一种可调控超瑞利散斑场的制作方法，包括一连续波激光器、计算机I及计算机II，在连续波激光器光束前进方向上依次设有可调激光衰减器、针孔滤波器、透镜、起偏器I以及分束镜，分束镜位于另外两个不同的光束前进方向上，其中一个光束前进方向上设有反射式空间光调制器，另一个光束前进方向上设有检偏器I、光阑I、起偏器II、透射式空间光调制器、检偏器II、光阑II、傅里叶透镜、CCD相机；其中，反射式空间光调制器和CCD相机与计算机I相连；透射式空间光调制器与计算机II相连。本发明通过改变指数因子S和角向指数m的数值，获得目标超瑞利散斑场，从而得到散斑大小、对比度值可调控的超瑞利散斑场。
1.一种可调控超瑞利散斑场的制作方法，包括一连续波激光器（100）、计算机I（1001）以及计算机II（1002），在该连续波激光器（100）的光束前进方向上依次设有可调激光衰减器（200）、针孔滤波器（300）、透镜（401）、起偏器I（501）以及分束镜（600），分束镜（600）位于另外两个不同的光束前进方向上，其中一个光束前进方向上设有反射式空间光调制器（701），另一个光束前进方向上设有检偏器I（502）、光阑I（801）、起偏器II（503）、透射式空间光调制器（702）、检偏器II（504）、光阑II（802）、傅里叶透镜（402）、CCD相机（900）；
其中，反射式空间光调制器（701）和CCD相机（900）与计算机I（1001）相连，反射式空间光调制器（701）上的图像由计算机I（1001）写入；经过透射式空间光调制器（702）后产生的散斑场信息经CCD相机（900）成像后，存储到计算机I（1001）中；透射式空间光调制器（702）与计算机II（1002）相连；
所述的透射式空间光调制器（702）位于傅里叶透镜（402）的前焦平面上，所述的CCD相机（900）位于傅里叶透镜（402）的后焦平面上，其特征在于：具体制作步骤为：步骤一、利用计算机II，采用波长为l的入射光透过漫射体，制作复振幅分布为ERay的瑞利散斑场， ，其中，漫射体所在平面为αβ平面，目标所在平面为 平面， 平面与αβ平面间的距离为z0；P（α，β）为光瞳函数， ，表示取矩形函数；φ（α，β）表示漫射体的复振幅透过率函数，其取值为在0 2p之间随机分布~的相位矩阵；其中，a、b均为正数；j为虚数单位，k为波数；
步骤二、对瑞利散斑场的复振幅分布 加上一个指数因子S，得到超瑞利散斑场，超瑞利散斑场的复振幅分布为 ，S取大于1的整数；
步骤三、对超瑞利散斑场的复振幅分布 进行傅里叶逆变换，并取其相位矩阵 ， ，其中， 表
步骤四、利用计算机II，将步骤三获得的相位矩阵 输入透射式空间光调制器；
步骤五、利用计算机I，生成拉盖尔-高斯光束复振幅分布 与闪耀光栅复振幅分布 叠加后的相位图用 表示，其中，
为缔合拉盖尔多项式；r、θ为极坐标； 为光束束腰半径，单位为毫米；m为角向指数，m取整数；p为径向指数，P取非负整数；A0为振幅常数； ；其中，j为虚数单位，k为波数；
步骤六、利用计算机I，将步骤五生成的相位图 输入到反射式空间光调制器中；
步骤七、打开连续波激光器，连续波激光器射出的激光束依次经过可调激光衰减器、针孔滤波器、透镜、起偏器I、分束镜后，照射在反射式空间光调制器上，经过反射式空间光调制器反射后的光束为拉盖尔-高斯涡旋光束，拉盖尔-高斯涡旋光束依次经过分束镜、检偏器I、光阑I、起偏器II，照射在透射式空间光调制器上后，产生散斑光束，散斑光束依次经过检偏器II、光阑II、傅里叶透镜后，进入CCD相机成像，所成超瑞利散斑图像存储进计算机I，超瑞利散斑图像用Is表示；
步骤八、利用散斑图像对比度定义公式 计算出超瑞利散斑图像Is的对比度值，其中<…>表示取系综平均；
步骤九、在xy二维坐标系中，利用散斑图像I s的自协方差函数，计算超瑞利散斑图像Is
的散斑平均大小，其中， 、 分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，表示取系综平均；
步骤十、指数因子S 在2 10范围内取整数值时，利用计算机II，将不同S值对应获得的~相位矩阵 分别输入透射式空间光调制器，利用步骤七和步骤八，实现超瑞利散斑场的对比度值V在1 5范围内调节；
