CN210427972U - 一种灰度图像光阑衍射成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种灰度图像光阑衍射成像装置。光学平台上放置半导体激光器作为光源，沿该光源的光路依次放置：偏振片、准直扩束系统。光强型空间光调制器SLM(用于加载光阑)、偏振片、成像CCD或白屏。通过本实用新型形状复杂的光阑可用空间光调制器SLM的像素做成“透光”和“不透光”小方格的组合，通过算法叠加出复杂形状衍射孔径的衍射场。本实用新型开拓了原有相关实验的范围，从一维简单光阑(单、双缝、圆孔等)的正衍射拓展成复杂灰度图像二维逆衍射。

Description

一种灰度图像光阑衍射成像装置

技术领域

本实用新型属于逆衍射实验领域，具体涉及了一种新型的基于光阑衍射成像的逆衍射实验仪器。

背景技术

光的衍射是光波动性表现，光阑衍射是现代光学基础实验。传统各高校光阑衍射实验是光阑的形状和入射光束的波长已知，求解衍射图案即正解。而且大都是一维简单光阑(单、双缝、圆孔等)的衍射，逆衍射制作的光阑常用方法是采用菲林片(一种打印的胶片)。但普通菲林片受工艺的影响，其光阑像素格点的边长一般不能小于40μm米，否则容易造成打印质量比较差。菲涅耳衍射光阑分辨率和衍射图案分辨率一样。分辨率较高图案所制作光阑尺寸较大。需要较大孔径高质量均匀分布平行光。要用较大孔径准直傅里叶透镜。尺寸较大菲林片固定时容易不平整，实验难度大效果差的问题。(Appl.Opt 43(27)(2004),5193-5197；Appl.Opt.47(4)(2008),A97-A101；Optics.Letters 2014,39(4)801–804)并且现有技术只能做一些一维重建光栅轮廓、二维简单二值图“龙”等文字衍射图案。

实用新型内容

本实用新型解决现有技术存在不足，提出了一种新的灰度图像光阑衍射成像装置。在不同波长入射光束和灰度衍射图样的条件下，只要合适衍射距离都能有很清晰衍射图案。

本实用新型采用的技术方案是：

半导体激光器放置在光学平台上作为光源，沿光源的光路方向依次同光轴放置有第一旋转偏振片、针孔滤波器、准直傅里叶透镜、空间光调制器SLM、第二旋转偏振片和成像器件；空间光调制器SLM上加载有灰度图像光阑，空间光调制器SLM对灰度图像光阑的各个像素点进行调制，使得每个像素点处于透光或不透光状态；

光源发出的出射光经第一旋转偏振片形成线偏振光，线偏振光再经针孔滤波器、准直傅里叶透镜进行扩束准直后变成平行光，平行光经过灰度图像光阑的透光的像素点后发生衍射并形成输出光束，输出光束的光强空间分布视为一系列小矩形方孔SLM像素的组合，输出光束再经第二旋转偏振片(106)后形成衍射图像并在成像器件上成像。

优选的，第一旋转偏振片和第二旋转偏振片均通过旋转来调节偏振角度。

优选的，成像器件采用光阑衍射屏或CCD摄像头，光阑衍射屏是指投影白屏。

对于分辨率较高灰度图，本实用新型直接用灰度图作为目标对象，与光阑衍射光强转化为灰度进行值比较。图像质量没有损失。对不同波长只要合适衍射距离都能有很清晰衍射图案。

本实用新型的有益效果是：本实用新型直接用灰度图作为目标对象，图像分辨率仍保持一致，得到的衍射图像质量没有损失。本实用新型开拓了原有相关实验的范围，从一维简单光阑(单、双缝、圆孔等)的正衍射拓展成复杂灰度图像二维逆衍射，可以应用于二维灰度图像逆衍射反演求解，在光束变换、通信、信息处理、信息加密等领域都有潜在的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的实验装置示意图；

图2是光阑衍射屏的成像示意图；

图3是实施例图像示意图：图3a为实施例所选取的目标图像图，图3b为根据目标图像图制作得到的灰度图像光阑，图3c为采用本装置得到的实验结果图。

图中：101-半导体激光器，102-第一旋转偏振片，103-针孔滤波器，104-准直傅里叶透镜，105-空间光调制器SLM，106-第二旋转偏振片，107-成像器件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，光学平台上沿光束依次共轴(光轴)放置：半导体激光器101、第一旋转偏振片102、针孔滤波器103和准直傅里叶透镜104构成准直扩束系统。空间光调制器SLM105(用于加载光阑)、第二旋转偏振片106、光阑衍射屏(或CCD相机)107。

半导体激光器101发出单色光，旋转偏振片102(起偏)，使出射光达到最强。经针孔滤波器103和准直傅里叶透镜104扩束准直后变成平行光。为使激光器出射为线偏振光，旋转偏振片102使出射光达到最强。为得到纯净的、无杂波的激光束需使用针孔滤波器103，放入大口径φ50准直傅里叶透镜104扩束。使激光束输出光强均匀分布的标准平面波。

