CN112904601B - 纯相位液晶空间光调制器校准平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯相位液晶空间光调制器校准平台，包括：激光发生模块，用于产生原始激光束；分光镜，设置在原始激光束的光路上，分光镜用于将激光发生模块发射的激光分为第一激光束和第二激光束；反射镜，设置在第一激光束的光路上，反射镜用于将第一激光束反射为第一反射激光束；摆台，设置在第二激光束的光路上，摆台用于承载纯相位液晶空间光调制器，纯相位液晶空间光调制器用于对第二激光束调制为第二反射激光束；成像模块，设置在第一反射激光束和第二反射激光束相交的位置，成像模块用于采集第一反射激光束和第二反射激光束的干涉图像。本发明能够得到调制后的激光束与调制前的激光束的差异，得到准确的纯相位液晶空间光调制器的调制特性。

Description

纯相位液晶空间光调制器校准平台及方法

技术领域

本发明涉及激光调制技术领域，尤其涉及一种纯相位液晶空间光调制器校准平台及方法。

背景技术

随着光电技术的不断发展和进步，加工工艺精度越来越高，对于光波前调制器件的研究也逐渐增多，对纯相位液晶空间光调制器LCOS自身特性的测试也成为一个重要的研究组成部分。在对LCOS的理论分析中，将其视为理想的、线性调制器件。但是，在应用LCOS的实际调制情况并非如此。通长情况下，生产厂商只提供基本的理论参数，如适用的波长范围，尺寸大小，像素数，工作频率，填充因子等参数，而并没有给出某个特定波长下的相位调制能力的准确数据分析。因此，在使用之前，需要对其调制能力等可控参数进行测试和评价。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

对于传统反射式LCOS测量方法，一般的做法是，LCOS上的像素灰度，上部分灰度值不变，下部分灰度值在0～255变化；这种干涉条纹的计算结果实际上是下部分液晶像元相对于上部分的相移，因而测量得到的相移特性具有测量不均匀性和测量结果局部性的缺陷。

发明内容

本发明提供的纯相位液晶空间光调制器校准平台及方法，能够将纯相位液晶空间光调制器调制的激光与原始的激光束进行干涉，从而，能够得到调制后的激光束与调制前的激光束的差异，得到准确的纯相位液晶空间光调制器的调制特性。

