CN101794029B - 一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法。该方法通过相位补偿结合空间滤波的技术，来抑制黑栅效应。首先通过对相位调制图的线性相位补偿，使得调制后的有效光波偏离主光轴传播，再根据补偿相位的大小，在空间光调制器后面放置一个空间滤波器，它通过有效光波，而挡掉零频光和高级衍射光，从而使得在衍射后的像面上只有有效信息，而没有中心亮斑与高级衍射像，即实现了相位型空间光调制器的黑栅效应的抑制，提高了其在光信息处理中的实际应用价值。

Description

一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法和装置

技术领域

本发明涉及相位型空间光调制器黑栅效应的消除方法，属于光信息处理技术。

背景技术

空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)是一种在信号源的控制下，能对光波的某个参量进行调制的器件，例如通过吸收调制振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态等。它有效地利用了光的并行、互联和高速的处理能力，使之能够实时地在空间上调制光束，成为实时光学信息处理等系统的核心部件，在现代光学领域中具有越来越重要的地位和价值，它是光学、光电混合系统进行光互连、光学相关、光计算、模式识别、光学控制、光学检测、图像处理、显示技术等研究中的基本构件和关键器件。

按SLM的调制方式，主要分成两类，一类是振幅调制型，一类是相位调制型。振幅调制型SLM是通过其透射率或反射率的变换调制入射光波的振幅，主要用于光开关、滤波和光学相关等应用。而SLM之所以在能够在光信息处理中愈来愈受到重视，应用越来越广，主要是因为它能够实现相位调制，它可以把图像的强度变化变成SLM的折射率变化，从而调制相位。这样无法直接用强度来表征的相位可以用一副强度图像的方式通过SLM实现相位调制的作用。因此，广泛的光信息处理系统，尤其是一些最新的技术，例如计算全息、衍射光学元件、光束整形、光镊等等都是使用相位型空间光调制。

空间光调制器通常是由单个分离像素组成，可以独立控制每个像素的变化，从而实现对光波面以像素为单位的调制。一副用于调制光波的数字图像写入SLM，这时SLM会显示这幅图像，入射光波经过SLM时，会受到空间调制。但由于每个像素周围均需电极包围，会在SLM上形成纵横交错的不透光区域，使得但该器件呈二维周期性栅格结构排列。光波经这种二维栅格式的结构发生衍射，会带来两个问题：中心亮斑和多级衍射像，尤其是中心亮斑，由于能量高度集中，其强度远高于其他衍射级。把这种现象称之为空间光调制器的“黑栅效应”。

“黑栅效应”是SLM所固有的一种现象，即使在未向SLM写入任何图像时也会存在，而当写入调制图像时，则写入图像的衍射像的中心和中心亮斑重合，其高级衍射像的中心同样也会和空间光调制器的高级衍射亮斑重合，而使得在接收面上的图像的中心始终和空间光调制器固有的多级衍射亮斑耦合在一起无法分开，造成衍射像的质量严重下降，甚至无法使用。这种效应影响了空间光调制器的应用，为空间光调制器的应用带来极为不利的影响，使得空间光调制器在光信息处理中的应用受到了很大限制。

因此，寻求一种能够抑制黑栅效应的方法，对空间光调制器在光信息处理中的应用具有重要价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够抑制相位型空间光调制器黑栅效应的方法，该方法提高了空间光调制器的相位调制性能。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：在相位调制图写入SLM之前先对其进行线性相位补偿，使得调制后的有效光信息偏离主光轴传播，根据补偿相位的大小，在SLM后面放置一个空间滤波器，它可通过有效光波，而挡掉零频光和高级衍射光，从而使得在衍射后的像面上只有有效信息，而没有中心亮斑与高级衍射像。

