一種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)，其包括光學(xué)平臺(tái)，該光學(xué)平臺(tái)上放置有藍(lán)光LED作為光源，沿該光源的光路依次放置光衰片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、成像物體、透鏡和軸棱錐，最后成像在體式顯微鏡。通過(guò)本發(fā)明的無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)可以提高成像分辨率，研究結(jié)果為光學(xué)高分辨率成像技術(shù)提供了新的技術(shù)支持。
【專利說(shuō)明】
-種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及特殊光束的傳輸與變換與光學(xué)成像領(lǐng)域，具體是一種非相干光源無(wú)衍 射光束成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 美國(guó)Rochester大學(xué)的J.Durnin于1987年首次提出了 "無(wú)衍射光束"的概念，運(yùn)是 一種在傳播方向上不發(fā)散的光束，且在遇到障礙物后，能夠自重建。由于光束的運(yùn)兩種特殊 性質(zhì)，它在生命科學(xué)和納米科技中有著重要的應(yīng)用，如精密光學(xué)檢測(cè)、光學(xué)微操作和光學(xué)囚 禁、帶電粒子和中性原子引導(dǎo)和光學(xué)相干斷層掃描等方面。隨著無(wú)衍射光束應(yīng)用的深入，人 們發(fā)現(xiàn)將無(wú)衍射光束引入成像系統(tǒng)可W提高成像質(zhì)量。2013年化aig Snoeyink等人提出的 無(wú)衍射貝塞爾（Bessel)光束顯微鏡(BBM)的應(yīng)用。一般產(chǎn)生無(wú)衍射Bessel光束的方法有很 多種，其中利用軸棱錐法是最常見和最有效的方法之一。軸棱錐運(yùn)一光學(xué)元件是1954年由 Mcleod提出來(lái)的非球面線聚焦透鏡，利用軸棱錐產(chǎn)生無(wú)衍射Bessel光束具有轉(zhuǎn)換效率高、 光損傷闊值大，可直接成腔等優(yōu)點(diǎn)。而L邸作為一種成本較低的非相干光源，具有耗電量少、 安全可靠性強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、體積小、高亮度低熱量、環(huán)保等激光光源所不具有的優(yōu)點(diǎn)，在光纖 通訊、照明等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，因此L邸運(yùn)用到成像系統(tǒng)有很高的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 發(fā)明人所在的課題小組多年從事無(wú)衍射Bessel光束的研究，對(duì)無(wú)衍射光束的自重 建特性、無(wú)衍射光束聚焦產(chǎn)生局域空屯、光束、非相干Lm)光源產(chǎn)生高階Bessel束等方面做了 一些理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本發(fā)明設(shè)計(jì)一種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)理論分 析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明利用無(wú)衍射Bessel光束可W提高成像系統(tǒng)的分辨率。研究 結(jié)果為光學(xué)高分辨率成像技術(shù)提供了新的技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種能提高成像分辨率的非相干光源無(wú)衍射光束成像系 統(tǒng)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)，該光學(xué)平臺(tái)上放置有藍(lán)光 L抓作為光源，沿該光源的光路依次放置光衰片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、成像物體、透鏡和軸棱錐， 最后成像在體式顯微鏡。
[0007] 采用上述方案后，本發(fā)明中，藍(lán)光Lm)發(fā)出的光經(jīng)光衰減片進(jìn)行衰減后進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò) 束系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，然后光束經(jīng)過(guò)成像物體后，入射到軸棱錐上，運(yùn)是一種非球面線聚焦 透鏡，能使不同距離處的光線具有不同的像點(diǎn)位置，并將軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線連續(xù)地會(huì) 聚到沿軸線不同的位置上，因此將軸棱錐加入系統(tǒng)能使物體成像在軸上一段距離內(nèi)，而不 是像透鏡所具有的點(diǎn)聚焦特性，只在焦面處成清晰像，軸上的運(yùn)段距離就是軸棱錐所產(chǎn)生 的無(wú)衍射光束的最大無(wú)衍射距離，在運(yùn)段距離內(nèi)，物體所成的像都是清晰像，不僅提高了焦 深，而且提高了成像的分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[000引圖1為本發(fā)明的光路示意圖。
[0009] 圖2為本發(fā)明的仿真模擬光路圖。
[0010] 圖3為本發(fā)明中不加入軸棱錐的仿真模擬截面光強(qiáng)分布圖。
[0011] 圖4為本發(fā)明中加入軸棱錐的仿真模擬截面光強(qiáng)分布圖。
[0012] 圖5為本發(fā)明中不加入軸棱錐的實(shí)驗(yàn)截面光強(qiáng)分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對(duì)應(yīng) 的放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的實(shí)驗(yàn)截面光強(qiáng)分布圖。
[0013] 圖6為本發(fā)明中加入軸棱錐的實(shí)驗(yàn)截面光強(qiáng)分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對(duì)應(yīng)的 放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的實(shí)驗(yàn)截面光強(qiáng)分布圖。
[0014] 圖7為本發(fā)明中不加入軸棱錐的掃面徑向光強(qiáng)分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對(duì)應(yīng) 的放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的掃面徑向光強(qiáng)分布圖。
