CN111912603A - 基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法及系统 - Google Patents

基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法及系统。本发明具有结构与算法简单以及稳定性高等优点。本发明用完全相干光或部分相干光束照射，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器，将光透过相位型空间光调制器所得到的相位信息转换为强度信息，通过分析参考屏和特定的随空间或时间变化的测量屏的输入灰度分布以及对应的输出光场的强度分布，即可推出相位型空间光调制器的全局灰度‑相位曲线或相位型空间光调制器上单个像素的灰度‑相位曲线。本发明提供了一种校准相位型空间光调制器的方法，在需要精确使用相位型空间光调制器的领域有着重要应用。

Description

基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法及系统
技术领域
本发明涉及光学信息处理领域，尤其涉及一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法及系统。
背景技术
相位型空间光调制器是指在主动控制下，它可以通过折射率调制光场的相位，并方便地将相位信息加载到一维或二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理，它是构成实时光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件。相位型空间光调制器已经广泛用于人们的日常生活中，例如液晶屏，液晶型空间光调制器等。
近年来，由于相位型空间光调制器的广泛使用，对其校准的研究也越来越广泛。因为相位型空间光调制器对光相位的调制十分精确，光程在波长量级，所以很难得到准确测量，因此准确获得相位型空间光调制器的相位调制与施加灰度的对应关系成为一个值得研究的课题。
常见的校准相位型空间光调制器的方法可分为干涉法和衍射法，干涉法将相位型空间光调制器分成两部分，并加载两种不同灰度，通过将一束光分束并分别经过上述两个部分，再重新合束后产生的干涉条纹的移动来分析灰度对相位型空间光调制器造成的影响，该方法所产生的干涉条纹受环境影响很大，经常出现无规则的震动，造成测量结果出现较大误差。衍射法利用全息的原理，通过分析理想情况下衍射图样或衍射点的强度来校准，缺点是通常算法复杂，并需要大量的时间进行循环迭代。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器灰度-相位曲线的方法及系统，具有结构与算法简单和稳定性高等优点，能快速测出输入相位型空间光调制器的灰度与其对应的相位调制。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明用完全相干光或部分相干光束照射，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器，将相位型空间光调制器所加载的相位信息转换为强度信息，通过分析参考屏和特定的随空间或时间变化的测量屏的输入灰度分布以及对应的输出光场的强度分布，即可推出相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线或相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，该方法可用于校准相位型空间光调制器对于任意波长光束的灰度-相位曲线，该方法的具体实现步骤如下：
相位型空间光调制器包括但不限于液晶型相位型空间光调制器。
参考屏和测量屏划分：针对校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，将相位型空间光调制器的一块区域分成两半，一半作为参考屏，一半作为测量屏；针对校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线，将需要测量的像素的一侧作为参考屏，包括该像素的另一侧作为测量屏；
输出光场强度分布测量：用完全相干光或部分相干光束照射，测量光束经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器后参考屏和测量屏边界位置的输出光场的强度分布；
针对相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线的校准：将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为时间均匀但随空间变化并遍历所有输入灰度的分布，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的理论，计算得到边界每个位置的强度所对应的相位，结合已知的测量屏输入灰度随空间的分布，即可校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线；
针对相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线的校准：将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为空间均匀但随时间变化并遍历所有输入灰度的分布，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的理论，计算得到边界像素位置的每个时间的强度所对应的相位，结合已知的测量屏输入灰度随时间的分布，即可校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线。
进一步地，针对校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，所述参考屏和测量屏的边界为一条直线。
进一步地，光学自旋霍尔效应空间光场微分器的微分方向与参考屏和测量屏的边界方向相垂直。