平行光经过空间光调制器SLM 105时，输出光束的光强空间分布就按照液晶光阀上的电压值的空间分布被调制。第二旋转偏振片106作为旋转检偏器进行检偏，根据空间光调制器叠加出衍射孔径的衍射场偏正方向调整出衍射图，输出图像为不同次级清晰的衍射图。

具体实施中，光源发出的单色光可以用不同波长的激光，输出光强均匀分布的标准平面宽光束波。空间光调制器可叠加出任意形状的像素轮廓。

灰度图像光阑是其对应彩色图像的灰度数字图像，将灰度数字图像的所有像素点作为一系列小矩形方孔的组合，每个小矩形方孔经空间光调制器SLM105调制后呈现“透光”和“不透光”两种状态中的一种。如图3b所示，白色小矩形方孔处于“透光”状态，黑色小方孔处于“不透光”状态。所有处于“透光”状态的小矩形方孔叠加出复杂形状衍射孔径的衍射场。

光阑的制作具体是：首先选择图案并转换成灰度图，作为目标图案；然后构造一个与目标图案矩阵相同的有M×N个小正方形的光阑，光阑的每个正方形小格经调制后处于“透光”或者“不透光”状态。“透光”与“不透光”，分别用0～255灰度值表示。在衍射图案中，用正方形小格中心点的光强，近似代替整个小格的平均光强。衍射图案的形状只取决于相对光强的大小。因为对单个像素是夫琅禾费衍射，需平行光垂直照射单个像素。光阑整体是边长为2M×2N的大正方形，是菲涅尔衍射的情形。光阑和最后衍射图分辨率相同。即也是M×N。

制作的光阑加载到空间光调制器SLM上，SLM的像素只呈现“透光”和“不透光”两种状态中的一种。即灰度值是“0”或“255”，所有“透光”的小正方形，构成了光阑实际透光的部分，决定了光阑的形状。经过调制，输出光束的光强空间分光强空间分布视为一系列小矩形方孔SLM像素的组合。

实施例

图3a为目标图案，图3b为目标图案对应的分辨率512×512像素的二维灰度图像，即目标图案灰度值512×512。光阑整体是边长为1024a的大正方形，是菲涅尔衍射的情形。光阑和最后衍射图分辨率是一样，即也是512×512。

建立边长为1024a的大正方形1024a×1024a,每小格的边长为2a,为512×512,共计262144个正方形小格。每个小格都会居于“透光”和“不透光”两种状态中的一种，所有“透光”的小正方形，构成了光阑实际透光的部分，决定了光阑的形状。如图2所示，为光阑衍射屏示意图。用正方形小格中心点的光强，近似代替整个小格的平均光强。最终在成像相机107或者其他投屏上得到衍射图像，如图3c所示。

如下式所见，不同波长只要合适衍射距离都能有很清晰二维衍射图案：

z＝z₀(a/a₀)²/λ

式中，λ为波长，2a表示空间光调制器单位像素大小。2a₀表示制作光阑程序中正方形小格边长选取的初始值。z₀表示制作光阑程序中选取的像距初始值。z表示实际衍射图案的像距。选取初始值a₀＝0.3,z₀＝100，空间光调制器SLM单位像素大小2a＝18μm.即放大倍数为n＝18/2/0.3＝30。波长归一化z值放大为z＝100*30₂＝9×10₄相对于波长λ＝650nm红光在z_λ＝9×10⁴/650＝13.85cm处得到衍射图像。对波长λ＝532.8nm绿光在z_λ＝9×10⁴/532.8＝16.89cm处得到衍射图像。

由此可见，本实用新型的实验仪器是一种新仪器—逆衍射实验仪器。本实用新型利用灰度图像光阑进行二维灰度图像的逆衍射，图像质量没有损失，在光束变换、通信、信息处理、信息加密等领域都有潜在的应用价值。

Claims (3)

1.一种灰度图像光阑衍射成像装置，其特征在于：半导体激光器(101)放置在光学平台上作为光源，沿光源的光路方向依次同光轴放置有第一旋转偏振片(102)、针孔滤波器(103)、准直傅里叶透镜(104)、空间光调制器SLM(105)、第二旋转偏振片(106)和成像器件(107)；空间光调制器SLM(105)上加载有灰度图像光阑，空间光调制器SLM(105)对灰度图像光阑的各个像素点进行调制，使得每个像素点处于透光或不透光状态；

光源发出的出射光经第一旋转偏振片(102)形成线偏振光，线偏振光再经针孔滤波器(103)、准直傅里叶透镜(104)进行扩束准直后变成平行光，平行光经过灰度图像光阑的透光的像素点后发生衍射并形成输出光束，输出光束再经第二旋转偏振片(106)后形成衍射图像并在成像器件(107)上成像。

2.根据权利要求1所述的一种灰度图像光阑衍射成像装置，其特征在于：所述的第一旋转偏振片(102)和第二旋转偏振片(106)均通过旋转来调节偏振角度。

3.根据权利要求1所述的一种灰度图像光阑衍射成像装置，其特征在于：所述的成像器件(107)采用光阑衍射屏或CCD摄像头，光阑衍射屏是指投影白屏。

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