CN106444012B - 实现空间光幅度相位高精度调制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现空间光幅度相位高精度调制的装置及方法，包括：激光源、空间光调制器、两个焦距相同的傅里叶透镜、矩形孔、CCD以及波前探测器；激光源产生的平行激光依次经过空间光调制器、第一块傅里叶透镜、矩形孔、第二块傅里叶透镜后到达CCD或波前探测器，空间光调制器用于通过空间光调制器上的编码信息将平行激光进行幅度调制；第一块傅里叶透镜用于对幅度调制后的激光进行一次傅里叶变换处理；矩形孔用于滤掉一半的频谱；第二块傅里叶透镜用于对滤波处理的激光进行一次反傅里叶变换；CCD和波前探测器用于得到调制后激光的幅度和相位。本发明中的装置具有更高的调制精度，幅度调制和相位调制相互独立且调制精度不受分辨率的影响。

Description

实现空间光幅度相位高精度调制的装置及方法

技术领域

本发明涉及空间光幅度相位高精度调制的领域，具体地，涉及一种实现空间光幅度相位高精度调制的装置及方法。

背景技术

空间光幅度相位调制研究是最近些年来非常热门的研究方向，该研究方向发展很快的原因是该方向有着非常广泛的应用，如全息成像，光学显微学，生物医学，雷达信号处理等领域。其中在光学显微学和雷达信息处理的应用，对空间光幅度相位调制技术有高精度的要求，该技术的精度直接影响到成像的质量和精度。由此可见，对空间光幅度相位高精度调制的研究是很具有实际意义的。

目前经典的空间光幅度相位调制的方法有三种，分别是超像素法，数字全息法和联合调制法。超像素法是将空间光调制器的m*n个像素单元组成一个超像素单元。每一个超像素单元的值是其中的m*n个像素的矢量叠加，每一个超像素单元可以同时并且独立的调制光的幅度和相位。该方法优点是精度较高，缺点是分辨率较低。该方法是通过降低分辨率来获得更高的自由度，从而获得更高的精度，因此，在保证一定分辨率的情况下，无法达到非常高的精度。数字全息法是通过形成和重构两部分来实现相位和幅度的调制的，其中最为人所熟知的是LEE全息，该方法可以实现空间光的高精度调制。该方法的优点在于分辨率较高，缺点是强度场受噪声影响严重，而且对于纯相位的目标场不能很好的重构出。联合调制法是利用两个空间光调制器根据几何关系来实现空间光幅度相位调制。该方法原理简单，光路简单，缺点是精度较低，价格昂贵。为了提高精度，解决经典方法的不足与缺陷，本发明提出了一种全新的实现空间光幅度相位高精度调制的方法。

本发明提出的一种实现空间光幅度相位高精度调制的新方法是基于光学上离轴的4-f系统和滤波技术来实现的。该方法的优势是精度较高，分辨率较高，幅度调制和相位调制是同时的，独立的。该方法的精度只受限于幅度型空间光调制器的量化精度，量化精度越高，该方法的调制精度越高，并与分辨率无关。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种实现空间光幅度相位高精度调制的装置及方法。

根据本发明提供的实现空间光幅度相位高精度调制的装置，包括：激光源、空间光调制器、矩形孔、CCD以及波前探测器，还包括两块焦距相同的傅里叶透镜，分别记为第一块傅里叶透镜、第二块傅里叶透镜；所述激光源产生的平行激光依次经过空间光调制器、第一块傅里叶透镜、矩形孔、第二块傅里叶透镜后到达CCD或波前探测器；其中：

所述激光源，用于产生平行光的激光；

所述空间光调制器，用于通过空间光调制器上的编码信息将平行激光进行幅度调制；

所述第一块傅里叶透镜，用于对幅度调制后的激光进行一次傅里叶变换处理；

所述矩形孔，用于滤掉一半的频谱；

所述第二块傅里叶透镜，用于对滤波处理的激光进行一次反傅里叶变换，并在输出面输出符合目的场要求的场；

所述CCD和波前探测器，用于得到调制后激光的幅度和相位。

优选地，所述空间光调制器上加载编码的方式是：通过已知目的场场函数求得目的场的频谱和共轭对称频谱，将两个频谱关于纵轴对称放置构造出空间光调制器编码频谱，从而得到空间光调制器的编码。

