CN108061967A - 一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置 - Google Patents

一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置 Download PDF

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陈卓
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Abstract

本发明涉及一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，属于光电仪器以及计算成像***设计领域。本发明包括数字微镜器件，对入射的光束进行空间位置区域选通调制；扩束***，对由微镜器件出射的光束进行在准直扩束；透镜阵列与物镜***，通过焦点重合实现光束空间区域选通调制到角度二维调制的转换；光阑，实现对平行光束的空间剪切，获取特定区域尺寸的不同角度传播平行光。本发明利用数字微镜器件的快速空间调制特性以及透镜阵列的光场角度信息获取能力，实现了空间光束二维角度快速调节的功能，不受机械器件共振频率的限制，能够实现空间光束角度调制以及编码。

Description

一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置
技术领域
本发明涉及一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，属于光电仪器以及计算成像***设计领域。
背景技术
光场信息包含丰富的信息，传统的照相等方法是通过降维积分的方式将光场中光束的角度信息牺牲，获得四维光场在二维传感器(感光胶片或者CCD/CMOS)，此类操作对光场信息的利用不足，难以获取更多的对象信息。全光函数是一种描述光场的更为全面的方式，全光函数中除空间位置外还包括了空间二维角度以及波长等信息，这些参数的利用似的更为全面的获取对象信息成为可能。
为充分利用更多光场参数，获取观测对象更为全面的信息(尤其是光束传播角度信息)，一系列方案被提出，例如基于微透镜阵列的光场相机、基于二维机械振镜的光束偏振模块以及CT等旋转对象或光源等方案，然而现有技术大多存在着调制速度、信息维度以及光源种类上的限制，比如只能实现一维角度调制、调制速度受到机械共振频率影响或者只能实现非相干光的角度调制等。现有技术和方法难以满足更多参数、更高速度以及更多维度的全光信息参数采集要求，因此亟需一种不受机械共振频率以及光源种类等限制的光束空间角度二维调制技术。
以生物组织三维成像为例，基于光学技术的生物组织三维成像技术是人类认识生物结构、功能、运作机理的重要手段，具有非侵入、高精度等特点，并且利用相干光进行测量可以获取包括透明生物组织复折射率等参数，因此相干光束快速角度调制技术对于生物组织成像检测领域具有非常大的意义。传统的生物组织内部结构三维成像方法多以机械扫描为主，例如X-CT需要改变X射线光源或者探测相对于被测样本的角度，因此需要在样本周围旋转探测器或者探测器保持静止，旋转样本进行角度的扫描；OCT、共焦显微成像以及双光子荧光成像等方法都需要在探测平面上以及焦深方向上进行三维的点扫描；部分数字全息法用于测量生物组织样本的方案采用机械振镜的方式扫描穿过样本的光的空间频率等。上述方法中都需要探测器或被测样品进行机械移动，基于机械的方法通常只能实现单个维度的角度扫描，且需要高精度的机械扫描机构来确保精度，而机械方法实现点扫描则需要耗费大量的时间，机械器件本身扫描的频率受到固有频率的限制，再加上点扫描来实现立体重构需要采样点数量巨大，同样限制了处理的速度。此外，部分生物组织成像技术采用非相干光，通过组织对光强的吸收来定性的获取组织的架构等信息，此类方法受限于光场中波长这一参量的充分利用，所得到对象信息有限。
