CN114518653A - 基于复振幅光场调控技术的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方向因子的光束，进而实现对光束的高速二维扫描。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，可用于生成一个或多个高精度的光束，并对这些光束进行高速同步扫描，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

如何实现光束的快速、高精度、高稳定扫描一直以来都困扰着光学成像、检测和加工等诸多技术领域。目前，光束扫描主要依靠诸如振镜、MEMS镜扫描等机械扫描的方式来实现。然而机械扫描的稳定性不高，对高精度光学成像和检测系统会产生很大的影响，尤其在多光束干涉光路中，机械扫描的不稳定性将导致干涉条纹产生无规则抖动，进而对光学成像和检测结果带来破坏性的影响。为了解决机械扫描在稳定性上的不足，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。该方法虽然能使得扫描光束的稳定性得到显著的提升，然而速度很慢不能满足快速成像等系统的需求。声光扫描技术利用超声信号控制晶体折射率使其成周期变化，进而通过折射率的变化周期来改变光栅衍射角达到扫描光束的目的。由于超声信号可以由电信号高速稳定地转化，因此该方法可以使得扫描光束兼具高速和高稳定性。然而该方法的实现比较复杂，不利于系统的高度集成。

此外，上述光束扫描技术大多只能用于对单一光束进行操控扫描，如果要实现多个光束的同时扫描，就需要首先采用分光系统对光束进行分光，然后利用多套光束扫描机构对各路光束进行分别操控扫描，最后再用合束系统将扫描的光束进行合成，系统装置将会进一步复杂，各路光束之间的相对稳定性难以得到有效保障。为了满足不同光学系统的多光束扫描需求，学者们针对不同的光学系统设计了不同的多光束扫描方案。例如在高速激光打印设备中，学者提出了利用多个光源同时产生多个激光光束，并结合转台扫描的技术来同时扫描这多个光束；在超分辨结构光成像中，为了得到多个光束稳定的干涉照明效果，学者们多用光栅衍射的方式来产多束光，进而通过旋转衍射光栅来实现对所生产光栅的旋转。然而这些多光束扫描方案都存在非常明显的局限性，多个光束不能独立自由地进行扫描，光束之间的扫描路径相对固定，因此这些方法都不适合拓展使用。

综上所述，目前尚未有一种方法能实现光束尤其是多光束的快速、高精度、高稳定扫描。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；通过透镜聚焦得到调控光场，并在投影平面上形成多个焦点；通过程序控制调控光场，继而改变多个扫描焦点的位置，最后完成对整个投影平面的光束扫描。由于可以使用多光束同时扫描整个平面，因此本发明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光束扫描方法，具体的实现方式是：将所要扫描N（N≥1）个光束的复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N 叠加，叠加后得到合成的复振幅光场：E _mod = E ₁ + E ₂ + … + E _N ，其中E _i = A _i exp[j(α _i x+β _i y)]，i = 1, 2, …,N，j为虚数单位，A _i 为E _i 的振幅，α _i 和β _i 为E _i 的方向因子，使用复振幅光场调控系统来对E _mod进行调控，通过改变α _i 和β _i 的大小来实现对所述N个光束的扫描。

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照射到所述空间光调制器上；所述空间光调制器用于对所述准直光束进行光场调控，所调控的光场为各个扫描光束的复振幅光场叠加后得到的合成的复振幅光场；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，两个透镜的焦点相重合，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；所述4f滤波系统用于对所述合成的复振幅光场进行低通滤波最终得到所述合成的复振幅光场；通过改变所述空间光调制器上的加载信息来实现光束扫描。

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。

附图说明

图1为本发明基于复振幅光场调控技术的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光束扫描装置单光束扫描的示意图；

图3为本发明实施例1中基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置单光束螺旋线路径扫描结果图

图4为本发明实施例1中扫描焦点位置与方向因子的线性关系；

图5为本发明实施例2中基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置多光束扫描的示意图；

图6为本发明实施例2中基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置多光束直线路径扫描结果图；

图7为本发明实施例3中基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置多光束曲线路径扫描结果图；

图8为本发明实施例6中基于复振幅光场调控技术的利用4f光学系统扩大光束扫描角度的装置示意图；

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-投影平面、8-聚焦透镜、9-计算机、10-叠加的4f光学系统。