优选地，所述空间光调制器为幅度型空间光调制器，能够实现空间光的幅度调制，量化精度要求高于等于8bit；具体地，所述幅度型空间光调制器包括：幅度型液晶空间光调制器，数字微镜器件DMD。

优选地，只有所述空间光调制器的量化精度能够决定空间光幅度相位的调制精度。

根据本发明提供的实现空间光幅度相位高精度调制的方法，包括如下步骤：

步骤1：构建空间光幅度相位高精度调制的光路系统；

步骤2：计算加载在幅度型空间光调制器上的编码；

步骤3：在幅度型空间光调制器上加载编码，并获得幅度调制和相位调制结果。

优选地，所述步骤1包括：设置一个激光源用于生成平行激光，使得所述平行激光依次经过空间光调制器、第一块傅里叶透镜、矩形孔、第二块傅里叶透镜后到达CCD或波前探测器；

所述空间光调制器，用于通过空间光调制器上的编码信息将平行激光进行幅度调制；

所述第一块傅里叶透镜，用于对幅度调制后的激光进行一次傅里叶变换处理；

所述矩形孔，用于滤掉一半的频谱；

所述第二块傅里叶透镜，用于对滤波处理的激光进行一次反傅里叶变换，并在输出面输出符合目的场要求的场；

所述CCD和波前探测器，用于得到调制后激光的幅度和相位。

优选地，所述步骤2包括：根据已知的目的场场函数，求得加载在幅度型空间光调制器上的编码，具体理论推导如下：

若幅度型空间光调制器的量化精度是8bit，则已知加载在幅度型空间光调制器上的编码是0-255的256个整数的值，且为实数，目的场场函数是复数；若目的场场函数记为f(x,y)，f(x,y)的值是复数；目的场的频谱函数记为F(u,v)，对应共轭对称频谱函数记为F^*(-u,-v)；幅度型空间光调制器上加载的理论编码函数记为c(x,y)，对应频谱函数记为C(u,v)，则对应左右频谱函数分别记为C₁(u,v)和C₂(u,v)；幅度型空间光调制器上加载的量化编码函数记为c′(x,y)；输出面场函数为f′(x,y)；假设激光源出射的平行光幅度设为1；

平行光经过幅度型空间光调制器理论编码的幅度调制后幅度为c(x,y)，经过第一块傅里叶透镜后得到频谱C(u,v)，则，

C(u,v)＝∫∫c(x,y)e^-j2πuxe^-j2πvydxdy

将频谱C(u,v)矩阵分成左右两部分，分别为C₁(u,v)和C₂(u,v)，则，

C₁(u,v)＝F^*(-u,-v)

令C₂(u,v)＝F(u,v)

利用矩形小孔将左半边的频谱滤掉留下右边的频谱，并经过第二块傅里叶透镜后得到输出面场函数为f′(x,y)，计算公式如下：

式中x、y表示时域的两个变量，u、v表示频域的两个变量，由于量化精度要求，则c(x,y)量化后编码c′(x,y)是加载在空间光调制器真正编码。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的实现空间光幅度相位高精度调制的方法是基于光学上离轴的4-f系统和滤波技术，利用幅度型空间光调制器来实现调制；调制精度更高，且调制精度不受分辨率的影响，幅度调制和相位调制是同时且独立的。本发明中的方法更符合工程应用的要求，同时该方法为全息成像，光学显微学，生物医学，雷达信号处理的研究奠定了技术基础。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实现空间光幅度相位高精度调制方法的光路原理装置框图。

图2为光学4-f系统的光路原理示意图。

图3为离轴的光学4-f系统的光路原理示意图。

图中：

1-透镜；

2-矩形孔；

3-输出面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实现空间光幅度相位高精度调制的装置，包括一个能够产生平行光的激光源，一个幅度型空间光调制器，两个焦距相同的傅里叶透镜，一个矩形孔，一个CCD(ChargeCoupled Device，电荷藕合器件图像传感器)，一个波前探测器。其结构是一个光学上的离轴的4-f系统。幅度型空间光调制器的功能是实现空间光的幅度调制，量化精度要求高于等于8bit,如幅度型液晶空间光调制器，数字微镜器件(DMD)等。具体实现是激光源产生平行光照在空间光调制器上，利用空间光调制器上的编码信息将平行光进行幅度调制，然后经过第一块傅里叶变换透镜进行一次傅里叶变换，然后经过矩形孔滤掉一半的频谱，然后经过第二块傅里叶透镜，进行一次反傅里叶变换，然后在输出面得到目的场所要求的高精度的幅度相位调制后的场。如图1所示。

