CN113092073A - 一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法，基于Twyman‑Green干涉法的改进进行相位调制特性的测量，先在在反射镜与透反镜之间设置可调节透镜，动态微调节光路中两束光束的光程差，获取稳定、清晰的干涉条纹，然后对实验中采集的具有一定宽度的干涉条纹进行单像素提取，从而获得理想干涉条纹，之后利用自动程序对理想干涉条纹进行计算从而获得条纹的水平位移量和条纹周期，最后计算每一个灰度值所对应的相位延迟，生成液晶空间光调制器的相位调制曲线。本发明可以降低传统测量方法对环境的依赖性，方便获得稳定、清晰的干涉条纹；利用计算机程序实现对干涉条纹的自动检测和处理，克服人工处理条纹所引起的误差大、效率低等现实问题。

Description

一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法

技术领域

本发明涉及光电成像系统，具体涉及一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统及方法。

背景技术

液晶空间光调制器是一种主动型器件，它通过液晶分子对入射光场的参量进行调节，并利用光的宽带宽、多通道等特点实现对加载信息的快速处理。通用型液晶空间光调制器一般采用向列相液晶，其结构主要由表面覆盖玻璃、透明导电极、液晶分子层、反射镜、反射式像元控制电极和硅底等材料组成。液晶空间光调制器因为具有较宽的波段响应范围、快速响应率、易驱动、低损耗、体积小、易操作等优点，已经广泛地应用于光束控制、波前整形、光镊微操作等领域。近些年，液晶空间光调制器对于新型特殊光束，如艾里光束、涡旋光束等的实验产生和传播特性的研究起到了巨大的推动作用。因为液晶空间光调制器通过计算机软件可以实现入射光束相位和振幅的任意调，这一点是传统衍射光学器件无法完成的因此，熟悉掌握液晶空间光调制器的性能参数具有十分重要的意义。

加载到液晶空间光调制器液晶分子上的外加电场大小对应于8位的灰度值，通过加载具有不同灰度值分布的图像到空间光调制上便可以获得不同的相位延迟。这种所加载灰度值与相位延迟的关系称为液晶空间光调制器的相位调制特性。一般而言，某一型号的液晶空间光调制器在出厂之前会被设定工作在特定波长处。如果入射光束的波长不在该工作波长附近，那么液晶空间光调制器在实际工作过程中会表现出明显的非线性响应，从而严重影响光调制器的调制精度，这是用户显然不愿意看到的。因此，当用户需要空间光调制器工作在非出厂工作波长处时，首先需要对光调制器的相位调制特性在期望波长处进行重新测量和校准，然后建立新的用户映射表加载到光调制器中，使其工作在线性响应区间。但是，传统液晶空间光调制器相位调制特性测量方法对实验环境要求较高，实验中不易获得稳定、清晰的干涉条纹。同时，传统测量方法需要依靠人工对干涉条纹的位移量进行测量，测量误差大、执行效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统及方法，旨在降低传统测量方法对环境依赖性的同时，实现对相位调制特性的自动、快速、准确测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统，包括用于获取干涉条纹的实验测量光路系统，用于采集干涉条纹的CCD相机，以及用于数据处理的计算机控制器，其中：

实验测量光路系统包括起偏器、透反镜、透镜、反射镜、液晶空间光调制器、成像透镜，所述透镜在水平和俯仰的倾斜角度可调节，置于透反镜与反射镜之间；光源发出的高斯光束经过衰减、扩束、准直后通过起偏器变成线偏振光，线偏振光入射到透反镜后分成两束光，其中一束光经透反镜反射后再经过透镜入射到反射镜表面，经过反射镜二次反射后继续穿过透反镜到达成像透镜；而另外一束光从透反镜透射后入射到液晶空间光调制器表面，经过液晶空间光调制器相位调制后通过透反镜再次反射到达成像透镜；

计算机控制器生成灰度图像，采集对应的干涉条纹，测量干涉条纹水平移动距离和周期，并利用相对位移测量法，生成液晶空间光调制器的相位调制曲线。

进一步的，所述透镜位置调整于液晶空间光调制器前。

进一步的，所述透镜设置在镜架上，测量前通过镜架上的精密旋钮调节其在水平和俯仰的倾斜角度，以获取清晰稳定的干涉条纹。

一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法，基于所述的液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统确定液晶空间光调制器的相位调制曲线，包括如下步骤：