进一步地，若校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，先设置参考屏为时间和空间都均匀的灰度，测量屏为时间和空间都均匀的但与参考屏不同的灰度，测量参考屏与测量屏边界位置经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器输出的空间强度分布记为I1；再将测量屏的空间灰度分布改变为平行于参考屏与测量屏的边界方向遍历所有灰度，测量边界位置微分器输出的空间强度分布记为I2，将I2与I1相除得到空间强度分布记为
Figure BDA0002553439290000031
进一步地，若校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线，将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为空间均匀但随时间变化并遍历所有输入灰度的分布，将该像素位置经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器输出的强度随时间的变化记为
Figure BDA0002553439290000032
进一步地，强度分布
Figure BDA0002553439290000033
和参考屏与测量屏边界位置像素所造成的相位调制为余弦函数的对应关系。
进一步地，利用调制相位跟随输入灰度单调增大的性质，可以用强度分布
Figure BDA0002553439290000034
推出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准全局或单个像素的灰度-相位曲线。
进一步地，该方法可用于校准相位型空间光调制器对于任意波长光束的灰度-相位曲线。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的系统，该系统包括：相位信息加载系统与光学空间光场微分系统；所述相位信息加载系统的输出与光学空间光场微分系统的输入相连；
所述相位信息加载系统以完全相干光或部分相干光为载体，对参考屏加载时间和空间都均匀的灰度，对测量屏加载随空间或时间变化的输入灰度分布，并将其输入光学空间光场微分系统进行处理；
所述光学空间光场微分系统，通过光学自旋霍尔效应空间光场微分器测量参考屏与测量屏边界位置的输出光场的强度分布；用强度分布推导出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准全局或单个像素的灰度-相位曲线。
本发明有益效果如下：本发明利用光学微分器，因此结果非常稳定，且探测到的强度数据与相位型空间光调制器造成的相位调制为函数对应关系，所以校准算法也非常简单。在校准相位型空间光调制器全局的灰度-相位曲线时，仅需要测量两组数据就可以得到结果，相比于传统方法有了极大的进步；在校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线时，只需要单像素探测器就可以完成强度的测量，大大降低了对测量仪器的要求。本发明所提供的校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线的方法具有快速、稳定且简单的特点，在实际问题中有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明实施例的装置结构图；
图3(a，b)分别为实施例测量I1(x)与I2(x)所输入的灰度图，不同灰度代表不同灰度(灰度图下方对应参考屏，上方对应测量屏)，灰度随灰度的大小增大；
图4(a，b)分别为实施例空间光调制器输入图3(a，b)后，经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器后所拍到的强度分布；
图4(c，d)分别为I1(x)与I2(x)，是由图4(a，b)虚线框内沿y方向求和所得到的结果；
图5(a)中的圆圈线为实施例图4(a，b)中的I1(x)与I2(x)相除所得到的
Figure BDA0002553439290000041
直线为输入时确定的灰度与坐标x的对应关系；
图5(b)为利用图5(a)中的两条曲线所计算得出最终的相位与输入灰度的对应关系。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出的一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，该方法的具体实现步骤如下：
参考屏和测量屏划分：针对校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，将相位型空间光调制器的一块区域分成两半，一半作为参考屏，一半作为测量屏；针对单个像素，将需要测量的像素的一侧作为参考屏，包括该像素的另一侧作为测量屏；
输出光场强度分布测量：用完全相干光或部分相干光束照射，测量光束经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器后参考屏和测量屏边界位置的输出光场的强度分布；
针对相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线的校准：将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为时间均匀但随空间变化并遍历所有输入灰度的分布，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的理论，计算得到边界每个位置的强度所对应的相位，结合已知的测量屏输入灰度随空间的分布，即可校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线；
针对相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线的校准：将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为空间均匀但随时间变化并遍历所有输入灰度的分布，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的理论，计算得到边界像素位置的每个时间的强度所对应的相位，结合已知的测量屏输入灰度随时间的分布，即可校准单个像素的灰度-相位曲线。