一种实现空间光幅度相位高精度调制的方法，采用上述的装置来完成。幅度型空间光调制器上加载编码的原理是已知目的场场函数，求得目的场的频谱和共轭对称频谱，将两个频谱关于纵轴对称放置构造出幅度型空间光调制器的编码频谱，从而得到幅度型空间光调制器编码。然后利用幅度型空间光调制器上编码信息对平行光进行幅度调制，经过傅里叶变换求得频谱，利用矩形孔滤掉频谱的一半，在经过反傅里叶变换得到输出面的场函数，从而实现空间光幅度相位高精度调制的要求。

幅度型空间光调制器上加载的编码与目的场场函数之间的关系，具体理论推导如下，若幅度型空间光调制器的量化精度是8bit,则已知加载在幅度型空间光调制器上的编码是0-255的256个整数的值，为实数；目的场场函数是复数；若目的场场函数是f(x,y)，f(x,y)值是复数；目的场的频谱函数是F(u,v)，其共轭对称频谱函数是F^*(-u,-v)；幅度型空间光调制器上加载的理论编码函数是c(x,y)，频谱函数是C(u,v)，其左右频谱函数为C₁(u,v)和C₂(u,v)，幅度型空间光调制器上加载的量化编码函数是c′(x,y)，输出面场函数为f′(x,y)；假设激光源出射的平行光幅度设为1。

平行光经过幅度型空间光调制器编码的幅度调制后幅度为c(x,y)，经过第一块傅里叶透镜后得到频谱C(u,v)，则，

C(u,v)＝∫∫c(x,y)e^-j2πuxe^-j2πvydxdy

将频谱C(u,v)矩阵分成左右两部分，分别为C₁(u,v)和C₂(u,v)，则，

C₁(u,v)＝F^*(-u,-v)

令C₂(u,v)＝F(u,v)

然后利用矩形小孔，将左半边的频谱滤掉，留下右边的频谱，然后经过第二块傅里叶透镜，得到输出面场函数为f′(x,y)，则

式中：x、y表示时域的两个变量，u、v表示频域的两个变量。

由此可见，输出面场函数就是目的场场函数，完全精确没有误差。上面的推导过程是由空间光调制器的编码推导到输出面结果，上面的推导过程是完全可逆的，因此，可以通过目的场函数推导出幅度型空间光调制器上的编码c(x,y)。由于幅度型空间光调制器上只能加载0-255的值，因此，我们需要将c(x,y)量化得到量化编码c′(x,y)。c′(x,y)是真正加载在幅度型空间光调制器上的数值。由于量化误差，导致最终的调制结果有误差，由此可见本发明提供的空间光幅度相位调制精度只与量化误差有关，且量化误差越小，则调制精度越高。

按照上面推导提供的编码方式可知，频谱是由两部分组成，且左右两部分频谱是共轭对称关系，因此整个频谱C(u,v)是共轭对称的。由定理可知，实数函数的频谱一定是共轭对称的。因此将频谱C(u,v)对应的时域函数c(x,y)一定是实数函数，不是复数函数。由于幅度型空间光调制器只能加载实数，不能加载复数，由此可见，本发明提供编码方式是可以加载在幅度型空间光调制器上的。

本发明所提供的实现空间光幅度相位高精度调制方法是以幅度型空间光调制器加载编码作为输入，通过光学上离轴的4-f系统和滤波技术，在输出面可以得到空间光幅度相位高精度的调制结果，并通过CCD和波前探测器得到幅度结果和相位结果。与传统方法相比，精度较高，分辨率较高，幅度调制和相位调制是同时的，独立的。该方法的精度只受限于幅度型空间光调制器的量化精度，其量化精度越高，该方法的调制精度越高，并与分辨率无关。同时该方法为全息成像，光学显微学，生物医学，雷达信号处理的研究奠定了技术基础。

