CN106444334A - 相位采集与同步精准调制的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相位采集与同步精准调制的装置和方法。激光器发出激光经相位型分束镜发生透射和折射，透射光作为物光，依次经半波片、散射介质后，再经第一反射镜反射到分束镜一侧；反射光作为参考光，经第二反射镜反射后，再经位相型电光调制器调制后入射到分束镜另一侧，两束光在分束镜中反射和投射，参考光和物光相重叠分别入射CCD相机和空间光调制器被接收；由CCD相机采集参考光和物光相干涉的光强分布，计算空间光调制器中每个像素点所需加载的相位，实现物光或参考光的精准相位调制。本发明能在测量空间光调制器面板光场相位分布的同时，实现高精度、高分辨率的相位调制，在医学成像、信息安全等诸多领域有着巨大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及光信息处理领域，尤其涉及了一种在相位采集的同时进行精准相位调制的装置和方法，实现光波面相位的快速准确高精度调制。
背景技术
光信息的获取和控制已成为现代光学技术的重要手段之一。随着光电技术的发展，光电系统对光束静态和动态控制的要求也越来越高。光束的控制包括光束的方向控制、波前相位控制、光强调制和滤波等，其中波前相位控制是光束偏转、光束整形、动态全息、自适应光学、激光光镊中的关键技术。随着波前相位控制技术的发展，用于波前校正的光电调制器应运而生，该器件由变形反射镜，发展到液晶电视，以及相位型液晶空间光调制器。其中液晶空间光调制器具有空间分辨率高、体积小、重量轻、功耗低的优势，近年来在波前控制和波前校正中的应用日益受到重视。
1971年美国休斯公司J.D.Margerum等人提出光导型透射式液晶光调制器，从此液晶器件在光学信息处理领域开始扮演着越来越重要的角色。之后T.D.Bemd等人研制出交流电压驱动的反射式读出液晶光阀；J.Grinberg等人又研制出使液晶工作于混合场效应的交流反射式液晶光阀。中国科学院西安光机所1990年研制的液晶光阀空间分辨率达到50lp/mm(每毫米50线)。1989年，日本掌握了薄膜晶体管液晶显示器生产技术，商用薄膜晶体管液晶显示器主要用于投影显示和液晶大屏幕投影电视，后来，有人开始利用其振幅及相位调制特性进行光学信号处理。
基于硅基板的液晶技术(Liquid Craytal on Silicon，LCoS)的出现为空间光调制器的发展提供了一个很好的平台，它融合了以单晶硅片为衬底的CMOS集成技术，和以透明导电平板为基底制作液晶封装盒的反射式液晶显示技术，具有小尺寸，高分辨率以及高光能利用率等优点。1992年美国BNS公司与科罗拉多大学共同开发了基于LCoS技术的电寻址128×128像素铁电液晶空间光调制器(FLC SLM)。该器件由于响应速度快，可以提供亚毫秒级的刷新率，因此该器件作为光学补偿器表现出较好的性能。1994年BNS公司借助于大规模集成技术(VLSI)制作液晶驱动电路，又相继开发了小尺度，高密度和高填充系数的256×256像素和512×512像素模拟式铁电液晶和向列液晶空间光调制器，用于相干光信息处理和实时波前补偿。1997年美国国防现代研究计划DARPA投资研制的4000fps模拟式512×512像素LCoS SLM问世。为实现对液晶空间光调制器在0～2π相位范围的连续控制，拓宽该器件在高精度、高分辨波前控制的应用，近年来美国BNS公司推出了采用向列相液晶材料的相位型液晶空间光调制器。美国Meadowlark optics公司也以其国际领先的技术提供线性1×128、1×256线阵和六边形单元Hex127两种几何结构的相位型液晶空间调制器，其可用光谱范围为450nm～1800nm，该类型器件被应用于光束偏转、地面望远镜的航天成像、通过体液的医学成像和高能激光的相位补偿等。
