一种控制焦点位置的方法及系统、扫描成像的方法及系统

本发明属于光电子，具体涉及控制焦点位置的方法及系统，以及扫描成像的方法及系统。

背景技术：

1、激光扫描是一种广泛应用于光学显微镜成像、粒子捕获和操作、传感等领域的技术。控制单焦点或焦点阵列在焦平面上的移动是实现扫描的重要途径。依据物理机制的不同，激光扫描可分为位移扫描和计算扫描两大类。

2、位移扫描是将光源或物体接入位移台，将扫描物体逐点移动到焦点上，随后将收集的数据合并重构实现对目标物体信息恢复的一种点对点成像方式。共聚焦扫描系统是一种常见的位移扫描技术。利用放置在激光光源后的照明针孔和放置在检测器前的探测针孔，实现单点照明和单点探测。激光光源通过照明针孔所发射出的光，聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光在探测针孔上成像，实现逐点重建扫描样本的图像。这种点对点的扫描方法的优点是高分辨率，并且具有层析成像的能力，能够实现三维图像的重建。但是，位移扫描需要依靠机械装置移动物体，获得相对于焦点的移动，这类动态系统容易引入误差。此外，对于机械装置的复杂设计与精确控制也进一步制约了扫描成像的效率与分辨率。

3、为了解决这一问题，计算扫描系统被提出，通过算法设计实现对入射光场的振幅、相位、偏振等信息的调控，生成多焦点光场阵列。然而，目前这类系统只能产生光场阵列，无法实现单焦点移动的动态扫描。此外，这些方法在同一结构上只能生成特定结构光场阵列，不能实现任意模式的光场阵列的产生与调控。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种控制焦点位置的方法及系统，不需要接入机械移动装置，是一种静态系统，能实现单焦点位置的控制，生成位置可控的多焦点光场阵列以及扫描成像等多种功能。

2、基于相同的发明构思，本发明还提出一种扫描成像的方法及系统，在同一个系统中实现任意光场模式、任意光场尺度适用的控制单焦点位置、生成位置可控的多焦点光场阵列以及扫描成像。

3、在本发明实施例中，一种控制焦点位置的系统，包括：

4、光源，用于产生被空间光调制器调制的、具有特定波长的光；

5、空间光调制器，用于加载或产生含有相移信息的相图，并调制生成含有空间模式和相移信息的光；

6、具有傅里叶变换功能的光学透镜，用于接收经过空间光调制器调制的光，依据傅里叶变换性质的位移定理控制任意空间模式的光场聚焦后的焦点位置；

7、光学信息收集组件，用于放大并收集焦平面光场或焦点位置信息；

8、在空间光调制器上加载或产生的相图同时包含聚焦光场模式信息以及相移信息；相图表达式表示为：

9、φ＝e(x,y)*φ

10、其中e(x,y)为聚焦光场模式信息的表达式，(x,y)为空间二维坐标；φ为用于控制单焦点位置或多焦点位置的相移信息表达式；

11、当控制多焦点位置时，产生每个焦点位置独立可控的多焦点光场阵列。

12、在本发明的实施例中，一种扫描成像的系统，基于上述控制焦点位置的系统，所述光学信息收集组件包括依次连接的物镜、套筒透镜、光电倍增管；

13、其中物镜及套筒透镜用于放大被光学透镜聚焦的光场，光电被增管用于放大和收集焦点位置的光强信息，并将光强信息转化为电压值；

14、以焦点在x方向上的位置为横坐标，光电倍增管输出的电压值为纵坐标，绘制焦点位置与电压值的关系曲线图，通过所绘制的关系曲线图重建成像物体的信息，实现扫描成像。

15、在本发明的实施例中，一种控制单焦点位置的方法，包括以下步骤：

16、搭建光路系统，将光源输出的光入射到空间光调制器上；

17、设计加载到空间光调制器上的相图信息；根据相移与位移的关系式，计算相图信息，并将所计算的相图信息加载到空间光调制器上；通过空间光调制器调制生成含有空间模式和预设相移信息的光；

18、经过空间光调制器调制的光入射到具有傅里叶变换功能的光学透镜上，将入射光含有的相移信息转化为位移信息，控制任意空间模式的光场聚焦后的焦点位置；随后通过光学信息收集组件放大并收集焦平面光场或焦点信息；