下面结合具体实施例对本发明的进行详细的说明。

实现空间光幅度相位高精度调制技术的具体实施方案如下：

步骤S1：准备一个可以产生平行光的激光器，一个幅度型空间光调制器，一个有固定尺寸的矩形孔，两个等焦距的傅里叶透镜，一个CCD，一个波前探测器。

步骤S2：按照图1的装置光路图来搭建光路，并调试光路。若幅度型空间光调制器选择的是DMD，搭建光路时要注意的一点是DMD有工作状态和非工作状态两种状态，工作状态与非工作状态的镜面成12度，光路对准时要求光束要与DMD工作状态下的镜面成垂直入射的关系。

步骤S3：计算加载在幅度型空间光调制器上的编码：基于发明研究中的理论推导，根据已知的目的场场函数，求得加载在幅度型空间光调制器上的编码。

步骤S4：空间光幅度相位高精度调制结果的获得：在幅度型空间光调制器上加载编码，通过搭建好的光路，输出面上可以得到调制结果。在输出面上放置CCD和波前探测器，可以分别得到幅度调制和相位调制结果。

空间光幅度相位调制是指：应用某种物理方法改变光波的振幅，相位，频率，强度等参量之一，使其按照调制信号的规律变化，就称空间光光束调制。

空间光幅度调制指的是光波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡。

空间光相位调制指的是光波的相位随着调制信号的规律而变化的振荡。

经典4-f系统的简单原理是两个焦距为f的透镜，相距2f，物距为f，相距也为f，所以是4-f系统。如图2所示。焦距相等的两个透镜L1，L2，分别实现傅里叶变换和反傅里叶变换的作用，输入面记为(x₀,y₀)，输出面记为(x₂,y₂)，频谱面或者滤波面记为(x₁,y₁)。

离轴4-f系统指的是在经典的4-f系统基础上，令两个透镜不共轴，此时即为离轴4-f系统。如图3所示。

实现空间光幅度相位高精度调制方法如下：

实现空间光幅度相位高精度调制的原理是由已知目的场场函数求得目的场的频谱和共轭对称频谱，将两个频谱关于纵轴对称放置构造出空间光调制器编码频谱，从而得到空间光调制器的编码。然后利用空间光调制器上的编码信息对平行光进行幅度调制，经过傅里叶变换求得频谱，利用矩形孔滤掉频谱的一半，在经过反傅里叶变换得到输出面的场函数，从而实现空间光幅度相位高精度调制的要求。

幅度型空间光调制器的说明

空间光调制器，其英文名称是spatial light modulator,即SLM。它是一种对光波的空间分布进行调制的器件，具有能实时的在空间上调制光束的功能，使其成为构成实时光学信息处理，光计算等系统的关键器件。幅度型空间光调制器可以使光波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡的空间光调制器。本发明要求量化精度高于等于8bit的幅度型空间光调制器，量化精度越高越好，如幅度型液晶空间光调制器，数字微镜器件(DMD)等。

液晶型空间光调制器，具有空间分辨率高，响应速度快，功耗小，体积小，抑郁光电接口等特点，因此广泛应用于光信息处理等领域。幅度型液晶空间光调制器可以实现8bit的量化精度。

DMD，即数字微镜器件，由许多个微小的可转动的方形反射镜片(简称微镜)按行列紧密排列在一起贴在一块硅片上形成的，每一个微镜都对应着生成图像的一个像素。其基本原理是，光束投射在DMD器件上，通过控制微镜的转动，来实现光束幅度调制。DMD工作有两种工作模式，一种是0-1模式，0和1分别代表“关”和“开”分别代表微镜翻转到-12度和+12度，在与+12度平行的接收面上，0和1代表暗和亮两种灰度。另一种是多灰度模式，就是利用“开”，“关”两种状态的时间比不同，形成256阶灰度。本发明要利用DMD的多灰度工作模式。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种实现空间光幅度相位高精度调制的装置，其特征在于，包括：激光源、空间光调制器、矩形孔、CCD以及波前探测器，还包括两块焦距相同的傅里叶透镜，分别记为第一块傅里叶透镜、第二块傅里叶透镜；所述激光源产生的平行激光依次经过空间光调制器、第一块傅里叶透镜、矩形孔、第二块傅里叶透镜后到达CCD或波前探测器；其中：