数字微镜器件(DMD)是一种微光机电***，采用CMOS工艺的单片制造技术将微反射镜光开关阵列集成到微型芯片上。每个光开关都具有一个反射镜，与一个存储器单元相连接。通过控制存储单元电荷状态，改变微反射镜绕固定轴的旋转运动及时域响应，从而实现对通过每个单元反成分及射的光角度方向和停滞时间的调制。数字微镜器件可实现对光线的空间进行调制选通，选通所需时间为微秒级，且调制过程中器件不存在机械移动，但数字微镜器件只能实现空间二维平面的光束调制，无法实现空间传播角度的编码和调制。同时，单个透镜采集图像时成像角度固定，而多个透镜组成阵列即可获得不同空间角度的对象信息，是为成像测量***提供角度参数的一种重要手段。因此，本发明意在提出一种基于数字微镜器件的快速空间调制特性以及透镜阵列角度获取能力的光束空间传播角度二维快速调制和编码的方法和***。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术均存在调制速度受到机械部件共振频率限制导致调制速度慢的问题，提供一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，该装置可实现高速调制，并且可以实现光束空间角度的编码，同时输出多个角度的平行光。此外，此装置不限定入射光的种类，可实现非相干光束以及相干光束的角度调制和角度编码。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，包括：数字微镜器件，准直扩束***，透镜阵列和物镜模块；
透镜阵列是由多个单透镜单元组成的。
使用数字微镜器件对入射光束进行空间区域调制选通，调制之后的光束为一束或多束光；调制之后的光束经过准直扩束***，出射平行光入射到透镜阵列上，透镜阵列中单透镜单元对入射到其中的平行光束聚焦；每个单透镜单元的焦点位于物镜模块的前焦面上，经过单透镜单元与物镜模块的光束变为与物镜模块光轴呈夹角θx，θy的空间平行光束；
还包括光阑，所述光阑位于物镜模块出射光方向；光阑通光孔径的大小为d，用于对由物镜模块出射的不同传播角度的空间平行光束进行约束整形，达到经光阑出射的平行光束在垂直于物镜模块方向上的截面面积固定为d。
工作过程：由外部光源发射的光束照射到数字微镜器件上，入射光束的孔径分布在数字微镜器件的有效靶面范围内；数字微镜器件驱动模块根据需求，向数字微镜器件发送驱动信号，对入射光束进行编码，数字微镜器件的各个像素单元可以通过电压控制实现“启通”和“关闭”两种状态，两种状态下数字微镜像素单元的空间偏转角度不一样，入射光束、数字微镜器件以及后续光路的空间结构设置使得当数字微镜器件像素单元的状态为“启通”时，由该像素单元反射的光束能够进入到后续的光学***中，而当数字微镜像素单元的状态为“关闭”时，其反射光的方向将不被后续的光学***所接收，因此通过控制数字微镜器件中各个像素单元的“启通”与“关闭”的状态及其组合模式，可以实现由数字微镜器件对进入后续光学***光束的空间模式调制；数字微镜器件根据驱动信号对光束的空间模式进行选通，并将选通后的光束发射到准直扩束***中，形成与准直扩束***光轴平行的平行光束，由数字微镜器件空间调制并经过准直扩束***之后的光束在对应透镜阵列中相邻单透镜之间间隙处强度为零(通过控制与之相对应的数字微镜器件像素单元的状态为“关闭”实现)，与透镜阵列中各个单透镜区域相对应的光束部分光强是否为零由数字微镜器件的对应区域是否“启通”决定(数字微镜器件中与各个单透镜单元相对应的像素单元区域状态保持一致，同为“启通”或者同为“关闭”)；照射到数字微镜器件像素区域为“启通”的部分光束经反射以及准直扩束***准直扩束之后照射到相应的单透镜单元上，单透镜单元将入射的平行光聚焦在其后焦点处，随后被物镜模块所接收并转化为与物镜模块***轴线(物镜模块轴线与准直扩束***光轴重合)成特定空间夹角(θx，θy)的平行光束，该空间传播角度(θx，θy)由透镜阵列中单透镜单元的空间位置(x，y)以及物镜模块的焦距f等参数决定。
上述数字微镜器件通常包括50到200万个微镜组成阵列来对照射到其上的光进行调控，其调控速度可以达到5KHz或更高。微镜为14μm或16μm的MEMS单元，各个微镜单元可以向两侧开启10°到12°左右，从而构成“启通”和“断开”两种工作状态。数字微镜器件驱动模块可根据需求加载驱动信号，将驱动数字信号转化为微镜单元运动所需的静电力驱动，控制数字微镜器件的单元角度状态，数字微镜阵列中各个单元的状态组合即可获得整体的目标光束调制状态。
有益效果
1、数字微镜器件是一种微机电(MEMS)器件，其“启通”与“关闭”的调制是由控制器件的输入电压来实现了，此器件的调制速度可以达到20kHz甚至更高，因此本发明装置不受机械部件共振频率的限制，可以实现更高调制速度的空间光束二维快速调制；
2、数字微镜器件不同区域之间的状态控制是相互独立的，互相之间不受干扰，因此可以同时实现多个区域的“选通”，而数字微镜器件不同区域“选通”的光束会照射到透镜阵列中不同的单透镜单元上，在经过物镜模块之后实现不同空间角度的平行光输出，因此本发明装置能够同时输出多个传播角度的空间平行光束相组合的方式；
3、数字微镜器件对光源光谱没有限制，可覆盖200～1000nm甚至更宽的照明光谱范围，通过更换不同波段激光光源即可适用于不同成像场合。同时，此器件对于光源的类型也没有要求，可以为宽带光源，也可以是相干光源；
