CN104122609B - 基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，包括：搭建光路系统，并根据搭建的光路系统标定所用液晶空间光调制器的相位调制度曲线；根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线对所需焦距透镜的理想相位灰度图进行相位映射变换，得到修正的透镜相位图；根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向不同位置的光斑图像及光斑图像的光斑半径，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。本发明能快速计算得到基于液晶空间光调制器的可变焦透镜的实际焦距，计算准确且适应性广，可广泛应用于光学技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是一种基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，光学变焦系统的设计理论和制作技术日益完善。光学变焦系统广泛应用于显微镜、望远镜、投影仪、相机等仪器设备中。传统的光学变焦系统，可以通过改变透镜组之间的相对位置来改变整个物镜的焦距从而实现系统的变焦功能。通常，这种光学变焦系统采用凸轮机构、步进电机等机械部件进行位移控制，系统的成像质量、反应速度和变焦范围都受到很大限制。因此业内需要一种能够克服传统变焦系统缺陷的新型光学变焦器件。
在不考虑吸收的情况下，透镜可以看作是相位型衍射光学元件。而液晶空间光调制器作为一种光波的空间分布调制器件，具有连续的相位调制能力，故其可通过加载由计算机计算得到的不同焦距透镜的相位灰度图，来动态实现变焦距透镜功能，性能良好且装置简单。
由于受液晶空间光调制器的相位调制深度大小、实际相位调制度与透镜相位灰度图之间的非线性映射关系等因素的影响，加载到液晶空间光调制器的透镜相位灰度图中实际的相位调制与理想情况有偏差，导致光束的实际聚焦位置偏离理论设计的聚焦位置。然而，目前的液晶空间光调制器并没有考虑这一情况，默认实际的相位调制与理想情况是完全一致的，无法得到准确的聚焦位置，计算不够准确。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种计算准确和适应性广的，基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，包括：
S1、搭建光路系统，并根据搭建的光路系统标定所用液晶空间光调制器的相位调制度曲线，所述相位调制度曲线为液晶空间光调制器相位响应值与图像灰度值之间的关系曲线；
S2、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；
S3、根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线对所需焦距透镜的理想相位灰度图进行相位映射变换，得到修正的透镜相位图；
S4、根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向不同位置的光斑图像及光斑图像的光斑半径，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。
进一步，所述步骤S2，其包括：
S21、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，生成所需焦距透镜相位图；
S22、对所需焦距透镜相位图的相位值进行2π模除；
S23、将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，从而得到所需焦距透镜的理想相位灰度图。
进一步，所述步骤S3，其具体为：
对于生成的所需焦距透镜理想相位灰度图，根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线，查找其每个像素灰度值所对应的实际相位调制度并在所需焦距透镜理想相位灰度图中进行替换，从而得到修正的透镜相位图。
进一步，所述步骤S4，其包括：
S41、根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向设计焦距前后不同位置的光斑图像；
S42、对不同位置的光斑图像进行降噪预处理；
S43、计算不同位置光斑图像中光斑的中心位置与光斑半径大小；
S44、根据计算的光斑半径进行曲线拟合和插值处理，找出光斑半径最小值所对应的位置，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。
进一步，所述透镜相位分布函数的计算公式为：
其中，λ为入射光波的波长，f为透镜的焦距，x和y分别为透镜横截面离散化的横坐标值与纵坐标值。
进一步，所述液晶空间光调制器的器件参数包括入射波长、分辨率、像元尺寸和相位调制深度。
本发明的有益效果是：原理简单，对所使用的空间光调制器进行一次相位调制度的标定即可获得其相位调制度曲线，然后利用该相位调制度曲线能够快速计算得到基于液晶空间光调制器的可变焦透镜的实际焦距，计算准确；对空间光调制器相位的调制度曲线进行了标定，使得相位调制深度达不到2π的液晶空间光调制器，也可以采用本发明的方法计算液晶空间光调制器实现变焦透镜功能的实际聚焦位置，提高了光学变焦系统成像质量，适应性广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法的整体流程图；
图2为本发明步骤S2的流程图；
图3为本发明步骤S3的流程图；
图4为本发明透镜相位值2π模除的原理图；
图5为本发明标定透射式液晶空间光调制器相位调制度的光路系统原理图；
图6为本发明标定得到的透射式液晶空间光调制器相位调制度曲线；
图7为计算焦距的曲线拟合图；
图8为本发明透射式液晶空间光调制器变焦透镜焦距的实测光路系统原理图。
具体实施方式
参照图1，基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，包括：
S1、搭建光路系统，并根据搭建的光路系统标定所用液晶空间光调制器的相位调制度曲线，所述相位调制度曲线为液晶空间光调制器相位响应值与图像灰度值之间的关系曲线；
S2、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；