具体地，若测量相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，先设置参考屏为时间和空间都均匀的灰度，测量屏为时间和空间都均匀的但与参考屏不同的灰度，测量参考屏与测量屏边界位置经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器输出的空间强度分布记为I1；再将测量屏的空间灰度分布改变为平行于参考屏与测量屏的边界方向遍历所有灰度，测量边界位置微分器输出的空间强度分布记为I2，将I2与I1相除得到空间强度分布记为
Figure BDA0002553439290000061
若测量相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线，将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为空间均匀但随时间变化并遍历所有输入灰度的分布，将该像素位置经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器输出的强度随时间的变化记为
Figure BDA0002553439290000062
强度分布
Figure BDA0002553439290000063
和参考屏与测量屏边界位置像素所造成的相位调制为余弦函数的对应关系。利用调制相位跟随输入灰度单调增大的性质，可以用强度分布
Figure BDA0002553439290000064
推出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准相位型空间光调制器的全局或单个像素的灰度-相位曲线。
本发明提出的一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的系统，该系统包括：相位信息加载系统与光学空间光场微分系统；所述相位信息加载系统的输出与光学空间光场微分系统的输入相连；
所述相位信息加载系统以完全相干光或部分相干光为载体，对参考屏加载时间和空间都均匀的灰度，对测量屏加载随空间或时间变化的输入灰度分布，并将其输入光学空间光场微分系统进行处理；
所述光学空间光场微分系统，通过光学自旋霍尔效应空间光场微分器测量参考屏与测量屏边界位置的输出光场的强度分布；用强度分布推导出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准相位型空间光调制器的全局或单个像素的灰度-相位曲线。
如图1所示，为基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线的系统的实施例，包括：相位信息加载系统和光学空间光场微分系统。
所述相位信息加载系统，包括完全相干或部分相干准直光源和被校准的相位型空间光调制器。可调激光器输出单色连续激光，并通过透镜1汇聚在旋转的毛玻璃上，控制毛玻璃到透镜1后焦面的距离来调节经过毛玻璃后光束的相干长度，经过透镜2使光束准直。利用偏振片1使光束起偏为线偏振光，其输出端与需要被校准的相位型空间光调制器相连。相位型空间光调制器的一块区域分成两半，一半作为参考屏，一半作为测量屏，对参考屏加载时间和空间都均匀的灰度，对测量屏加载随空间或时间变化的输入灰度分布，将相位型空间光调制器所载入的相位分布加载到激光中，产生相位型光场。
所述光学自旋霍尔效应空间光场微分系统，包括成像系统、光学自旋霍尔效应空间光场微分器件和光束分析仪。成像系统将相位信息加载系统所产生的相位型光场输入至光学自旋霍尔效应空间光场微分器件。该器件由偏振片2、偏振片3与介质或金属平板组成，其中偏振片2、偏振片3组成的偏振控制模块用以调控入射到介质-介质界面或介质-金属界面上的光信号的偏振态，使之以p/s偏振态入射，并选取反射后输出的光信号的偏振态为s/p，使出射光场为对入射光场的微分。该器件输出的光场经由成像系统被光束分析仪收集，测得参考屏与测量屏边界位置的输出光场的强度分布，利用该分布推导出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准相位型空间光调制器的全局或单个像素的灰度-相位曲线。
如图2所示，为实施例使用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的校准相位型液晶空间光调制器的装置结构图示。可调激光器输出波长为532nm的单色连续激光，通过准直器输出光束束腰半径约为3.6mm，利用透镜1、旋转散射玻璃与透镜2形成部分相干光的光束半径约为25.4mm，目的是为了形成一个尽量均匀强度分布的部分相干光束。偏振片1用来调控光光场的偏振状态，使其线偏振方向与相位型空间光调制器的液晶面板长轴同向，以符合相位型空间光调制器对入射光偏振态的可调制要求。光场经起偏后，输入至相位型空间光调制器，输入参考屏为时间和空间都均匀的灰度，测量屏为时间和空间都均匀的但与参考屏不同的灰度，再将测量屏的空间灰度分布改变为平行于参考屏与测量屏的边界方向遍历所有灰度，并通过由焦距分别为500mm和60mm的双胶合消色差透镜3、4所组成的成像系统，将两种相位分布先后完整地输入至光学自旋霍尔效应空间光场微分器，微分方向为与参考屏和测量屏的边界垂直。其中偏振片2、偏振片3组成的偏振控制模块用以使光场的偏振态分别为s与p，光束以45°斜入射至具体为空气-玻璃的平板结构的界面，玻璃器件大小约25mm*25mm，玻璃在532nm波长处的折射率为1.516。经微分器件处理后的光场通过由焦距分别为100mm和400mm的双胶合消色差透镜5、6所组成的成像系统输入至光束分析仪中接收、记录。再利用测得的参考屏与测量屏边界位置的输出光场的空间强度分布I1与I2推导出边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间变化的灰度一一对应，以校准相位型空间光调制器的灰度-相位曲线。
如图3(a，b)所示，分别为实施例测量I1与I2所输入的灰度图，不同灰度代表不同灰度，灰度图下方对应参考屏，上方对应测量屏，灰度随灰度的大小增大。图3(a)中的灰度分布为上半部分为均匀灰度值100，下半部分为0，图3(b)中的灰度分布为上半部分为灰度值0-255线性增加，下半部分为0。
