CN108627970A - 基于dmd器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法 - Google Patents

基于dmd器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法 Download PDF

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陈立武
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Abstract

本发明提供了一种基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法。该空间光调制器由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件可对空间光进行高速二进制调制，通过共轴光学系统可将简单的二进制调制转换为任意幅度和相位的调制结果，调制精度由共轴光学系统中的小孔和DMD器件的偏转角度共同控制，在合适的偏转角度配合下小孔孔径越小获得的调制精度越高。本发明的空间光调制器采用共轴光学系统，实现了DMD器件对空间光的幅度和相位的独立调制；其具有速度快、调制精度高、调制精度可调等优势，其在速度方面能提升两个数量级，通过调节小孔孔径可以实现任意精度，且可以实现幅度与相位的高度独立调制。

Description

基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及 调制方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及空间光调制技术、信息光学、全息成像和显示技术，具体涉及一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法。
背景技术
空间光调制技术是信息光学、全息成像、高精度显示、显微成像等领域的关键核心技术之一。空间光调制器是实现空间光调制的器件，能够对入射的空间光实现幅度或者相位方面的调制。调制信息通常以数字或模拟的电信号形式加载在空间光调制器上。现有成熟的商品化的空间光调制器件采用特殊材料制成，利用这些材料的电特性对入射光的幅度和相位施加调制。主要代表性的材料为液晶等。
现有的空间光调制器(Spacial Light Modulator，SLM)，严重依赖器件材料的特性，而这些材料主要是复杂有机化合物，对工作环境要求较为苛刻，也受环境影响较大。此外，现有的空间光调制器存在着调制精度低、调制数据更新速度慢、幅度和相位无法独立调制等问题，在调制速度、调制精度、被调制的参量类型等方面均难以满足快速增长的技术需求。
发明内容
本发明的目的是：针对现有空间光调制器件存在的缺陷，提供一种能够摆脱材料对调制精度和调制速度的约束，能够实现较高调制精度和调制速度的，基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法。
本发明的技术方案如下：
本发明一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，它由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面在同一光轴上依次排列；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔(即滤波小孔光阑上用于滤波的小孔)、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面之间的距离分别为一倍的傅里叶变换透镜的焦距f，整个系统的光路长度共为4f；在同一光轴上，DMD器件与第一傅里叶变换透镜之间，还设有倾斜角度为45度的分光镜。
所谓的共轴4f小孔滤波光学系统，其中：共轴，是指两个傅里叶变换透镜和用于滤波的小孔处于相同的光轴之上；4f，是指4倍焦距，f是指傅里叶变换透镜的焦距；4f小孔滤波光学系统，是指DMD器件、第一傅里叶变换透镜、用于滤波的小孔、第二傅里叶变换透镜和调制面之间的距离分别为一倍的焦距f，整个系统的光路长度共为4f。
进一步地，该空间光调制器的调制速度由DMD器件的微镜翻转速度或微镜更新速度决定；该空间光调制器的调制精度由滤波小孔的孔径尺寸所决定；在DMD器件偏转角度的配合下，滤波小孔的孔径尺寸越小，调制精度越高。
进一步地，DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转可以实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下可以形成多种调制方案。
进一步地，该空间光调制器可以同时对入射光信号的幅度和相位进行调制，而且幅度和相位的调制彼此独立。
进一步地，该空间光调制器，其幅度与相位的调制精度可以根据实际的应用需求进行调节。
利用本发明的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，对空间光进行幅度和相位调制的调制方法如下：
(1)通过分光镜使入射光沿4f系统光轴入射到DMD器件上；将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异；
(2)通过打开和关闭DMD器件上不同位置处的像素，经过小孔滤波后可以得到具有不同幅度和相位的调制结果。
进一步地，DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转可以实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下可以形成多种调制方案；可以根据实际的应用需求，通过控制DMD器件的偏转角度并且通过调节滤波小孔的孔径尺寸，实现对空间光的幅度和相位的调制精度的任意调节。
本发明提供了一种利用数字微镜阵列器件(Digital Mirror Device，DMD)和共轴光学系统实现高速高精度的空间光幅度和相位独立调制技术。该技术中所采用的DMD器件可以对空间光进行高速的二进制调制，而通过共轴4f小孔滤波光学系统可以将简单的二进制调制转换为任意幅度和相位的调制结果；调制精度由共轴光学系统中的小孔以及DMD器件的偏转角度共同控制，在合适的偏转角度配合下，小孔孔径越小获得的调制精度越高。
本发明的核心特征体现在以下两个方面：(1)采用共轴光学系统，实现DMD器件对空间光的调制；(2)该空间光调制器实现了对空间光的幅度和相位的独立调制。