步骤1，生成灰度图像，所述灰度图像包含两个独立部分，上半部分的灰度值是变化的，涵盖0到255灰度范围，而下部分的灰度值始终设为0，并依次将这些灰度图像加载到液晶空间光调制器中；

步骤2，采集灰度图像对应的干涉条纹，并对干涉条纹图像进行预处理，得到单像素线条图像；

步骤3，对上一步处理得到的单像素线条进行处理，寻找每一根单像素线条的重心点及其空间坐标，以每一个重心点的横坐标为中心依次作出垂直于横向坐标轴的竖线，这些竖线同样只具有单像素宽度，将代替实际条纹作为理想干涉条纹；

步骤4，计算每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离和周期的平均值，计算每一个灰度值所对应的相位延迟，生成液晶空间光调制器的相位调制曲线。

进一步的，步骤2中，预处理包括中值滤波，图像二值化，图像形态学腐蚀和膨胀，图像骨骼化。

进一步的，步骤4中，计算每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离和周期的平均值，计算每一个灰度值所对应的相位延迟，具体方法为：

建立光程差与干涉条纹移动距离之间的关系，表示为：

Δ＝λd/T (1)

式中，Δ表示光程差，d代表干涉条纹的水平移动距离，T代表干涉条纹的周期，λ表示入射波长；

建立相位延迟与光程差的关系，表示为：

φ＝2πΔ/λ (2)

式中，φ表示相位延迟；将每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离的平均值作为干涉条纹的水平移动距离，将每一幅图像中理想干涉条纹周期的平均值作为干涉条纹的周期，代入公式(1)和公式(2)，计算即得到该图像灰度值所对应的相位延迟。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)基于本发明所提测量方法产生干涉条纹，可以降低传统测量方法对环境的依赖性，方便获得稳定、清晰的干涉条纹；2)利用计算机程序实现对干涉条纹的自动检测和处理，克服人工处理条纹所引起的误差大、效率低等现实问题。

附图说明

图1是条纹移动法测量的原理图，图中，BS表示透反镜，M1和M2表示反射镜，L1和L2表示透镜。

图2是相对位移法所加载的典型灰度图像。

图3是相对条纹移动法测量的原理图。

图4是条纹干涉法实验装置的示意图。

图5是干涉条纹自动测量主要步骤示意图。

图6是典型干涉条纹的示意图。

图7是干涉条纹图像的预处理结果图。

图8是计算机的处理结果图。

图9是实验所测液晶空间光调制器的相位调制曲线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

目前，常用的相位调制特性的测量方法主要有：双缝干涉法，Twyman-Green干涉法，以及径向剪切干涉法等方法。其中，Twyman-Green干涉法由于具有光路简单，易于操作等优点而得到了较为广泛的应用，下面，将对Twyman-Green干涉法作简单的介绍。

Twyman-Green干涉法的核心在于通过测量干涉条纹的位移量来计算相位延迟，条纹移动法测量原理如图1所示。由图1可以看出，这是一个典型的分振幅干涉法。由点光源发出的两束光，一束经过透反镜BS反射后入射到反射镜M1上，经M1反射后透过BS入射到透镜L2。另一束光则直接透过BS入射到反射镜M2上，并经M2和BS的二次反射入射到透镜L2上。两束光经L2会聚到P点，并在P点成像。只要上述两路光满足相干性条件，则在P点可以观察到干涉条纹。理论上，令M2与M1不相互垂直，而是有一小的倾角，则可以观察到一系列平行等距的干涉直条纹。保持M1位置固定，通过移动M2可以改变两束反射光的光程差，使得干涉产生的条纹沿垂直于条纹方向发生水平一定。当两束光的光程差改变量为一个波长时，干涉条纹中的亮条纹会由初始位置水平移动到相邻的亮条纹的位置。

由条纹移动法的测量原理可知，干涉条纹的水平移动距离由两束光的光程差大小决定。改变光程差的方法除了通过移动M1或者M2的位置外，还可以通过将光路中的M2用液晶空间光调制器代替。这样，通过空间光调制器改变其中一路光束的相位延迟也同样可以达到改变光程差的目的。在测量过程中，如果能够测量出干涉条纹的移动距离，便可以得到光程差的改变量，进而计算得到相位延迟量。具体计算方法如下：

