CN112731656B - 一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，属于液晶空间光调制器技术领域。它包括第一透镜、带小孔反射镜、第二透镜、空间光调制器；所述第一透镜、带小孔反射镜、第二透镜、空间光调制器从左到右沿主光轴方向顺次设置；所述带小孔反射镜的反射光方向顺次设有聚焦透镜和目标成像面，由空间光调制器处反射回的信号光经带小孔反射镜表面反射进入聚焦透镜，并投射在目标成像面上，未经调制的零级光原路返回进入带小孔反射镜的小孔中。在不损失任何可用工作区域的前提下，能够较为彻底地消除零级光；实现了空间光调制器完全正入射，避免了因激光斜入射空间光调制器所带来的相位调制误差。

Description

一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路

技术领域

本发明涉及一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，属于液晶空间光调制器技术领域。

背景技术

相位型液晶空间光调制器由一组可进行相位调制的液晶单元(像素)阵列所组成，通过在不同的像素上加载不同的相位调制，可实现对空间光场的调控，并在透镜聚焦面上形成与所设计的目标图案相同的光强分布。相位型液晶空间光调制器被广泛用于激光全息、全息光镊、激光分束以及激光光束整形等领域。

在相位型液晶空间光调制器的应用中，一个困扰光路设计者的问题就是零级光的消除问题。当激光束入射液晶空间光调制器表面时，被调制后的光线称为信号光，有一部分光打在了液晶像素之间的空隙里，从而并未被液晶空间光调制器所调制，这部分光即被称为零级光。这部分光在聚焦透镜焦面上(空间光调制器的目标工作面)会在设计目标图案中间额外形成一个亮点，严重干扰空间光调制器的成像效果。

目前针对零级光的消除方法主要有两种：(1)闪耀光栅法；(2)叠加菲涅尔透镜法。

(1)闪耀光栅法存在几个明显的缺点：

a.在成像平面上，被调制的信号光被偏移到整个成像平面的一边，这就导致生成的目标图案只能局限在一个比空间光调制器整个可成像区域小一半的区域，无法充分利用整个可用成像平面。

b.激光以一定角度斜入射空间光调制器表面，入射角度会导致相位调制误差产生，从而使调制的效果变差。

c.光路复杂，使用的器件比较多，导致整个光路的搭建体积会比较大。同时更多的器件会引入额外的相差，从而降低成像质量。

(2)叠加菲涅尔透镜法存在几个明显的缺点：

a.叠加菲涅尔透镜的方法不能消除零级光，只能在工作面上将零级光离焦扩散成一个很大的光斑，但在很多应用过程中这个零级光背景光晕造成的干扰是无法接受的。

b.激光以一定角度斜入射空间光调制器表面，入射角度会导致相位调制误差产生，从而使调制的效果变差。

因此，设计一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，它能够更好地实现零级光的滤除。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，它解决了如何更好的滤除现有相位型液晶空间光调制器存在的零级光问题。

本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，它包括第一透镜、带小孔反射镜、第二透镜、空间光调制器、聚焦透镜、目标成像面；

所述第一透镜、带小孔反射镜、第二透镜、空间光调制器从左到右沿主光轴方向顺次设置，带小孔反射镜与主光轴呈45°夹角；

所述第一透镜的右焦点恰好与第二透镜的左焦点重合于带小孔反射镜的中心小孔处；

所述带小孔反射镜的反射光方向顺次设有聚焦透镜和目标成像面，由空间光调制器处反射回的信号光经带小孔反射镜表面反射进入聚焦透镜，并投射在目标成像面上，未经调制的零级光原路返回进入带小孔反射镜的小孔中。

作为优选实例，所述带小孔反射镜和聚焦透镜之间的光路上设有准直透镜。

作为优选实例，所述空间光调制器上目标图案对应相位图上叠加设置一个菲涅尔透镜的相位图，由空间光调制器处反射回的信号光经菲涅尔透镜的相位图和第二透镜后形成准直的平行光。

本发明的有益效果是：

(1)在不损失任何可用工作区域的前提下，能够较为彻底地消除零级光；

(2)实现了空间光调制器完全正入射，避免了因激光斜入射空间光调制器所带来的相位调制误差；

(3)可减少光路中使用的光学器件的数量，从而降低光学器件带来的激光能量的损耗和波前畸变；

(4)可有效减小光路系统的体积，使整个成像系统变的更加紧凑。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为空间光调制器液晶单元的结构示意图；