本发明的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法，包括以下内容：
1、DMD器件承载了由大量微镜所组成的微镜阵列；每个微镜仅能实现“打开”或“关闭”的二元操作，进而对空间光实现“有”或“无”的二进制调制。
2、为实现高精度的幅度和相位的独立调制，在本发明中首先将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异。
3、在本发明中利用4f光学系统配合以一个共轴的滤波小孔实现光学低通滤波器，利用这一空间光低通滤波器，可以有效地将DMD器件上相邻像素的调制结果混合在一起，得到所需要的幅度和相位调制结果。
4、通过打开和关闭DMD器件上不同位置处的像素，经过小孔滤波后可以得到具有不同幅度和相位的调制结果。
在以上所描述的内容1中，DMD器件的典型工作原理如下：DMD器件由成千上万个(最多可内置2048*1152阵列)可倾斜的反射微镜组成，其成像是靠微镜转动完成的，每一个像素上都有一个可以转动的微镜；每个微镜的尺寸为8*8微米～16*16微米，微镜间隔约1～2微米；每个微镜都有±10°～15°的偏转角，分别对应“打开”状态和“关闭”状态。即：DMD器件上承载了由大量可转动的反射微镜所组成的微镜阵列；每个微镜仅具有“打开”、“关闭”两种调制状态，只能对入射光实现“有”或“无”的二进制调制。
通过控制每个微镜的“打开”或“关闭”状态，可以控制微镜是否反射光。在实际系统中，通过向每个微镜写入0或者1实现对微镜的“关闭”或“打开”状态的控制。
在以上所描述的内容2中，假设入射光沿4f系统光轴入射至DMD器件，通过使DMD相对入射光进行三维旋转,从而使得DMD上的各微镜入射光的相位存在周期性差异。如图2所示，在图2中，(X,Y,Z)为光学系统坐标系，其中Z轴为光轴；(U,V,W)坐标系为DMD器件的坐标系，U和V轴为DMD器件的像素延展方向，W轴垂直于DMD器件表面指向DMD器件反射光的方向。在图中DMD器件坐标系原点与光学系统原点重合，两套坐标系各轴间存在的夹角分别为α、β和γ。
图2中的DMD器件沿光轴方向的偏角如图3所示。图3中仅给出了DMD器件与光轴在俯仰方向的旋转关系。如图3所示，DMD器件与光轴之间不是垂直的，而是存在一个夹角α。由于夹角α的存在，使得入射光在DMD器件上每N个像素即相差λ的路程差，其中λ为入射光的波长，即DMD器件上每N个像素就存在2π的相位差。通过DMD与Z轴和X轴的夹角，使得DMD器件在两个方向上各像素都具有周期性的相位差。这些具有周期性相位差的二进制调制像素可以合成具有独立幅度相位的调制结果。这种合成的操作则由后续的4f系统以及相应的小孔配合加以实现。
在以上所描述的内容3中，利用一个4f系统以及一个滤波小孔，构造空间光的低通滤波器。利用空间光的低通滤波器，实现将二进制调制得到的具有不同相位的光信号进行混合叠加，以便获取所需要的幅度和相位值关系。这里，通过低通滤波器，需要将DMD偏转后得到的呈现周期性重复的相位关系像素合并成为一个像素，即：将一个周期内的二进制调制像素在小孔滤波后成为一个像素。因此，小孔的尺寸与需要整合的二进制调制像素数量有直接的关系，这一数量越大，则小孔越小，同时调制的精度也将越高。
在以上所描述的内容4中，假设入射光的倾角使得DMD器件上沿U和V两个方向上分别有N和M个像素单元内存在周期性相位差，即在U和V两个轴向上每间隔N或M个单元像素的相位差则相同。在一个周期内各像素分布及相应的相位关系如图4所示。
进一步假设，N与M存在如下关系：N/P＝M，其中N、M和P均为整数。根据图4中分析可知，在U方向由P个像素、在V方向由M个像素所围成的区域内所包含的P×M个像素遍历了[0,2π)的相位范围。P×M个像素分布及相应的相位关系如图5所示。
根据关系：
由P×M个像素组成的矩形区域内，左上角像素的相位为0，右上角像素相位为：
左下角像素的相位为
右下角的像素相位为
像素间的相位保持递增关系，最小相位间隔为
因此，由P×M个像素组成的矩形区域内的PM个像素可以视为将[0,2π)区间进行了PM等分，由左上至右下对应了[0,2π)整个区间，这一关系可以用一个单位圆加以表示。单位圆上各像素关系如图6所示。
因此，最终合成的结果由单位圆上状态处于1的各像素单元矢量求和所得，即
上式中：R代表最终合成的调制结果，即：利用DMD器件获得的调制结果；
j是虚数根号下-1的意思,即：虚数
Sik为DMD器件上位于第i行、第k列的微镜状态，其取值为1代表该镜子打开(反射光)，为0代表该镜子关闭(不反射光)。
本发明采用数字微镜阵列器件DMD作为核心电光器件，能够提供高达20kHz的调制速度，比现有市场上的基于液晶等材料的空间光调制器在速度上高出两个数量级。通过配套的共轴4f系统以及小孔有效混合了输入面DMD器件上不同位置处微镜所代表的信息，并在4f系统的输出面处给出所需要的幅度和相位的调制结果。
本发明的有益效果：
本发明的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，摆脱了材料对调制精度和调制速度的约束，利用DMD器件实现了较高的调制速度，利用共轴光学系统以及小孔实现了较高的调制精度。
本发明的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，采用共轴光学系统，实现了DMD器件对空间光的调制；并且，该空间光调制器实现了对光的幅度和相位的独立调制。
本发明提供了一种全新的空间光调制器，它弥补了目前主要依靠液晶等材料的特性实现空间光调制在速度、精度、环境适应性等方面的不足。发明提供了一种全新的空间光调制技术，它解决了空间光调制精度低、调制数据更新速度慢、幅度和相位无法独立调制等问题。相比于现有的空间光调制器，本发明所提出的空间光调制器具有速度快、调制精度高、调制精度可调等优势，其在速度方面能够提升2个数量级，在精度方面通过控制DMD器件的偏转角度并且通过调节滤波小孔孔径可以实现任意精度，在幅度与相位调制方面可以实现高度独立调制。
附图说明
图1是本发明一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器的结构示意图；
图2是DMD三维偏转角示意图；
图3是DMD器件的旋转角度与光轴关系图；
图4是在一个周期内各像素分布及相应的相位关系图；
图5是P×M个像素分布及相应的相位关系图；
图6是单位圆上各像素关系图；
图7是3×3区域条件下，9个像素单元可以产生的全部组合调制结果图；