所述激光源，用于产生平行光的激光；

所述空间光调制器，用于通过空间光调制器上的编码信息将平行激光进行幅度调制；

所述第一块傅里叶透镜，用于对幅度调制后的激光进行一次傅里叶变换处理；

所述矩形孔，用于滤掉一半的频谱；

所述第二块傅里叶透镜，用于对滤波处理的激光进行一次反傅里叶变换，并在输出面输出符合目的场要求的场；

所述CCD和波前探测器，用于得到调制后激光的幅度和相位；

所述空间光调制器上加载编码的方式是：通过已知目的场场函数求得目的场的频谱和共轭对称频谱，将两个频谱关于纵轴对称放置构造出空间光调制器编码频谱，从而得到空间光调制器的编码。

2.根据权利要求1所述的实现空间光幅度相位高精度调制的装置，其特征在于，所述空间光调制器为幅度型空间光调制器，能够实现空间光的幅度调制，量化精度要求高于等于8bit；具体地，所述幅度型空间光调制器为幅度型液晶空间光调制器或数字微镜器件DMD。

3.根据权利要求1所述的实现空间光幅度相位高精度调制的装置，其特征在于，只有所述空间光调制器的量化精度能够决定空间光幅度相位的调制精度。

4.一种实现空间光幅度相位高精度调制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建空间光幅度相位高精度调制的光路系统；

步骤2：计算加载在幅度型空间光调制器上的编码；

步骤3：在幅度型空间光调制器上加载编码，并获得幅度调制和相位调制结果；

所述步骤1包括：设置一个激光源用于生成平行激光，使得所述平行激光依次经过空间光调制器、第一块傅里叶透镜、矩形孔、第二块傅里叶透镜后到达CCD或波前探测器；

所述空间光调制器，用于通过空间光调制器上的编码信息将平行激光进行幅度调制；

所述第一块傅里叶透镜，用于对幅度调制后的激光进行一次傅里叶变换处理；

所述矩形孔，用于滤掉一半的频谱；

所述第二块傅里叶透镜，用于对滤波处理的激光进行一次反傅里叶变换，并在输出面输出符合目的场要求的场；

所述CCD和波前探测器，用于得到调制后激光的幅度和相位；

所述步骤2包括：根据已知的目的场场函数，求得加载在幅度型空间光调制器上的编码，具体理论推导如下：

若幅度型空间光调制器的量化精度是8bit，则已知加载在幅度型空间光调制器上的编码是0-255的256个整数的值，且为实数，目的场场函数是复数；若目的场场函数记为f(x,y)，f(x,y)的值是复数；目的场的频谱函数记为F(u,v)，对应共轭对称频谱函数记为F^*(-u,-v)；幅度型空间光调制器上加载的理论编码函数记为c(x,y)，对应频谱函数记为C(u,v)，则对应左右频谱函数分别记为C₁(u,v)和C₂(u,v)；幅度型空间光调制器上加载的量化编码函数记为c′(x,y)；输出面场函数为f′(x,y)；假设激光源出射的平行光幅度设为1；

平行光经过幅度型空间光调制器理论编码的幅度调制后幅度为c(x,y)，经过第一块傅里叶透镜后得到频谱C(u,v)，则，

C(u,v)＝∫∫c(x,y)e^-j2πuxe^-j2πvydxdy

将频谱C(u,v)矩阵分成左右两部分，分别为C₁(u,v)和C₂(u,v)，则，

C₁(u,v)＝F^*(-u,-v)

令C₂(u,v)＝F(u,v)

利用矩形小孔将左半边的频谱滤掉留下右边的频谱，并经过第二块傅里叶透镜后得到输出面场函数为f′(x,y)，计算公式如下：

式中x、y表示时域的两个变量，u、v表示频域的两个变量，由于量化精度要求，则c(x,y)量化后编码c′(x,y)是加载在空间光调制器真正编码。