同时，角向指数m在1 10范围内取整数值时，利用计算机I，将不同m值对应获得的相位~图 输入到反射式空间光调制器中，利用步骤七和步骤八，实现超瑞利散斑场中的散斑颗粒平均大小在3 30个像素尺寸范围内的调节。
一种可调控超瑞利散斑场的制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光学测试与显微应用技术领域，具体涉及一种可调控超瑞利散斑场的制作方法。
背景技术
[0002] 当相干光照射到散射介质上时，在透射场或反射场会产生明暗相间的颗粒状散斑图案；散斑的产生是由散射微粒的散射子波空间相干形成的。若散射介质的表面起伏大于入射光波长，散斑光场的强度分布符合瑞利统计，此时散斑场的光强遵从负e指数分布；对瑞利散斑场来说，其散斑图的对比度值为1。
[0003] 许多基础研究和应用领域要求散斑场的统计特性和光强分布可自由调控，这些散斑场的光强统计特性都不符合瑞利统计分布。根据对比度值大于1还是小于1，将非瑞利统计散斑分为超瑞利散斑和亚瑞利散斑；在非瑞利统计散斑场中，对比度值小于1的亚瑞利散斑场实质上是部分散射散斑场，这种散斑场相对而言比较容易实现，而对比度值大于1的超瑞利散斑场的产生是一个难题。
[0004] 此外，在散斑照明成像中，照明散斑光场的散斑大小也是一个重要的参数。由于散斑研究属于复合统计光学领域，对同一探测平面而言，若散斑尺寸太大，则探测平面内的散斑数量过少，使得样本中采样点数过少导致分析误差偏大；然而，散斑尺寸太小的话，探测平面内的采样点数太多导致计算量激增，降低了数据处理效率；因此，控制散斑场中的散斑大小非常重要。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种可调控超瑞利散斑场的制作装置及其制作方法，可在线制作散斑大小和对比度值可调控的超瑞利散斑场。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种可调控超瑞利散斑场的制作装置，包括一连续波激光器、计算机I以及计算机II，在该连续波激光器的光束前进方向上依次设有可调激光衰减器、针孔滤波器、透镜、起偏器I以及分束镜，分束镜位于另外两个不同的光束前进方向上，其中一个光束前进方向上设有反射式空间光调制器，另一个光束前进方向上设有检偏器I、光阑I、起偏器II、透射式空间光调制器、检偏器II、光阑II、傅里叶透镜、CCD相机；其中，反射式空间光调制器和CCD相机与计算机I相连，反射式空间光调制器上的图像由计算机I写入；经过透射式空间光调制器后产生的散斑场信息经CCD相机成像后，存储到计算机I中；透射式空间光调制器与计算机II相连；所述的透射式空间光调制器位于傅里叶透镜的前焦平面上，所述的CCD相机位于傅里叶透镜的后焦平面上。
[0007] 利用上述装置制作可调控超瑞利散斑场的方法，具体制作步骤为：步骤一、利用计算机II，采用波长为l的入射光透过漫射体，制作复振幅分布为ERay的瑞利散斑场，，其中，漫射体所在平面为αβ平面，目标所在平面为 平面， 平面与αβ平面间的距离为z0；P（α，β）为光瞳函数， ， 表示取矩
形函数；φ（α，β）表示漫射体的复振幅透过率函数，其取值为在0 2p之间随机分布的相位矩~
阵；其中，a、b均为正数；j为虚数单位，k为波数；
[0008] 步骤二、对瑞利散斑场的复振幅分布 加上一个指数因子S，得到超瑞利散斑场，超瑞利散斑场的复振幅分布为 ，S取大于1的整数；
[0009] 步骤三、对超瑞利散斑场的复振幅分布 进行傅里叶逆变换，并取其相位矩阵 ， ，其中，
表示取傅里叶逆变换， 表示取相位；
[0010] 步骤四、利用计算机II，将步骤三获得的相位矩阵 输入透射式空间光调制器；
[0011] 步骤五、利用计算机I，生成拉盖尔-高斯光束复振幅分布 与闪耀光栅复振幅分布 叠加后的相位图用 表示，其中，
，
为缔合拉盖尔多项式；r、θ为极坐标； 为光束束腰半径，单位为毫米；m为角向指数，m取整数；p为径向指数，P取非负整数；A0为振幅常数； ；其中，j为虚
数单位，k为波数；
[0012] 步骤六、利用计算机I，将步骤五生成的相位图 输入到反射式空间光调制器中；