光程差与干涉条纹移动距离之间的关系为：

Δ＝λd/T (1)

式中，Δ表示光程差，d代表干涉条纹的水平移动距离，T代表干涉条纹的周期，λ表示入射波长。相位延迟与光程差的关系可以表示为：

φ＝2πΔ/λ (2)

测量干涉条纹水平位移的方法主要有两种，一种是绝对位移测量法，另外一种则是相对位移测量法。绝对位移测量法的缺点在于这一方法对实验环境的要求非常高，因为干涉条纹对环境非常敏感，实验环境细小的变化都会引起干涉条纹较大的抖动，导致在采集图像中会不可避免的引入抖动误差。为了克服这一缺点，可以在每一幅干涉条纹中引入一个参考条纹，该条纹的位置相对静止，这样可以通过计算每一幅图像中各条纹相对参考条纹的位移量来最大程度地减小实验环境对测量精度的影响，这一方法称为相对位移测量法。相对位移测量法的操作步骤主要分为以下几步：

1.利用计算机生成一系列灰度图像，该灰度图像与绝对位移测量法所使用的灰度图像有所区别。新生成的灰度图像包含两个独立部分，上半部分的灰度值是变化的，涵盖0到255灰度范围，而下部分的灰度值始终设为0，典型图像如图2所示。这样加载到液晶空间光调制器上的灰度图像上下两部分由于具有不同的灰度值，会引起光调制器做出不同的灰度响应。上半部分图像的灰度值由于处于动态变化中，因此由上半部分图像产生的干涉条纹会随着灰度值的变化而发生水平移动。与此同时，由于下半部分图像的灰度值始终不变，因此由下半部分图像产生的干涉条纹的位置相对静止，可以作为测量的参考条纹。这样，上下两部分图像产生的干涉条纹就会发生相对位移，位移大小随上半部分灰度值变化而变化。

2.将生成的256幅灰度图像依次加载到液晶空间光调制器中，并针对每一幅灰度图像采集相应的干涉条纹分布图。

3.测量每一幅干涉条纹图像中干涉条纹相对参考条纹的水平位移量和条纹周期，测量原理如图3所示。

4.将测量得到的条纹移动距离d以及条纹周期T等参数代入公式(1)和公式(2)，计算可以得到每一个灰度值所对应的相位延迟大小。

Twyman-Green干涉法测量液晶空间光调制器相位调制特性的关键在于测量干涉条纹的移动距离。这里会涉及两个问题，一是干涉条纹图像的采集；二是利用采集的图像进行条纹移动距离的测量。

针对第一个问题，传统Twyman-Green干涉法，受到光路调节精度、光学器件和实验设备精度以及实验环境等因素影响，实验中所采集的干涉条纹通常具有一定的宽度和弯曲度，且条纹亮度分布不均匀。造成实验所采集的干涉条纹不理想的原因有多种，其中一个重要的原因在于实验中光程差的调节不够精确，导致两束光的干涉条件不能够很好的满足。因此，本发明提出一种针对传统Twyman-Green干涉法的改进测量方法，从而方便获得较为理想的干涉条纹。

针对第二个问题，传统测量方法中主要依靠人工方法去测量干涉条纹的水平位移距离，一般存在两个缺点：一是人工测量会不可避免的引入新的测量误差，而且这种新的测量误差一般是随机的；二是人工测量的工作量比较大，执行效率比较低。鉴于此，本发明提出一种自动检测、处理、测量干涉条纹的横向移动距离以及条纹周期的方法，该方法的主要步骤完全由计算机完成，不需要过多的人工干预，具有较高的执行效率和计算精度。

综上所述，发明提出了一种针对传统Twyman-Green干涉法的改进测量方法，该方法的核心在于利用一个附加可调谐透镜去微调节光路中两束光束的光程差。改进后的Twyman-Green干涉法实验装置如图4所示。由光源发出的高质量的高斯光束经过衰减、扩束、准直后通过起偏器，变成线偏振光，该光入射到透反镜后分成两束光。其中一束光经透反镜反射并经过一个额外放置的可动态调整的透镜后再入射到反射镜表面经过二次反射会继续穿过透反镜到达成像透镜。而另外一束光从透反镜透射后会入射到液晶空间光调制器表面，空间光调制器受到电脑控制会对入射光波的相位进行调制，经调制的光束经透反镜再次反射后同样到达成像透镜。两束光会聚在透镜焦平面附近，只要两束光的光程差满足干涉条件，便可以使用CCD探测器在透镜焦平面附近采集到干涉条纹。