图8是4×4区域条件下，16个像素单元实际所产生的调制结果图。
具体实施方式
下面结合附图和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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，由一个DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、小孔光阑(即空间滤波器)、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面在同一光轴上依次排列；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔(即小孔光阑上用于滤波的小孔)、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面之间的距离分别为一倍的傅里叶变换透镜的焦距f，整个系统的光路长度共为4f；在同一光轴上，DMD器件与第一傅里叶变换透镜之间，还设有倾斜角度为45度的分光镜。
所谓的共轴4f小孔滤波光学系统，其中：共轴，是指两个傅里叶变换透镜和用于滤波的小孔处于相同的光轴之上；4f，是指4倍焦距，f是指傅里叶变换透镜的焦距；4f小孔滤波光学系统，是指DMD器件、第一傅里叶变换透镜、用于滤波的小孔、第二傅里叶变换透镜和调制面之间的距离分别为一倍的焦距f，整个系统的光路长度共为4f。
上述基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，以及利用其对空间光进行幅度和相位调制的调制方法，包括以下几方面的内容：
(1)：用于加载空间光调制信息的器件为数字微镜阵列器件即DMD器件，每个微镜仅具有“打开”、“关闭”两种调制状态，即对入射的光实现“有”或“无”的二进制调制；
(2)：基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器所配套的光学系统为共轴4f光学系统，在频谱面上有滤波小孔，对傅里叶变换后的光谱进行滤波处理；滤波小孔与两透镜处于共轴状态；
(3)：基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器的调制速度由DMD器件的微镜翻转速度或微镜更新速度决定；
(4)：基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器的调制精度由4f光学系统中谱面位置处的滤波小孔的孔径尺寸所决定，在DMD器件偏转角度的配合下，滤波小孔的孔径尺寸越小，调制精度越高；
(5)：DMD器件位于4f光学系统的输入面处，与第一傅里叶变换透镜相距一个焦距距离；第一傅里叶变换透镜的频谱面与第二傅里叶变换透镜的输入面重合，两透镜相聚两倍焦距距离；滤波小孔位于两傅里叶变换透镜中间，与两透镜分别相聚一个焦距的距离；调制后的结果将出现在第二傅里叶变换透镜后方一倍焦距处的位置。
(6)：DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下形成多种调制方案。
(7)：基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，可以同时对入射光信号的幅度和相位进行调制，而且幅度和相位的调制彼此独立；
(8)：基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其幅度与相位的调制精度可以根据实际的应用需求进行调节。
实施例2
利用实施例1的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，对空间光进行幅度和相位调制的调制方法如下：
首先，通过分光镜使入射光沿4f系统光轴入射到DMD器件上；将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异。
DMD器件上的微镜尺寸为8微米(即每个微镜为一个长宽均为8微米的正方形结构)。
假设旋转后入射光的倾角使得DMD器件上沿U和V两个方向上分别有N和M个像素单元内存在周期性相位差，即在U和V两个轴向上每间隔N或M个单元像素的相位差则相同。
在实际中取N＝9，M＝3，显然可以得到P＝3。据此可以得到一个3×3的像素单元，各单元的相位间隔为2π/9，[0,2π)区间平分成为9份，而理论上所能够形成的组合关系有29＝512种，当然其中部分是重复的，实际所获得的有效组合方案数量将小于512。
图7中给出了3×3区域条件下，9个像素单元理论上可以组合产生的全部组合调制结果(即根据公式计算得到的调制结果)，并以实部和虚部的关系在图7中呈现出来，(横轴为实部、纵轴为虚部)，其中重复为5个。
在进行调制时，需要调制得到的结果可以根据图7中的参数进行选择。因此，共有508种不同的幅度相位调制结果，经过统计分析，在508种不同调制结果中，独立的幅度调制为129种，独立的相位调制为278种。
实施例3
利用实施例1的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，对空间光进行幅度和相位调制的调制方法如下：
首先，通过分光镜使入射光沿4f系统光轴入射到DMD器件上；将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异。
DMD器件上的微镜尺寸为16微米(即每个微镜为一个长宽均为16微米的正方形结构)。
假设旋转后入射光的倾角使得DMD器件上沿U和V两个方向上分别有N和M个像素单元内存在周期性相位差，即在U和V两个轴向上每间隔N或M个单元像素的相位差则相同。
当选择N＝16、M＝4时，P＝4，可以形成一个4×4区域的像素分布，在此16个像素单元范围内实现对[0,2π)的覆盖。由于区域内具有16个二进制调制的像素单元，因此理论上可以组合成为216＝65536种调制的可能。
实际所产生的调制结果如图8中所示。在以上调制结果中幅度调制共有2948种(不考虑相位差异情况下)，相位调制共有10655种(不考虑幅度差异情况下)，幅度和相位的不同均考虑的条件下共有41291种调制结果。
实际所产生的调制结果与理论上可以组合产生的调制结果有些差异，这是因为，该空间光调制器中DMD器件和共轴光学系统的结构具有比较好的对称性，DMD器件上某些不同的微镜开关组合可能会导致相同的调制结果，因此，实际产生的调制结果与理论上可以组合产生的调制结果会有一些差异。