4、光束整形光路采用透镜阵列和物镜模块的结构，将数字微镜器件光束空间位置调制选通转化为了平行光的传播角度空间二维调制，并可根据需求调整光束的发散角；
5、本发明具有调制速度快、调制精度高且可输出多传播角度平行光束组合的方式等特点，可实现相干光的二维传播方向快速调制，能够满足用于各种光场成像技术的光场调制和编码要求；
6、本发明中光束角度的调制是通过MEMS器件实现，因此不存在调制精度受机械运动部件影响的问题。
附图说明
图1为实施例1的***原理示意图；
图2为实施例1中透镜阵列的结构示意图；
图3为数字微镜器件与透镜阵列之间的光束空间调制原理示意图；
图4为透镜阵列、物镜模块与光阑光路走向原理示意图；
图5为实施例2中透镜阵列的结构示意图。
其中，1—数字微镜器件，2—准直扩束***，3—透镜阵列，3-1—透镜阵列中单透镜单元，4—物镜模块，5—光阑。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，包括：数字微镜器件1，准直扩束***2，透镜阵列3，物镜模块4和光阑5；
透镜阵列3为36个单透镜单元3-1组成的6*6的方阵，如图2所示；
本发明所提出的一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，如图1中所示，外部光源所发出的光入射到数字微镜器件1上，入射光束的孔径分布在数字微镜器件1的有效靶面范围内；数字微镜器件1中的各个像素单元通过电压控制实现“启通”和“关闭”两种状态，两种状态下数字微镜像素单元的空间角度不一样，设置入射光束、数字微镜器件1以及准直扩束***2的空间结构使得当数字微镜像素单元的状态为“启通”时，由该像素单元反射的光能够进入到准直扩束***2中，而当数字微镜像素单元的状态为“关闭”时，其反射光的方向将不被准直扩束***2所接收，通过控制数字微镜器件1中各个像素单元的“启通”与“关闭”的状态以及他们之间的组合方式，可以实现由数字微镜器件1对进入后续光学***的光束的空间调制，其空间调制原理示意图如图3所示(图3中为凸显数字微镜器件1调制光束与透镜阵列3之间的对应关系，省略了准直扩束***2)；数字微镜器件1调制的光入射到准直扩束***2中，形成与准直扩束***2光轴平行的平行光束，由准直扩束***2出射的平行光入射到透镜阵列3上，透镜阵列3的构成如图2所示，由系列单透镜单元3-1经过特定的排列方式组合构成；由数字微镜器件1空间调制并经过准直扩束***2之后的光束在对应透镜阵列3中相邻单透镜间隙处光强为零(通过控制与该区域相对应的数字微镜器件像素单元区域的状态为“关闭”来实现)，与透镜阵列中各个单透镜3-1区域相对应的光束部分光强是否为零同样由数字微镜器件的对应区域是否“启通”决定(数字微镜器件中与各个单透镜区域相对应的像素单元区域的状态保持一致，同为“启通”或者同为“关闭”)；对应数字微镜器件像素区域为“启通”的部分光束照射到相应的单透镜3-1上，单透镜3-1将入射的平行光聚焦在其后焦点处，随后被物镜模块4所接收并转化为与物镜模块轴线(物镜模块4轴线与准直扩束***2光轴重合)成特定空间夹角(θx,θy)的平行光束，此平行光束经过设置在物镜模块后的光阑5出射，透镜阵列中的每个单透镜单元3-1光照选通时，入射到光阑5的平行光束呈不同的空间传播角度，该角度由透镜阵列中单透镜单元3-1的空间位置以及该单透镜单元3-1与物镜模块4的焦距等参数决定。
数字微镜器件通常包括50到200万个微镜组成阵列来对照射到其上的光进行调控，其调控速度可以达到5KHz或更高。微镜为14μm或16μm的MEMS单元，各个微镜单元可以向两侧开启10°到12°左右，从而构成“启通”和“断开”两种工作状态。数字微镜器件驱动模块可根据需求加载驱动信号，将驱动数字信号转化为微镜单元运动所需的静电力驱动，控制数字微镜器件的单元角度状态，数字微镜阵列中各个单元的状态组合即可获得整体的目标光束调制状态。
本实施例中光路具体走向如图1所示，使用数字微镜器件1对入射光束进行空间区域调制选通，控制数字微镜器件使得只有两部分区域状态为“启通”，此两部分区域在该器件中的坐标位置分别为(xD1，yD1)与(xD2，yD2)，其余部分像素单元状态均为“关闭”，经数字微镜器件调制之后的出射光束为两束光；调制之后的两光束经过准直扩束***2，出射平行光入射到透镜阵列3上，透镜阵列3中两个单透镜单元3-1对入射到其中的两平行光束聚焦，两个单透镜单元3-1的空间位置分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，经两个单透镜单元3-1聚焦的焦点位于物镜模块4的前焦面上，经过物镜模块4输出的光束变为与物镜模块4光轴呈特定夹角的空间平行光束，经过位置为(x1,y1,z1)的单透镜单元3-1的光束在经过物镜模块4出射的平行光束角度为(θx1,θy1)，同理与位置为(x2,y2,z2)的单透镜单元3-1对应的出射平行光束角度为(θx2,θy2)。由物镜模块出射的平行光经过光阑5，出射光为在物镜模块光轴方向截面大小固定的空间平行光束。
