CN109709671B - 光束偏转装置及其空间光调制器的驱动方法和驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光束偏转装置及其空间光调制器的驱动方法和驱动装置，该驱动方法包括：根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据波矢量计算得到投影方程；根据投影方程计算各个像素单元与投影线的距离，对距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；其中，相位驱动灰度图加载至空间光调制器，使得调制后的光束以目标偏转角度发生偏转。本发明通过几何方法进行计算，根据像素单元到等相位线在液晶面板所在平面投影线的距离，计算出相位值再转换为灰度图，以实现光束按目标偏转角度发生偏转；与传统的逆向傅里叶变换的算法相比，需要的输入量仅为光束的目标偏转角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间光调制器的驱动方法和驱动装置，以及包括该驱动装置的光束偏转装置。
背景技术
传统的光束偏转技术都是基于机械装置、微位移平台、或反射镜等，通过改变光轴方向来实现光束偏转，其结构复杂、精度低、能耗高，难以实现二维方向精密的、连续的角度偏转控制，导致后续系统的性能受到很大的制约。
空间光调制器是通过液晶分子调制光场的某个参量，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。空间光调制器提供的像素量远大于低级的相位调制器件(如拼接镜或变形反射镜)提供的。空间光调制器可以在二维方向上进行空间光调制，包括水平和竖直方向的倾斜角度。
空间光调制器通常搭配起偏器、透镜光路等实现所需功能。根据后续光路的特性，空间光调制器的相位驱动图一般使用目标平面上(如接收屏)的光波分布、透镜的光瞳函数、投射系数等计算，根据透镜的傅里叶变换特性，对目标平面上的光波分布进行逆向傅里叶变换等处理获得对应的相位驱动图。但是，这种方法的前提是可以获得目标平面上的光波分布，假如未知该光波分布，希望使用空间光调制器进行连续的光束偏转，则该方法不能实现。
在申请号为201110161472.1的发明专利《一种新型二维光束偏转方法及装置》中，使用折射式空间光调制器，提供了一种光束偏转计算方法。其不足之处在于：该专利公开的方法针对的是折射式空间光调制器；该专利为了得到施加给空间光调制器的相位驱动图，需要以相位图1、相位图2为中间环节，经过多次变换得到最终的相位图3。
针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种光束偏转装置及其空间光调制器的驱动方法和驱动装置，无需在计算之前获得目标平面上的光斑位置，而且计算过程简单，利用光束向量进行计算，无需经过多次变换，实现光束在一定范围内高精度、连续偏转控制。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种空间光调制器的驱动方法，空间光调制器包括液晶面板，呈阵列式排布的多个像素单元设置于所述液晶面板上，驱动方法包括：
建立空间坐标系，所述空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以所述液晶面板所在的平面为XOY平面，以经过所述原点O并垂直于所述XOY平面的直线为Z轴；
根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据所述波矢量计算得到投影方程，所述投影方程为空间等相位线在所述XOY平面上的投影线的方程；
根据投影方程计算各个像素单元与投影线的距离，对距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；
其中，相位驱动灰度图加载至空间光调制器，使得调制后的光束以目标偏转角度发生偏转。
在一个实施例中，进行相位计算包括：计算调制后的光束在平面上的空间周期，其中空间周期表示长度；根据空间周期计算相位值，相位值为距离与空间周期的比值。
其中，进行灰度转换包括：对各个像素单元的相位值进行归一化得到相应的灰度值，以根据灰度值形成相位驱动灰度图。
在一个实施例中，根据光束的目标偏转角度得到光束的波矢量，并计算得到投影方程包括：根据目标偏转角度计算得到调制后的光束的波矢量方向向量；利用所述等相位线与所述波矢量方向向量垂直，计算得到所述投影方程。
其中，投影方程为所述投影线的斜率方程。
在一个实施例中，目标偏转角度包括调制后的光束在平面的纵轴方向的偏转角度、和横轴方向的偏转角度。
