CN112697401B

CN112697401B - 一种相位型空间光调制器的标定方法及装置

Info

Publication number: CN112697401B
Application number: CN202011460502.4A
Authority: CN
Inventors: 郝翔; 刘鑫; 韩于冰; 匡翠方; 刘旭
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112697401A

Abstract

本发明公开了一种相位型空间光调制器的标定方法及装置。光源发出线偏振光入射到加载有灰度图的空间光调制器，灰度图分布为：一半屏幕的灰度始终为0，另一半屏幕的灰度为G，在标定过程中G逐步由0增加至255；经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机；通过相机接收并记录衍射图样，通过衍射图样中暗条纹强度即可推算出相位型空间光调制器上加载的灰度G所对应的调制相位。与已有技术相比，本发明所公开的方法及装置简单稳定，标定效率高，精度高，能够广泛用于相位型空间光调制器的标定与检测。

Description

一种相位型空间光调制器的标定方法及装置

技术领域

本发明涉及光学工程领域，具体涉及一种相位型空间光调制器的标定方法及装置。

背景技术

液晶空间光调制器(LC-SLM)和数字微镜器件(DMD)是两种最成功的空间光调制器。对于相位调制，液晶空间光调制器已经用于很多领域，如：全息显示、精密测量、光镊、光刻、光束整形等。在这些领域里，对激光光束进行高精度的相位调制是很有必要的，特别是把空间光调制器当作可编程的衍射器件来说。对于电寻址的空间光调制器来说，其所加载的相位是被寻址的灰度或者像素电压所调制的。理想情况下，从灰度到所调制的相位之间的转换是与空间光调制器中的用户手册中提供的曲线是一致的。但是在实际使用过程中，由于存在液晶的非线性的光学响应，同时由于制造上的偏差，灰度对应于调制相位的响应往往是有个体差异的，甚至同一个空间光调制器上的不同区域也是存在差异的。

造成空间光调制器性能的下降可归咎于两种静态的误差：全局的灰度—调制相位不匹配和空间上的分布不均匀。全局上的灰度—相位不匹配是由于空间光调制器不合适的查找表所导致，而空间上的分布不均匀是由不均匀的电子元件，背板的平整度，或者液晶层厚度变化引入的像差等所导致的。不仅如此，所加电压与每个像素上所显示的灰度之间的对应精确度也会导致误差。一般来说，对于不同的入射光的波长，这个响应是不同的。除了静态误差，响应还会由于动态误差而波动，比如入射光束和环境条件的变化导致局部的热差，比如温度和湿度。并且空间光调制器的老化同样会导致其性能的下降。因此空间光调制器的相位调制不会和其最先设计的一样，所以对其进行系统的相位标定对于提升其性能是很有必要的，特别是进行静态的标定，尤其重要。比如，用标定过的空间光调制器对光镊强度进行控制，从而提升全息操控系统的精确度。

对空间光调制器进行标定的关键在于获取灰度级对应的调制相位值。主要的难点是高效并且精确地测量空间光调制器的调制相位。目前所有的标定方法都是通过将直接不能测量的相位分布转化为可以直接测量的强度来分析，比如：干涉条纹。这些方法可以分为两类：干涉仪相位标定法和衍射图样分析法。这两类方法都能将相位转化为强度，并且已经广泛用于相位物体的测量，比如生物样品的定量相位成像。但是目前的标定方法，其系统都比较复杂，并且需对干涉条纹或者衍射图样进行复杂的分析，标定效率不高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种相位型空间光调制器的标定方法及装置。本发明标定装置简单，不需要搭建复杂的光学系统，具有良好的机械稳定性。并且在空间光调制器上加载的灰度图简单，不需要对衍射图样进行后期复杂的分析处理，标定效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种相位型空间光调制器的标定方法，该方法包括：

光源发出线偏振光入射到加载有灰度图的空间光调制器，所述灰度图分布为：一半屏幕的灰度始终为0，另一半屏幕的灰度为G，在标定过程中G逐步由0增加至255；

经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机；

通过相机接收并记录衍射图样，通过衍射图样中暗条纹强度即可推算出相位型空间光调制器上加载的灰度G所对应的调制相位。

进一步地，光束衍射所产生的暗条纹强度可被表示为：

其中(x,y,z)是衍射条纹的位置坐标，i是虚数单位，λ为光的波长，k＝2π/λ为波数，A为光束入射到空间光调制器上的振幅分布，(u,v)代表空间光调制器上的归一化位置坐标，