19、其中，相图信息根据所述相图表达式设计，确定所需获得的目标光场模式；根据光源波长λ、具有傅里叶变换功能的光学透镜的焦距zf、控制焦点在x方向上位移的相移信息kx、控制焦点在y方向上位移的相移信息ky计算相图信息。

20、在本发明的实施例中，一种控制多焦点位置的方法，包括以下步骤：

21、搭建光路系统，将光源输出的光入射到空间光调制器上；

22、设计加载到空间光调制器上的相图信息；根据相移与位移的关系式，计算所有焦点组成的光场阵列的相图信息，并将所计算的相图信息加载到空间光调制器上；通过空间光调制器调制生成含有空间模式和相移信息的光；

23、经过空间光调制器调制的光入射到具有傅里叶变换功能的光学透镜上，将入射光含有的相移信息转化为位移信息，控制任意空间模式的光场聚焦后的焦点位置；随后通过光学信息收集组件，放大并收集焦平面光场或焦点信息；

24、其中，相图信息根据所述调控光场焦点阵列的相图信息表达式设计，确定所需获得的目标光场模式；根据光源波长λ、具有傅里叶变换功能的光学透镜的焦距zf、控制焦点在x方向上位移的相移信息kx、控制焦点在y方向上位移的相移信息ky计算所有焦点组成的光场阵列的相图信息。

25、在本发明的实施例中，一种扫描成像的方法，基于上述扫描成像的系统，包括以下步骤：

26、s1、搭建光路系统，将成像样品放置于具有傅里叶变换功能的光学透镜的后焦平面处，将光源输出的光入射到空间光调制器上；

27、s2、设计加载到空间光调制器上的相图信息；根据相移与位移的关系式，计算相图信息，并将所计算的相图信息加载到空间光调制器上；通过空间光调制器调制生成含有空间模式和相移信息的光；

28、s3、经过空间光调制器调制的光入射到具有傅里叶变换功能的光学透镜上，将入射光含有的相移信息转化为位移信息，控制任意空间模式的光场聚焦后的焦点位置；通过光电倍增管同步收集焦点位置对应的光强信息，并将光强信息转化为电压值，获得焦点在成像样品上扫描移动时的光场信息；

29、s4、改变相图信息，以合适的位移间隔设置对应的相图，每加载一个相图，焦点移动一个位置，重复步骤s2、s3，通过光电倍增管同步收集焦点位置对应的光强信息，使得焦点按预定间隔、预定方向移动的同时收集相应的光场信息；

30、s5、以焦点在x方向上的位置为横坐标，光电倍增管输出的电压值v为纵坐标，绘制关系图，得到电压值随焦点位置变化的点阵图；对点阵图中的数据点进行拟合，得到焦点位置与电压值之间的关系曲线图，通过关系曲线图重构成像样品的图像信息。

31、本发明所采用技术方案的实现原理是：依据傅里叶变换(fourier transform)基本性质中的位移定理(shift theorem)，调控入射光场的相位，添加相移信息，经过傅里叶变换后，转换为焦点在实空间焦平面上的位移，实现对入射光聚焦后焦点位置的控制。因此，本发明能够为入射光场添加设定的相移信息，利用透镜的傅里叶变换特性将相移信息转换为实空间的位移信息，在聚焦的同时实现移动单焦点的位置，使用相同的系统，能够产生每个焦点位置独立可控的多焦点光场阵列以及实现扫描成像的功能。本发明相对于现有技术具有如下优点：

32、(1)本发明所提出的系统具有多种功能，包括控制单焦点的位置，控制多焦点的位置(产生每个焦点位置独立可控的多焦点光场阵列)以及扫描成像。

33、(2)本发明所提出的系统及方法不需要接入精密位移台，不需要机械器件移动成像样品或光源。避免了对机械移动的复杂设置与精确控制，在一个静态的系统中即可实现可控焦点位置及扫描成像。

34、(3)本发明所提出的系统及方法不受光场模式的限制，不受聚焦光场尺寸限制，能调控任意尺寸(宏观尺度和微观尺度)的焦点，能对任意模式光场产生调控作用，包括但不限于标量光场、矢量光场、涡旋光场等。

35、(4)利用预先设计的程序，基于空间光调制器自动加载相图的能力，本发明提出的系统及方法能够实现连续高效的动态扫描。

36、(5)本发明与现有控制焦点位置或扫描的方法相比较，具有操作灵活、易于集成，系统稳定，成本低等突出优点。