CN205880366U - 一种非相干光源无衍射光束成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非相干光源无衍射光束成像系统，其包括光学平台，该光学平台上放置有蓝光LED作为光源，沿该光源的光路依次放置光衰片、准直扩束系统、成像物体、透镜和轴棱锥，最后成像在体式显微镜。通过本实用新型的无衍射光束成像系统可以提高成像分辨率，研究结果为光学高分辨率成像技术提供了新的技术支持。

Description

一种非相干光源无衍射光束成像系统

技术领域

本实用新型涉及特殊光束的传输与变换与光学成像领域，具体是一种非相干光源无衍射光束成像系统。

背景技术

美国Rochester大学的J.Durnin于1987年首次提出了“无衍射光束”的概念，这是一种在传播方向上不发散的光束，且在遇到障碍物后，能够自重建。由于光束的这两种特殊性质，它在生命科学和纳米科技中有着重要的应用，如精密光学检测、光学微操作和光学囚禁、带电粒子和中性原子引导和光学相干断层扫描等方面。随着无衍射光束应用的深入,人们发现将无衍射光束引入成像系统可以提高成像质量。2013年Craig Snoeyink等人提出的无衍射贝塞尔(Bessel)光束显微镜(BBM)的应用。一般产生无衍射Bessel光束的方法有很多种，其中利用轴棱锥法是最常见和最有效的方法之一。轴棱锥这一光学元件是1954年由Mcleod提出来的非球面线聚焦透镜，利用轴棱锥产生无衍射Bessel光束具有转换效率高、光损伤阈值大，可直接成腔等优点。而LED作为一种成本较低的非相干光源,具有耗电量少、安全可靠性强、坚固耐用、体积小、高亮度低热量、环保等激光光源所不具有的优点,在光纤通讯、照明等领域有广泛的应用，因此LED运用到成像系统有很高的应用价值。

发明人所在的课题小组多年从事无衍射Bessel光束的研究，对无衍射光束的自重建特性、无衍射光束聚焦产生局域空心光束、非相干LED光源产生高阶Bessel束等方面做了一些理论分析和实验验证。本实用新型设计一种非相干光源无衍射光束成像系统，经过理论分析、仿真模拟和实验结果均证明利用无衍射Bessel光束可以提高成像系统的分辨率。研究结果为光学高分辨率成像技术提供了新的技术支持。

实用新型内容

本实用新型的目的在于设计一种能提高成像分辨率的非相干光源无衍射光束成像系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种非相干光源无衍射光束成像系统，包括光学平台，该光学平台上放置有蓝光LED作为光源，沿该光源的光路依次放置光衰片、准直扩束系统、成像物体、透镜和轴棱锥，最后成像在体式显微镜。

采用上述方案后，本实用新型中，蓝光LED发出的光经光衰减片进行衰减后进行准直扩束系统进行准直扩束，然后光束经过成像物体后，入射到轴棱锥上，这是一种非球面线聚焦透镜，能使不同距离处的光线具有不同的像点位置，并将轴上点光源发出的光线连续地会聚到沿轴线不同的位置上，因此将轴棱锥加入系统能使物体成像在轴上一段距离内，而不是像透镜所具有的点聚焦特性，只在焦面处成清晰像，轴上的这段距离就是轴棱锥所产生的无衍射光束的最大无衍射距离，在这段距离内，物体所成的像都是清晰像，不仅提高了焦深，而且提高了成像的分辨率。