根据本发明的另一方面，提供了一种空间光调制器的驱动装置，空间光调制器包括液晶面板，呈阵列式排布的多个像素单元设置于所述液晶面板上，驱动装置包括：
投影方程生成设备，根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据所述波矢量计算得到投影方程，所述投影方程为空间等相位线在所述XOY平面上的投影线的方程；其中，所述空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以所述液晶面板所在的平面为XOY平面，以经过所述原点O并垂直于所述XOY平面的直线为Z轴；
灰度图生成设备，连接于投影方程生成设备，根据投影方程计算各个像素单元与投影线的距离，对距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；
其中相位驱动灰度图加载至空间光调制器，使得调制后的光束以目标偏转角度发生偏转。
在一个实施例中，灰度图生成设备包括：空间周期运算系统，计算调制后的光束在平面上的空间周期，其中所述空间周期表示长度；相位值运算系统，连接于空间周期运算系统，根据空间周期计算相位值，相位值为距离与空间周期的比值。
其中，灰度图生成设备还包括：灰度转换系统，连接于相位值运算系统，对各个像素单元的相位值进行归一化得到相应的灰度值。
其中，灰度图生成设备还包括：灰度图生成系统，连接于灰度转换系统，根据各个像素单元的灰度值形成相位驱动灰度图。
在一个实施例中，投影方程生成设备包括：波矢量运算系统，根据目标偏转角度计算得到调制后的光束的波矢量方向向量。
其中，投影方程生成设备还包括：投影方程运算系统，连接于波矢量运算系统，利用所述等相位线与所述波矢量方向向量垂直，计算得到所述投影方程。
根据本发明的又一方面，提供了一种光束偏转装置，包括：上述任意一项的驱动装置，光束偏转装置还包括：空间光调制器和傅里叶变换透镜；其中，驱动装置连接于空间光调制器，空间光调制器与傅里叶变换透镜相对设置；其中，光束经由空间光调制器调制后入射至傅里叶变换透镜，傅里叶变换透镜对调制后的光束进行傅里叶变换得到调制后的光束的远场光斑。
在一个实施例中，空间光调制器为反射式空间光调制器。
其中，光束偏转装置还包括：半透半反棱镜，半透半反棱镜位于空间光调制器和傅里叶变换透镜之间。
在一个实施例中，光束偏转装置还包括：半波片，半波片设置于空间光调制器面向光束入射一侧的前端；半波片将光束转换为偏振入射光。
本发明通过几何方法进行计算，根据像素单元到等相位线在液晶面板所在平面投影线的距离，计算出相位值再转换为灰度图，以实现光束按目标偏转角度发生偏转；与传统的逆向傅里叶变换的算法相比，需要的输入量仅为光束的目标偏转角度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的空间光调制器的驱动方法的流程图；
图2(a)是根据本发明实施例的调制后的光束的波矢量方向的示意图；
图2(b)是根据本发明实施例的空间光调制器所在平面上的等相位线的投影线的示意图；
图3是根据本发明实施例的相位驱动灰度图的示意图；
图4根据本发明实施例的空间光调制器的驱动装置的示意图；
图5是根据本发明实施例的光束偏转装置的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
根据本发明的实施例，提供了一种空间光调制器的驱动方法。空间光调制器的受控单元为独立的像素单元，在空间上排列成二维有序阵列，每个单元可独立接收电信号对输入光波进行像素级的调制，灵活改变光波的波前。可利用光学相位调制的方法，对入射光束进行波前控制。
如图1所示，根据本发明实施例的空间光调制器的驱动方法，空间光调制器包括液晶面板，呈阵列式排布的多个像素单元设置于液晶面板上该驱动方法包括以下步骤：
S110，建立空间坐标系，空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以液晶面板所在的平面为XOY平面，以经过原点O并垂直于XOY平面的直线为Z轴；
S120，根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据波矢量计算得到投影方程，投影方程为空间等相位线在XOY平面上的投影线的方程；
S130，根据投影方程计算各个像素单元与投影线的距离，对距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；
其中，相位驱动灰度图加载至空间光调制器，使得调制后的光束以目标偏转角度发生偏转。