本发明的目的是提供一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，所述黑栅效应是空间光调制器所固有的二维周期结构的衍射效应，而产生的在衍射接收面上的中心亮斑和多级衍射像。其特征在于：利用相位补偿并结合空间滤波步骤以消除黑栅效应，其包括以下步骤：利用线性起偏器(204)将光源产生的光波变换为线偏振光；将该线偏振光照射到空间光调制器(205、212)的入光面，空间光调制器(205、212)工作在相位调制的状态下，相位调制图首先用一个线性相位模板补偿，然后写入空间光调制器(205、212)，受线性相位模板的补偿作用，经过空间光调制器的被调制光波通过检偏器(206)，围绕光轴旋转起偏器(204)和检偏器(206)，改变起偏器(204)的透光轴和检偏器(206)的透光轴之间的夹角，使经检偏器透射出的光波强度不随相位调制度而变化。衍射后相位图所对应的有效光波偏离空间光调制器的主光轴传播，通过调节相位补偿模板来控制有效光波偏离主光轴的角度大小，使得它既不和零级衍射亮斑重合，又不与高级衍射亮斑重合，在光波的传播路径上放置一个空间滤波器(208)，以滤出有效光波，消除中心亮斑和高级衍射像对有效光波成像的影响。

前述的空间光调制器是透射式空间光调制器。或是反射式空间光调制器。

所述的相位补偿模板由计算机产生，相位补偿模板只与有效光波偏离主光轴的角度大小成正比。计算机生成的相位补偿模板直接补偿到相位调制图。

本发明的目的是提供一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，所述黑栅效应是空间光调制器所固有的二维周期结构的衍射效应，而产生的在衍射接收面上的中心亮斑和多级衍射像。其特征在于：包括沿主光轴顺序排列的光源(201)，光波扩束准直系统(由二个透镜202和203组成)，线性起偏器(204)，具有相位补偿的空间相位光调制器(205，212)，检偏器(206)，傅立叶透镜(207)，光波空间滤波器(208)和图像探测器(209)；起线性偏器(204)将光源产生的光波变换为线偏振光；该线偏振光被相位调制空间光调制器(205、212)相位调制，相位调制图用一个线性相位模板补偿，被调制光波通过检偏器(206)，围绕光轴旋转起偏器(204)和检偏器(206)，以改变起偏器(204)的透光轴和检偏器(206)的透光轴之间的夹角，使经检偏器透射出的光波强度不随相位调制度变化。空间滤波器(208)滤出有效光波；衍射后相位图所对应的有效光波偏离空间光调制器的主光轴，调节相位补偿模板改变有效光波偏离主光轴的角度，使有效光波的成像既不和零级衍射亮斑重合，又不与高级衍射亮斑重合。

所述的空间光调制器是透射式空间光调制器，或是反射式空间光调制器。

所述的相位补偿模板由计算机产生，输入到空间光调制器以构成相位补偿后的相位空间光调制器。所述的扩束准直系统是二个透镜(202，203)组成的双透镜扩束准直系统。

附图说明

图1是空间光调制器物理结构示意图，图中白色区域表示透光部分，黑色区域表示不透光部分。

图2是相位补偿原理示意图。

图3是相位补偿量与偏移量的计算仿真结果。

图4相位调制图灰度值与空间光调制器透过率之间的关系曲线，其中横坐标轴为灰度值，纵坐标轴为透过率。

图5是透射式空间光调制器工作原理示意图。

图6是反射式空间光调制器工作原理示意图。

图7是空间光调制器补偿前的衍射成像结果。

图8是空间光调制器经过相位补偿后的衍射成像结果。

图9是空间光调制器经过相位补偿再经空间滤波后的衍射成像结果。

图中201为光源，202为透镜一，203为透镜二，204为起偏器，205为透射式空间光调制器，206为检偏器，207为傅里叶透镜，208为空间滤波器，209图像探测器，210为中央处理器，211为分光棱镜，212为反射式空间光调制器。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

附图1是空间光调制器的物理结构示意图，白色区域表示透光部分，也代表了每个像素；黑色区域表示不透光部分，这种固有的物理结构使得SLM呈现一种二维栅格的结构。SLM的黑栅效应的影响主要在夫琅禾费衍射区，因此黑栅效应可看作是二维栅格的夫琅禾费衍射，其在透镜焦距的傅里叶频谱面上的夫琅禾费衍射场可以看作是二维矩孔阵列的傅里叶变换。

定义SLM上的行方向坐标为f_x，列方向坐标为f_y，w为SLM的像素中心之间间距，w₀为SLM的像素开口宽度，每个像素的透射率函数为

整个M行N列的SLM的透射率函数为

黑栅的透射率函数T(f_x，f_y)：

$T(f_x,f_y)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{rect}(\frac{f_x-{\mathrm{mw}}_0}{w},\frac{f_y-{\mathrm{nw}}_0}{w})$