[0015] 圖8為本發(fā)明中加入軸棱錐的掃面徑向光強(qiáng)分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對(duì)應(yīng)的 放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的掃面徑向光強(qiáng)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為了進(jìn)一步解釋本系統(tǒng)的技術(shù)方案，下面通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行詳 細(xì)闡述。
[0017] 本發(fā)明是一種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)，如圖1所示，該光 學(xué)平臺(tái)上放置有藍(lán)光LED 1作為光源，沿藍(lán)光LED 1的光路依次放置光衰片2、由短焦距透鏡 31和長(zhǎng)焦距透鏡32構(gòu)成的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、條紋狀成像物體4、透鏡5和軸棱錐6,最后成像在 體式顯微鏡7。
[0018] 其中，藍(lán)光LED 1與準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3之間的距離是17cm;準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3中，短焦距 透鏡31與長(zhǎng)焦距透鏡32之間的距離是40cm;長(zhǎng)焦距透鏡32與條紋狀成像物體4之間的距離 是13cm;條紋狀成像物體4與透鏡5之間的距離是45cm;透鏡5與軸棱錐6之間的距離是3cm， 軸棱錐6與體式顯微鏡7之間的距離是12cm。
[0019] 短焦距透鏡31(圖1中的b)的焦點(diǎn)和長(zhǎng)焦距透鏡32(圖1中的L2)的焦點(diǎn)重合，構(gòu)成 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3,準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3的放大倍數(shù)可W根據(jù)需要通過(guò)選取不同的透鏡焦距來(lái)調(diào) 節(jié)。本實(shí)施例中，短焦距透鏡^的焦距為fi = 15mm，長(zhǎng)焦距透鏡L2的焦距為f2= 190mm。
[0020] 透鏡5(圖1中的L3)的焦距為f3 = 45mm。軸棱錐6的底角為丫 =1°。最后在透鏡5后方 軸向距離z = 12cm處放置體式顯微鏡7和照相機(jī)系統(tǒng)（圖中未示出），照相機(jī)系統(tǒng)連接于體式 顯微鏡7上用于圖片的拍攝。
[0021] 本發(fā)明的成像系統(tǒng)仿真模擬光路圖如圖2所示，圖2中示出了 LED平行光光源，條紋 狀成像物體5，透鏡6，軸棱錐7和成像接收面。
[0022] 為證明出此成像系統(tǒng)能夠提高分辨率，首先由衍射積分理論導(dǎo)出平行光入射軸棱 錐后的光強(qiáng)分布(式1)，并分析非相干照明下加入軸棱錐后成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(式2)， 再根據(jù)瑞利判據(jù)導(dǎo)出成像系統(tǒng)的分辨率(式3):
[0023] 平行光入射軸棱錐的光強(qiáng)分布：
[0029] 式中γ為軸棱錐的底角，η為軸棱錐的折射率，r為軸棱錐的徑向距離，A =耳為波 乂 數(shù)，λ為入射光波長(zhǎng)，J〇為零階Bessel函數(shù);夢(mèng)為離焦量，對(duì)于圓形孔徑，若r為光瞳半徑，在孔 徑的邊緣產(chǎn)生最大光程差天
W20又稱為化pkins離焦因素;dm代表的是最 小分辨距離，NA是體式顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑。
[0030] 為了仿真模擬此成像系統(tǒng)的成像圖樣，在ZEMAX軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用軟件進(jìn) 行光線追擊，得到不加入軸棱錐和加入軸棱錐時(shí)的截面光強(qiáng)分布圖如圖3-4所示。然后我們 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，W藍(lán)光Lm)作為光源，用準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)將出射光調(diào)制為大孔徑的平行光，再放置 成像物體，透鏡與軸棱錐，在元件后使用體式顯微鏡觀察并拍攝，得到不加入軸棱錐與加入 軸棱錐時(shí)的不同放大倍數(shù)的截面光強(qiáng)分布圖如圖5-6所示。最后我們利用Mathcad軟件將實(shí) 驗(yàn)圖進(jìn)行掃描，得到不加入軸棱錐與加入軸棱錐的徑向光強(qiáng)分布圖如圖7-8所示。
[0031] 瑞利分辨極限指的是能分辨的兩個(gè)等亮度點(diǎn)間的距離對(duì)應(yīng)艾里斑的半徑，即一個(gè) 亮點(diǎn)的衍射圖案中屯、與另一個(gè)亮點(diǎn)的衍射圖案的第一暗環(huán)重合時(shí)，運(yùn)兩個(gè)亮點(diǎn)則剛好能被 分辨。本發(fā)明中無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)都可W證明本發(fā)明的成像系統(tǒng)比不加 入無(wú)衍射光束的成像系統(tǒng)的分辨率有了明顯的提高。
[0032] 由此，本成像系統(tǒng)為非相干光源無(wú)衍射光束成像提供了一種新的技術(shù)支持。在實(shí) 際應(yīng)用中具有特殊的意義。
[0033] 上述實(shí)施例和圖式并非限定本發(fā)明系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員對(duì)其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本發(fā)明系統(tǒng)的專利范疇。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)，其特征在于:包括光學(xué)平臺(tái)，該光學(xué)平臺(tái)上放 置有藍(lán)光LED作為光源，沿該光源的光路依次放置光衰片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、成像物體、透鏡和 軸棱錐，最后成像在體式顯微鏡。2. 如權(quán)利要求1所述的一種非相干光源無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)，其特征在于:利用上述軸 棱錐產(chǎn)生無(wú)衍射光束成像。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK105824120SQ201610319314
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】吳逢鐵, 陳姿言, 朱清智, 胡威旺
【申請(qǐng)人】華僑大學(xué)