列的超像素法对所述准直光束进行调制；所述准直光束入射到所述复振幅光场调控系统后入射在所述数字微镜阵列上，将所述数字微镜阵列的每n×n个相邻微镜组成一个超像素，通过对所述超像素中所包含的微镜进行开和关的二进制强度调控来实现对所述复振幅光场E _mod中所对应点的复振幅光场值的调控；通过所述4f滤波系统的低通滤波器滤出所调控的衍射级次上的衍射光，经过所述4f滤波系统后在所述数字微镜阵列的共轭位置处生成所述复振幅光场E _mod。

4.根据权利要求2所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：所述复振幅光场调控装置是通过基于数字微镜阵列的二元计算全息调控方法来对合成的复振幅光场E _mod进行调控的；对所述数字微镜阵列中每个微镜进行开和关的二进制强度调控，通过4f光学系统和空间滤波器滤出对应调控级次上的衍射光，并根据所述数字微镜阵列中各微镜的相对位置，来对所述合成的复振幅光场E _mod的相位进行调控；通过改变所述数字微镜阵列中不同方向的空间频率，对所述复振幅光场E _mod的幅值进行调控，从而实现对复振幅光场E _mod的调控。

5.根据权利要求3或4所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：将所述数字微镜阵列改为液晶空间光调制器，由基于液晶空间光调制器的复振幅光场调控系统来产生所述复振幅光场E _mod。

6.根据权利要求1所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：在所述4f滤波系统后面叠加4f系统来改变光束的扫描角度和范围，进而改变各个扫描光束的扫描角度和范围，所述4f系统由两个透镜组成，两透镜的焦点相重合。

7.根据权利要求1所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描方法，其特征在于：通过改变所述4f滤波系统中两个透镜的焦距比改变各个扫描光束的扫描角度和范围。

8.基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置，其特征在于：包括准直光束生成系统和复振幅光场调控系统；所述准直光束生成系统用于产生准直光束并入射到所述复振幅光场调控系统中；所述复振幅光场调控系统由空间光调制器和4f滤波系统组成，用于对所述准直光束进行光场调控并得到复振幅光场E _mod，所述E _mod是N（N≥1）个复振幅光场E ₁, E ₂,…, E _N 的叠加，所述4f滤波系统由两个透镜和低通滤波器组成，所述两个透镜的焦平面相重合，所述低通滤波器的位置处于所述两个透镜重合的焦平面上；通过改变所述空间光调制器上所加载的信息来实现对N个光束的三维扫描。

9.根据权利要求8所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置，其特征在于：所述复振幅光场调控系统中的空间光调制器为数字微镜阵列或液晶空间光调制器中的一种。

10.根据权利要求8所述的基于复振幅光场调控技术的三维光束扫描装置，其特征在于：所述准直光束生成系统为光纤-准直透镜组合系统、空间光滤波器-准直透镜组合系统或变折射率透镜-准直透镜组合系统中的一种。

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