$=\mathrm{rect}(\frac{f_x}{{\mathrm{Mw}}_0},\frac{f_y}{{\mathrm{Nw}}_0})[\frac{1}{w_0^2}\mathrm{rect}(\frac{f_x}{w},\frac{f_y}{w})\⊗\mathrm{comb}(\frac{f_x}{w_0},\frac{f_y}{w_0})]---\left(1\right)$

在平面波U₀(f_x，f_y)照射下，平面波和黑栅透射率函数相乘的复振幅分布为：

$H(f_x,f_y)=T(f_x,f_y)\×U_0(f_x,f_y)$

$=\mathrm{rect}(\frac{f_x}{{\mathrm{Mw}}_0},\frac{f_y}{{\mathrm{Nw}}_0})[\frac{1}{w_0^2}\mathrm{rect}(\frac{f_x}{w},\frac{f_y}{w})\⊗\mathrm{comb}(\frac{f_x}{w_0},\frac{f_y}{w_0})]\×\exp \left(\mathrm{jkz}\right)---\left(2\right)$

在傅里叶频谱面上的夫琅禾费衍射图样为：

$O(x,y)=F\left\{H(f_x,f_y)\right\}=F\left\{T(f_x,f_y)\right\}\⊗F\left\{U_0(f_x,f_y)\right\}=t(x,y)\⊗O_0(x,y)---\left(3\right)$

其中，

$t(x,y)=F\left\{T(f_x,f_y)\right\}$

$=F\left\{\mathrm{rect}(\frac{f_x}{{\mathrm{Mw}}_0},\frac{f_y}{{\mathrm{Nw}}_0})\right[\frac{1}{w_0^2}\mathrm{rect}(\frac{f_x}{w},\frac{f_y}{w})\⊗\mathrm{comb}(\frac{f_x}{w_0},\frac{f_y}{w_0})\left]\right\}---\left(4\right)$

$=\mathrm{MN}{w}_0^2{w}^2\sin c\left({\mathrm{Mw}}_{0}x\right)\sin c\left({\mathrm{Nw}}_{0}y\right)\⊗[\sin c\left(\mathrm{wx}\right)\sin c\left(\mathrm{wy}\right)\×\mathrm{comb}\left(w_{0}x\right)\mathrm{comb}\left(w_{0}y\right)]$

通过公式(1)-(4)的理论推导，SLM上的二维栅格对入射平面波在傅里叶频谱面上的夫琅禾费衍射图样有卷积调制。这是由SLM物理结构决定，不论输入任何信息，这种效应都会存在。从另外一个角度说，如果改变相位调制图，黑栅效应并无变化，它会在接收成像面上形成固定的图案。如果能通过改变相位调制图使得有效光信息与二维栅格带来的多级衍射亮斑分开，就有可能通过滤波的方法消除黑栅效应。

附图2是通过相位补偿来消除黑栅效应的原理示意图。相位调制图101在理想情况下所对应的衍射成像结果如102所示，当把相位调制图101写入空间光调制器205、212后，由于空间光调制器205、212的黑栅效应，此时衍射成像的结果为103所示，如图，黑栅效应造成了中心亮斑和高级衍射像与有效光信息耦合在一起无法分开。

定义SLM输入面上写入的相位调制图为f(x，y)，其傅里叶变换为F(u，v)，如果在相位调制图上乘一个线性相位因子

根据二维傅里叶变换的平移性质可得：

$f(x,y)\exp \left[j2\mathrm{\π}(\frac{u_{0}x}{M}+\frac{v_{0}y}{N})\right]\⇔F(u-u_0,v-v_0)---\left(5\right)$

公式(5)表明，在傅里叶频谱面上图像会平移(u₀，v₀)，也就是通过改变输入面上的相位调制图的相位，使傅里叶频谱面的有效光信息发生移动，从而避开黑栅效应所造成的多级衍射亮斑。实际加入相位补偿的过程如附图2所示，把

作为相位补偿模板104，与原来的相位调制图101相乘，叠加的结果写入SLM，则在频谱上所形成的有效图像会发生错动，从而与多级衍射亮斑分开，效果如附图2中105所示。