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光束扫描装置对投影平面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，聚焦一个或多个焦点于投影平面，通过改变所述复振幅光场中的方向因子，控制扫描焦点的位置，实现对整个平面的快速扫描。

实施例1

实施例1利用基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置实现了对单个光束的快速扫描。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8；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15mm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 = Aexp[j(αx+βy)]，j为虚数单位，A为E _mod的振幅，α、β为光场的方向因子，决定了光场的传播方向。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8的焦距为200 mm，聚焦透镜8对得到的目标光场进行聚焦，投影平面7放置于聚焦透镜8的焦平面位置，使目标光场的焦点位于投影平面7上，且焦点位置与目标光场表达式中α、β的值有着线性关系。由于用户事先根据所需扫描路径确定并通过计算机9载入了一系列图案，因此复振幅光场调控系统3调制出的目标光场表达式中α、β的值在进行变化，从而改变焦点的位置进行扫描点的移动，实现对整个平面的快速扫描。

实施例2

实施例2利用基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置实现了对多个光束的快速同时扫描。如图5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8；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后发出波长为633nm、口径为15 mm的光束，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，将所要扫描N（N>1）个光束的复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N 叠加，叠加后得到合成的复振幅光场：E _mod = E ₁+ E ₂ + … + E _N ，其中E _i = A _i exp[j(α _i x+β _i y)]，i = 1, 2, …, N，j为虚数单位，A _i 为E _i 的振幅，α _i 和β _i 为E _i 的方向因子，通过改变α _i 和β _i 的大小来实现对所述N个光束的扫描。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。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8的焦距为200 mm，聚焦透镜8对得到的目标光场进行聚焦，投影平面7放置于聚焦透镜8的焦平面位置，使目标光场的焦点位于投影平面7上。用户事先根据所需扫描路径确定并通过计算机9载入了一系列图案，复振幅光场调控系统3调制出的N（N>1）个光束的复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N ，每个光束的方向因子α _i 不变，β _i 随图案的变化逐渐增大，由于焦点位置与光束表达式中α _i 、β _i 的值有着线性关系（如图4所示），每个光束对应的焦点纵坐标位置随之变化，向同一方向匀速移动，实现多个光束快速直线扫描平面（如图6所示）。

实施例3

与实施例2不同的是，本具体实施例中复振幅光场调控系统3调制出的N（N>1）个光束的复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N ，每个光束的方向因子α _i 、β _i 满足半圆的函数关系式，由于焦点位置与光束表达式中α _i 、β _i 的值有着线性关系，因此焦点位置沿半圆路径变化，实现多个光束曲线扫描平面（如图7所示）。

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5

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8的焦距为200 mm，聚焦透镜对得到的目标光场进行聚焦，为使目标光场的焦点位于投影平面上，设置投影平面与聚焦透镜的距离为聚焦透镜的焦距。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，实现对整个平面的扫描。

实施例6

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（如图8所示），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光束扫描方法，其特征在于：将所要扫描N(N≥1)个光束的复振幅光场E ₁, E ₂, …, E _N 进行叠加，得到合成的复振幅光场：E _mod = E ₁ + E ₂ + … +E _N ，其中E _i = A _i exp[j(α _i x+β _i y)]，i = 1, 2, …, N，j为虚数单位，A _i 为E _i 的振幅，α _i 和β _i 为E _i 的方向因子，使用复振幅光场调控系统来对E _mod进行调控，通过改变α _i 和β _i 的大小来实现对所述N个光束的扫描。

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个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合成的复振幅光场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合成的复振幅光场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合成的复振幅光场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，从而实现对所述合成的复振幅光场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合成的复振幅光场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光束扫描方法，其特征在于：在所述4f滤波系统后面增加聚焦透镜将所扫描的光束聚焦成焦点，通过对光束的扫描来实现所述焦点的扫描。

8.基于复振幅光场调控技术的光束扫描装置，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照射到所述空间光调制器上；所述空间光调制器用于对所述准直光束进行光场调控，所调控的光场为各个扫描光束的复振幅光场叠加后得到的合成的复振幅光场；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，两个透镜的焦点相重合，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；所述4f滤波系统用于对所述合成的复振幅光场进行低通滤波最终得到所述合成的复振幅光场；通过改变所述空间光调制器上的加载信息来实现光束扫描。

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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