CN103105236B - 一种用于液晶空间光相位调制器相位检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于液晶空间光相位调制器相位检测的新方法，该方法以激光干涉系统为主要检测光路，包括激光器、起偏器、滤波器、激光干涉系统及数码相机。所述激光器发出的激光经过偏振片后变为线偏振光，再通过滤波器将激光出射光变得更加均匀，之后将激光分为两路，用待测液晶空间光相位调制器对其中一路光进行调制，用数码相机采集多帧相移干涉图像。计算干涉条纹图像的帧间强度相关（IIC）矩阵，通过最小二乘迭代得到每帧干涉图样的相位变化。该方法具有测量系统简单、对相移和干涉图样要求低、高精度等优点。

Description

一种用于液晶空间光相位调制器相位检测的方法

技术领域

本发明涉及将基于帧间强度相关矩阵模型的相位提取方法用于液晶空间光相位调制器的相位检测的技术领域。

背景技术

相位调制是光学调制方法中的重要手段，被广泛应用于光束控制、激光相干合成、光通信、光电探测等领域。现代光学检测中经常需要对干涉条纹或者干涉图样进行分析研究，从中提取得到相位信息并反演得到被测目标的各种物理特性。空间光相位调制器通过特定物理效应来人为控制输出光束的相位改变。在自适应光学系统中，利用液晶空间光相位调制器替代变形镜用于波前校正与重建在国内外已受到日益关注。液晶空间光调制器可使自适应光学系统的结构大大简化、价格大幅度下降、校正精度接近极限水平等。其中，对液晶空间光相位调制器重要指标（相位调制范围、相位调制精度、调制线性度等）进行检测是设计加工中衡量空间光相位调制器性能主要手段。

目前主要可用于空间光相位调制器相位调制性能的方法之一是基于数字图像处理的研究方法。即通过搭建激光干涉系统，利用待测相位调制器控制光束相位改变并与参考光波进行相干，对数码相机采集到的干涉条纹光强分布进行分析，从干涉条纹的变化中反演得到光束的相位变化，以此来衡量相位调制器的性能。条纹细化和追踪、图像相关分析、基于质心探测的方法和基于傅里叶变换的条纹分析方法就是这类方法的几种典型代表。这类方法一般受条纹对比度、噪声等影响较大，对实验条件有较为苛刻的要求，需要人工干预，并且一般仅适合于干涉条纹图像的处理。基于最小二乘迭代的方法更为实用，并且在如PSI、数字全息测量中的如相移标定得到了应用，适合于一般形式光学干涉图像包括散斑图像的处理，对噪声不敏感。将基于帧间强度相关矩阵模型的相位提取方法引入液晶空间光相位调制器的相位调制特性测量中。

发明内容

本发明公开了一种用于液晶空间光相位调制器（LC-SLM）相位检测的新方法，该方法以激光干涉系统为主要测试光路，用帧间强度相关运算方法对测试系统输出干涉图像进行相位提取，帧间强度相关方法在处理干涉图像方面，不仅对干涉图像的对比度要求不高，而且具有相当高的精度和计算速度，完全优于条纹细化等算法。针对现有相位调制器的调制范围不够大、精度不高及处理算法不够优化等不足，本发明采用如下技术方案：，

一种用于液晶空间光相位调制器（LC-SLM）相位检测的新方法，方法将基于帧间强度相关矩阵（IIC）模型的相位提取方法用于液晶空间光相位调制器的相位调制性能测量。以基于激光干涉系统为测试系统主要空间光路，其特征在于：包括激光器、偏振片、滤波器及数码相机，所述激光器发出的激光经过偏振片后变为线偏振光，再通过滤波器将激光出射光变得更加均匀，之后将激光分为一路参考光，一路信号光通过空间光相位调制器，并由驱动电源控制调制电压，得到为干涉条纹图的结果图。所述的激光干涉系统中激光器采用的激光光源是波长在可见光波长范围内。

激光经过测试光路，并用驱动电源控制液晶空间光相位调制器的控制电压，利用相位调制器的电光效应，改变输出干涉图样的相位，对干涉条纹图的结果图进行处理，对连续拍摄的两幅图进行帧间强度相关运算，在调制器调制2π相位内，至少采集三幅干涉图像，通过帧间强度相关运算方法，可以计算出连续拍摄的两幅图之间的相移量。帧间强度相方法如下：