相位型液晶空间光调制器以其独有的优势展示了巨大的市场前景，它具有无机械惯性，成本低，体积小，功耗小，可靠性高，可编程控制，相移单元数量大，快速的开关速度，超低的能量吸收，高光学效率和高相位分辨率等特点。然而当用于光学图像加密、生物医学成像等领域时，空间光调制器很难实现像素级对准，进而实现高精度的相位调制。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种在相位采集的同时进行精准相位调制的装置和方法，与相位采集同步进行，能准确高精度光学相位调制。
本发明利用光场的相位提取技术获取物光波的相位信息，然后利用与CCD相机严格空间对称且像素匹配的高分辨率空间光调制器对物光或参考光进行精准相位调制，在医学成像、信息安全等诸多领域有着重要的应用价值。
本发明采用的具体技术方案是：
一、一种相位采集与同步精准调制的装置，包括：
CCD相机，与空间光调制器像元大小相同，用于记录物光与参考光干涉得到的数字全息图，利用光场的相位提取算法获取物光的相位信息；
计算机，对CCD相机采集到的信息进行处理，计算物光或参考光的调制相位，并控制空间光调制器进行相位调制；
空间光调制器，与CCD相机像元大小相同，加载所需的反射光相位与入射光原始相位的差值，实现物光或参考光的精准相位调制；
分束镜，分束和改变光束传播方向；
调节台，调节空间光调制器或CCD相机，使两者相对于分束镜严格空间对称并像素匹配；等。
首先需要调节空间光调制器或者CCD相机，使两者关于分束镜严格空间对称且像素匹配。调节过程可通过六维调节台实现，六维调节台可以调节空间光调制器或CCD相机的六个自由度，即沿x,y,z方向的位移和绕x,y,z轴的转动。首先调节CCD相机感光面和空间光调制器的面板，使两者中心与光束中心重合且距离相等、相互垂直，实现空间对称，然后在空间光调制器上加载特殊的调制相位，通过测量CCD相机的光强信息，调节CCD相机感光面或空间光调制器的面板，使两者达到像素匹配。
由于空间光调制器与CCD相机感光面的空间对称，物光的一部分在通过分束镜到达空间光调制器表面的同时，另一部分也通过分束镜反射到达CCD相机的感光面。同样，参考光的一部分在到达CCD相机感光面的同时，另一部分也到达空间光调制器的表面。物光与参考光的各一部分在空间光调制器和CCD相机感光面的表面分别发生干涉，且两干涉场的光强分布几乎完全相同。
二、一种相位采集与同步精准调制的方法：
采用上述装置，由CCD相机采集参考光和物光相干涉的光强分布，根据光强分布计算得到光场相位分布，并作为空间光调制器采集到的光场相位分布，进而计算空间光调制器中每个像素点所需加载的相位，实现物光或参考光的精准相位调制。
本发明利用光场的位相提取方法由CCD相机感光面的波形分布求出CCD相机表面光场的相位分布，由空间光调制器与CCD相机感光面的空间对称性可知，该位相分布即为空间光调制器表面的相位分布。
光场的位相提取有多种实现方式，这里以四步相移法来举例说明。参考光首先经过位相型电光调制器，通过改变施加电压控制参考光的位相延迟量分别为0、π、在CCD相机上依次记录对应的四幅数字全息图。由相位计算公式可以获取CCD相机感光面上物光的二维位相分布。
测得物光的相位信息后，就可求出物光或参考光所需的调制相位，如遮挡物光，将物光的相位加载到空间光调制器，可产生物光的相位共轭光，实现时间反演。在光学图像加密中，该方案首先可调节空间光调制器之间的像素匹配。另外如通过遮挡参考光，对物光相位信息进行两次随机相位调制，即可实现加密，而物光的调制相位即为秘钥。
遮挡参考光或物光，将物光或参考光所需的调制相位加载到空间光调制器。由于CCD相机感光面与空间光调制器的面板存在像素匹配关系，即CCD相机感光面与空间光调制器面板的每个像素关于分束镜成镜面对称，两者的像素点一一对应，因此，CCD相机感光面处测得的相位分布等价于空间光调制器面板的相位分布，而求出的物光或参考光所需的调制相位即为空间光调制器的调制相位。所以，即可由CCD相机感光面的干涉场光强分布控制空间光调制器的调制相位，对物光或参考光实现精准相位调制。
