本實用新型涉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：

美國Rochester大學的J.Durnin于1987年首次提出了“無衍射光束”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，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)可以提高成像質量。2013年Craig 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。軸棱錐這一光學元件是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光束具有轉換效率高、光損傷閾值大，可直接成腔等優(yōu)點。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、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LED運用到成像系統(tǒng)有很高的應用價值。

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驗驗證。本實用新型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、仿真模擬和實驗結果均證明利用無衍射Bessel光束可以提高成像系統(tǒng)的分辨率。研究結果為光學高分辨率成像技術提供了新的技術支持。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型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)。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一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。

采用上述方案后，本實用新型中，藍光LED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，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，而不是像透鏡所具有的點聚焦特性，只在焦面處成清晰像，軸上的這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，在這段距離內，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

圖1為本實用新型的光路示意圖。

圖2為本實用新型的仿真模擬光路圖。

圖3為本實用新型中不加入軸棱錐的仿真模擬截面光強分布圖。

圖4為本實用新型中加入軸棱錐的仿真模擬截面光強分布圖。

圖5為本實用新型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。

圖6為本實用新型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。

圖7為本實用新型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。

圖8為本實用新型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

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實用新型系統(tǒng)進行詳細闡述。

本實用新型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。

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。

短焦距透鏡31(圖1中的L₁)的焦點和長焦距透鏡32(圖1中的L₂)的焦點重合，構成準直擴束系統(tǒng)3，準直擴束系統(tǒng)3的放大倍數(shù)可以根據(jù)需要通過選取不同的透鏡焦距來調節(jié)。本實施例中，短焦距透鏡L₁的焦距為f₁＝15mm,長焦距透鏡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。

本實用新型的成像系統(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)：

平行光入射軸棱錐的光強分布：

非相干照明點擴散函數(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，J₀為零階Bessel函數(shù)；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，以藍光LED作為光源，用準直擴束系統(tǒng)將出射光調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。

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心與另一個亮點的衍射圖案的第一暗環(huán)重合時，這兩個亮點則剛好能被分辨。本實用新型中無衍射光束成像系統(tǒng)仿真模擬與實驗都可以證明本實用新型的成像系統(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。

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。

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