由数码相机拍摄得到的某时刻干涉图像光强分布可以表示为：

其中M为相移次数，N为CCD像素个数，而CCD拍摄得到建立的方程个数远大于方程未知数个数，通过使下述代价方程最小化得到方程组的最小二乘解。

进一步将上述方程组矩阵化，定义是干涉条纹图像的大小为的相关矩阵，干涉图像中相位的移动只是相关矩阵的函数。假设光强分布的测量误差服从均值为零的随机统计规律，并且与波前变量无关，的最小特征值近似与光强误差的方差相等。将其最小特征值从对角线中去除可以得到一个噪声抑制的相关矩阵，

其中，定义调制光波为，参考光为。引入微分矩阵D进一步减少方程和未知数个数，建立帧间强度相关方法矩阵优化模型， 

其中，

利用等式右侧模型对左侧计算得到的矩阵C进行最小二乘迭代拟合，得到的相移大小，

。

本发明具备以下有益效果：

本发明最突出的是首次将帧间强度相关算法应用在液晶空间光相位调制器的相位提取。在本发明公开的液晶空间光相位检测新方法在液晶的相位调制器的性能测试中，成功高效的计算得到了调制器的调制范围和调制精度，该方法明显优于一般的基于条纹处理的方法。

附图说明

图1是调制器性能测试系统图

具体实施方式

本发明公开了一种用于液晶空间光相位调制器相位检测的新方法，该方法以激光干涉系统为主要测试光路，下面以迈克尔逊干涉仪作为主要测试光路为例，详细说明所述的用于液晶空间光相位调制器相位检测的新方法的聚集实施方式：

步骤一：

如图1搭建以迈克尔逊干涉仪为主光路的测试系统，激光光源出射的可见光经过起偏器变为线偏振光，再经过滤波器使激光光束变得更均匀，然后通过半反半透镜将光束分成两路，一路为参考光，一路为信号光，信号光路经过液晶空间光相位调制器，调整光路，在数码相机中能够得到干涉图像。

步骤二：

 用电脑控制驱动电路，控制LC-SLM驱动电压，由数码相机采集干涉图像，保证在相位周期2π范围内至少采集三帧干涉图像。

步骤三：

 用所述的帧间强度相关方法处理数码相机采集到的携带了相移信息的干涉图像，得到液晶空间光相位调制器的相位调制器范围和调制精度的性能参数。

 上面已结合附图对本发明公开的用于液晶空间光相位调制器的相位检测的新方法进行了详细的说明，给出了测试光路和处理方法，给出了具体的实施方案与技术细节，显然本发明不限于此，及其他激光干涉系统的相位检测方法及在此基础上的相关改进在本发明范围内进行的各种改型均未超出本发明范围。

Claims (1)

1.一种用于液晶空间光相位调制器相位检测的方法，其特征在于：采用激光干涉系统为主要空间测试光路，将激光器发出的激光经过偏振片后变为线偏振光，再通过滤波器将激光出射光变得均匀，滤波器输出的激光经分光板分为参考光和信号光，用待测液晶空间光相位调制器对信号光进行调制，用数码相机采集多帧相移干涉图像，通过帧间强度相关方法计算干涉条纹图像的IIC矩阵，通过最小二乘迭代得到每帧干涉图样的相位变化；

所述帧间强度相关方法如下：

数码相机拍摄得到的某时刻干涉图像光强分布可以表示为：

其中M为相移次数，N为CCD像素个数，而CCD拍摄得到建立的方程个数远大于方程未知数个数，通过使代价方程：最小化得到方程组的最小二乘解；

进一步将方程组矩阵化，定义是干涉条纹图像的大小为的相关矩阵，干涉图像中相位的移动只是相关矩阵的函数，假设光强分布的测量误差服从均值为零的随机统计规律，并且与波前变量无关，的最小特征值近似与光强误差的方差相等，将其最小特征值从对角线中去除可以得到一个噪声抑制的相关矩阵，

其中，定义调制光波为，参考光为；引入微分矩阵D进一步减少方程和未知数个数，建立帧间强度相关方法矩阵优化模型， 

其中，

利用等式右侧模型对左侧计算得到的矩阵C进行最小二乘迭代拟合，得到的相移大小，

。