改进后的Twyman-Green干涉法实验装置相比于传统的Twyman-Green干涉法的不同点在于：一个额外的透镜被放置在反射镜与透反镜之间，该透镜被固定在一个具有二维调节功能的镜架上，通过调节镜架上的两个旋钮可以使透镜在水平和俯仰产生不同的倾斜角度。透镜一般具有一定的厚度和大于空气的折射率，透镜的增加，会给两束光中的其中一束增加一个附加光程差。另一方面，透镜的厚度一般不是均匀的，因此可以通过调节透镜的水平和俯仰角度来改变光束通过透镜的所经历的光程，从而达到对附加光程差的动态调节，方便获取稳定、清晰的干涉条纹。由于透镜的水平和俯仰角可通过镜架上的精密旋钮调节的，因此，该光程差的微调整方法就有较高的精度。

以上解决了第一个问题，第二个问题涉及干涉条纹水平移动距离的测量。本发明提出了一种由计算机实现的干涉条纹自动检测、处理、测量方法。该方法的主要步骤完全由计算机完成，不需要过多的人工干预，具有较高的执行效率和计算精度，其主要步骤如图5所示。具体来说，可以分为以下几个步骤：

1.利用计算机数学软件(如MATLAB)生成图2所示的共计256幅灰度图像，并依次将这些灰度图像加载到液晶空间光调制器中。

2.利用计算机控制CCD相机采集256幅灰度图像对应的干涉条纹，典型的干涉条纹如图6所示。

3.由于采集的干涉条纹具有一定的宽度，并且可能存在条纹亮度不均匀，所采集的图像含有噪声干扰等问题，这些问题的存在都不利于干涉条纹的精确测量，因此，需要对干涉条纹图像进行预处理。处理的方法主要是采用数字图像处理中的常用算法，如中值滤波，图像二值化，图像形态学腐蚀和膨胀，图像骨骼化等方法，并把这些算法有效的组合在一起，从而达到较好的处理效果。经过处理的干涉条纹将从原来具有一定宽度变为具有单像素宽度的线条，这些单像素的线条将对下一步进行精确计算提供巨大方便。典型的干涉条纹单像素提取预处理结果如图7所示。

4.当完成了干涉条纹的采集和预处理步骤，接下来需要完成对预处理后的条纹进行条纹分析和理想干涉条纹构建工作。利用计算机对上一步处理得到的单像素线条进行处理，寻找每一根单像素线条的重心点及其空间坐标。然后，以每一个重心点的横坐标为中心依次作出垂直于横向坐标轴的竖线，这些竖线同样只具有单像素宽度。这些竖线将代替实际条纹作为理想干涉条纹用于下一步的计算中。典型处理结果如图8所示。

图8中，黑色竖线代表着理想干涉条纹。其中，纵轴负半轴极大值点所在黑色竖线由干涉图像中的下半部分条纹产生，其位置相对静止；纵轴正半轴极大值点所在黑色竖线由干涉图像中的上半部分条纹产生，其位置会随着干涉条纹的移动而发生变化。相邻的纵轴负半轴极大值点所在黑色竖线和正半轴极大值点所在黑色竖线之间的距离代表着上半部分条纹相对参考条纹的水平位移量，在图中用字母d表示，相邻的纵轴正半轴极大值点所在黑线和黑线之间的距离代表着干涉条纹周期，在图中用字母T表示。

5.利用上一步产生的理想条纹，通过计算机计算每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离和周期的平均值。将计算结果带入公式(1)和公式(2)便可以计算得到每一个灰度值所对应的相位延迟。