本发明方法中的相位记录和相位调制分别是在CCD相机和空间光调制器的两个不同元件上进行，如图1所示。因而就需要调节空间光调制器或CCD相机，使两者达到严格的空间对称和像素匹配。空间对称是指空间光调制器的面板和CCD相机的感光面相对于分束镜成严格的镜面对称关系；像素匹配是指CCD相机感光面上每个像元接收到的光场信息要通过点对点的方式无损地(或以最小的损失)转移、加载到空间光调制器上，且两个面板对应的每个像素点关于分束镜成镜面对称。
由于光的频率较高，现有仪器(CCD相机等)只能采集光场的强度信息，而无法直接获取其相位信息，因此，现阶段的相位提取技术都需要借助光电探测器面上测得的强度信息。光场的位相提取有多种实现方式，如：傅里叶变换法，规则化相位跟踪法，二步、三步、四步相移法等。这里以四步相移法来举例说明。如图2所示，参考光首先经过位相型电光调制器，通过改变施加电压控制参考光的位相延迟量分别为0、π、参考光和物光共同进入CCD相机的感光面发生干涉，在CCD相机上分别记录对应的四幅数字全息图并保存。由相位计算公式可以获取CCD相机感光面上物光的二维位相分布
其中，(x,y)表示CCD相机的像素坐标，I()表示某一相位时该坐标处的光强。
本发明方法可分别对物光或参考光的相位进行测量和精准调制。物光的相位调制需要在全息记录后遮挡参考光，将所需的物光相位分布与物光原相位分布的差加载到空间光调制器上，如图3所示，可获得振幅不变，相位精准调制的物光反射光；相反，参考光的相位调制需要在全息记录后遮挡物光，将所需反射光的相位分布直接加载到空间光调制器上，对近似于均匀平面波的参考光进行相位调制，如图4所示。对物光或参考光的精准相位调制可用于光学图像加密、生物医学成像等研究领域，详见具体实施例。
本发明的工作原理如下：
由于CCD相机感光面与空间光调制器面板的空间对称，因此，物光与参考光的干涉场在两者上的光强分布几乎相同，可认为CCD相机感光面的物光与参考光的相位分布等于两者在空间光调制器面板上的相位分布，所以可由CCD相机面板上的干涉场光强信息求出空间光调制器面板的相位信息。又因为CCD相机感光面与空间光调制器的面板像素匹配，即每个像素点一一对应，因而可以根据需要精确的求出空间光调制器每个像素点所需的调制相位。由于CCD相机和空间光调制器的像素匹配和高分辨率，将该调制相位加载到空间光调制器，对物光或参考光进行相位调制，即可实现两者的精准相位调制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明利用CCD相机感光面与空间光调制器面板的空间对称和相位匹配，实现空间光调制器表面光场的相位测量；
2、本发明可以实现物光或参考光的相位调制，调制相位可以为0～2π间的任意值；
3、本发明方案的相位调制是与相位采集同步进行的，且具有高精度、高分辨率等优点。
附图说明
图1是本发明方法的实现装置原理结构示意图；
图2是本发明利用四步相移法实现位相提取的装置实例图；
图3是利用本发明所述的相位调制方案实现物光精准相位调制的原理示意图；
图4是利用本发明所述的相位调制方案实现参考光精准相位调制的原理示意图；
图5是双随机相位编码系统原理图；
图6是本发明具体实施示例1的光学图像加密示意图；
图7是具体实施示例1的光学图像加密模拟结果图；
图8是本发明具体实施示例2的生物医学成像示意图。
图中：1、激光器，2、相位型分束镜，3、半波片，4、散射介质，5、反射镜，6、位相型电光调制器，7、分束镜，8、第二反射镜，9、空间光调制器，10、CCD相机，11、挡光板，12、透镜。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，本发明包括激光器1、相位型分束镜2、半波片3、散射介质4、第一反射镜5、位相型电光调制器6、分束镜7和第二反射镜8，激光器1出射端前方依次置有相位型分束镜2、半波片3和第一反射镜5，散射介质4位于半波片3和第一反射镜5之间，主要由相位型分束镜2、半波片3、散射介质4和第一反射镜5形成物光光路；物光光路的侧方布置第二反射镜8、位相型电光调制器6和分束镜7，分束镜7两侧分束输出端分别置有空间光调制器9和CCD相机10替换，空间光调制器9和CCD相机10均与计算机连接，主要由相位型分束镜2、第二反射镜8、位相型电光调制器6和分束镜7形成参考光光路。