[0013] 步骤七、打开连续波激光器，连续波激光器射出的激光束依次经过可调激光衰减器、针孔滤波器、透镜、起偏器I、分束镜后，照射在反射式空间光调制器上，经过反射式空间光调制器反射后的光束为拉盖尔-高斯涡旋光束，拉盖尔-高斯涡旋光束依次经过分束镜、检偏器I、光阑I、起偏器II，照射在透射式空间光调制器上后，产生散斑光束，散斑光束依次经过检偏器II、光阑II、傅里叶透镜后，进入CCD相机成像，所成超瑞利散斑图像存储进计算机I，超瑞利散斑图像用Is表示；
[0014] 步骤八、利用散斑图像对比度定义公式 计算出超瑞利散斑图像Is的对比度值，其中<…>表示取系综平均；该对比度公式为信息光学领域公知；
[0015] 步骤九、在xy二维坐标系中，利用散斑图像I s的自协方差函数，计算超瑞利散斑
图像Is的散斑平均大小，其中， 、 分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，表示取系综平均；
[0016] 步骤十、指数因子S 在2 10范围内取整数值时，利用计算机II，将不同S值对应获~得的相位矩阵 分别输入透射式空间光调制器，利用步骤七和步骤八，实现超瑞利散斑场的对比度值V在1 5范围内调节；同时，角向指数m在1 10范围内取整数值时，利用~ ~
计算机I，将不同m值对应获得的相位图 输入到反射式空间光调制器中，利用步骤七和步骤八，实现超瑞利散斑场中的散斑颗粒平均大小在3 30个像素尺寸范围内的调节。
~
[0017] 本发明中，可调激光衰减器用于控制照射在反射式空间光调制器上的激光光强；所述的针孔滤波器、透镜用于对光束进行整形、准直；所述的光阑I和光阑II用于选择一级衍射涡旋光束；
[0018] 本发明中，m为角向指数，m 取整数，代表涡旋光束的拓扑荷值。
[0019] 本发明的有益效果：本发明制作装置制作的超瑞利散斑场中，散斑图的对比度V 与指数因子S 成正比，散斑的平均大小与角向指数m 成反比；通过改变指数因子S 和角向指数m 的数值，获得目标超瑞利散斑场，从而得到散斑大小、对比度值可调控的超瑞利散斑场。通过采用不同的S 和V 的数值组会，可实现散斑大小、对比度值可调控的超瑞利散斑场。与现有技术相比，本发明制作装置和制作方法在不改变光路的情况下，能够实现散斑大小、对比度值自由调控，具有可动态在线调控的特点。
附图说明
[0020] 图1为本发明可调控超瑞利散斑场的制作装置图；
[0021] 图2是角向指数m =3、指数因子S =3时得到的超瑞利散斑图；
[0022] 图3是角向指数m =3、指数因子S =5时得到的超瑞利散斑图；
[0023] 图4是角向指数m =1、指数因子S =2时得到的超瑞利散斑图；
[0024] 图5是角向指数m =4、指数因子S =2时得到的超瑞利散斑图。
[0025] 附图标记：100、连续波激光器，200、可调激光衰减器，300、针孔滤波器，401、透镜，402、傅里叶透镜，501、起偏器I，502、检偏器I，503、起偏器II，504、检偏器II，600、分束镜，
701、反射式空间光调制器，702、透射式空间光调制器，801、光阑I，802、光阑II，900、CCD相机，1001、计算机I，1002、计算机II。
具体实施方式
[0026] 下面结合具体实施例对本发明的可调控超瑞利散斑场的制作装置及其制作方法作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0027] 一种可调控超瑞利散斑场的制作装置，如图1所示，包括一连续波激光器100、计算机I1001以及计算机II1002，在该连续波激光器100的光束前进方向上依次设有可调激光衰减器200、针孔滤波器300、透镜401、起偏器I501以及分束镜600，分束镜600位于另外两个不同的光束前进方向上，其中一个光束前进方向上设有反射式空间光调制器701，另一个光束前进方向上设有检偏器I502、光阑I801、起偏器II503、透射式空间光调制器702、检偏器II504、光阑II802、傅里叶透镜402、CCD相机900。
[0028] 其中，反射式空间光调制器701和CCD相机900与计算机I1001相连，反射式空间光调制器701上的图像由计算机I1001写入；经过透射式空间光调制器702后产生的散斑场信息经CCD相机900成像后，存储到计算机I1001中；透射式空间光调制器702与计算机II1002相连；透射式空间光调制器702位于傅里叶透镜402的前焦平面上，所述的CCD相机900位于傅里叶透镜402的后焦平面上。
