CN114815282B - 一种角向径向关联光源实现超分辨的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角向径向关联光源实现超分辨率的装置。实施步骤是：利用计算机制备一组全息图并加载到空间光调制器，每张全息图以相同的时间间隔在液晶屏上动态重复播放；激光经过空间光调制器调制产生角向径向关联光束后反射，选取反射光束的正一级衍射光并作为光源照射两个物点小孔，透射光经过成像系统后在CCD相机上得到两小孔的成像清晰度；改变角向径向关联光束的角向和径向参数，产生出一组新的数字全息图，直到获得可以实现超分辨成像的最佳参数。本发明所提供的装置通过控制数字全息图可以产生角向径向关联光束，这种光源能够通过参数δu和参数L独立地非耦合地调控探测端光束的角向和径向相干度，从而实现具有角向或径向特征的物体进行分维度的扫描式超分辨成像。而且本装置只有一个激光器和一个空间光调制器，光路搭建简单易操作。
Description
技术领域
本发明提供一种角向径向关联光源实现超分辨的装置，该装置产生的角向径向关联光束可以突破瑞利衍射极限，实现物体在角向和径向的超分辨识别和成像，属于光学成像领域。
背景技术
部分相干光束是一种相干性介于完全相干光束和非相干光束的光源，其交叉谱密度函数在满足非负正定条件的前提下，可以被设计成多种多样的数学模型。通过设计部分相干光束的相干结构，可以发掘出许多具有新颖的传播特性和成像特性的新型结构光，在光学成像、光通信及粒子捕获等领域都扮演着重要的角色，具有很大的应用前景。
瑞利衍射是指由于光在传播过程中会发生衍射现象，导致物面上距离过近的两点在像面上艾丽光斑会有部分重叠，从而无法分辨两个物点。当一个衍射光斑极大值的位置与另一个衍射光斑极小值的位置重合时，则称其达到了瑞利衍射极限。定义物面上两点成像后能被分辨的最小距离为瑞利判据。因为瑞利衍射极限的存在，在光学成像领域带来了很多问题，所以科学家们提出了许多克服瑞利衍射极限的方法。
在先技术[中国专利CN110161716A，发明名称“一种单激光器角向非相干光实现超分辨的装置”]公开了一种利用角向非相干光实现超分辨成像的装置。该装置利用角向关联即光源的相干度绝对值仅依赖与辐角差的特性，突破瑞利衍射极限。但是，这种光束仅能在角向上克服瑞利衍射极限，在径向上如何实现物点的超分辨识别，仍是目前尚未解决的问题。
文献[Hyde IV.M.W,Bose Pillai.S,“Partially coherent source withcircular coherence:comment”,Optics Letters Vol.42,No.16,3084(2017)]提出了一种具有圆环相干结构的部分相干光，其相干度仅是空间两点到原点距离的平方差的函数。然而，这种圆环相干光的相干特性，能否适用并运用于物点的超分辨识别，还是一个未知的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种角向径向关联光束实现超分辨的装置。本发明所提供的装置可以产生一种分别调控径向相干度和角向相干度的部分相干光束，而且光路简单易操作；通过调控上述光束的角向参数和径向参数，可实现对物体角向和径向的超分辨成像。
实现本发明目的的技术方案是提供一种角向径向关联光束实现超分辨的装置，包括以下步骤：
(1)一种角向径向关联光束实现超分辨的装置所使用的光源是一种具有角向径向关联的部分相干光束，其交叉谱密度函数为：
式中，表示光源平面上的位置矢量；τ(r)为任意复数函数，控制光强分布；g(·)为控制径向关联的任意函数；δu表示相干宽度，为控制径向相干度的参数；cos[·]为控制角向关联的函数；L表示拓扑荷，是用于控制角向相干度的参数；此光源由两束拓扑荷互为相反数的涡旋光束非相干叠加而成，两束涡旋光束的交叉谱密度函数为：
利用瞬时光场非相干叠加来实现上述两种涡旋光束的制备；瞬时场表达式为：
其中是权重函数；Φ(r,vn)＝τ(r)exp(iLθ)exp(ivn·r2)是叠加波函数，vn是权重函数的自变量；/>为均匀分布在[0,2π]范围内的随机相位；计算生成该瞬时场的一帧数字全息图/>并通过多次计算制备出一组(N帧)拓扑荷为L的全息图序列/>使用相同步骤制备出拓扑荷为-L的全息图序列交替使用拓扑荷互为相反数的全息图形成一组能产生部分相干涡旋光束非相干叠加的数字全息图序列，/>
(2)将计算机与空间光调制器相连接，并将提前准备好的一组数字全息图加载到空间光调制器上，每张全息图以相同的存在时间在液晶屏上动态重复播放；
(3)打开激光器产生波长稳定的线偏振光，先经过扩束器进行扩束，再通过线偏振片调整光束的偏振方向，使其与空间光调制器的液晶分子方向一致；
(4)经过空间光调制器的屏幕反射后的光束传播到透镜L1；再经过位于透镜L1焦平面的小孔光阑，从而选取正一级衍射光，然后传播到透镜L2进行准直；从透镜L1和L2构成的光学放大系统后得到的光束，即为角向径向关联光束；
(5)合成的角向径向关联光束作为光源照射开有两个物点小孔的不透明屏幕；穿过不透明屏幕的光束再经过由透镜L3、可调节光圈和透镜L4所组成的小孔衍射成像系统；成像光束传播一定距离后，被CCD相机检测后得到物面两点小孔的成像清晰度；