本发明的上述技术方案，通过几何方法进行计算，根据像素单元到等相位线在液晶面板所在平面投影线的距离，直接计算出空间光调制器上每个像素单元对应的相位值，再将其转换为灰度图，以实现光束按目标偏转角度发生偏转；与传统的逆向傅里叶变换的算法相比，需要的输入量仅为光束的目标偏转角度，而非经后续光路成像之后的目标平面的像斑图像；计算方法简便易行；经空间光调制器进行相位调制之后的光束，可以经过后续光路，应用于不同领域，如无线激光通信、显微扫描等。
在一个实施例中，本发明的驱动方法应用于反射式液晶空间光调制器，用于将入射在空间光调制器上的光进行相位调制。计算出的相位驱动图加载给反射式液晶空间光调制器，将入射的光束偏转所需角度之后出射，可实现对光束高精度有控制。
在一个实施例中，目标偏转角度包括调制后的光束在平面的纵轴方向的偏转角度、和横轴方向的偏转角度。即目标偏转角度是二维的，包括水平(横轴)方向的角度和垂直方向(纵轴)的角度。实现了二维方向上光束角度偏转的精确、连续控制，由此大大提高后续系统的工作性能。适用于二维空间内光束高精度、连续偏转控制。
具体地，首先在步骤S110处，建立空间坐标系，空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以液晶面板所在的平面为XOY平面，以经过原点O并垂直于XOY平面的直线为Z轴。
在步骤S120处，根据目标偏转角度计算得到调制后的光束的波矢量方向向量；并利用等相位线与波矢量方向向量垂直，计算得到投影方程。
其中，位置参数可包括等相位线的斜率。
如图2(a)和图2(b)所示，入射光束经偏转之后，沿某波矢量方向24传播。光束的等相位线22与波矢量方向是垂直关系，等相位线22在空间光调制器平面(XOY平面)表现为一系列斜率相同的、相位依次相差2π的直线，即，空间等相位线在XOY平面上的投影线。
在一个实施例中，在步骤S130处，进行相位计算包括：计算调制后的光束在平面上的空间周期，其中空间周期表示长度；并根据空间周期计算相位值，相位值为距离与空间周期的比值。
进一步地，在本实施例中，进行灰度转换包括：对各个像素单元的相位值进行归一化得到相应的灰度值，以根据灰度值形成相位驱动灰度图。
下面通过一个具体的实施例来对本发明的驱动方法进行说明。在本实施例中，具体包括以下步骤：
S202，由所需的目标偏转角度，计算调制之后的光束的波矢量方向传播方向向量。
参考图2(a)和图2(b)所示，假设入射在空间光调制器20上的激光准直光束沿光轴入射，经调制之后，需要将入射光束偏转(αx，αy)角度，αx、αy分别是光束在x轴方向和y轴方向的偏转角度，XY平面即为空间光调制器20的液晶面所在的平面，也即垂直于光轴的平面。入射光束经偏转之后，沿波矢量方向24传播。
则该光束的目标偏转角度αx、αy可以通过以下关系转换为经调制之后的波矢量方向向量(即光束传播方向向量)。
l2+m2+n2＝1
式中，l、m、n分别表示光束在x、y、z方向的方向余弦。光束的波矢量方向向量可以表示为：
(l,m,n)＝n(tanαx,tanαy,1)
其中，
S204，计算等相位线的斜率。
入射光束经偏转之后，沿某波矢量方向传播，如步骤S202计算所得。光束的等相位线22与波矢量方向24是垂直关系，等相位线在空间光调制器平面(XY平面)表现为一系列斜率相同的、相位依次相差2π的直线。
由步骤S202计算出的光束偏转之后的波矢量方向，可以求出等相位线在空间光调制器20上的斜率k为：
S206，计算经调制之后的波前在空间光调制器平面上的空间周期。
入射光束经空间光调制器进行调制之后，以目标偏转角度(αx，αy)出射，在空间光调制器平面上，0～2π的相位对应的空间周期p为：
其中，λ为入射光束的波长。
S208，计算液晶空间光调制器每个像素单元对应的相位值。
以空间光调制器液晶面为XY平面，其中心点为坐标原点，建立每个像素的坐标，并求出每个像素到某一等相位线的距离d。则该像素的相位可以表示为：
φ＝d/p
式中，p为步骤S206所求出的空间光调制器平面上，0～2π的相位对应的空间周期。
将上式求出的每个像素单元的相位进行mod(2π)处理，即进行回卷，将相位值变换到0～2π的周期内。
S210，将相位值转换为相位驱动灰度图。
对于本实施案例所使用的空间光调制器，其像素个数为1920×1080，像素周期为6.4μm，对于633nm波长的激光光束，0～255的灰度值对应相位0～2π。
因此，使用下式将步骤S208中求得的空间光调制器像素单元的相位值转换为相位驱动灰度图：
图3非限定性的示出了相位驱动灰度图的一个示例。将该相位图加载到液晶空间光调制器，即可实现对入射光进行(αx，αy)的角度偏折。两个方向的偏转角度均为连续可控参数，因此可以实现光束偏转的精确、连续控制。