S3、根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线对所需焦距透镜的理想相位灰度图进行相位映射变换，得到修正的透镜相位图；
S4、根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向不同位置的光斑图像及光斑图像的光斑半径，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。
参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2，其包括：
S21、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，生成所需焦距透镜相位图；
S22、对所需焦距透镜相位图的相位值进行2π模除；
S23、将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，从而得到所需焦距透镜的理想相位灰度图。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3，其具体为：
对于生成的所需焦距透镜理想相位灰度图，根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线，查找其每个像素灰度值所对应的实际相位调制度并在所需焦距透镜理想相位灰度图中进行替换，从而得到修正的透镜相位图。
参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，其包括：
S41、根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向设计焦距前后不同位置的光斑图像；
S42、对不同位置的光斑图像进行降噪预处理；
S43、计算不同位置光斑图像中光斑的中心位置与光斑半径大小；
S44、根据计算的光斑半径进行曲线拟合和插值处理，找出光斑半径最小值所对应的位置，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。
其中，设计焦距是液晶空间光调制器的已知给定参数。
根据计算的光斑半径进行曲线拟合是指，对光斑图像中光斑半径随位置变化曲线进行拟合。
进一步作为优选的实施方式，所述透镜相位分布函数的计算公式为：
其中，λ为入射光波的波长，f为透镜的焦距，x和y分别为透镜横截面离散化的横坐标值与纵坐标值。
进一步作为优选的实施方式，所述液晶空间光调制器的器件参数包括入射波长、分辨率、像元尺寸和相位调制深度。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
本实施例对本发明基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法的相关理论及原理进行说明。
在理想情况下，入射光波通过不同厚度的透镜时，会产生不同的相位延迟，故可将透镜看作是相位型衍射屏。
在傍轴近似的条件下，由标量衍射理论可知，透镜的相位分布函数为：
本发明引入了光瞳函数P(x，y)来表示透镜的有限孔径，光瞳函数P(x，y)的表达式为：
因此透镜的复振幅透过率函数t(x，y)可以表示为：
其中，i表示虚数单位。
对于给定入射光波波长与透镜的焦距，对透镜沿x方向和y方向进行采样和量化，并根据透镜相位分布函数计算生成所需焦距的透镜相位图。
透镜透过率函数t(x，y)的复数部分以2π为周期，因此相位值可压缩在区间[0，2π]内，其透镜聚焦效果是一样的，其压缩公式为：
其中，
此时，透镜的复振幅透过率函数t′(x，y)为：
t′(x，y)＝P(x，y).exp[iΦ(x，y)] (4)
根据图4所示的2π模除原理图，将2π模除后的理想透镜相位值与256个灰度值进行线性映射，即[0，2π]线性对应[0，255]，可得理想透镜相位灰度图，将其加载至液晶空间光调制器即可实现变焦透镜功能，使入射平面波变为会聚球面波。
实施例二
本实施例以透射式液晶空间光调制器为例，对可变焦透镜实际焦距计算过程进行说明。
液晶空间光调制器具有相位调制特性，其加载灰度图后，会根据灰度图的灰度值控制液晶面板两端的电压值，使液晶分子的折射率发生变化，从而实现对入射光波的相位调制。根据透镜相位分布函数计算生成所需焦距的透镜相位图，然后对其相位分布函数值进行2π模除后与256个灰度值进行线性映射，得到理想透镜相位灰度图，最后将理想透镜相位灰度图加载至液晶空间光调制器即可实现变焦透镜的功能，使入射平面波变为会聚球面波。
但是，由于液晶空间光调制器相位调制深度不一定是理想的2π，而且其实际相位调制度与透镜相位灰度图之间是非线性映射关系，使得实际透镜相位灰度图对应的相位值会发生改变，影响了液晶空间光调制器作为变焦透镜功能的聚焦效果与聚焦位置。所以，首先需要标定所用液晶空间光调制器的相位调制度曲线，以减少相位调制深度的影响。
本发明基于透射式液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法为：
首先，采用如图5所示的光路系统来标定透射式液晶空间光调制器相位调制度的标定测试。
如图5所示，激光器101发出的激光光束依次经过连续可调衰减片102、扩束准直装置103、光阑104、起偏器105和分光棱镜一106后，激光光束分为两路线性偏振平行光。其中一路光束依次经过反射镜一107和分光棱镜二110，为参考光束，而另一路光束则依次经过反射镜二108、透射式液晶空间光调制器109和分光棱镜二110，为测量光束，两路光束汇合后发生干涉并经过检偏器111，由相机112采集得到光场分布，该过程通过计算机113对透射式液晶空间光调制器111和相机112进行控制。绕光轴旋转起偏器105和检偏器111，改变起偏器105的透光轴和检偏器111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且相位调制度最大，然后依次加载不同灰度图像(下半部分灰度值恒为0，上半部分灰度值变化范围为0～255)，通过测量上下部分条纹的相对移动量就可以得到透射式液晶空间光调制器的相位调制度曲线。标定测试得到的透射式液晶空间光调制器相位调制度曲线如附图6所示。图6的横轴为加载灰度图像的上半部分灰度值大小，变化范围为0～255，纵轴为实验标定测试的透射式液晶空间光调制器相位调制度，该透射式液晶空间光调制器的相位调制深度为1.34π。从图6可以看出，随着加载图像灰度值的增大，其相位调制度呈非线性关系增大。