6.利用上一步的计算结果，得到每一个灰度值所对应的相位延迟，之后通过计算机作出所测量的液晶空间光调制器的相位调制曲线。

为了验证本发明所提方法的有效性，进一步，利用图4所示实验光路开展了对Meadowlark公司生产的某型空间光调制器相位调制特性的测量实验，该型号空间光调制器工作波长为1064nm，实验中所采用激光波长为632.8nm。实验所测液晶空间光调制器相位调制曲线如图9所示。由图9可以看出，当液晶空间光调制器工作在非工作波长之外，其相位调制特性将表现出明显的非线性特征，导致光调制器对加载其中的灰度值变化不再作出线性响应。同时，还可以看出，由于入射的激光波长632.8nm要小于液晶空间光调制器的设定工作波长1064nm，因此，液晶空间光调制器对入射光波的相位调制深度要远远地大于2π，达到了5.9π。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。本发明所述可调节透镜放置位置不局限于图4所示反射镜前，也可置于液晶空间光调制器前，其原理与所述实施例相同。本发明所述的干涉条纹单像素提取方法不限于实施例所述的中值滤波，图像二值化，图像形态学腐蚀和膨胀，图像骨骼化等方法，还包括其他改进算法以及组合算法。

Claims (6)

1.一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统，其特征在于，包括用于获取干涉条纹的实验测量光路系统，用于采集干涉条纹的CCD相机，以及用于数据处理的计算机控制器，其中：

实验测量光路系统包括起偏器、透反镜、透镜、反射镜、液晶空间光调制器、成像透镜，所述透镜在水平和俯仰的倾斜角度可调节，置于透反镜与反射镜之间；光源发出的高斯光束经过衰减、扩束、准直后通过起偏器变成线偏振光，线偏振光入射到透反镜后分成两束光，其中一束光经透反镜反射后再经过透镜入射到反射镜表面，经过反射镜二次反射后继续穿过透反镜到达成像透镜；而另外一束光从透反镜透射后入射到液晶空间光调制器表面，经过液晶空间光调制器相位调制后通过透反镜再次反射到达成像透镜；

计算机控制器生成灰度图像，采集对应的干涉条纹，测量干涉条纹水平移动距离和周期，并利用相对位移测量法，生成液晶空间光调制器的相位调制曲线。

2.根据权利要求1所述的液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统，其特征在于，所述透镜位置调整于液晶空间光调制器前。

3.根据权利要求1或2所述的液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统，所述透镜设置在镜架上，测量前通过镜架上的精密旋钮调节其在水平和俯仰的倾斜角度，以获取清晰稳定的干涉条纹。

4.一种液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的液晶空间光调制器相位调制特性自动测量系统确定液晶空间光调制器的相位调制曲线，包括如下步骤：

步骤1，生成灰度图像，所述灰度图像包含两个独立部分，上半部分的灰度值是变化的，涵盖0到255灰度范围，而下部分的灰度值始终设为0，并依次将这些灰度图像加载到液晶空间光调制器中；

步骤2，采集灰度图像对应的干涉条纹，并对干涉条纹图像进行预处理，得到单像素线条图像；

步骤3，对上一步处理得到的单像素线条进行处理，寻找每一根单像素线条的重心点及其空间坐标，以每一个重心点的横坐标为中心依次作出垂直于横向坐标轴的竖线，这些竖线同样只具有单像素宽度，将代替实际条纹作为理想干涉条纹；

步骤4，计算每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离和周期的平均值，计算每一个灰度值所对应的相位延迟，生成液晶空间光调制器的相位调制曲线。

5.根据权利要求4所述的液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法，其特征在于，步骤2中，预处理包括中值滤波，图像二值化，图像形态学腐蚀和膨胀，图像骨骼化。

6.根据权利要求4所述的液晶空间光调制器相位调制特性自动测量方法，其特征在于，步骤4中，计算每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离和周期的平均值，计算每一个灰度值所对应的相位延迟，具体方法为：

建立光程差与干涉条纹移动距离之间的关系，表示为：

Δ＝λd/T (1)

式中，Δ表示光程差，d代表干涉条纹的水平移动距离，T代表干涉条纹的周期，λ表示入射波长；

建立相位延迟与光程差的关系，表示为：

φ＝2πΔ/λ (2)

式中，φ表示相位延迟；将每一幅图像中理想干涉条纹横向移动距离的平均值作为干涉条纹的水平移动距离，将每一幅图像中理想干涉条纹周期的平均值作为干涉条纹的周期，代入公式(1)和公式(2)，计算即得到该图像灰度值所对应的相位延迟。

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