是空间光调制器上一半屏幕加载灰度为G时对应的调制相位分布，Ω代表空间光调制器面板整个空间。

进一步地，调制相位可被表示为：

根据灰度为G时对应的暗条纹强度I_G，即可计算出空间光调制器上所加载的灰度G对应的调制相位值

一种相位型空间光调制器的标定装置，该装置包括光源模块、第一透镜、孔径光阑、第二透镜、空间光调制器和相机；

所述光源模块发出线偏振光，经第一透镜，孔径光阑，第二透镜扩束准直，入射到空间光调制器，经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机；

所述空间光调制器上加载的灰度图分布为：一半屏幕的灰度始终为0，另一半屏幕的灰度为G，在标定过程中G逐步由0增加至255。

进一步地，该装置还包括分束器，扩束准直后的光束经过分束器入射到空间光调制器，经过空间光调制器进行相位调制后，再经分束器反射到达相机。

进一步地，扩束准直后的光束以一小角度入射到空间光调制器，经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机。

进一步地，入射到空间光调制器上的光的方向与空间光调制器表面的法线成5度角。

进一步地，所述光源模块、第一透镜、孔径光阑、第二透镜、空间光调制器、相机，位于同轴光路上。

进一步地，所述光源模块采用激光器和二分之一波片的组合。

进一步地，所述第一透镜和第二透镜均为双胶合消色差凸透镜。

进一步地，所述相机用于接收并记录光束经过空间光调制器调制后产生的衍射图样，可采用CCD相机或CMOS相机。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)系统简单，不需要复杂的干涉仪系统；

(2)由于系统简单，所以系统稳定性高，不易受到外界振动的干扰；

(3)分析简单，只需要分析暗条纹的强度变化。

附图说明

图1为本发明相位型空间光调制器的标定方法流程图；

图2为应用本发明的实施例1光路结构示意图；

图3为应用本发明的实施例2光路结构示意图；

图4为实施例2中硅基液晶空间光调制器上所加载的部分灰度图与相机所记录的对应衍射图样；

图5为通过分析实施例2中相机所记录的衍射图样中暗条纹的强度所得到的硅基液晶空间光调制器上所加载的灰度图的灰度G与其对光束所施加的调制相位之间的关系；

图中：激光光源1、二分之一波片2、第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5、分束器6、空间光调制器7、相机8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本发明提供的一种相位型空间光调制器的标定方法，该方法包括：

经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机；

光束衍射所产生的暗条纹强度可被表示为：

调制相位可被表示为：

本发明提供的一种相位型空间光调制器的标定装置，该装置包括光源模块、第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5、空间光调制器7和相机8；

所述光源模块发出线偏振光，经第一透镜3，孔径光阑4，第二透镜5扩束准直，入射到空间光调制器7，经过空间光调制器7进行相位调制后反射到达相机8；所述光源模块、第一透镜、孔径光阑、第二透镜、空间光调制器、相机，位于同轴光路上。

所述空间光调制器7上加载的灰度图分布为：一半屏幕的灰度始终为0，另一半屏幕的灰度为G，在标定过程中G逐步由0增加至255。

本发明中，所述光源模块的作用是产生线偏振光。有多种技术方案选择，比如激光光源1和二分之一波片2的组合。

本发明中，所述第一透镜3和第二透镜5可以采用双胶合消色差凸透镜。

本发明中，所述相机8用于接收并记录光束经过空间光调制器调制后产生的衍射图样。有多种技术方案选择，比如CCD相机或CMOS相机。

本发明具有高度通用性，可以应用于任意型号的相位型空间光调制器。如硅基液晶空间光调制器、数字微镜器件等。下面就基于本发明的有分束器的硅基液晶空间光调制器标定装置和无分束器的硅基液晶空间光调制器标定装置作为实施例进行说明。

实施例1

如图2所示为有分束器的硅基液晶空间光调制器标定示意图。

图中：激光光源1、二分之一波片2、第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5、分束器6、空间光调制器7、相机8。空间光调制器7为硅基液晶空间光调制器，相机8为CCD相机。

其中，激光光源1、二分之一波片2、第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5、分束器6、硅基液晶空间光调制器、CCD相机构成整个硅基液晶空间光调制器标定装置。所有光学元件位于同轴光路上。