图3为带小孔反射镜的结构示意图；

图4为带小孔反射镜的剖视图；

图5为实施例2的结构示意图；

图6为实施例3采用汇聚型菲涅尔透镜的相位图的结构示意图；

图7为实施例3采用发散型菲涅尔透镜的相位图的结构示意图；

图8为对比例1的结构示意图；

图9为光挡的结构示意图；

图10为对比例2的结构示意图。

图中：第一透镜1，带小孔反射镜2，小孔201，第二透镜3，空间光调制器4，聚焦透镜5，目标成像面6，准直透镜7，菲涅尔透镜的相位图8，液晶单元9，像素间隙901，闪耀光栅相位图10，第三透镜11，第四透镜12，光挡13。

具体实施方式

为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1-图4所示，一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，它包括第一透镜1、带小孔反射镜2、第二透镜3、空间光调制器4、聚焦透镜5、目标成像面6；

第一透镜1、带小孔反射镜2、第二透镜3、空间光调制器4从左到右沿主光轴方向顺次设置，带小孔反射镜2与主光轴呈45°夹角；

第一透镜1的右焦点恰好与第二透镜3的左焦点重合于带小孔反射镜2的中心小孔201处；

带小孔反射镜2的反射光方向顺次设有聚焦透镜5和目标成像面6，由空间光调制器4处反射回的信号光经带小孔反射镜2表面反射进入聚焦透镜5，并投射在目标成像面6上，未经调制的零级光原路返回进入带小孔反射镜2的小孔201中。

第一透镜1和第二透镜3均为正透镜并构成一个扩束系统，第一透镜1的右焦点正好与第二透镜3的左焦点重合于带小孔反射镜2中心小孔201处。扩束比例等于第一透镜1和第二透镜3的焦距之比。

激光束经过第一透镜1和第二透镜3组成的扩束系统扩束后，入射到相位型液晶空间光调制器4表面。经空间光调制器4反射后，反射光包含两种成分，即被空间光调制器4调制过的信号光，以及被液晶单元9的像素间隙901(如图)反射的不包含任何调制信息的零级光。零级光经过第二透镜3聚焦，在带小孔反射镜2的中心小孔201处形成聚焦光斑，并射入小孔201之中，与信号光分离。而带有调制信息的信号光因为含有非直流成分，根据傅里叶光学变换关系，会分布在小孔201的周围，从而被带小孔反射镜2镜面所反射。这样零级光就可以被有效的排除在后续光路之外。

实施例2

如图5所示，带小孔反射镜2和聚焦透镜5之间的光路上设有准直透镜7；其他结构与实施例1相同。被带小孔反射镜2反射的信号光再经过准直透镜7后变成准直光，适当选择准直透镜7的焦距，可以和第二透镜3构成一套扩束系统从而对光束起到扩束或缩束的作用，用以配合聚焦透镜5的入射需求。激光最后经过聚焦透镜5后，在目标成像面6上形成目标图案。

实施例3

如图6、图7所示，空间光调制器4上目标图案对应相位图上叠加设置一个菲涅尔透镜的相位图8，由空间光调制器4处反射回的信号光经菲涅尔透镜的相位图8和第二透镜3后形成准直的平行光。其他结构与实施例1相同。

激光束经过第一透镜1和第二透镜3组成的扩束系统扩束后，入射到空间光调制器4表面。此时，在空间光调制器4上目标图案对应相位图上再叠加一个菲涅尔透镜的相位图8(菲涅尔透镜的相位图8为本领域常用产品，它具有分离零级光和信号光的特性)。在叠加了菲涅尔透镜的相位图8之后，由于零级光是不被调制的光，所以零级光与信号光的路径不同，实现信号光与零级光分离。这样做的目的是，让反射光中被调制的信号光，在经过菲涅尔透镜的作用后，再次经过第二透镜3时能实现平行传播；通过恰当选择加载在空间光调制器4上的菲涅尔透镜的焦距及第二透镜3和空间光调制器4之间的距离，可以实现对信号光的扩束或缩束，以配合聚焦透镜5的入射需求。信号光经聚焦透镜5聚焦后，就在目标成像面6上形成目标图案。经空间光调制器4反射回来的未调制零级光，未被菲涅尔透镜8改变光路，零级光返回后经过第二透镜3聚焦到带小孔反射镜2的中心小孔201中从而被排除出了后续光路。

其中，图6中菲涅尔透镜的相位图8为汇聚型菲涅尔透镜，图7中菲涅尔透镜的相位图8为发散型菲涅尔透镜，两种菲涅尔透镜的相位图8均能够与第二透镜3配合，将信号光准直成平行光。

