基于双平凸柱面透镜抑制空间光调制器的零级衍射光系统的制作方法

本发明涉及光学成像领域的一种空间光调制衍射光系统和方法，具体涉及一种基于双平凸柱面透镜抑制空间光调制器的零级衍射光的系统。

背景技术：

空间光调制器是一种可由计算机控制，对光束施加某种形式的空间变化的光学设备，这种变化可以是相位调制或强度调制，也可以是偏振态转换。空间光调制器多个规则排布的独立单元，每个单元可独立接受光学信号或电学信号的控制，利用泡克尔斯效应、声光效应、磁光效应等物理效应改变自身光学特性进而实现对入射到调制器的光波的相应调制。将入射到空间光调制器上的光束和被其调制后出射的光束分别称为输入光和读出光，那么，按照光读出方式的不同，空间光调制器分为反射型和透射型；按照输入的控制信号的性质,可以分为光寻址(o-slm)和电寻址(e-slm)的两类。

硅基液晶空间光调制器(以下简称液晶空间光调制器)利用液晶层作为光波调制材料，以其出色的波前相位及振幅调节能力、便捷的编程控制方式而被广泛应用在显微成像、全息成像、自适应光学、激光通信、全息光镊等研究领域。液晶空间光调制器在使用时，根据目标图形计算出对应的相位信息图并加载到液晶层上，根据菲涅尔衍射原理，读出光将在与液晶层对应的傅里叶面位置(即成像面、物镜后焦面)形成目标图案。由于液晶空间光调制器的像素网格结构造成的零级衍射光，经物镜后在后焦面上聚焦成零级亮斑，作为空间光调制器固有结构属性导致的零级亮斑在像面上始终存在，不可避免地将影响全息图的应用，因此需要通过一定方式排除零级亮斑的影响。

目前抑制或消除空间光调制器零级衍射光的方法主要有三种；一是在空间光调制器上加载偏移光栅，将零级衍射光与其他级次衍射光分开，在零级衍射光的传播路径上放置光束阻隔块，阻止零级衍射光传输；二是在空间光调制器上加载菲涅尔透镜相位，使零级衍射光聚焦的轴向位置和高级次衍射光聚焦的轴向位置分离；三是近几年报道的使用平凹加平凸柱面透镜正交组合，并在空间光调制器上加载两个柱面透镜的共轭相位，使零级衍射光聚焦在像面两侧。

第一种方法虽然能够有效去除零级衍射光，并且可以保证目标像面的分辨率和信噪比不产生明显改变，但是会在成像视场中引入盲区，虽然可以通过移动位移台对盲区进行成像，但是这样做可能会损伤样本且增加扫描时间。

第二种方法是将高衍射级次聚焦位置轴向上偏离物镜焦面，但是离焦面衍射效率很低，会大大降低图像信噪比。

第三种方法由于使用了轴线正交的凹平凸柱面透镜组合，因此零级衍射光会聚焦为两条聚焦线位于像面两侧，这种方法在一定程度上限制了三维全息成像在轴向的尺寸。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于双平凸柱面透镜抑制空间光调制器的零级衍射光系统，能够在物镜焦面上不改变信噪比和分辨率且不形成盲区的情况下实现零级衍射光的抑制，同时轴线正交的双平凸柱面透镜正交组合时零级衍射光聚焦线位于像面一侧，一定程度上解除了三维全息成像轴向尺寸的限制。

而且本发明解决了空间光调制器调制的零级衍射光会在像面上聚焦为一个零级衍射光斑的技术问题，具有结构简单，调节灵活，成本低廉，不改变原有光路即可实现像面零级消除等优势。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括氦氖激光器、第一透镜、半波片、反射镜、第二透镜、孔阑、起偏器、晶空间光调制器、轴线向正交双平凸柱面透镜组合、第三透镜、前物镜、前物镜、管透镜和电荷耦合器件ccd；激光器发出激光后，激光经过两个第一透镜组成的第一个4f系统进行第一次扩束后入射到半波片，经半波片之后入射到反射镜，反射镜反射后经由两个第二透镜组成的第二个4f系统进行第二次扩束后入射到孔阑，通过孔阑截取宽光束中央光强分布均匀的区域，再入射到偏振片；经偏振片透射出的光束经过轴线正交双平凸柱面透镜组合后小角度入射到液晶空间光调制器，经过液晶空间光调制器调制后再次反射回到轴线正交双平凸柱面透镜组合透射后入射到两个第三透镜组成的第三个4f系统，经第三个4f系统第三次扩束后再经前物镜透射聚焦成像，聚焦成像后的光束经由后物镜和匹配的管透镜进行图像放大后，最终被ccd相机接收得到成像结果。