在本实施例中，本发明的驱动方法，通过对偏转光束进行向量计算，得到空间光调制器的每个像素对应的相位值，再将相位值归一化到空间光调制器灰度范围内，得到相位驱动灰度图。可用于空间光调制器实现入射光束的偏转，方便快捷的计算某二维偏转角度所需的相位驱动图。和传统的逆向傅里叶变换方法相比，无需在计算相位驱动图之前得到目标平面上的光斑图像。计算所需的输入参数仅为：光束偏转角度(αx，αy)。两个角度分别对应水平和垂直方向的偏转角度，均为连续可控参数，可以根据所需的光束偏转角度，快速、精确计算出相位驱动图。
根据本发明的实施例，还提供了一种空间光调制器的驱动装置400，其中空间光调制器包括液晶面板(未示出)，呈阵列式排布的多个像素单元设置于液晶面板上，如图4所示，驱动装置400包括：
投影方程生成设备410，根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据波矢量计算得到投影方程，投影方程为空间等相位线在XOY平面上的投影线的方程；其中，空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以液晶面板所在的平面为XOY平面，以经过原点O并垂直于XOY平面的直线为Z轴；
灰度图生成设备420，连接于投影方程生成设备410，根据投影方程计算各个像素单元与投影线的距离，对距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；
其中相位驱动灰度图加载至空间光调制器，使得调制后的光束以目标偏转角度发生偏转。
在一个实施例中，灰度图生成设备420包括：
空间周期运算系统422，计算调制后的光束在平面上的空间周期，其中空间周期表示长度；
相位值运算系统424，连接于空间周期运算系统422，根据空间周期计算相位值，相位值为距离与空间周期的比值。
在一个实施例中，灰度图生成设备420还包括：灰度转换系统426，连接于相位值运算系统424，对各个像素单元的相位值进行归一化得到相应的灰度值。在本实施例中，灰度图生成设备420还包括：灰度图生成系统428，连接于灰度转换系统426，根据各个像素单元的灰度值形成相位驱动灰度图。
在一个实施例中，投影方程生成设备410包括：波矢量运算系统412，根据目标偏转角度计算得到调制后的光束的波矢量方向向量。
在本实施例中，投影方程生成设备410还包括：投影方程运算系统414，连接于波矢量运算系统412，利用等相位线与波矢量方向向量垂直，计算得到投影方程。
根据本发明的实施例，还提供了一种光束偏转装置，参考图5所示，包括上述的任意一种驱动装置(未示出)，光束偏转装置还包括：空间光调制器20和傅里叶变换透镜50；
其中，驱动装置连接于空间光调制器20，空间光调制器20与傅里叶变换透镜50相对设置；
其中，光束经由空间光调制器20调制后入射至傅里叶变换透镜50，傅里叶变换透镜50对调制后的光束进行傅里叶变换得到调制后的光束的远场光斑。
本发明的上述技术方案，通过几何方法进行计算，根据像素单元到等相位线的距离，直接计算出空间光调制器上每个像素单元对应的相位值，再将其转换为灰度图，以实现光束按目标偏转角度发生偏转；与传统的逆向傅里叶变换的算法相比，需要的输入量仅为光束的目标偏转角度，而非经后续光路成像之后的目标平面的像斑图像；可以经过后续光路，应用于不同领域，如无线激光通信、显微扫描等。
在一个实施例中，空间光调制器20为反射式空间光调制器。反射式液晶空间光调制器是空间光调制器的一种，其受控单元为独立的像素单元，可以提供高分辨率、单独像素寻址的高速反射式相位调制。利用空间光调制器可以灵活改变波前的特性，可以通过改变反射式液晶空间光调制器载入的相位驱动图，将其用于控制光束精密、高效率的偏转，从而实现光束非机械的二维扫描。
其中，光束偏转装置还包括：半透半反棱镜40，半透半反棱镜40位于空间光调制器20和傅里叶变换透镜50之间。
在一个实施例中，光束偏转装置还包括：半波片30，半波片30设置于空间光调制器20面向光束入射一侧的前端；半波片30将光束转换为偏振入射光。
如图5所示，在本实施例中，入射的光束可以是经准直的激光光束10(633nm)。半波片30位于空间光调制器20之前用于产生偏振入射光；半透半反棱镜40用于将准直激光光束10入射到空间光调制器20，并把调制之后的偏转光束入射到傅里叶变换透镜50中；傅里叶变换透镜50用于将经过空间光调制器20调制的光波进行变换，获得远场光斑。
还需要指出的是，在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种空间光调制器的驱动方法，其特征在于，所述空间光调制器包括液晶面板，呈阵列式排布的多个像素单元设置于所述液晶面板上，所述驱动方法包括：
