CN107941470A - 一种测量空间光调制器相位调制特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量空间光调制器相位调制特性的装置及方法，包括激光器和空间光调制器，在激光器和空间光调制器之间依次设置有用于扩束的显微物镜，准直透镜，用于将任意偏振态的光转变为线偏振光的起偏器以及分光镜，分光镜用于透过经起偏器的光，并反射经空间光调制器出来的光束，空间光调制器连接有计算机用于加载组合模式灰度图，计算机连接有用于采集干涉条纹图的CCD相机。本发明采用对空间光调制器加载组合模式灰度图的方式，利用液晶闪耀光栅，增强条纹对比度，自干涉法减小了空气湍流的影响，得到的条纹质量更高，且不需要复杂的光学元件，能准确测量大角度入射范围下空间光调制器的相位调制特性。

Description

一种测量空间光调制器相位调制特性的装置及方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，具体涉及一种测量空间光调制器相位调制特性的装置及方法。

背景技术

液晶空间光调制器(LC-SLM)具有体积小、空间分辨率高、功耗低、光能损失小和可编程控制等优点。在无线激光通信、自适应光等领域被广泛应用，作为现代光学领域中的关键器件，它的光调制特性越来越为人们所关注。

目前LC-SLM大多是在入射偏振光垂直入射下使用的，而当入射偏振光以一定的角度斜入射到LC-SLM上能够获得更强的反射光强，可解决分光器件带来的光强损失问题。传统的相位调制特性方法如偏光干涉法、双孔干涉法、泰曼-格林法都是测量垂直入射下的相位调制特性，关于斜入射下相位调制特性相关研究较少，主要采用偏光干涉法和Zygo干涉仪法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种简便地实现不同角度下(正入射和斜入射)对LC-SLM的相位调制特性的测量装置及方法，通过在液晶空间光调制器上加载组合模式灰度图，利用自干涉法，与其他实验装置相比，装置简便，操作简单，能够减小空气扰动等对测量的影响，提高了稳定性。

本发明采用以下技术方案：

一种用于测量空间光调制器相位调制特性的装置，包括激光器和空间光调制器，在激光器和空间光调制器之间依次设置有用于扩束的显微物镜，准直透镜，用于将任意偏振态的光转变为线偏振光的起偏器以及分光镜，分光镜用于透过经起偏器的光，并反射经空间光调制器出来的光束，空间光调制器连接有计算机用于加载组合模式灰度图，计算机连接有用于采集干涉条纹图的CCD相机。

具体的，在显微物镜和准直透镜之间设置有用于对显微物镜扩束后光进行滤波的针孔，针孔用于使扩束后的光束覆盖空间光调制器的靶面。

具体的，准直透镜距离针孔的距离为准直透镜焦距的150mm，用于使扩束后的光束完全覆盖空间光调制器的靶面。

具体的，在准直透镜与起偏器之间设置有用于改变沿入射光路照向空间光调制器光束尺寸的光阑。

具体的，空间光调制器下部设置有用于调整光束入射角度的旋转台。

一种用于测量空间光调制器相位调制特性装置的方法，包括以下步骤：

S1、选择测量空间光调制器相位调制特性区域，根据空间光调制器的参数设计，编码生成对应其像素的组合模式灰度图；

S2、调整旋转台，得到预设的入射角度，启动激光器，激光器预热稳定后，从激光器出射的激光束入射到显微物镜进行扩束，并通过针孔滤波后入射到准直透镜，经准直透镜成平行光束后通过光阑消除杂光，光束入射到偏振器，得到振动方向平行于液晶分子的线偏振光，偏振光通过分光镜入射到空间光调制器，然后由液晶闪耀光栅衍射的+1级光与经过相位调制但未偏转的出射光束经分光镜反射到CCD相机上，根据斜入射式的衍射公式和空间几何关系，找出0级光和+1级光的干涉位置，通过CCD相机分别采集液晶闪耀光栅衍射的+1级光和经过相位调制的出射光束干涉产生的条纹图；

S3、对采集到的干涉条纹进行图像后处理，通过条纹的相对移动，使用傅里叶变换位相分析法计算测量区域的相位调制量，通过傅里叶变换及傅里叶反变换得到干涉条纹的待测相位公式，使用减基准条纹法消除载频引起的位相以及成像畸变引起的位相，得到上下两部分条纹相应的待测相位，两组条纹相位作差求得相移量即得到相位调制的大小，通过调整不同的入射角度可以获得不同入射角下空间光调制器的相位调制曲线。