(6)调控角向径向关联光束的角向参数和径向参数，得到新的一组数字全息图，并加载到空间光调制器进行动态播放；
(7)观察改变数字全息图后CCD相机上物面两点小孔的成像结果及清晰度的改变；重复步骤(6)直到获得最佳的成像分辨效果，即可突破瑞利衍射极限。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出一种角向径向关联光束实现超分辨的装置，本发明提出的装置适用于平面内任意两点突破瑞利衍射极限的超分辨成像。
2.本发明所采用的装置光路简单且易操作，成像速度快。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种角向径向关联光束实现超分辨的装置结构示意图。
图2是本发明实施例中制备的一种角向径向关联光束在拓扑荷L＝1,2,3时，固定点位于原点和非原点的交叉谱密度函数实验结果图。(a1)(b1)分别表示拓扑荷L＝1定点位于原点和非原点的交叉谱密度函数实验结果图，以此类推。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详尽说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，它是本实施例提供的一种制备角向径向关联光束的装置的结构示意图：它包括激光器1；扩束器2；线偏振片3；第一计算机4；空间光调制器5；第一透镜L1 6；小孔光阑7；第二透镜L2 8；不透明屏幕9；第三透镜L3 10；可调节光圈11；第四透镜L4 12；CCD相机13；第二计算机14。
本实施例中，第一计算机4中多次产生瞬时场的一组数字全息图/>和/>再通过交替使用拓扑荷互为相反数的全息图形成一组能产生部分相干涡旋光束非相干叠加的全息图序列/>将第一计算机4与空间光调制器5连接；将用于产生角向径向关联光束的数字全息图序列加载至所述空间光调制器5；打开激光器1产生波长稳定的线偏振光，调整线偏振片3，从而使所述激光器1出射光的偏振方向与所述空间光调制器5匹配；将激光器1出射的激光束射入扩束器3中进行扩束；扩束后的激光束传播至所述空间光调制器5的液晶屏，所述空间光调制器5将激光束调制产生角向径向关联光束后反射，反射的激光束进入第一透镜L1 6；位于第一透镜L1 6的焦平面处放置的小孔光阑7选取所述空间光调制器5反射光束中的正一级衍射光，然后用正一级衍射光照射第二透镜L2 8，由第二透镜L2 8对正一级衍射光进行准直；其中，第一透镜L1 6与小孔光阑7之间的距离为第一透镜L1 6的焦距f1，小孔光阑7与第二透镜L2 8之间的距离为第二透镜L2 8的焦距f2；从第二透镜L2 8出射的光束即为本发明的角向径向关联光束；将所述的角向径向关联光束在自由空间中传输一定的距离后，作为光源照射到开有两个物点小孔的不透明屏幕9；穿过不透明屏幕9的光束再经过由第三透镜L3 10、可调节光圈11和第四透镜L412所组成的小孔衍射成像系统；其中，第三透镜L3 10与可调节光圈11之间的距离为第三透镜L3 10的焦距f3，可调节光圈11与第四透镜L4 12之间的距离为第四透镜L4 12的焦距f4；成像光束传播一定距离后，被CCD相机13检测到；将CCD相机13与第二计算机14相连接，在第二计算机14上观察CCD相机13拍摄到的物面两点小孔的成像结果。
本实施例中，调控角向径向关联光束的角向参数和径向参数，得到新的一组数字全息图，将新的数字全息图通过第一计算机4加载到空间光调制器5上进行动态播放；在第二计算机14上观察改变数字全息图后CCD相机13拍摄的物面两点小孔的成像结果及清晰度的变化；重复上述步骤直到获得最佳的成像分辨效果，即可突破瑞利衍射极限。
Claims (1)
1.一种实现超分辨的角向径向关联光束装置，其特征是所使用的光源是一种具有角向径向关联的部分相干光束，其交叉谱密度函数为：
式中，表示光源平面上的位置矢量；τ(r)为任意复数函数，控制光强分布；g(·)为控制径向关联的任意函数，δu表示相干宽度，为控制径向相干度的参数；cos[·]为控制角向关联的函数；L表示拓扑荷，是用于控制角向相干度的参数；此光源由两束拓扑荷互为相反数的涡旋光束非相干叠加而成，两束涡旋光束的交叉谱密度函数为：
利用瞬时光场非相干叠加来实现上述两种涡旋光束的制备；所述瞬时光场表达式为
其中是权重函数，/>是叠加波函数，vn是权重函数的自变量；/>为均匀分布在[0，2π]范围内的随机相位；计算生成该瞬时场的一帧数字全息图/>并通过多次计算制备出一组N帧拓扑荷为L的全息图序列/>使用相同步骤制备出拓扑荷为-L的全息图序列交替使用拓扑荷互为相反数的全息图形成一组能产生部分相干涡旋光束非相干叠加的数字全息图序列，/> 所述全息图序列在时域上均匀且连续地加载到空间光调制器，每张全息图以相同的时间间隔在液晶屏上动态重复播放；激光经过空间光调制器调制产生角向径向关联光束，并作为光源照射两个物点小孔，透射光经过成像系统后在CCD相机上得到两小孔的成像清晰度；改变角向径向关联光束的角向参数δu和径向参数L，产生出一组新的数字全息图，直到获得可以实现超分辨成像的最佳参数；利用这种光源进行关联成像，可以对具有角向或径向特征的物体进行分维度的扫描式超分辨成像。
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