第一方面，本发明提供一种纯相位液晶空间光调制器校准平台，包括：

激光发生模块，用于产生原始激光束；

分光镜，设置在所述原始激光束的光路上，所述分光镜用于将所述激光发生模块发射的激光分为第一激光束和第二激光束；

反射镜，设置在所述第一激光束的光路上，所述反射镜用于将所述第一激光束反射为第一反射激光束；

摆台，设置在所述第二激光束的光路上，所述摆台用于承载所述纯相位液晶空间光调制器，所述纯相位液晶空间光调制器用于将所述第二激光束调制为第二反射激光束；

成像模块，设置在所述第一反射激光束和所述第二反射激光束相交的位置，所述成像模块用于采集所述第一反射激光束和所述第二反射激光束的干涉图像。

可选地，还包括旋转驱动模块，与所述摆台传动连接，所述旋转驱动模块用于驱动所述摆台旋转，以改变所述第二激光束的入射角度。

可选地，还包括灰度驱动模块，与所述纯相位液晶空间光调制器电连接，所述灰度驱动模块用于驱动所述纯相位液晶空间光调制器的灰度发生变化。

第二方面，本发明提供一种纯相位液晶空间光调制器校准方法，包括：

将激光发生器发射的原始激光束分为第一激光束和第二激光束；

将第一激光束通过反射镜进行反射，以形成第一反射激光束；

将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束；

采集所述第一反射激光束和第二反射激光束的干涉图像；

依据所述干涉图像，确定所述纯相位液晶空间光调制器的调制特性。

可选地，将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束包括：

将第二激光束通过多种灰度的纯相位液晶空间光调制器进行调制，以逐次形成多个第二反射激光束。

可选地，将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束包括：

将第二激光束通过多种角度入射至纯相位液晶空间光调制器进行调制，以逐次形成多个第二反射激光束。

可选地，采集所述第一反射激光束和第二反射激光束的干涉图像包括：采集多个所述第二反射激光束与所述第一反射激光束形成的多个干涉图像。

可选地，依据所述干涉图像，确定所述纯相位液晶空间光调制器的调制特性包括：

依据所述干涉图像，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期；

依据所述多个干涉图像，确定多个干涉图像的位移；

依据所述周期和所述位移，确定所述纯相位液晶空间光调制器的相位调制量。

可选地，依据所述干涉图像，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期包括：

依据所述干涉图像，确定所述干涉图像的灰度平均值；

将所述干涉图像的各像素灰度值与所述灰度平均值差分，以得到所述干涉图像中各亮条纹的中心位置；

依据相邻亮条纹中心位置的距离的平均值，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期。

可选地，依据所述多个干涉图像，确定多个干涉图像的位移包括：

计算多个干涉图像中的亮条纹中心位置的距离，以得到所述多个干涉图像的位移。

在本发明提供的技术方案中，采用分光镜将原始的激光束分为第一激光束和第二激光束，将第一激光束通过反光镜进行反射，从而，反射得到的第一反射激光束与原始的激光束相位相同，再将第二激光束进行相位调制，采用将第一激光束和第二激光束进行干涉的方式获取两者之间的相位差异。由于第一激光束是通过反射的方式得到的，因此，其相位与原始的激光束的相位相同，为第二反射激光束的相位比较提供了一个准确的基准，从而，能够更加准确的获得第二反射激光束的相位调制信息。

附图说明

图1为本发明一实施例纯相位液晶空间光调制器校准平台的示意图；

图2为本发明另一实施例纯相位液晶空间光调制器校准平台的光路示意图；

图3为本发明一实施例纯相位液晶空间光调制器校准方法的流程图；

图4为本发明另一实施例纯相位液晶空间光调制器校准方法计算干涉图像位移的示意图；

图5为本发明另一实施例纯相位液晶空间光调制器校准方法依据干涉图像位移的仿真图；

图6为本发明另一实施例纯相位液晶空间光调制器校准方法不同入射角度的调制特性曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种纯相位液晶空间光调制器4(LCOS)校准平台，如图1-2所示，包括：

激光发生模块1，用于产生原始激光束11；

在一些实施例中，对LCOS的调制特性进行校准过程中，需要将激光光束通过LCOS调制，然后判断调制后的激光束的相位进行测试。在激光发生模块1中，产生的激光束即为LCOS调制之前的激光束。

分光镜2，设置在所述原始激光束11的光路上，所述分光镜2用于将所述激光发生模块1发射的激光分为第一激光束21和第二激光束22；

在一些实施例中，分光镜2用于将一束激光分为两束或者两束以上的激光束，在两束或者两束以上的激光束中，其中，至少有一束是通过分光镜2的反射作用产生的，至少一束是通过分光镜2的折射作用产生的。在本实施方式中，采用分光镜2将原始激光束11分为两束激光束，即第一激光束21和第二激光束22。

反射镜3，设置在所述第一激光束21的光路上，所述反射镜3用于将所述第一激光束21反射为第一反射激光束31；

在一些实施例中，反射镜3用于将激光束进行反射，改变激光束的传输方向，改变传输方向的激光束，其相位通常不发生变化。

摆台6，设置在所述第二激光束22的光路上，所述摆台6用于承载所述纯相位液晶空间光调制器4，所述纯相位液晶空间光调制器4用于将所述第二激光束22调制为第二反射激光束41；

在一些实施例中，摆台6是用于承载LCOS的机构，LCOS放置于摆台6上，LCOS用于对激光束进行调制，通过改变LCOS中液晶分子的角度，将激光束的传输光程改变，从而对激光束的相位进行调制。

成像模块5，设置在所述第一反射激光束31和所述第二反射激光束41相交的位置，所述成像模块5用于采集所述第一反射激光束31和所述第二反射激光束41的干涉图像。

在一些实施例中，成像模块5用来获取干涉图像，即第一激光束21和第二激光束22的干涉图像，例如，使第一激光束21在成像模块5上的光斑与第二激光束22在成像模块5上的光斑重合，从而，使得使第一激光束21和第二激光束22在光斑处形成干涉，此时，成像模块5可获取该干涉图像。