激光光源1发出的线偏振光经二分之一波片2，再经第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5准直，再经分束器6入射到硅基液晶空间光调制器，经其相位调制后，反射到分束器6，再经分束器6反射，衍射图样被CCD相机接收并记录。硅基液晶空间光调制器所加载的灰度图每更新一次，CCD相机就记录一次衍射图样。由于G从0逐步增加到255，因此标定过程中CCD相机共记录256张衍射图样，通过分析衍射图样中暗条纹的强度则可计算出硅基液晶空间光调制器上所加载的灰度与调制相位之间的关系。

本实施例中，所述二分之一波片2的作用是调节激光光源1发出的光的偏振方向。

本实施例中，所述硅基液晶空间光调制器的作用是对入射的线偏振光进行相位调制。

本实施例中，所述第一透镜3和第二透镜5均为双胶合消色差凸透镜。

本实施例中，所述CCD相机的作用是接收并记录衍射图样。

实施例2

如图3所示为无分束器的硅基液晶空间光调制器标定示意图。

图中：激光光源1、二分之一波片2、第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5、空间光调制器7、CCD相机8。空间光调制器7为硅基液晶空间光调制器，相机8为CCD相机。

其中，激光光源1、二分之一波片2、第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5、硅基液晶空间光调制器、CCD相机构成整个硅基液晶空间光调制器标定装置。所有光学元件位于同轴光路上。

激光光源1发出的线偏振光经二分之一波片2，再经第一透镜3、孔径光阑4、第二透镜5准直，再以一小角度入射到硅基液晶空间光调制器，经硅基液晶空间光调制器相位调制后反射，再入射到CCD相机，衍射图样被CCD相机接收并记录。硅基液晶空间光调制器所加载的灰度图每更新一次，CCD相机就记录一次衍射图样。由于G从0逐步增加到255，因此标定过程中CCD相机共记录256张衍射图样，通过分析衍射图样中暗条纹的强度则可计算出硅基液晶空间光调制器上所加载的灰度与调制相位之间的关系。

本实施例中，入射到硅基液晶空间光调制器上的光的方向与硅基液晶空间光调制器表面的法线成一小角度，优选角度为5度。

本实施例中，所述CCD相机的作用是接收并记录衍射图样。

图4为空间光调制器所加载的部分灰度图和相机所记录的部分对应的衍射图样，其中从左至右，第一列为G的值，第二列为空间光调制器上所加载的灰度图，第三列为相机所记录的衍射图样。

图5中，第一行是衍射图样中暗条纹强度与空间光调制器所加载的灰度G之间的关系，第二行是通过分析暗条纹强度得到的空间光调制器所加载的灰度G与对应调制相位值之间的关系。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种相位型空间光调制器的标定方法，其特征在于，该方法包括：

经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机；

通过相机接收并记录衍射图样，通过衍射图样中暗条纹强度即可推算出相位型空间光调制器上加载的灰度G所对应的调制相位；

光束衍射所产生的暗条纹强度可被表示为：

2.根据权利要求1所述的相位型空间光调制器的标定方法，其特征在于，调制相位可被表示为：

3.一种相位型空间光调制器的标定装置，其特征在于，该装置包括光源模块、第一透镜、孔径光阑、第二透镜、空间光调制器和相机；

所述光源模块采用激光器和二分之一波片的组合；

所述光源模块发出线偏振光，经第一透镜，孔径光阑，第二透镜扩束准直，扩束准直后的光束经过分束器入射到空间光调制器，经过空间光调制器进行相位调制后再经分束器反射到达相机；

4.根据权利要求3所述的相位型空间光调制器的标定装置，其特征在于，扩束准直后的光束以一小角度入射到空间光调制器，经过空间光调制器进行相位调制后反射到达相机。

5.根据权利要求4所述的相位型空间光调制器的标定装置，其特征在于，入射到空间光调制器上的光的方向与空间光调制器表面的法线成5度角。

6.根据权利要求3所述的相位型空间光调制器的标定装置，其特征在于，所述光源模块、第一透镜、孔径光阑、第二透镜、空间光调制器、相机，位于同轴光路上。

7.根据权利要求3所述的相位型空间光调制器的标定装置，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜均为双胶合消色差凸透镜。