專利名稱：用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光自重建的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用非相干LED光源通過障礙物后無衍射Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自1987年Durnin首次提出無衍射Bessel光束以來，這類光束便以其主光斑尺寸小、能量集中、方向性好、光場(chǎng)分布不隨傳輸距離而變化等特點(diǎn)吸引了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。近年來，由于無衍射Bessel光束所擁有高斯光束等普通光束不曾有的重要特性-重建特性，在生物工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了許多重要的成果。當(dāng)一個(gè)粒子被無衍射光束捕獲時(shí)，粒子將會(huì)使其附近光場(chǎng)分布發(fā)生畸變，但在粒 子后一定距離處無衍射光束會(huì)發(fā)生重建，這樣又可以捕獲其它粒子，無衍射光束的重建特性使得無衍射光束同時(shí)操作多層面粒子成為可能。到目前為止人們對(duì)Bessel光束自重建所做的研究都是在采用相干光源(激光)的基礎(chǔ)上展開的，而對(duì)于非相干LED光源無衍射光的自重建研究國(guó)內(nèi)外尚未有報(bào)道。LED作為一種新型固態(tài)光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠耐用、響應(yīng)時(shí)間快和高顯色性等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且LED造價(jià)低廉，極易獲得，有著獨(dú)特的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。非相干光源可重建的特性在粒子多層面操控、光學(xué)微操作等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光自重建的光學(xué)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光自重建的光學(xué)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)、光具座、LED燈珠、LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐和不透光障礙物；其中，LED聚光透鏡通過光具座支設(shè)于光學(xué)平臺(tái)的一端，以光學(xué)平臺(tái)設(shè)置LED聚光透鏡的一端為后，另一端為前，LED聚光透鏡罩設(shè)于LED燈珠外用以將LED燈珠發(fā)出的光匯聚后投向前方，聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐和不透光障礙物分別通過光具座依次支設(shè)于LED聚光透鏡的前方；聚光筒為維形聚光筒，LED聚光透鏡的開口套接于此維形聚光筒的大內(nèi)，此維形聚光筒的小端具有用以將光線出射至前方的小孔；LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐和不透光障礙物的
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中心都在光軸上，聚光筒與光闌的間距D要滿足/)二± —的條件，其中b為聚光筒小端的小孔
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內(nèi)徑，d為光闌的直徑，λ為入射光的波長(zhǎng)；光闌與短焦距透鏡的間距小于35cm;短焦距透鏡與長(zhǎng)焦距透鏡的間距為兩者焦距之和；軸棱錐與長(zhǎng)焦距透鏡的間距小于18m，軸棱錐與不透光障礙物之間的距離小于13cm。所述LED聚光透鏡為能與LED燈珠膠合的聚光透鏡。
所述聚光筒用于與LED聚光透鏡相套接的大端的半徑略大于或等于所述LED聚光透鏡的開口半徑；所述小孔的半徑約為1mm。所述光闌為半徑可調(diào)的圓孔光闌，用以提高LED光場(chǎng)的相干性。所述LED燈珠采用頻譜寬度小于80nm的LED燈珠。所述LED燈珠為藍(lán)光LED燈珠。采用上述方案后，點(diǎn)亮LED燈珠，LED燈珠發(fā)出的光經(jīng)LED聚光透鏡匯聚后進(jìn)入聚光筒，光線在聚光筒內(nèi)經(jīng)過多次反射并匯聚達(dá)到強(qiáng)度分布較均勻的狀態(tài)從聚光筒的小孔出射，經(jīng)過光闌光場(chǎng)空間相干性得到提高，再通過由短焦距透鏡和長(zhǎng)焦距透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后接近平行光入射到軸棱錐上，在軸棱錐后一定距離內(nèi)形成近似無衍射區(qū)域，在無衍射區(qū)域內(nèi)放置不透光障礙物，Bessel光束不會(huì)因此而停止傳播，反而繞過不透光障礙 物繼續(xù)傳播，并在障礙物后方投下一片陰影區(qū)，但很快Bessel光束又恢復(fù)到原來的光強(qiáng)分布，即在無衍射區(qū)域內(nèi)發(fā)生了重建。