接着，结合液晶空间光调制器器件参数和透镜相位分布函数得到修正的所需焦距透镜相位图。
本实施例计算所用透射式液晶空间光调制器的分辨率为1024×768，像元尺寸为26μm×26μm。根据液晶空间光调制器器件参数和透镜相位分布函数生成所需焦距透镜相位图后，对其相位值进行2π模除，即将透镜相位值压缩至区间[0，2π]，将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图。对于生成的所需焦距透镜理想相位灰度图，则根据液晶空间光调制器相位调制度曲线，查找其每个像素灰度值对应的实际相位调制度并进行替换，从而得到修正的所需焦距透镜相位图。
最后，基于光波的传输理论，采用修正的透镜相位图计算实际焦距的位置。
本发明采用修正的透镜相位计算沿光轴方向设计焦距前后不同位置的光斑图像。接着，对得到的光斑图像其进行图像预处理降噪，然后计算不同位置光斑图像中光斑的中心位置与半径大小。最后，对光斑图像中光斑半径随位置变化进行曲线拟合，并通过插值寻找出光斑半径最小值所对应的位置。光斑半径最小值所对应的位置即为焦距位置。
如图7所示的计算焦距曲线拟合图，其中，横坐标为沿光轴方向的位置，单位为毫米，纵坐标是归一化的光斑半径大小。透镜的设计焦距为600mm，利用修正的透镜相位图计算，并经曲线拟合和插值后，可得到实际基于透射式液晶空间光调制器的透镜焦距为607.2mm。
实施例三
采用如图8所示的光路系统实现基于透射式液晶空间光调制器的变焦透镜焦距测量，以验证本发明的方法。如图8所示，激光器101发出的激光光束依次经过连续可调衰减片102、扩束准直装置103、光阑104、起偏器105、透射式液晶空间光调制器109和检偏器111，围绕光轴旋转起偏器105和检偏器111，并由相机112采集得到光场分布，该过程通过计算机113对透射式液晶空间光调制器109和相机112进行控制。设定起偏器105的透光轴和检偏器111的透光轴之间的夹角为相位调制度标定时所确定的角度，从而使经检偏器透射出的光波强度不随相位调制度而变化且相位调制度最大，然后加载所需焦距的透镜相位灰度图至透射式液晶空间光调制器，并沿光轴方向前后移动相机112的位置，单位移动距离为1mm，采集不同位置光斑图像。最后，计算光斑半径大小，寻找光斑半径最小值所对应的位置，即为焦距。
其中，实际的测试数据表如下表1所示：
表1
由于透射式液晶空间光调制器的相位调制深度小于2π，而且相位调制度与透镜相位灰度图之间并非是线性对应关系，所以加载至透射式液晶空间光调制器的透镜相位灰度图实际对应的相位值会发生改变，导致实际焦距位置发生偏移。从上表1的数据可以得知，计算的焦距值和实际的焦距基本吻合，因此采用本发明的方法可以用于修正基于液晶空间光调制器所设计的实际焦距，提高光学变焦系统的成像质量。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，包括：
S1、搭建光路系统，并根据搭建的光路系统标定所用液晶空间光调制器的相位调制度曲线，所述相位调制度曲线为液晶空间光调制器相位响应值与图像灰度值之间的关系曲线；
S2、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；
其特征在于：该方法还包括以下步骤：
S3、根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线对所需焦距透镜的理想相位灰度图进行相位映射变换，得到修正的透镜相位图；
S4、根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向不同位置的光斑图像及光斑图像的光斑半径，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。
2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，其特征在于：所述步骤S2，其包括：
S21、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，生成所需焦距透镜相位图；
S22、对所需焦距透镜相位图的相位值进行2π模除；
S23、将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，从而得到所需焦距透镜的理想相位灰度图。
3.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，其特征在于：所述步骤S3，其具体为：
对于生成的所需焦距透镜理想相位灰度图，根据标定的液晶空间光调制器相位调制度曲线，查找其每个像素灰度值所对应的实际相位调制度并在所需焦距透镜理想相位灰度图中进行替换，从而得到修正的透镜相位图。
4.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，其特征在于：所述步骤S4，其包括：
S41、根据修正的透镜相位图计算沿光轴方向设计焦距前后不同位置的光斑图像；
S42、对不同位置的光斑图像进行降噪预处理；
S43、计算不同位置光斑图像中光斑的中心位置与光斑半径大小；
S44、根据计算的光斑半径进行曲线拟合和插值处理，找出光斑半径最小值所对应的位置，并以光斑半径最小值所对应的位置作为可变焦透镜的实际焦距。
5.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，其特征在于：所述透镜相位分布函数 的计算公式为：
；
其中，为入射光波的波长，f为透镜的焦距，x和y分别为透镜横截面离散化的横坐标值与纵坐标值。
6.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的可变焦透镜实际焦距计算方法，其特征在于：所述液晶空间光调制器的器件参数包括入射波长、分辨率、像元尺寸和相位调制深度。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 采用液晶空间光调制器的可控性阵列菲涅耳波带片;陈怀新、魏宏刚、陈祯培、吴科;《光子学报》;20010531;第30卷(第5期);第562-566页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104122609A (zh) | 2014-10-29 |
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