激光器1发出激光经相位型分束镜2发生透射和折射，相位型分束镜2的透射光作为物光，依次经半波片3、散射介质4后，再经第一反射镜5反射到分束镜7一侧的输入端面；相位型分束镜2的反射光作为参考光，经第二反射镜8反射后，再经位相型电光调制器6调制后入射到分束镜7另一侧的输入端面；入射到分束镜7的参考光和物光的两束光在分束镜7中均发生反射和投射，参考光的透射光和物光的反射光相重叠并入射到CCD相机10被接收，参考光的反射光和物光的透射光相重叠并入射到空间光调制器9被接收。
CCD相机10与空间光调制器9以分束镜7的分束面为空间对称并且采集的图像像素相同，从而使两者达到严格的空间对称和像素匹配，即空间光调制器面板和CCD相机感光面上的每个像素点相对于分束镜成严格的镜面对称关系。
参考光和物光从分束镜7相邻的两侧入射到分束镜7的分束面上，并且入射角为严格的45度。
本发明的实施例及其实施过程如下：
实施例1
光学图像加密技术最经典的系统之一是1995年提出的双随机相位编码系统，该系统通过两次随机相位扰乱使密文具有白噪声的性质，其原理图如图5所示。首先对明文进行空间域的随机相位调制，然后将调制后的信息经傅里叶变换到频率域，再经过频率域的随机相位调制后，结果的空间域分布即呈现白噪声的性质，实现加密，而解密过程即为加密过程的逆过程。传统的解密办法是采用原系统利用逆向平行光照射密文。而在数字双随机相位加密系统中，加密过程中的两随机相位板(空间光调制器)需达到像素匹配，秘钥才能为加载值，否则，将不能利用秘钥实现密文的解密。利用本发明提出的相位采集和实时精准调制装置和方法可以实现这一目的。
过程是如图6所示，采集前，需要调节CCD相机感光面与空间光调制器面板关于分束镜空间对称并像素匹配，调节过程通过六维调节台实现。先调节CCD相机感光面和空间光调制器的面板，使两者中心与光束中心重合且距离相等、相互垂直，实现空间对称。然后在空间光调制器上加载特殊的调制相位，通过测量CCD相机的光强信息，调节CCD相机感光面或空间光调制器的面板，使两者达到像素匹配。
然后让平面波经过第一个空间光调制器进行随机相位调制，并引入参考光，在CCD相机的感光面上发生干涉，由CCD相机记录干涉场的光强信息。
利用位相提取方法获取CCD相机表面的相位信息，将该相位信息和第一个空间光调制器加载的调制相位进行对比，同时调节CCD相机的感光面和空间光调制器的面板，直至CCD相机与第一个空间光调制器像素匹配。此时，两空间光调制器即实现像素匹配。利用匹配的空间光调制器进行双随机相位编码加密的模拟，采用激光器波长为633nm，相位型空间光调制器和CCD的像素均为1920×1080，像素大小8.0um，结果如图7所示，其中(a)图为明文(1080×1080)，(b)图为密文，(c)图为解密结果，当空间光调制器没有进行匹配操作时，解密结果为白噪声，如(d)所示。
实施例2
实施例2用于生物医学成像领域，实现时间反演。
过程是如图8所示，物光经过散射介质散射后与参考光在CCD相机感光面和空间光调制器面板均发生干涉。由于CCD相机感光面与空间光调制器面板关于分束镜空间对称且像素匹配，因此可认为CCD相机感光面与空间光调制器面板的每个像素点干涉场的光强分布相同，即相位分布是相同的，因此可以测得空间光调制器面板上的相位分布。
若要实现时间反演，需使空间光调制器的反射光与入射光成相位共轭关系。可以遮挡物光，将测得的相位分布加载到空间光调制器对参考光进行调制，获得振幅均匀但与物光相位共轭的时间反演光，聚焦于物光散射前的聚焦点；或者遮挡参考光，求出空间光调制器所需的调制相位