Claims (10)

1.一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,它由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面在同一光轴上依次排列；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面之间的距离分别为一倍的傅里叶变换透镜的焦距f，整个系统的光路长度共为4f。
2.如权利要求1所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,在同一光轴上，DMD器件与第一傅里叶变换透镜之间，还设有倾斜角度为45度的分光镜。
3.如权利要求1或2所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,DMD器件由成千上万个可倾斜的反射微镜组成，每一个像素上都有一个可以转动的微镜；每个微镜都有±10°～15°的偏转角，分别对应“打开”状态和“关闭”状态，即：每个微镜仅具有“打开”、“关闭”两种调制状态，只能对入射光实现“有”或“无”的二进制调制。
4.如权利要求3所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,每个微镜的尺寸为8*8微米～16*16微米，微镜间隔为1～2微米。
5.如权利要求3所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,该空间光调制器的调制速度由DMD器件的微镜翻转速度或微镜更新速度决定；该空间光调制器的调制精度由滤波小孔的孔径尺寸所决定；在DMD器件偏转角度的配合下，滤波小孔的孔径尺寸越小，调制精度越高。
6.如权利要求1或2所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转可以实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下可以形成多种调制方案。
7.如权利要求1或2所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,该空间光调制器可以同时对入射光信号的幅度和相位进行调制，而且幅度和相位的调制彼此独立。
8.如权利要求1或2所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,该空间光调制器，其幅度与相位的调制精度可以根据实际的应用需求进行调节。
9.一种利用如权利要求1-8任一所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，对空间光进行幅度和相位调制的调制方法，其特征在于,
(1)通过分光镜使入射光沿4f系统光轴入射到DMD器件上；将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异；
(2)通过打开和关闭DMD器件上不同位置处的像素，经过小孔滤波后可以得到具有不同幅度和相位的调制结果。
10.如权利要求9所述的利用基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，对空间光进行幅度和相位调制的调制方法，其特征在于，
DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转可以实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下可以形成多种调制方案；可以根据实际的应用需求，通过控制DMD器件的偏转角度并且通过调节滤波小孔的孔径尺寸，实现对空间光的幅度和相位的调制精度的任意调节。
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