建立空间坐标系，所述空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以所述液晶面板所在的平面为XOY平面，以经过所述原点O并垂直于所述XOY平面的直线为Z轴；
根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据所述波矢量计算得到投影方程，所述投影方程为空间等相位线在所述XOY平面上的投影线的方程；
根据所述投影方程计算各个像素单元与所述投影线的距离，对所述距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；
其中，所述相位驱动灰度图加载至所述空间光调制器，使得调制后的光束以所述目标偏转角度发生偏转，
其中，进行相位计算包括：
计算调制后的光束在所述XOY平面上的空间周期，其中所述空间周期表示长度；
根据所述空间周期计算相位值，所述相位值为所述距离与空间周期的比值；
其中，进行灰度转换包括：
对各个像素单元的相位值进行归一化得到相应的灰度值，以根据所述灰度值形成所述相位驱动灰度图。
2.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，根据光束的目标偏转角度得到光束的波矢量，并计算得到投影方程包括：
根据所述目标偏转角度计算得到调制后的光束的波矢量方向向量；
利用所述等相位线与波矢量方向向量垂直，计算得到所述投影方程。
3.根据权利要求2所述的驱动方法，其特征在于，所述投影方程为所述投影线的斜率方程。
4.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述目标偏转角度包括调制后的光束在所述XOY平面的纵轴方向的偏转角度、和横轴方向的偏转角度。
5.一种空间光调制器的驱动装置，其特征在于，所述空间光调制器包括液晶面板，呈阵列式排布的多个像素单元设置于所述液晶面板上，所述驱动装置包括：
投影方程生成设备，根据光束的目标偏转角度得到空间坐标系中光束的波矢量，并根据所述波矢量计算得到投影方程，所述投影方程为空间等相位线在XOY平面上的投影线的方程；其中，所述空间坐标系以液晶面板的中心为原点O，以所述液晶面板所在的平面为所述XOY平面，以经过所述原点O并垂直于所述XOY平面的直线为Z轴；
灰度图生成设备，连接于所述投影方程生成设备，根据所述投影方程计算各个像素单元与所述投影线的距离，对所述距离依次进行相位计算和灰度转换形成相位驱动灰度图；
其中所述相位驱动灰度图加载至所述空间光调制器，使得调制后的光束以所述目标偏转角度发生偏转，
其中，所述灰度图生成设备包括：
空间周期运算系统，计算调制后的光束在所述XOY平面上的空间周期，其中所述空间周期表示长度；
相位值运算系统，连接于所述空间周期运算系统，根据所述空间周期计算相位值，所述相位值为所述距离与空间周期的比值；和
灰度转换系统，连接于所述相位值运算系统，对各个像素单元的相位值进行归一化得到相应的灰度值。
6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述灰度图生成设备还包括：
灰度图生成系统，连接于所述灰度转换系统，根据各个像素单元的所述灰度值形成所述相位驱动灰度图。
7.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述投影方程生成设备包括：
波矢量运算系统，根据所述目标偏转角度计算得到调制后的光束的波矢量方向向量。
8.根据权利要求7所述的驱动装置，其特征在于，所述投影方程生成设备还包括：
投影方程运算系统，连接于所述波矢量运算系统，利用所述等相位线与所述波矢量方向向量垂直，计算得到所述投影方程。
9.一种光束偏转装置，其特征在于，包括上述权利要求5-8任意一项所述的驱动装置，所述光束偏转装置还包括：空间光调制器和傅里叶变换透镜；
其中，所述驱动装置连接于所述空间光调制器，所述空间光调制器与所述傅里叶变换透镜相对设置；
其中，光束经由所述空间光调制器调制后入射至所述傅里叶变换透镜，所述傅里叶变换透镜对调制后的光束进行傅里叶变换得到调制后的光束的远场光斑。
10.根据权利要求9所述的光束偏转装置，其特征在于，所述空间光调制器为反射式空间光调制器。
11.根据权利要求9所述的光束偏转装置，其特征在于，所述光束偏转装置还包括：
半透半反棱镜，所述半透半反棱镜位于所述空间光调制器和所述傅里叶变换透镜之间。
12.根据权利要求9所述的光束偏转装置，其特征在于，所述光束偏转装置还包括：
半波片，所述半波片设置于所述空间光调制器面向光束入射一侧的前端；所述半波片将所述光束转换为偏振入射光。
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