[0029] 利用上述装置制作可调控超瑞利散斑场的方法，具体制作步骤为：步骤一、利用计算机II，采用波长为l的入射光透过漫射体，制作复振幅分布为ERay的瑞利散斑场，，其中，漫射体所在平面为αβ平面，目标所在平面为 平面， 平面与αβ平面间的距离为z0；P（α，β）为光瞳函数， ， 表示取矩
形函数；φ（α，β）表示漫射体的复振幅透过率函数，其取值为在0 2p之间随机分布的相位矩~
阵；其中，a、b均为正数；j为虚数单位，k为波数；
[0030] 步骤二、对瑞利散斑场的复振幅分布 加上一个指数因子S，得到超瑞利散斑场，超瑞利散斑场的复振幅分布为 ，S取大于1的整数；
[0031] 步骤三、对超瑞利散斑场的复振幅分布 进行傅里叶逆变换，并取其相位矩阵 ， ，其中，
表示取傅里叶逆变换， 表示取相位；
[0032] 步骤四、利用计算机II，将步骤三获得的相位矩阵 输入透射式空间光调制器；
[0033] 步骤五、利用计算机I，生成拉盖尔-高斯光束复振幅分布 与闪耀光 栅复 振 幅 分 布 叠 加 后的 相位 图 用 表示 ，其 中 ，
，
为缔合拉盖尔多项式；r、θ为极坐标； 为光束束腰半径，单位为毫米；m为角向指数，m取整数；p为径向指数，P取非负整数；A0为振幅常数； ；其中，j为虚
数单位，k为波数；
[0034] 步骤六、利用计算机I，将步骤五生成的相位图 输入到反射式空间光调制器中；
[0035] 步骤七、打开连续波激光器，连续波激光器射出的激光束依次经过可调激光衰减器、针孔滤波器、透镜、起偏器I、分束镜后，照射在反射式空间光调制器上，经过反射式空间光调制器反射后的光束为拉盖尔-高斯涡旋光束，拉盖尔-高斯涡旋光束依次经过分束镜、检偏器I、光阑I、起偏器II，照射在透射式空间光调制器上后，产生散斑光束，散斑光束依次经过检偏器II、光阑II、傅里叶透镜后，进入CCD相机成像，所成超瑞利散斑图像存储进计算机I，超瑞利散斑图像用Is表示；
[0036] 步骤八、利用散斑图像对比度定义公式 计算出超瑞利散斑图像Is的对比度值，其中<…>表示取系综平均；
[0037] 步骤九、在xy二维坐标系中，利用散斑图像I s的自协方差函数，计算超瑞利散斑
图像Is的散斑平均大小，其中， 、 分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，表示取系综平均；
[0038] 步骤十、指数因子S 在2 10范围内取整数值时，利用计算机II，将不同S值对应获~得的相位矩阵 分别输入透射式空间光调制器，利用步骤七和步骤八，实现超瑞利散斑场的对比度值V在1 5范围内调节；同时，角向指数m在1 10范围内取整数值时，利用~ ~
计算机I，将不同m值对应获得的相位图 输入到反射式空间光调制器中，利用步骤七和步骤八，实现超瑞利散斑场中的散斑颗粒平均大小在3 30个像素尺寸范围内的调节。
~
[0039] 本发明中，步骤九的自协方差函数中， 为方向的自相关峰值，其半高宽为方向的散斑平均尺寸； 为y 方向的自相关峰值，其半高宽为y 方向的散斑平均尺寸。
[0040] 本发明制得的超瑞利散斑场中，散斑图的对比度V 与指数因子S 成正比，散斑的平均大小与角向指数m 成反比；通过改变指数因子S 和角向指数m 的数值，获得目标超瑞利散斑场，从而得到散斑大小、对比度值可调控的超瑞利散斑场；
[0041] 本实施例中，角向指数m =3、指数因子S =3、5时得到的超瑞利散斑图，如图2、图3所示；计算可得图2散斑图的对比度值V =1.305，散斑平均大小为8.782 Pixels；图3散斑图的对比度值V =2.876，散斑平均大小为10.256 Pixels；其中，Pixels为像素单位。
[0042] 图4、图5分别为指数因子S =2，角向指数m =1、4时得到的超瑞利散斑图，计算可得图4散斑图的对比度值V =1.112，散斑平均大小为19.032 Pixels；图5散斑图的对比度值V =1.117，散斑平均大小为7.564 Pixels。
[0043] 经实验表明：本发明装置和方法能实现散斑大小、对比度可调控的散斑场，并且具有原理简洁、可在线动态调控，易于操作的优点。能够广泛应用于激光散斑照明显微技术、散斑对比度值测试技术、涡旋鬼成像及恒星强度干涉等领域。