在本实施例提供的技术方案中，采用分光镜2将原始的激光束分为第一激光束21和第二激光束22，将第一激光束21通过反光镜进行反射，从而，反射得到的第一反射激光束31与原始的激光束相位相同，再将第二激光束22进行相位调制，采用将第一激光束21和第二激光束22进行干涉的方式获取两者之间的相位差异。由于第一激光束21是通过反射的方式得到的，因此，其相位与原始的激光束的相位相同，为第二反射激光束41的相位比较提供了一个准确的基准，从而，能够更加准确的获得第二反射激光束41的相位调制信息。

作为一种可选的实施方式，还包括旋转驱动模块，与所述摆台6传动连接，所述旋转驱动模块用于驱动所述摆台6旋转，以改变所述第二激光束22的入射角度。在一些实施例中，对于LCOS的校准不仅包括在同一入射角度下对于不同灰度的校准，还包括在不同的入射角度下对LCOS的校准，为了实现对LCOS在不同入射角度下的校准，本实施方式中采用旋转驱动模块驱动摆台6旋转，由于LCOS置于摆台6之上，因此，当摆台6旋转时，LCOS的角度也发生变化，从而，能够使激光以不同的入射角度进入LCOS，实现对LCOS在不同入射角度下的校准。

作为一种可选的实施方式，还包括灰度驱动模块，与所述纯相位液晶空间光调制器4电连接，所述灰度驱动模块用于驱动所述纯相位液晶空间光调制器4的灰度发生变化。由于在对LCOS进行校准的过程中，需要得到LCOS在不同灰度下的调制相位，因此，本实施方式中采用灰度驱动模块驱动LCOS的灰度发生变化，从而，得到LCOS在不同灰度下的调制相位。

本发明实施例还提供一种纯相位液晶空间光调制器校准方法，如图3所示，包括：

步骤310，将激光发生器发射的原始激光束分为第一激光束和第二激光束；

在一些实施例中，为了对LCOS进行校准，需要将一束激光通过LCOS进行调制，再将调制后的激光与原始的激光进行比较，因此，在本步骤中，将激光发生器发射的原始激光束分为第一激光束和第二激光束，此时，第一激光束和第二激光束的相位均与原始激光束相同，在后续的步骤中，采用其中一个作为比较的基准，将另一个通过LCOS进行调制。再将调制后的激光与作为基准的激光进行比较，即可确定LCOS的调制特性。

步骤320，将第一激光束通过反射镜进行反射，以形成第一反射激光束；

在一些实施例中，将第一激光束通过反射镜进行反射后，其相位不变，即第一反射激光束的相位与原始激光束的相位相同。在本步骤中，通过反射镜进行反射是为了改变第一激光束的传播方向，以使第一反射激光束顺利入射至成像模块。

步骤330，将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束；

在一些实施例中，将第二激光束通过LCOS进行调制后，其相位发生改变，其相位的改变即表征了LCOS的调制特性，后续步骤中需要对其相位特性进行提取，从而判断LCOS的调制特性。

步骤340，采集所述第一反射激光束和第二反射激光束的干涉图像；

在一些实施例中，在第一反射激光束和第二反射激光束干涉时，其干涉图案能够表征第一反射激光束和第二反射激光束的相位情况，获取该干涉图像后，由于第一反射激光束的相位信息与原始激光束的相位信息相同，即第一反射激光束的相位信息是已知的，因此，通过第一反射激光束与第二反射激光束的相位信息的相互关系以及第一反射激光束的相位信息，即可获得第二反射激光束的相位信息。

步骤350，依据所述干涉图像，确定所述纯相位液晶空间光调制器的调制特性。

在一些实施例中，每个入射角度以及每个灰度下的第二反射激光束均可通过计算得到，因此，通过多个灰度以及多个入射角度下的第二反射激光束的相位信息，即可得到LCOS的调制特性。

在本实施例提供的技术方案中，采用分光镜将原始的激光束分为第一激光束和第二激光束，将第一激光束通过反光镜进行反射，从而，反射得到的第一反射激光束与原始的激光束相位相同，再将第二激光束进行相位调制，采用将第一激光束和第二激光束进行干涉的方式获取两者之间的相位差异。由于第一激光束是通过反射的方式得到的，因此，其相位与原始的激光束的相位相同，为第二反射激光束的相位比较提供了一个准确的基准，从而，能够更加准确的获得第二反射激光束的相位调制信息。