所述的小角度为0-10度的角度范围。

所述的轴线正交双平凸柱面透镜组合是由两个形状相同的平凸柱面透镜组合连接构成，两个平凸柱面透镜的平面侧柱面以各自中心轴线相垂直地相紧贴连接。

所述的轴线正交双平凸柱面透镜组合紧邻液晶空间光调制器放置，且两个平凸柱面透镜的平面侧柱面中心点的法向均和光路光轴重合，两个双平凸柱面透镜的中心轴线均垂直于光轴，这样才能补偿柱面透镜像差。

所述轴线正交双平凸柱面透镜组合的两个平凸柱面透镜的凸面侧柱面尺寸可以不同。

所述轴线正交双平凸柱面透镜组合的两个平凸柱面透镜的平面侧柱面均为正方形。

所述轴线正交双平凸柱面透镜组合的两个平凸柱面透镜的平面侧柱面尺寸可以不同，但平面侧柱面的中心点必须重合。

所述的平凸柱面透镜的凸面侧柱面为半椭圆柱面。

本发明在光路上加入了两个轴线正交的平凸柱面透镜，空间光调制器上加载这两个柱面透镜的共轭相位，不受空间光调制器调制而形成的零级衍射光被柱面透镜散射，其他级次衍射光的柱面透镜像差被补偿。

所述的液晶空间光调制器的型号为bnsslmp512-0785，入射光束光为水平方向线偏振。

空间光调制器被广泛的应用于自适应光学，以提高显微成像技术在样品深处的分辨率和信噪比，但是空间光调制器由于原理限制无法调制所有的入射光，没有被空间光调制器调制的零级衍射光会在像面上聚焦为一个零级衍射光斑。本发明在空间光调制器的前表面处紧邻放置两个轴线正交的平凸柱面透镜，同时在空间光调制器上加载所述柱面透镜的共轭相位，使像面上的零级衍射光被柱面透镜散射，其他高级次衍射光仍然在像面上聚焦，从而消除像面上零级衍射光斑的影响。

本发明这样空间光调制器的零级衍射光的抑制系统具有适用范围广泛、成像过程中不易对样本损伤、兼容性和容错能力强等优点。

本发明的有益效果是：

空间光调制器被广泛的应用于自适应光学，以提高显微成像技术在样品深处的分辨率和信噪比，但是空间光调制器由于原理限制无法调制所有的入射光，没有被空间光调制器调制的零级衍射光会在像面上聚焦为一个零级衍射光斑。

本发明在空间光调制器的前表面处紧邻放置两个轴线正交的平凸柱面透镜，同时在空间光调制器上加载所述柱面透镜的共轭相位，使像面上的零级衍射光被柱面透镜散射，其他高级次衍射光仍然在像面上聚焦，从而消除像面上零级衍射光斑的影响，解决了上述技术问题。

本发明这种空间光调制器的零级衍射光的抑制处理系统具有适用范围广泛、成像过程中不易对样本损伤、兼容性和容错能力强等优点。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是轴线正交双平凸柱面透镜组合的结构示意图；

图3是搭建光路系统后以空心五角星作为目标图案实施的实验聚集结果对比图；

图4是对系统信噪比和分辨率的影响测试的结果图；

图4(a-c)分别为无柱面透镜、焦距为100mm和200mm平凸柱面透镜正交组合、焦距为+1000mm的两个平凸柱面透镜正交组合的信噪比测试结果，无柱面透镜的系统信噪比为5.14，使用+100mm和+200mm焦距柱面透镜的系统的信噪比为1.719，使用两个+1000mm焦距柱面透镜的系统的信噪比为6.957。

图4(c-e)分别为无柱面透镜、焦距为100mm和200mm平凸柱面透镜正交组合、焦距为+1000mm的两个平凸柱面透镜正交组合的分辨率测试结果。

图4(d)为图4(c-e)的中的白色虚线做归一化光强曲线的结果。可以看出而焦距为+100和+200mm正交柱面透镜组合的分辨率曲线中间波峰幅值明显降低、波峰波谷差距很小、半高全宽加大、分辨率低，两个焦距为+1000mm正交柱面透镜组合的分辨率曲线的波峰波谷差距大，半高全宽和无柱面透镜的系统成像结果基本一致，分辨率高。使用轴线正交的两个+1000mm焦距柱面透镜组合的系统分辨率和信噪比与不加柱面透镜的情况基本一致。