其中加入的相位补偿量与有效图像的移动成正比，并以分辨率M和N为周期。可以通过调整u₀和v₀的大小来移动有效图像在接收面上的位置，u₀的取值范围为1，2，3...M-1，M，v₀的取值范围为1，2，3...N-1，N，其中M和N均为正整数。如附图3所示是沿竖直方向分别移动1/4个周期时的计算仿真结果，其中(a)是原始图像，(b)是计算得到的(a)图相应的衍射光学元件相位图，(c)和(d)分别是加入不同相位补偿后的相位图，(e)和(f)分别是对应的计算仿真的衍射成像结果，很明显补偿后有效图像发生了相应的移动。偏移量的大小以把有效图像与多级衍射亮斑分开为准，常用的偏移量为±1/4周期、±1/2周期。

与已有的发明和技术相比，本发明具有以下优点：

它通过相位补偿结合空间滤波的技术，消除了相位型空间光调制器的黑栅效应。该技术所用的相位补偿模板由计算机计算产生并补偿到相位调制图，此过程完全由计算机来自动完成；所采用的滤波技术，即为空间上的一个带通滤波器，不论制作和使用均比较简便可行。因此，仅仅通过数字域上的相位补偿和空间上的带通滤波，即实现了相位型空间光调制器的黑栅效应的抑制。

按照上述方法，实现相位型空间光调制器的黑栅效应抑制的系统主要包括光源、空间光调制器、起偏器和检偏器、空间滤波器、图像探测器和中央处理器。所说的光源可以是相干光源或部分相干光源；所说的空间光调制器可以是反射式，也可以是透射式；所说的起偏器和检偏器是一对偏振器件，主要作用是保证空间光调制器的相位调制状态；所说的图像探测器可以是CCD器件或CMOS器件；所说的中央处理器是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，可以是计算机，也可以是嵌入式系统。其特征在于，中央处理器计算产生的相位调制图经相位补偿后写入空间光调制器，在入射光波的照射下发生衍射，经空间滤波后，成像在图像探测器的光电探测器上，再经中央处理器存储和显示成像结果。

空间光调制器工作在相位调制的状态下，光波入射到SLM之前放置一个起偏器，以使得入射到SLM上的光为线偏光，SLM后面放置一个检偏器，围绕光轴旋转起偏器和检偏器之间的夹角，可使SLM工作在相位调制状态，此时经检偏器透射出的光强基本不随写入SLM的图像灰度值，即相位调制度的变化而变化。一组在不同夹角下的经检偏器后的光强透过率实际测量曲线如附图4所示，从图中三条曲线可以看到当角度为160°时，透过率基本不随相位调制图的灰度值改变而变化，而在其他角度例如20°和90°时，透过率随着灰度值的变换变化明显，无法满足相位型空间光调制器的工作要求。相位调制图首先用一个相位模板补偿，然后写入SLM，由于相位补偿模板的作用，经衍射后，相位图所对应的有效光波偏离SLM的主光轴传播，通过调节相位补偿模板，可以控制有效光波偏离主光轴的角度大小，使得它既不和零级衍射亮斑重合，又不与高级衍射亮斑重合，在光的传播路径上再放置一个滤波片，可以很容易滤出有效光波，从而消除黑栅效应，即中心亮斑和高级衍射像的影响。

附图5是透射式空间光调制器工作原理示意图。如图所示，光源201输出的光波经202透镜一和203透镜二组成的扩束准直系统扩束准直，通过起偏器204使得光波以线偏光入射到透射式空间光调制器205，光波经过透射式空间光调制205后，再经过一片检偏器206，起偏器204和检偏器206的作用是确保入射光波为线偏光，并且在线偏光入射的情况下透射式空间光调制器205工作在相位调制状态。为了缩短工作距离，光波离开检偏器206后，经傅里叶透镜207汇聚，并通过空间滤波器208滤波后成像在图像探测器209上。中央处理器210计算产生或者把已存储的相位调制图相位补偿后写入透射式空间光调制器205，并接收和显示由图像探测器209传输过来的衍射成像结果。