作为一种可选的实施方式，步骤330包括：将第二激光束通过多种灰度的纯相位液晶空间光调制器进行调制，以逐次形成多个第二反射激光束。在一些实施例中，在LCOS校准过程中，需要获取LCOS在不同灰度下的调制相位，因此，在本实施方式中，采用多种灰度的LCOS对第二激光束进行调制，以获得LCOS在不同的灰度下的调制相位。

作为一种可选的实施方式，步骤330包括：将第二激光束通过多种角度入射至纯相位液晶空间光调制器进行调制，以逐次形成多个第二反射激光束。在一些实施例中，由于不同的入射角度下，LCOS的相位调制特性不尽相同，因此，本实施方式中，将第二激光束以多种角度入射至LCOS进行调制，从而，得到不同入射角度下的LCOS的调制特性。

图6为LCOS在照射角度分别为5°，15°，30°，45°时的调制相位调制曲线。图中的横坐标为灰度值，纵坐标为相移值。从曲线可以看出，相位调制的趋势在不同入射角度下均为非线性，且相较45°角时，入射角为5°时的相位调制特性的趋势更加明显。此外，相移量随着入射角的增加而减小。当灰度值在20-60之间时，相移值的改变并不明显，随着灰度值升至80时，相移的变化开始增大。

作为一种可选的实施方式，步骤340包括：采集多个所述第二反射激光束与所述第一反射激光束形成的多个干涉图像。在一些实施例中，为了获得LCOS的相位调制特性，需要通过多个不同灰度以及不同入射角度调制形成的第二反射激光束的相位信息，为了得到多个第二反射激光束的相位信息，需要将多个第二反射激光束的相位信息与第一反射激光束进行对比，因此，本实施方式中采集多个干涉图像，以得到多个第二反射激光束的相位信息。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，步骤550包括：

步骤551，依据所述干涉图像，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期；

在一些实施例中，在确定干涉条纹的周期时，首先对纵向像素的灰度值求和平均，得到某一条干涉条纹的灰度平均值。然后对该条纹的灰度级别进行差分运算，可以得到干涉亮条纹中心像素位置。把条纹中心像素位置保存下来，计算出条纹间距的像素值，取其平均作为干涉条纹的周期。如图5所示，在同一曲线中，将相邻两峰值的距离进行记录，将多个距离进行平均即可得到干涉条纹的周期。

步骤552，依据所述多个干涉图像，确定多个干涉图像的位移；

在一些实施例种，当灰度发生变化时，干涉图案随之发生移动，在干涉图案发生移动后，通过测量两次得到的干涉图案中的条纹中心像素位置进行比较，即可得到干涉条纹的移动距离，通过计算干涉条纹的位移与条纹周期的比值，即可得到相位调制量。继续如图5所示，将两条曲线相邻的峰值距离进行测量，即可得到干涉图像的位移。

步骤553，依据所述周期和所述位移，确定所述纯相位液晶空间光调制器的相位调制量。

在一些实施例中，相移量Φ与条纹的相对位移的关系为：

其中，δ为干涉条纹的相对位移，d为干涉条纹的周期。

本实施方式中，通过计算干涉条纹的周期与干涉条纹的位移，能够方便准确的得到相位调制量。

作为一种可选的实施方式，步骤551包括：

依据所述干涉图像，确定所述干涉图像的灰度平均值；

在一些实施例中，取干涉图像的灰度平均值，在后续的计算过程中，将该灰度平均值与各像素灰度值进行差分，能够得到各像素灰度值的曲线，便于后续的周期计算。

将所述干涉图像的各像素灰度值与所述灰度平均值差分，以得到所述干涉图像中各亮条纹的中心位置；

在一些实施例中，差分之后的曲线，是以该灰度平均值作为零点，得到干涉图像各个像素的灰度值曲线，在曲线的峰值处，即为各亮条纹的中心位置，如图5所示。

依据相邻亮条纹中心位置的距离的平均值，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期。

在一些实施例中，为了得到较为准确的干涉条纹周期，将多个相邻亮条纹的中心位置的距离进行平均，以其平均值作为周期，较为准确。

作为一种可选的实施方式，依据所述多个干涉图像，确定多个干涉图像的位移包括：计算多个干涉图像中的亮条纹中心位置的距离，以得到所述多个干涉图像的位移。在一些实施例中，亮条纹中心位置即决定了该亮条纹的位置，因此，以其中心位置的距离即可确定两条亮条纹的距离。