具体的，步骤S1中，利用自干涉法将空间光调制器8加载的组合模式灰度图分为三部分，在空间光调制器一侧屏幕加载液晶闪耀光栅，另一侧屏幕的上半部分为0～255灰度级的测量区域，下半部分是灰度级为0的参考区域。

进一步的，步骤S2中，斜入射式的衍射公式具体计算如下：

d(sinφ-sinθ)＝mλ

其中，d为衍射光栅周期，θ为衍射角，φ为入射角，m＝0,±1,±2...m为衍射光级次，λ表示入射光波长。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出了一种用于测量空间光调制器的纯相位调制特性的装置，包括激光器和空间光调制器，通过加入分光镜，可实现大角度入射范围下对空间光调制器相位调制特性的测量，采用对空间光调制器加载组合模式灰度图的方式，利用液晶闪耀光栅，增强条纹对比度，自干涉法减小了空气湍流的影响，得到的条纹质量更高，且不需要复杂的光学元件，能准确测量大角度入射范围下空间光调制器的相位调制特性。

具体的，在显微物镜和准直透镜之间设置有用于对显微物镜扩束后光进行滤波的针孔，以及准直透镜距离针孔的距离为准直透镜焦距的150mm，针孔可以滤去噪声，改善光场质量，经过扩束后的光束保证能够覆盖空间光调制器的靶面。

具体的，在准直透镜与起偏器之间设置有用于改变沿入射光路照向空间光调制器光束尺寸的光阑，可调节合适的通光孔，减小外界杂散光的影响。

本发明还公开了一种用于测量空间光调制器相位调制特性装置的方法，通过在空间光调制器加载组合模式灰度图，并利用液晶闪耀光栅，能够消除环境对测量的影响并得到高质量的干涉条纹，实现准确测量大入射角度范围下空间光调制器的相位调制特性，克服之前根据正入射与斜入射情况分别搭建测量装置繁琐等不足，通过加入分光镜可实现大角度入射范围下对空间光调制器相位调制特性的测量，采用对空间光调制器加载组合模式灰度图的方式，利用液晶闪耀光栅，增强条纹对比度，与其他方法相比，减小了空气湍流的影响，得到的条纹质量更高，具有良好的鲁棒性，实验易操作。

综上所述，本发明装置中的光学元件简单，成本低，系统易于搭建，一套装置可以满足大角度入射条件下，包括斜入射、正入射条件下对空间光调制器纯相位调制特性的测量，即获得不同入射角度下测量空间光调制器相位调制量的干涉条纹图模型，光路使用的光学元件均不复杂，易获取，具有良好的鲁棒性，使实验具有良好的操作性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明测量空间光调制器相位调制特性装置示意图；

图2为空间光调制器加载的组合模式灰度示意图，其中，(a)为一侧屏幕加载液晶闪耀光栅，一侧屏幕上半部分测量区域灰度级为48，下半部分是灰度级为0的参考区域，(b)为一侧屏幕加载液晶闪耀光栅，一侧屏幕上半部分测量区域灰度级为208，下半部分是灰度级为0的参考区域；

图3为干涉条纹的处理过程及傅里叶变换位相分析法计算相位调制量示意图，其中，(a)为CCD采集的液晶光栅衍射的+1级光与经过相位调制但未偏转的出射光束发生干涉的条纹图，(b)为干涉图中条纹发生相对移动部分的截取图，(c)为作两条垂直扫描线分别穿过静止和移动量最大的部分的截取图。

其中：1.激光器；2.显微物镜；3.针孔；4.准直透镜；5.光阑；6.起偏器；7.分光镜；8.空间光调制器；9.旋转台；10.CCD相机；11.计算机。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供了一种测量空间光调制器相位调制特性的装置，包括激光器1、显微物镜2、针孔3、准直透镜4、光阑5、起偏器6、分光镜7、空间光调制器8、旋转台9、CCD相机10和计算机11；将激光器1固定在平台上，显微物镜2置于激光器1后，起滤波作用的针孔3置于物镜焦点处，准直透镜4距离针孔3的距离为准直透镜的焦距150mm，光阑5置于准直透镜后消除杂光，起偏器6置于光阑5后，将任意态的偏振光转变为线偏振光，调整旋转台9，得到预设的入射角度，启动激光器，