附图6是反射式空间光调制器工作原理示意图。如图所示，光源201输出的光波经202透镜一和203透镜二组成的扩束准直系统扩束准直，通过起偏器204使得光波以线偏光入射到分光棱镜211后被分成两束，其中透射光束经反射式空间光调制器212调制反射后，再经过分光棱镜211反射，入射到检偏器206，然后经傅里叶透镜207汇聚，并通过空间滤波器208滤波后成像在图像探测器209上。中央处理器210计算产生或者把已存储的相位调制图相位补偿后写入反射式空间光调制器212，并接收和显示由图像探测器209传输过来的衍射成像结果。

附图7是空间光调制器相位补偿前的衍射成像结果。其中(a)是原始图像，(b)是计算得到的(a)图相应的衍射光学元件相位图，(c)是(b)图直接写入SLM后，衍射成像的结果，由于黑栅效应的存在，很明显可看到中心亮斑和多级衍射像的现象。

附图8是空间光调制器相位补偿后的衍射成像结果。其中(a)是对图7(b)相位补偿后的图像，(b)是(a)图写入SLM后衍射成像的结果，很明显有效光波已经与衍射亮斑分离。

附图9是对空间光调制器相位补偿后再经过滤波后的衍射成像结果。很明显可看到利用本发明提出的方法消除了中心亮斑和多级衍射像的影响。

Claims (10)

1.一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，所述黑栅效应是空间光调制器所固有的二维周期结构的衍射效应，而产生的在衍射接收面上的中心亮斑和多级衍射像，其特征在于：利用相位补偿并结合空间滤波步骤以消除黑栅效应，其包括以下步骤：利用线性起偏器(204)将光源产生的光波变换为线偏振光；将该线偏振光照射到空间光调制器(205、212)的入光面，空间光调制器(205、212)工作在相位调制的状态下，相位调制图首先用一个线性相位模板补偿，然后写入空间光调制器(205、212)，受线性相位模板的补偿作用，经过空间光调制器的被调制光波通过检偏器(206)，围绕光轴旋转起偏器(204)和检偏器(206)，改变起偏器(204)的透光轴和检偏器(206)的透光轴之间的夹角，使经检偏器透射出的光波强度不随相位调制度而变化，衍射后相位调制图所对应的有效光波偏离空间光调制器的主光轴传播，通过调节线性相位模板来控制有效光波偏离主光轴的角度大小，使得它既不和零级衍射亮斑重合，又不与高级衍射亮斑重合，在光波的传播路径上放置一个空间滤波器(208)，以滤出有效光波，消除中心亮斑和高级衍射像对有效光波成像的影响。

2.如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：所述的空间光调制器是透射式空间光调制器。

3.如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：所述的空间光调制器是反射式空间光调制器。

4.如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，所述的相位补偿模板由计算机产生，相位补偿模板只与有效光波偏离主光轴的角度大小成正比。

5.如权利要求4所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，计算机生成的相位补偿模板直接补偿到相位调制图。

6.一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，所述黑栅效应是空间光调制器所固有的二维周期结构的衍射效应，而产生的在衍射接收面上的中心亮斑和多级衍射像，其特征在于：包括沿主光轴顺序排列的光源(201)，光波扩束准直系统，线性起偏器(204)，具有相位补偿的空间光调制器(205，212)，检偏器(206)，傅立叶透镜(207)，光波空间滤波器(208)和图像探测器(209)；线性起偏器(204)将光源产生的光波变换为线偏振光；该线偏振光被空间光调制器(205、212)相位调制，相位调制图用一个线性相位模板补偿，被调制光波通过检偏器(206)，围绕光轴旋转起偏器(204)和检偏器(206)，以改变起偏器(204)的透光轴和检偏器(206)的透光轴之间的夹角，使经检偏器透射出的光波强度不随相位调制度变化，空间滤波器(208)滤出有效光波；衍射后相位图所对应的有效光波偏离空间光调制器的主光轴，调节线性相位模板改变有效光波偏离主光轴的角度，使有效光波的成像既不和零级衍射亮斑重合，又不与高级衍射亮斑重合。

7.如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：所述的空间光调制器是透射式空间光调制器。

8.如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：所述的空间光调制器是反射式空间光调制器。

9.如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，所述的相位补偿模板由计算机产生，输入到空间光调制器以构成相位补偿后的相位空间光调制器。

10.如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，所述的扩束准直系统是二个透镜(202，203)组成的双透镜扩束准直系统。

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