在上述的各个实施例中，成像模块可以采用电荷耦合器CCD成像模块。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种纯相位液晶空间光调制器校准平台，其特征在于，包括：

激光发生模块，用于产生原始激光束；

分光镜，设置在所述原始激光束的光路上，所述分光镜用于将所述激光发生模块发射的激光分为第一激光束和第二激光束；

反射镜，设置在所述第一激光束的光路上，所述反射镜用于将所述第一激光束反射为第一反射激光束；其中，所述第一反射激光束与所述第一激光束的夹角大于0°；

摆台，设置在所述第二激光束的光路上，所述摆台用于承载所述纯相位液晶空间光调制器，所述纯相位液晶空间光调制器用于将所述第二激光束调制为第二反射激光束；其中，所述第二反射激光束和所述第二激光束的夹角大于0°；

成像模块，设置在所述第一反射激光束和所述第二反射激光束相交的位置，所述成像模块用于采集所述第一反射激光束和所述第二反射激光束的干涉图像；以依据干涉图案的条纹周期和多个干涉图案的条纹间的相对位移确定所述纯相位液晶空间光调制器的调制相移。

2.根据权利要求1所述纯相位液晶空间光调制器校准平台，其特征在于，还包括旋转驱动模块，与所述摆台传动连接，所述旋转驱动模块用于驱动所述摆台旋转，以改变所述第二激光束的入射角度。

3.根据权利要求1所述纯相位液晶空间光调制器校准平台，其特征在于，还包括灰度驱动模块，与所述纯相位液晶空间光调制器电连接，所述灰度驱动模块用于驱动所述纯相位液晶空间光调制器的灰度发生变化。

4.一种纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，包括：

将激光发生器发射的原始激光束分为第一激光束和第二激光束；

将第一激光束通过反射镜进行反射，以形成第一反射激光束；其中，所述第一反射激光束与所述第一激光束的夹角大于0°；

将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束；其中，所述第二反射激光束和所述第二激光束的夹角大于0°；

在所述第一反射激光束和所述第二反射激光束相交的位置，采集所述第一反射激光束和第二反射激光束的干涉图像；

依据干涉图案的条纹周期和多个干涉图案的条纹间的相对位移，确定所述纯相位液晶空间光调制器的调制特性。

5.根据权利要求4所述纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束包括：

将第二激光束通过多种灰度的纯相位液晶空间光调制器进行调制，以逐次形成多个第二反射激光束。

6.根据权利要求4所述纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，将第二激光束通过纯相位液晶空间光调制器进行调制，以形成第二反射激光束包括：

将第二激光束通过多种角度入射至纯相位液晶空间光调制器进行调制，以逐次形成多个第二反射激光束。

7.根据权利要求5或6所述纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，采集所述第一反射激光束和第二反射激光束的干涉图像包括：采集多个所述第二反射激光束与所述第一反射激光束形成的多个干涉图像。

8.根据权利要求7所述纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，依据所述干涉图像，确定所述纯相位液晶空间光调制器的调制特性包括：

依据所述干涉图像，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期；

依据所述多个干涉图像，确定多个干涉图像的位移；

依据所述周期和所述位移，确定所述纯相位液晶空间光调制器的相位调制量。

9.根据权利要求8所述纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，依据所述干涉图像，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期包括：

依据所述干涉图像，确定所述干涉图像的灰度平均值；

将所述干涉图像的各像素灰度值与所述灰度平均值差分，以得到所述干涉图像中各亮条纹的中心位置；

依据相邻亮条纹中心位置的距离的平均值，确定所述干涉图像中的干涉条纹的周期。

10.根据权利要求9所述纯相位液晶空间光调制器校准方法，其特征在于，依据所述多个干涉图像，确定多个干涉图像的位移包括：

计算多个干涉图像中的亮条纹中心位置的距离，以得到所述多个干涉图像的位移。

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