本實(shí)用新型涉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)：

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，這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。由于光束的這兩種特殊性質(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)可以提高成像質(zhì)量。2013年Craig 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(jiàn)和最有效的方法之一。軸棱錐這一光學(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、光損傷閾值大，可直接成腔等優(yōu)點(diǎn)。而LED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LED運(yùn)用到成像系統(tǒng)有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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)生局域空心光束、非相干LED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。本實(shí)用新型設(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光束可以提高成像系統(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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于設(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)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

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)，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。

采用上述方案后，本實(shí)用新型中，藍(lán)光LED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，這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，軸上的這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，在這段距離內(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

圖1為本實(shí)用新型的光路示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的仿真模擬光路圖。

圖3為本實(shí)用新型中不加入軸棱錐的仿真模擬截面光強(qiáng)分布圖。

圖4為本實(shí)用新型中加入軸棱錐的仿真模擬截面光強(qiáng)分布圖。

圖5為本實(shí)用新型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。

圖6為本實(shí)用新型中加入軸棱錐的實(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。

圖7為本實(shí)用新型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。

圖8為本實(shí)用新型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

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)本實(shí)用新型系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本實(shí)用新型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。

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。

短焦距透鏡31(圖1中的L₁)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)可以根據(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L₁的焦距為f₁＝15mm,長(zhǎng)焦距透鏡L₂的焦距為f₂＝190mm。

透鏡5(圖1中的L₃)的焦距為f₃＝45mm。軸棱錐6的底角為γ＝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。

本實(shí)用新型的成像系統(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。

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)：

平行光入射軸棱錐的光強(qiáng)分布：

非相干照明點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)：

成像系統(tǒng)的分辨率：

式中γ為軸棱錐的底角，n為軸棱錐的折射率，r為軸棱錐的徑向距離，為波數(shù)，λ為入射光波長(zhǎng)，J₀為零階Bessel函數(shù)；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)生最大光程差為：W₂₀又稱為Hopkins離焦因素；d_m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。

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?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以藍(lán)光LED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。

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)的衍射圖案中心與另一個(gè)亮點(diǎn)的衍射圖案的第一暗環(huán)重合時(shí)，這兩個(gè)亮點(diǎn)則剛好能被分辨。本實(shí)用新型中無(wú)衍射光束成像系統(tǒng)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)都可以證明本實(shí)用新型的成像系統(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。

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。

上述實(shí)施例和圖式并非限定本實(shí)用新型系統(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)視為不脫離本實(shí)用新型系統(tǒng)的專利范疇。