一種非相干光源無衍射光束成像系統(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衍射光束成像系統(tǒng)，其包括光學平臺，該光學平臺上放置有藍光LED作為光源，沿該光源的光路依次放置光衰片、準直擴束系統(tǒng)、成像物體、透鏡和軸棱錐，最后成像在體式顯微鏡。通過本發(fā)明的無衍射光束成像系統(tǒng)可以提高成像分辨率，研究結(jié)果為光學高分辨率成像技術提供了新的技術支持。
【專利說明】
-種非相干光源無衍射光束成像系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及特殊光束的傳輸與變換與光學成像領域，具體是一種非相干光源無衍 射光束成像系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 美國Rochester大學的J.Durnin于1987年首次提出了 "無衍射光束"的概念，運是 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。由于光束的運兩種特殊 性質(zhì)，它在生命科學和納米科技中有著重要的應用，如精密光學檢測、光學微操作和光學囚 禁、帶電粒子和中性原子引導和光學相干斷層掃描等方面。隨著無衍射光束應用的深入，人 們發(fā)現(xiàn)將無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 無衍射貝塞爾（Bessel)光束顯微鏡(BBM)的應用。一般產(chǎn)生無衍射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。軸棱錐運一光學元件是1954年由 Mcleod提出來的非球面線聚焦透鏡，利用軸棱錐產(chǎn)生無衍射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。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、堅固耐用、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，在光纖 通訊、照明等領域有廣泛的應用，因此L邸運用到成像系統(tǒng)有很高的應用價值。
[0003] 發(fā)明人所在的課題小組多年從事無衍射Bessel光束的研究，對無衍射光束的自重 建特性、無衍射光束聚焦產(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 一些理論分析和實驗驗證。本發(fā)明設計一種非相干光源無衍射光束成像系統(tǒng)，經(jīng)過理論分 析、仿真模擬和實驗結(jié)果均證明利用無衍射Bessel光束可W提高成像系統(tǒng)的分辨率。研究 結(jié)果為光學高分辨率成像技術提供了新的技術支持。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于設計一種能提高成像分辨率的非相干光源無衍射光束成像系 統(tǒng)。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0006] -種非相干光源無衍射光束成像系統(tǒng)，包括光學平臺，該光學平臺上放置有藍光 L抓作為光源，沿該光源的光路依次放置光衰片、準直擴束系統(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，藍光Lm)發(fā)出的光經(jīng)光衰減片進行衰減后進行準直擴 束系統(tǒng)進行準直擴束，然后光束經(jīng)過成像物體后，入射到軸棱錐上，運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位置，并將軸上點光源發(fā)出的光線連續(xù)地會 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聚焦特性，只在焦面處成清晰像，軸上的運段距離就是軸棱錐所產(chǎn)生 的無衍射光束的最大無衍射距離，在運段距離內(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分布圖。
[0012] 圖5為本發(fā)明中不加入軸棱錐的實驗截面光強分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對應 的放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的實驗截面光強分布圖。
[0013] 圖6為本發(fā)明中加入軸棱錐的實驗截面光強分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對應的 放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的實驗截面光強分布圖。
[0014] 圖7為本發(fā)明中不加入軸棱錐的掃面徑向光強分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對應 的放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的掃面徑向光強分布圖。
[0015] 圖8為本發(fā)明中加入軸棱錐的掃面徑向光強分布圖；其中（a)、（b)、（c)分別對應的 放大倍數(shù)為3倍、4倍、5倍的掃面徑向光強分布圖。
【具體實施方式】
[0016] 為了進一步解釋本系統(tǒng)的技術方案，下面通過具體實施例來對本發(fā)明系統(tǒng)進行詳 細闡述。
[0017] 本發(fā)明是一種非相干光源無衍射光束成像系統(tǒng)，包括光學平臺，如圖1所示，該光 學平臺上放置有藍光LED 1作為光源，沿藍光LED 1的光路依次放置光衰片2、由短焦距透鏡 31和長焦距透鏡32構(gòu)成的準直擴束系統(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，藍光LED 1與準直擴束系統(tǒng)3之間的距離是17cm;準直擴束系統(tǒng)3中，短焦距 透鏡31與長焦距透鏡32之間的距離是40cm;長焦距透鏡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)的焦點和長焦距透鏡32(圖1中的L2)的焦點重合，構(gòu)成 準直擴束系統(tǒng)3,準直擴束系統(tǒng)3的放大倍數(shù)可W根據(jù)需要通過選取不同的透鏡焦距來調(diào) 節(jié)。本實施例中，短焦距透鏡^的焦距為fi = 15mm，長焦距透鏡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和照相機系統(tǒng)（圖中未示出），照相機系統(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出平行光入射軸棱 錐后的光強分布(式1)，并分析非相干照明下加入軸棱錐后成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)(式2)， 再根據(jù)瑞利判據(jù)導出成像系統(tǒng)的分辨率(式3):
[0023] 平行光入射軸棱錐的光強分布：
[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，J〇為零階Bessel函數(shù);夢為離焦量，對于圓形孔徑，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軟件中設置相關參數(shù)，運用軟件進 行光線追擊，得到不加入軸棱錐和加入軸棱錐時的截面光強分布圖如圖3-4所示。然后我們 設計實驗，W藍光Lm)作為光源，用準直擴束系統(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 軸棱錐時的不同放大倍數(shù)的截面光強分布圖如圖5-6所示。最后我們利用Mathcad軟件將實 驗圖進行掃描，得到不加入軸棱錐與加入軸棱錐的徑向光強分布圖如圖7-8所示。
[0031] 瑞利分辨極限指的是能分辨的兩個等亮度點間的距離對應艾里斑的半徑，即一個 亮點的衍射圖案中屯、與另一個亮點的衍射圖案的第一暗環(huán)重合時，運兩個亮點則剛好能被 分辨。本發(fā)明中無衍射光束成像系統(tǒng)仿真模擬與實驗都可W證明本發(fā)明的成像系統(tǒng)比不加 入無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)為非相干光源無衍射光束成像提供了一種新的技術支持。在實 際應用中具有特殊的意義。
[0033] 上述實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，任何所屬技術領域的 普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發(fā)明系統(tǒng)的專利范疇。
【主權(quán)項】
1. 一種非相干光源無衍射光束成像系統(tǒng)，其特征在于:包括光學平臺，該光學平臺上放 置有藍光LED作為光源，沿該光源的光路依次放置光衰片、準直擴束系統(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)生無衍射光束成像。
【文檔編號】G02B27/09GK105824120SQ201610319314
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】吳逢鐵, 陳姿言, 朱清智, 胡威旺
【申請人】華僑大學