数字微镜器件上选通区域的坐标(xD1，yD1)、(xD2，yD2)与透镜阵列4中单透镜单元3-1的空间坐标位置(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，为一一对应关系，此对应关系由反射定理及光线直线传播决定；如图4所示，单透镜单元3-1的空间位置坐标(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)与经过物镜模块4之后的平行光束的传播角度(θx1,θy1)和(x2,y2,z2)又是一一对应的，这是由于透镜阵列3中的每一个单透镜单元3-1的后焦面都与物镜模块4的前焦面重合，因此平行光经过空间位置为(x,y,z)的单透镜单元后，光束聚焦在物镜模块4的前焦面上的位置(x,y)处，焦面上位置为(x,y)点所发出的球面波在经过焦距为F的物镜模块4后，出射的平行光传播角度(θx,θy)，其中tan(θx)＝x/F，tan(θy)＝y/F。综上所述，数字微镜器件上选通区域的位置、透镜阵列3中单透镜单元3-1的位置以及装置出射光的传播角度之间是一一对应关系的，因此通过控制数字微镜器件1“启通”区域的位置来选择或调制装置输出平行光的空间传播角度。
实施例2
一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，包括：数字微镜器件1，准直扩束***2，透镜阵列3，物镜模块4和光阑5；
透镜阵列3为37个单透镜单元3-1组成的六边形排布方阵，如图5所示；
本实施例通过控制数字微镜器件1中只有一个区域“启通”获得一束传播角度与数字微镜器件“启通”区域对应的平行光束输出，该平行光束的传播角度由连续改变数字微镜器件上“启通”区域的位置来实现。
本实施例中其它部分结构及原理同实施例1。
实施例3
一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，包括：数字微镜器件1，准直扩束***2，透镜阵列3，物镜模块4和光阑5；
透镜阵列3为37个单透镜单元3-1组成的六边形排布方阵，如图5所示；
本实施例通过控制数字微镜器件(1)中5个区域内的像素单元为“启通”状态，来使得经数字微镜器件(1)调制后输出的光束在经过准直扩束***(2)之后能够照射并覆盖到到透镜阵列(3)中的5个单透镜单元上，由此5个单透镜单元(3-1)以及在其后设置的物镜模块(4)实现同时输出五束平行光，每束平行光的传播角度由相应的单透镜单元(3-1)的空间位置决定。
本实施例中其它部分结构及原理同实施例1.
需要说明的是，本说明书中所述的只是本发明的一种较好具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对本发明的限制。反本领域技术人员依据本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，其特征在于：包括：数字微镜器件(1)、准直扩束***(2)、透镜阵列(3)和物镜模块(4)；
透镜阵列(3)是由多个单透镜单元(3-1)组成的；
使用数字微镜器件(1)对入射光束进行空间区域调制选通，调制之后的光束为一束或多束光；调制之后的光束经过准直扩束***(2)，出射平行光入射到透镜阵列(3)上，透镜阵列(3)中单透镜单元(3-1)对入射到其中的平行光束聚焦；每个单透镜单元(3-1)的焦点位于物镜模块(4)的前焦面上，经过单透镜单元(3-1)与物镜模块(4)的光束变为与物镜模块(4)光轴呈夹角θx，θy的空间平行光束。
2.如权利要求1所述的一种基于数字微镜器件的光束角度快速调制装置，其特征在于：还包括光阑(5)，所述光阑(5)位于物镜模块(4)出射光方向；光阑通光孔径的大小为d，用于对由物镜模块(4)出射的不同传播角度的空间平行光束进行约束整形，达到经光阑(5)出射的平行光束在垂直于物镜模块(4)光轴方向上的截面面积固定为d。
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