激光器1用于发出照射空间光调制器8的单频率光，采用波长为532nm的绿光激光器；

显微物镜2用于对激光器1输出的光进行扩束，倍数为40X，保证扩束后光束尺寸能够覆盖空间光调制器靶面；

针孔3用于对显微物镜2扩束后的光进行滤波；

准直透镜4用于对针孔3输出的光进行准直，准直透镜4距离针孔3的距离为准直透镜的焦距150mm；

光阑5用于限制有害杂光，改善成像质量，改变沿着入射光路照向空间光调制器的光束的尺寸；保证光束通过光阑后仍能覆盖空间光调制器整个靶面。

起偏器6用于把经过光阑输出的任意偏振态的光转变为线偏振光；

分光镜7用于透过经起偏器6的光，并反射经空间光调制器出来的光束；

液晶空间光调制器8用于加载组合模式灰度图；

旋转台9用于调整光束的入射角度；

CCD相机10用于采集干涉条纹；

计算机11用于为液晶空间光调制器8加载制定的组合模式灰度图，并显示由CCD相机10采集到的干涉条纹图。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于测量空间光调制器相位调制特性装置的方法，包括以下步骤：

S1、通过计算机选择为空间光调制器加载相应灰度的组合模式灰度图，如图2所示，加载的组合模式灰度图分为三部分，在空间光调制器加载的灰度图分为三部分，一侧屏幕加载液晶闪耀光栅，一侧屏幕上半部分为0至255灰度级不断增加的测量区域，下半部分是灰度级为0的参考区域。

本实例中使用的待测量的反射式空间光调制器型号为RL-SLM-RH，分辨率1920×1080，靶面尺寸12×7mm，填充因子大于90％，相位调制能力大于2π，像素尺寸为6μm。

本实例中液晶闪耀光栅周期P为16个像素，液晶闪耀光栅的空间周期为96μm。

本实例中选择使用液晶闪耀光栅，闪耀光栅可以使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱，每个周期分为16组垂直的均匀灰度级的条纹，从0逐渐增加到255，每次增量为16个灰度级。

本实例中所述的参考区域对应图2的右下部分，测量区域对应图2的右上部分。

S2、搭建测量系统装置

测量装置如图1所示，采用波长为532nm的绿色激光器，启动了一段时间后，光束经过扩束、滤波、准直、光阑后得到平行光束，经偏振器得到振动方向平行于液晶分子的线偏振光，实现纯相位调制，偏振光入射到空间光调制器，由液晶闪耀光栅衍射的+1级光与经过相位调制但未偏转的出射光束经分光镜7反射后，通过CCD相机10采集两束光干涉产生的条纹，计算机11通过数据线分别与反射式空间光调制器、CCD相机连接。

本实例中使用的激光器采用波长为532nm的绿光激光器(其他波长的可见光同样适用本装置，只是同一款空间光调制器对不同波长的可见光的相位调制深度不同)。

本实例中其他装置均为简易的光学器件。

具体操作步骤是：

搭建实验系统，从激光器出射的激光束入射到显微物镜进行扩束，并通过针孔滤波后入射到准直透镜，经准直透镜成平行光束后通过光阑消除杂光，光束入射到偏振器，得到振动方向平行于液晶分子的线偏振光，偏振光通过分光镜入射到空间光调制器，然后光束反射后经分光镜反射到CCD相机上；

根据斜入射式的衍射公式和空间几何关系，找出0级光和+1级光的干涉位置，安置CCD相机，采集由液晶闪耀光栅衍射的+1级光、经过相位调制的出射光束，以及没有经过相位调制的出射光束干涉产生的干涉条纹图像。

斜入射式的衍射公式具体计算如下：

d(sinφ-sinθ)＝mλ

其中，d为衍射光栅周期，θ为衍射角，φ为入射角，m＝0,±1,±2...m为衍射光级次，λ表示入射光波长；

S3、干涉条纹处理以及傅里叶变换位相分析法计算空间光调制器的相位调制量：

在空间光调制器上加载如图2所示组合模式灰度图，由CCD相机采集液晶闪耀光栅衍射的+1级光以及经过相位调制的出射光束干涉产生的干涉条纹图像。随着测量区域加载灰度值递增，条纹将发生错位移动，而参考区域对应的条纹保持不变。

对采集到的干涉条纹进行图像后处理，通过条纹的相对移动，使用傅里叶变换位相分析法计算测量区域的相位调制量，通过傅里叶变换及傅里叶反变换得到干涉条纹的待测相位公式，使用减基准条纹法消除载频引起的位相以及成像畸变引起的位相，从而得到上下两部分条纹相应的待测相位，得到的两组条纹的待测相位作差求得相移量即得到相位调制的大小，通过调整不同的入射角度可以获得不同入射角下空间光调制器的相位调制曲线。