其中，φ0为测得的空间光调制器面板上的相位分布，然后对物光进行调制，获得与物光相位共轭的时间反演光。
反演光经分束镜出射后，再经透镜12、散射介质4后到挡光板1，实现聚焦。
Claims (8)
1.一种相位采集与同步精准调制的装置，其特征在于：包括激光器(1)、相位型分束镜(2)、半波片(3)、散射介质(4)、第一反射镜(5)、位相型电光调制器(6)、分束镜(7)和第二反射镜(8)，激光器(1)出射端前方依次置有相位型分束镜(2)、半波片(3)和第一反射镜(5)，散射介质(4)位于半波片(3)和第一反射镜(5)之间，主要由相位型分束镜(2)、半波片(3)、散射介质(4)和第一反射镜(5)形成物光光路；物光光路的侧方布置第二反射镜(8)、位相型电光调制器(6)和分束镜(7)，分束镜(7)两侧分束输出端分别置有空间光调制器(9)和CCD相机(10)替换，空间光调制器(9)和CCD相机(10)均与计算机连接，主要由相位型分束镜(2)、第二反射镜(8)、位相型电光调制器(6)和分束镜(7)形成参考光光路。
2.根据权利要求1所述的一种相位采集与同步精准调制的装置，其特征在于：所述的激光器(1)发出激光经相位型分束镜(2)发生透射和折射，相位型分束镜(2)的透射光作为物光，依次经半波片(3)、散射介质(4)后，再经第一反射镜(5)反射到分束镜(7)一侧的输入端面；相位型分束镜(2)的反射光作为参考光，经第二反射镜(8)反射后，再经位相型电光调制器(6)调制后入射到分束镜(7)另一侧的输入端面；入射到分束镜(7)的参考光和物光的两束光在分束镜(7)中均发生反射和投射，参考光的透射光和物光的反射光相重叠并入射到CCD相机(10)被接收，参考光的反射光和物光的透射光相重叠并入射到空间光调制器(9)被接收。
3.根据权利要求1所述的一种相位采集与同步精准调制的装置，其特征在于：所述的CCD相机(10)与空间光调制器(9)以分束镜(7)的分束面为空间对称并且采集的图像像素相同。
4.根据权利要求1所述的一种相位采集与同步精准调制的装置，其特征在于：所述的参考光和物光从分束镜(7)相邻的两侧入射到分束镜(7)的分束面上，并且入射角为45度。
5.一种相位采集与同步精准调制的方法，其特征在于：
采用权利要求1-4任一所述装置由CCD相机采集参考光和物光相干涉的光强分布，根据光强分布计算得到光场相位分布，并作为空间光调制器采集到的光场相位分布，进而计算空间光调制器中每个像素点所需加载的相位，实现物光或参考光的精准相位调制。
6.根据权利要求5所述的一种相位采集与同步精准调制的方法，其特征在于具体步骤如下：
1)在空间光调制器面板和CCD相机感光面上的每个像素点相对于分束镜的分束面成准确的镜面对称关系条件下，利用CCD相机采集参考光的透射光和物光的反射光相干涉的干涉全息图(干涉场的光强分布)，再由相位提取方法获取CCD相机感光面上物光的二维位相分布，
2)然后利用物光的二维位相分布根据所需出射光的相位计算空间光调制器每个像素点所需加载的调制相位；
3)遮挡参考光或者物光，进而分别实现物光或者参考光的精准相位调制。
7.根据权利要求6所述的一种相位采集与同步精准调制的方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：
遮挡参考光所在的光路，将所需加载的调制相位加载到空间光调制器上，使得空间光调制器调制后的出射光为所需出射光，其相位满足需求，从而实现物光的精准相位调制；
或者遮挡物光所在的光路，将所需加载的调制相位加载到空间光调制器上，使得空间光调制器调制后的出射光为所需出射光，其相位满足需求，从而实现参考光的精准相位调制。
8.根据权利要求6所述的一种相位采集与同步精准调制的方法，其特征在于：所述的相位提取方法采用四步相移法等。
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