如图4(a，b)所示，图4(a，b)分别为实施例相位型空间光调制器输入图3(a，b)后，经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器后所拍到的强度分布。图4(c，d)分别为I1与I2，是由图4(a，b)虚线框内沿y方向求和所得到的结果。
图5(a)中的圆圈线为实施例图4(a，b)中的I1与I2相除所得到的
Figure BDA0002553439290000081
直线为输入时确定的灰度与坐标x的对应关系；图5(b)为利用图5(a)中的两条曲线所计算得出最终的相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，包括：
参考屏和测量屏划分：针对校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，将相位型空间光调制器的一块区域分成两半，一半作为参考屏，一半作为测量屏；针对校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线，将需要测量的像素的一侧作为参考屏，包括该像素的另一侧作为测量屏。
输出光场强度分布测量：用完全相干光或部分相干光束照射，测量光束经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器后参考屏和测量屏边界位置的输出光场的强度分布。
针对相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线的校准：将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为时间均匀但随空间变化并遍历所有输入灰度的分布，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的理论，计算得到边界每个位置的强度所对应的相位，结合已知的测量屏输入灰度随空间的分布，即可校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线。
针对相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线的校准：将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为空间均匀但随时间变化并遍历所有输入灰度的分布，利用光学自旋霍尔效应空间光场微分器的理论，计算得到边界像素位置的每个时间的强度所对应的相位，结合已知的测量屏输入灰度随时间的分布，即可校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线。
2.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，针对校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，所述参考屏和测量屏的边界为一条直线。
3.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，光学自旋霍尔效应空间光场微分器的微分方向与参考屏和测量屏的边界方向相垂直。
4.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，若校准相位型空间光调制器的全局灰度-相位曲线，先设置参考屏为时间和空间都均匀的灰度，测量屏为时间和空间都均匀的但与参考屏不同的灰度，测量参考屏与测量屏边界位置经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器输出的空间强度分布记为I1；再将测量屏的空间灰度分布改变为平行于参考屏与测量屏的边界方向遍历所有灰度，测量边界位置微分器输出的空间强度分布记为I2，将I2与I1相除得到空间强度分布记为
Figure FDA0002553439280000021
5.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，若校准相位型空间光调制器上单个像素的灰度-相位曲线，将参考屏设置为时间和空间都均匀的灰度，测量屏设置为空间均匀但随时间变化并遍历所有输入灰度的分布，将该像素位置经过光学自旋霍尔效应空间光场微分器输出的强度随时间的变化记为
Figure FDA0002553439280000022
6.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，强度分布
Figure FDA0002553439280000023
和参考屏与测量屏边界位置像素所造成的相位调制为余弦函数的对应关系。
7.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，利用调制相位跟随输入灰度单调增大的性质，可以用强度分布
Figure FDA0002553439280000024
推出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准全局或单个像素的灰度-相位曲线。
8.根据权利要求1所述的基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的方法，其特征在于，该方法可用于校准相位型空间光调制器对于任意波长光束的灰度-相位曲线。
9.一种基于光学微分器的校准相位型空间光调制器的系统，其特征在于，该系统包括：相位信息加载系统与光学空间光场微分系统；所述相位信息加载系统的输出与光学空间光场微分系统的输入相连；
所述相位信息加载系统以完全相干光或部分相干光为载体，对参考屏加载时间和空间都均匀的灰度，对测量屏加载随空间或时间变化的输入灰度分布，并将其输入光学空间光场微分系统进行处理；
所述光学空间光场微分系统，通过光学自旋霍尔效应空间光场微分器测量参考屏与测量屏边界位置的输出光场的强度分布；用强度分布推导出参考屏与测量屏边界位置像素的相位调制，并与输入的随空间或时间变化的灰度一一对应，即可校准全局或单个像素的灰度-相位曲线。
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