本發(fā)明采用的LED燈珠、LED聚光透鏡等光學(xué)元件造價(jià)低廉，獲取容易，為用非相干光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建提供了較為方便快捷的方法，使非相干光源產(chǎn)生無衍射光束能同時(shí)操作多個(gè)粒子成為可能，為多層面操控粒子、光學(xué)微操作提供了條件，對(duì)于非相干光源的研究具有重大意義。


圖I為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的光路示意圖(省略LED聚光透鏡4)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光自重建的光學(xué)系統(tǒng)，如圖I所示，包括光學(xué)平臺(tái)I，光具座2，LED燈珠3，LED聚光透鏡4，聚光筒5，光闌6，短焦距透鏡7，長(zhǎng)焦距透鏡8，不透光軸棱錐9和障礙物10。其中，LED燈珠3可選用頻譜寬度小于80nm的LED燈珠，本實(shí)施例選用藍(lán)光LED燈珠，頻譜寬度為41nm。其中，LED聚光透鏡4通過光具座2支設(shè)于光學(xué)平臺(tái)I的一端，以光學(xué)平臺(tái)I設(shè)置LED聚光透鏡4的一端為后,另一端為前，LED聚光透鏡4罩設(shè)于藍(lán)光LED燈珠3外用以將藍(lán)光LED燈珠3發(fā)出的光匯聚后投向前方，聚光筒5、光闌6、短焦距透鏡7、長(zhǎng)焦距透鏡8、不透光軸棱錐9和障礙物10分別通過光具座2依次支設(shè)于LED聚光透鏡3的前方，且LED聚光透鏡4、聚光筒5、光闌6、短焦距透鏡7、長(zhǎng)焦距透鏡8、軸棱錐9和不透光障礙物10的中心都在光軸上。其中聚光筒5為一端直徑大、另一端直徑小的錐形聚光筒，此錐形聚光筒大端的半徑比LED聚光透鏡4的開口半徑(LED聚光透鏡4的開口半徑即LED聚光透鏡4朝向前方的這一端的半徑)略大，或錐形聚光筒大端的半徑與LED聚光透鏡4的開口半徑相等，LED聚光透鏡4的開口(即，LED聚光透鏡4朝向前方的這一端)套接于錐形聚光筒的大端內(nèi)；錐形聚光筒5的小端(靠近光闌6的一端)形成用以將光線出射至前方的小孔，此小孔的半徑(即小端的內(nèi)半徑)約為Imm ；
光闌6為半徑可調(diào)的圓孔光闌，用以提高LED光場(chǎng)的相干性，為達(dá)到相干性要求，
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光闌6與聚光筒5的間距D要求滿足/) < Y的條件，其中b為聚光筒5的小端的小孔的內(nèi)
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徑，d為光闌的直徑，λ為入射光的波長(zhǎng)光闌6與短焦距透鏡7的間距小于35cm，本實(shí)施例中，光闌6與短焦距透鏡7的間距可選擇30cm ；短焦距透鏡7和長(zhǎng)焦距透鏡8用以構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，對(duì)通過光闌6后的LED光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，短焦距透鏡7與長(zhǎng)焦距透鏡8的間距為短焦距透鏡7和長(zhǎng)焦距透鏡8的焦距之和； 軸棱錐9與長(zhǎng)焦距透鏡8的間距小于18cm，本實(shí)施例中，此間距可選擇12cm。軸棱錐9與不透光障礙物10之間的距離要求小于13cm，本實(shí)施例中，此間距可選擇9cm。本發(fā)明中，不透光障礙物10可采用菲林片。如圖2所示，為本發(fā)明系統(tǒng)的光路示意圖。LED燈珠3發(fā)出的光經(jīng)LED聚光透鏡4(圖中未示出)匯聚后進(jìn)入聚光筒5，光線在聚光筒5內(nèi)經(jīng)過多次反射并匯聚達(dá)到強(qiáng)度分布較均勻的狀態(tài)從聚光筒5的小孔出射，經(jīng)過半徑為a的光闌6，光場(chǎng)空間相干性得到提高，再通過由短焦距透鏡7和長(zhǎng)焦距透鏡8構(gòu)成的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后接近平行光入射到軸棱錐上，在軸棱錐9后一定距離內(nèi)形成近似無衍射Bessel區(qū)域。最大無衍射距離可由公式Zmax ^ R/[(n-l) Y ]計(jì)算得到，其中η為軸棱錐材料的折射率，Y為軸棱錐底角，R為入射軸棱錐的光束半徑。最小自重建距離可由公式Zmin=a/2(n-l) Y計(jì)算得到，其中η為軸棱錐材料的折射率，Y為軸棱錐底角，a為不透光障礙物10的直徑。