实施例2、实施例3能够对信号光进行准直。

对比例1

闪耀光栅法

如图8、图9所示，闪耀光栅法的光路如下，第一透镜1和第二透镜3将激光束扩束到与空间光调制器4(SLM)靶面相当的尺寸，入射到空间光调制器4表面。在空间光调制器4的目标图案对应的相位图上叠加一个闪耀光栅相位图10(现有常用产品)，这个闪耀光栅相位图10的作用是把带有调制信息的信号光整体偏出一个特定的角度。而零级光因未被所加闪耀光栅相位图10所调制，则依然沿光轴方面传播，这样被调制的信号光与零级光在空间角度上进行分离。然后在空间光调制器4和聚焦透镜5之间，增加两个凸透镜：第三透镜11和第四透镜12，调节第三透镜11和第四透镜12的位置形成一个4f系统，在4f系统中间的焦点处放置一个遮挡物(一般采用一半遮挡一半透光的光挡13)，用以挡掉在此平面上汇聚成一点的零级光。适当选择第三透镜11和第四透镜12的焦距可以对光束起到扩束或缩束的作用，用以配合不同的聚焦透镜5的入射需求。

闪耀光栅法存在几个明显的缺点：

a.在成像平面上，被调制的信号光被偏移到整个成像平面的一边，这就导致生成的目标图案只能局限在一个比空间光调制器4整个可成像区域小一半的区域，无法充分利用整个可用成像平面。

b.激光以一定角度斜入射空间光调制器4表面，入射角度会导致相位调制误差产生，从而使调制的效果变差。

c.光路复杂，使用的器件比较多，导致整个光路的搭建体积会比较大。同时更多的器件会引入额外的相差，从而降低成像质量。

对比例2

叠加菲涅尔透镜法

如图10所示，叠加菲涅尔透镜法的光路如下，第一透镜1和第二透镜3将激光束扩束到空间光调制器4(SLM)靶面相当的尺寸，并入射到空间光调制器4表面。在空间光调制器4的目标图案对应的相位图上叠加一个菲涅尔透镜的相位图8，在叠加了菲涅尔透镜的相位图8之后，由于零级光是不被调制的光，所以零级光与信号光的成像焦点不同，实现信号光与零级光分离。如图10，这个菲涅尔透镜的相位图8的作用是给带有调制信息的信号光增加一个额外的发散角。而零级光因未被所加菲涅尔透镜所调制，则依然沿原方面传播。采取这种方法，发散的信号光的成像面被从透镜第三透镜11的焦面移动到其焦面之后的某处，具体位置由所加菲涅尔透镜的相位图8决定。在这个平面上，零级光将变成一个面积比较大的光斑。由于此光斑面积比较大，所以其光强则相对较弱，最后效果变成在目标图案上叠加一个较暗的光晕背景。

叠加菲涅尔透镜法存在几个明显的缺点：

a.叠加菲涅尔透镜的方法不能消除零级光，只能在工作面上将零级光离焦扩散成一个很大的光斑，但在很多应用过程中这个零级光背景光晕造成的干扰是无法接受的。

b.激光以一定角度斜入射空间光调制器4表面，入射角度会导致相位调制误差产生，从而使调制的效果变差。

与以上对比例1、对比例2相比，本结构具有以下优点：

(1)在不损失任何可用工作区域的前提下，能够较为彻底地消除零级光；

(2)实现了空间光调制器4完全正入射，避免了因激光斜入射空间光调制器4所带来的相位调制误差；

(3)可减少光路中使用的光学器件的数量，从而降低光学器件带来的激光能量的损耗和波前畸变；

(4)可有效减小光路系统的体积，使整个成像系统变的更加紧凑；

(5)能够较为彻底地去除零级光，具有更好的零级光分离效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，其特征在于，它包括第一透镜(1)、带小孔反射镜(2)、第二透镜(3)、空间光调制器(4)、聚焦透镜(5)、目标成像面(6)；

所述第一透镜(1)、带小孔反射镜(2)、第二透镜(3)、空间光调制器(4)从左到右沿主光轴方向顺次设置，带小孔反射镜(2)与主光轴呈45°夹角；

所述第一透镜(1)的右焦点恰好与第二透镜(3)的左焦点重合于带小孔反射镜(2)的中心小孔(201)处；

所述带小孔反射镜(2)的反射光方向顺次设有聚焦透镜(5)和目标成像面(6)，由空间光调制器(4)处反射回的信号光经带小孔反射镜(2)表面反射进入聚焦透镜(5)，并投射在目标成像面(6)上，未经调制的零级光原路返回进入带小孔反射镜(2)的小孔(201)中。

2.根据权利要求1所述一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，其特征在于，所述带小孔反射镜(2)和聚焦透镜(5)之间的光路上设有准直透镜(7)。

3.根据权利要求1所述一种液晶空间光调制器的零级光滤除光路，其特征在于，所述空间光调制器(4)上目标图案对应相位图上叠加设置一个菲涅尔透镜的相位图(8)，由空间光调制器(4)处反射回的信号光经菲涅尔透镜的相位图(8)和第二透镜(3)后形成准直的平行光。

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