附图说明

图1为本实用新型的光路示意图。

图2为本实用新型的仿真模拟光路图。

图3为本实用新型中不加入轴棱锥的仿真模拟截面光强分布图。

图4为本实用新型中加入轴棱锥的仿真模拟截面光强分布图。

图5为本实用新型中不加入轴棱锥的实验截面光强分布图；其中(a)、(b)、(c)分别对应的放大倍数为3倍、4倍、5倍的实验截面光强分布图。

图6为本实用新型中加入轴棱锥的实验截面光强分布图；其中(a)、(b)、(c)分别对应的放大倍数为3倍、4倍、5倍的实验截面光强分布图。

图7为本实用新型中不加入轴棱锥的扫面径向光强分布图；其中(a)、(b)、(c)分别对应的放大倍数为3倍、4倍、5倍的扫面径向光强分布图。

图8为本实用新型中加入轴棱锥的扫面径向光强分布图；其中(a)、(b)、(c)分别对应的放大倍数为3倍、4倍、5倍的扫面径向光强分布图。

具体实施方式

为了进一步解释本系统的技术方案，下面通过具体实施例来对本实用新型系统进行详细阐述。

本实用新型是一种非相干光源无衍射光束成像系统，包括光学平台，如图1所示，该光学平台上放置有蓝光LED 1作为光源，沿蓝光LED 1的光路依次放置光衰片2、由短焦距透镜31和长焦距透镜32构成的准直扩束系统3、条纹状成像物体4、透镜5和轴棱锥6，最后成像在体式显微镜7。

其中，蓝光LED 1与准直扩束系统3之间的距离是17cm；准直扩束系统3中，短焦距透镜31与长焦距透镜32之间的距离是40cm；长焦距透镜32与条纹状成像物体4之间的距离是13cm；条纹状成像物体4与透镜5之间的距离是45cm；透镜5与轴棱锥6之间的距离是3cm，轴棱锥6与体式显微镜7之间的距离是12cm。

短焦距透镜31(图1中的L₁)的焦点和长焦距透镜32(图1中的L₂)的焦点重合，构成准直扩束系统3，准直扩束系统3的放大倍数可以根据需要通过选取不同的透镜焦距来调节。本实施例中，短焦距透镜L₁的焦距为f₁＝15mm,长焦距透镜L₂的焦距为f₂＝190mm。

透镜5(图1中的L₃)的焦距为f₃＝45mm。轴棱锥6的底角为γ＝1°。最后在透镜5后方轴向距离z＝12cm处放置体式显微镜7和照相机系统(图中未示出)，照相机系统连接于体式显微镜7上用于图片的拍摄。

本实用新型的成像系统仿真模拟光路图如图2所示，图2中示出了LED平行光光源，条纹状成像物体5，透镜6，轴棱锥7和成像接收面。

为证明出此成像系统能够提高分辨率，首先由衍射积分理论导出平行光入射轴棱锥后的光强分布(式1),并分析非相干照明下加入轴棱锥后成像系统的点扩散函数(式2)，再根据瑞利判据导出成像系统的分辨率(式3)：

平行光入射轴棱锥的光强分布：

非相干照明点扩散函数：

成像系统的分辨率：

式中γ为轴棱锥的底角，n为轴棱锥的折射率，r为轴棱锥的径向距离，为波数，λ为入射光波长，J₀为零阶Bessel函数；为离焦量，对于圆形孔径，若r为光瞳半径，在孔径的边缘产生最大光程差为：W₂₀又称为Hopkins离焦因素；d_m代表的是最小分辨距离，NA是体式显微镜物镜的数值孔径。

为了仿真模拟此成像系统的成像图样，在ZEMAX软件中设置相关参数，运用软件进行光线追击，得到不加入轴棱锥和加入轴棱锥时的截面光强分布图如图3-4所示。然后我们设计实验，以蓝光LED作为光源，用准直扩束系统将出射光调制为大孔径的平行光，再放置成像物体，透镜与轴棱锥，在元件后使用体式显微镜观察并拍摄，得到不加入轴棱锥与加入轴棱锥时的不同放大倍数的截面光强分布图如图5-6所示。最后我们利用Mathcad软件将实验图进行扫描，得到不加入轴棱锥与加入轴棱锥的径向光强分布图如图7-8所示。

瑞利分辨极限指的是能分辨的两个等亮度点间的距离对应艾里斑的半径，即一个亮点的衍射图案中心与另一个亮点的衍射图案的第一暗环重合时，这两个亮点则刚好能被分辨。本实用新型中无衍射光束成像系统仿真模拟与实验都可以证明本实用新型的成像系统比不加入无衍射光束的成像系统的分辨率有了明显的提高。

由此，本成像系统为非相干光源无衍射光束成像提供了一种新的技术支持。在实际应用中具有特殊的意义。

上述实施例和图式并非限定本实用新型系统的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型系统的专利范畴。

Claims (1)

1.一种非相干光源无衍射光束成像系统，其特征在于：包括光学平台，该光学平台上放置有蓝光LED作为光源，沿该光源的光路依次放置光衰片、准直扩束系统、成像物体、透镜和轴棱锥，最后成像在体式显微镜。