图1中：氦氖激光器1，第一透镜2、3，半波片4，反射镜5，第二透镜6、7，孔阑8，起偏器9，液晶空间光调制器10，轴线向正交双平凸柱面透镜组合11，第三透镜12、13，前物镜14，前物镜15，管透镜16，电荷耦合器件ccd17。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，系统包括氦氖激光器1、第一透镜2、3、半波片4、反射镜5、第二透镜6、7、孔阑8、起偏器9、晶空间光调制器10、轴线向正交双平凸柱面透镜组合11、第三透镜12、13、前物镜14、前物镜15、管透镜16和电荷耦合器件ccd17；激光器1输出632.8nm激光，激光器1发出激光后，激光经过两个第一透镜2、3组成的第一个4f系统进行第一次扩束后入射到半波片4，经半波片4之后入射到反射镜5，反射镜5反射后经由两个第二透镜6、7组成的第二个4f系统进行第二次扩束后入射到孔阑8，通过孔阑8截取宽光束中央光强分布均匀的区域，再入射到偏振片9，半波片4和起偏器9共同作用将光束处理得到水平方向线偏振光。经偏振片9透射出的光束经过轴线正交双平凸柱面透镜组合11后小角度入射到液晶空间光调制器10，轴线正交双平凸柱面透镜组合11紧邻液晶空间光调制器10放置，经过液晶空间光调制器10调制后再次反射回到轴线正交双平凸柱面透镜组合11透射后入射到两个第三透镜12、13组成的第三个4f系统，经第三个4f系统第三次扩束后再经前物镜14透射聚焦成像，聚焦成像后的光束经由后物镜15和匹配的管透镜16进行图像放大后，最终被ccd相机17接收得到成像结果。

具体实施如图2所示，轴线正交双平凸柱面透镜组合11是由两个形状相同的平凸柱面透镜组合连接构成，平凸柱面透镜的平面侧柱面均为正方形，平凸柱面透镜的凸面侧柱面为半圆柱面，平凸柱面透镜的凸面侧柱面为半椭圆柱面。两个平凸柱面透镜的平面侧柱面以各自中心轴线相垂直地相紧贴连接。且两个平凸柱面透镜的平面侧柱面中心点的法向均和光路光轴重合，两个双平凸柱面透镜的中心轴线均垂直于光轴这样才能补偿柱面透镜像差。

轴线正交双平凸柱面透镜组合11的两个平凸柱面透镜的凸面侧柱面尺寸可以相同也可以不同。

轴线正交双平凸柱面透镜组合11的两个平凸柱面透镜的平面侧柱面尺寸可以相同，也可以不同，但平面侧柱面的中心点必须重合。

具体实施的液晶空间光调制器10的型号为bnsslmp512-0785，入射光束光为水平方向线偏振。

两个平凸柱面透镜的焦距影响像面上的信噪比和分辨率。当两个平凸柱面透镜的焦距均为1000mm时，像面上的成像质量较高。

具体实施相位全息图的计算：根据guss–seidel(gs)迭代算法，计算物镜前焦面的目标图案的相位全息图根据平凸柱面透镜对光线的相位调制，计算双平凸柱面透镜的共轭相位式中fc1和fc2为两个平凸柱面透镜的等效焦距。最终液晶空间光调制器上加载相位为

本发明在实验中，两个平凸柱面透镜分别在x方向和y方向对零级衍射光进行聚焦，零级衍射光会形成两条相互垂直的聚焦线，且距离像面前不同距离处。平凸柱面透镜焦距越小，零级衍射光聚焦线越长，且距离像面越远，则像面上的零级衍射光平均强度越低，信噪比越大。

但是液晶空间光调制器只能再现一个逼近平凸柱面透镜的共轭相位的相位轮廓来补偿平凸柱面透镜对高级次衍射光的像散。当液晶空间光调制器型号确定的情况下，平凸柱面透镜焦距越大，其共轭相位分布在单位尺度上的变化越小，液晶空间光调制器能够复现的平凸柱面透镜的共轭相位就越精确，从而高级次衍射光受平凸柱面透镜的影响越小。则当轴线正交的双平凸柱面透镜焦距越大时，对目标像面上分辨率的影响越小。

经过实验发现当使用两个焦距为1000mm的平凸柱面透镜时，像面上的信噪比和分辨率均良好。

具体实施中，搭建图1所示的光路后，以空心五角星作为目标图案，无柱面透镜的系统和使用两个焦距为1000mm焦距柱面透镜正交组合的系统的实验结果对比如图4所示。可见使用轴线正交的两个焦距为1000mm焦距柱面透镜组合可以完全消除目标像面上的零级衍射光聚焦。

具体实施以四个椭圆为目标图案，计算加柱面透镜前后信噪比变化进行测试。以分辨率板为目标图案，计算加柱面透镜前后分辨率变化。所有结果均在激光光强一致、曝光和增益相等条件下测得的结果如图4所示。

信噪比是根据两个虚线圆框内各自的平均灰度值之比计算，无柱面透镜的系统信噪比为5.14，使用+100mm和+200mm焦距柱面透镜的系统的信噪比为1.719，使用两个+1000mm焦距柱面透镜的系统的信噪比为6.957；分辨率根据分辨率板白色虚线的归一化光强曲线对比定性判断，可以看出而焦距为+100和+200mm正交柱面透镜组合的分辨率曲线中间波峰幅值明显降低、波峰波谷差距很小、半高全宽加大、分辨率低，两个焦距为+1000mm正交柱面透镜组合的分辨率曲线的波峰波谷差距大，半高全宽和无柱面透镜的系统成像结果基本一致，分辨率高。可见使用轴线正交的两个+1000mm焦距柱面透镜组合的系统分辨率和信噪比与不加柱面透镜的情况基本一致。