如图3所示，请对图3中a、b和c分别进行补充说明，对反射式空间光调制器加载组合模式灰度图(以入射角度为10°，测量区域加载灰度值为96情况为例)，CMOS相机采集到如图3(a)所示的干涉条纹图，条纹图上半部分因均匀区域的灰度级递增变化从而产生一系列错位干涉条纹图，利用傅里叶变换位相分析获得上下条纹相对相移量来获得液晶空间光调制器的相位调制量，具体为截取干涉图中条纹发生相对移动的部分(180×180)如图3(b)，干涉条纹沿水平分布，图3(c)为利用傅里叶位相变换分析法提取图3(b)中上下条纹数据计算相位调制量的示意图。使用傅里叶位相变换分析法能够快速计算出待测相位信息。

通过实验得出结论：以小角度入射时，相位调制曲线几乎重合，区别不明显；以大角度入射时，相位调制量随着灰度值增大而近似线性递增，相同的灰度值区间中，相位调制曲线的斜率随入射角的增大而减小；随着入射角度的增加，最大相位调制深度减小。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于测量空间光调制器相位调制特性的装置，其特征在于，包括激光器(1)和空间光调制器(8)，在激光器(1)和空间光调制器(8)之间依次设置有用于扩束的显微物镜(2)，准直透镜(4)，用于将任意偏振态的光转变为线偏振光的起偏器(6)以及分光镜(7)，分光镜(7)用于透过经起偏器(6)的光，并反射经空间光调制器(8)出来的光束，空间光调制器(8)连接有计算机(11)用于加载组合模式灰度图，计算机(11)连接有用于采集干涉条纹图的CCD相机(10)。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量空间光调制器相位调制特性的装置，其特征在于，在显微物镜(2)和准直透镜(4)之间设置有用于对显微物镜(2)扩束后光进行滤波的针孔(3)，针孔(3)用于使扩束后的光束覆盖空间光调制器(8)的靶面。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量空间光调制器相位调制特性的装置，其特征在于，准直透镜(4)距离针孔(3)的距离为准直透镜焦距的150mm，用于使扩束后的光束完全覆盖空间光调制器(8)的靶面。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量空间光调制器相位调制特性的装置，其特征在于，在准直透镜(4)与起偏器(6)之间设置有用于改变沿入射光路照向空间光调制器(8)光束尺寸的光阑(5)。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量空间光调制器相位调制特性的装置，其特征在于，空间光调制器(8)下部设置有用于调整光束入射角度的旋转台(9)。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述用于测量空间光调制器相位调制特性装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选择测量空间光调制器相位调制特性区域，根据空间光调制器的参数设计，编码生成对应其像素的组合模式灰度图；

S2、调整旋转台，得到预设的入射角度，启动激光器，激光器预热稳定后，从激光器出射的激光束入射到显微物镜进行扩束，并通过针孔滤波后入射到准直透镜，经准直透镜成平行光束后通过光阑消除杂光，光束入射到偏振器，得到振动方向平行于液晶分子的线偏振光，偏振光通过分光镜入射到空间光调制器，然后由液晶闪耀光栅衍射的+1级光与经过相位调制但未偏转的出射光束经分光镜反射到CCD相机上，根据斜入射式的衍射公式和空间几何关系，找出0级光和+1级光的干涉位置，通过CCD相机分别采集液晶闪耀光栅衍射的+1级光和经过相位调制的出射光束干涉产生的条纹图；

S3、对采集到的干涉条纹进行图像后处理，通过条纹的相对移动，使用傅里叶变换位相分析法计算测量区域的相位调制量，通过傅里叶变换及傅里叶反变换得到干涉条纹的待测相位公式，使用减基准条纹法消除载频引起的位相以及成像畸变引起的位相，得到上下两部分条纹相应的待测相位，两组条纹相位作差求得相移量即得到相位调制的大小，通过调整不同的入射角度可以获得不同入射角下空间光调制器的相位调制曲线。

7.根据权利要求6所述的一种用于测量空间光调制器相位调制特性装置的方法，其特征在于，步骤S1中，利用自干涉法将空间光调制器8加载的组合模式灰度图分为三部分，在空间光调制器一侧屏幕加载液晶闪耀光栅，另一侧屏幕的上半部分为0～255灰度级的测量区域，下半部分是灰度级为0的参考区域。

8.根据权利要求6所述的一种用于测量空间光调制器相位调制特性装置的方法，其特征在于，步骤S2中，斜入射式的衍射公式具体计算如下：

d(sinφ-sinθ)＝mλ

其中，d为衍射光栅周期，θ为衍射角，φ为入射角，m＝0,±1,±2...m为衍射光级次，λ表示入射光波长。