按圖I的結(jié)構(gòu)在光學(xué)平臺(tái)I上調(diào)整好各個(gè)光學(xué)元件，調(diào)節(jié)時(shí)先將光闌6小孔孔徑調(diào)至最大，這樣透過光闌6的光強(qiáng)最大便于后面裝置的調(diào)節(jié)，然后讓光軸垂直通過光闌6、短焦距透鏡7、長(zhǎng)焦距透鏡8、軸棱錐9光學(xué)元件的中心。調(diào)節(jié)好各個(gè)光學(xué)元件后需將光闌6的小孔孔徑調(diào)至O. 2_，這樣可提高光場(chǎng)的相干性，在軸棱錐9后一小段距離內(nèi)可觀察到較清晰的近似無衍射Bessel光束，在近似無衍射Bessel區(qū)域內(nèi)放置不透光障礙物10，通過調(diào)節(jié)顯微鏡可以很清楚的看到整個(gè)自重建過程。
權(quán)利要求
1.用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光自重建的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于包括光學(xué)平臺(tái)、光具座、LED燈珠、LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐和不透光障礙物； 其中，LED聚光透鏡通過光具座支設(shè)于光學(xué)平臺(tái)的一端，以光學(xué)平臺(tái)設(shè)置LED聚光透鏡的一端為后，另一端為前，LED聚光透鏡罩設(shè)于LED燈珠外用以將LED燈珠發(fā)出的光匯聚后投向前方，聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐和不透光障礙物分別通過光具座依次支設(shè)于LED聚光透鏡的前方； 聚光筒為錐形聚光筒，LED聚光透鏡的開口套接于此錐形聚光筒的大端內(nèi)，此錐形聚光筒的小端具有用以將光線出射至前方的小孔； LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐和不透光障礙物的中心都在光軸上，聚光筒與光闌的間距D要滿足的條件，其中b為聚光筒小端的小孔內(nèi) A徑，d為光闌的直徑，λ為入射光的波長(zhǎng)；光闌與短焦距透鏡的間距小于35cm;短焦距透鏡與長(zhǎng)焦距透鏡的間距為兩者焦距之和；軸棱錐與長(zhǎng)焦距透鏡的間距小于18m，軸棱錐與不透光障礙物之間的距離小于13cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述LED聚光透鏡為能與LED燈珠膠合的聚光透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述聚光筒用于與LED聚光透鏡相套接的大端的半徑略大于或等于所述LED聚光透鏡的開口半徑；所述小孔的半徑約為1_。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光闌為半徑可調(diào)的圓孔光闌，用以提高LED光場(chǎng)的相干性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述LED燈珠采用頻譜寬度小于80nm的LED燈珠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述LED燈珠為藍(lán)光LED燈珠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用LED光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括光學(xué)平臺(tái)，藍(lán)光LED燈珠，LED聚光透鏡，聚光筒，光闌，短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐、不透光障礙物。其中短焦距透鏡和長(zhǎng)焦距透鏡間距為兩者焦距之和，LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、軸棱錐、障礙物的中心都在光軸上。本發(fā)明采用的藍(lán)色LED燈珠、LED聚光透鏡等光學(xué)元件造價(jià)低廉，獲取容易，為用非相干光源實(shí)現(xiàn)Bessel光束自重建提供了較為方便快捷的方法，使非相干光源產(chǎn)生無衍射光束能同時(shí)操作多個(gè)粒子成為可能，為多層面操控粒子、光學(xué)微操作提供了條件，對(duì)于非相干光源的研究具有重大意義。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102902066SQ201210363878
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者吳逢鐵, 范丹丹, 杜團(tuán)結(jié), 王濤 申請(qǐng)人:華僑大學(xué)