CN113867013A - 一种空间光调制器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光调制器及系统，包括：一用于接收光束空间调制数据信号的第一输入接口；至少一个用于接收可配置硬件参数项的第二输入接口，所述可配置硬件参数项为光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量、光斑焦距、出射光分束数量、基底相位误差和基底相位误差补偿值中的至少一种；一根据所述光束空间调制数据信号和可配置硬件参数项生成寻址数据的控制单元；一根据所述寻址数据驱动光学头的驱动模块。其将调制数据和可配置参数项分离开，将可配置参数项内置在空间光调制器本体内，使之成为一种硬件可选参数项，而无需用户单独计算，便于操控，从而使得空间光调制更有广泛的适应性和易用性。

Description

一种空间光调制器及系统

技术领域

本发明属于空间光调制技术领域，具体地涉及一种空间光调制器及系统。

背景技术

空间光调制器是一种光场调控器件，用户通过输入寻址数据来驱动光学头实现对入射光束的空间调制，使得出射光束满足特定功能目标。如图1所示，传统空间光调制器是上位机编程生成用户寻址数据F(x,y)，光束调制功能由输入的寻址数据决定，通过接口输入空间光调制器，驱动光学头对入射光束Input进行调制，出射光束Output就是用户希望得到的光束结果。AP(x,y)为光束的空间调制函数，这部分作为用户目标功能函数，属于不确定的用户函数，不同应用场景该函数内容完全不同，在一般情况下，空间光调制器的入射光和出射光为沿光学面的法线对称出射，AP(x,y)等同于F(x,y)，此时a＝β。但很多情况下，如果用户希望改变出射光束的角度偏离法线对称，需要在寻址数据中包含一组闪耀光栅偏置分量，每个调制功能都必须包含该偏置分量，而这个偏置分量仅与光路环境相关，不是调制功能算法的必备内容。此时，出射光束除了目标功能外，还需要满足一定的光路特性，例如，为了消除零级光斑的影响，用户希望出射光束进行零级偏离，即a不等于β，这个差值定义为Δ＝a-β，称为偏置分量，该偏置分量可以通过BP(x,y)计算得到，因此F(x,y)＝AP(x,y)+BP(x,y)。这样AP变化时，只要BP不发生变化，Δ值就是个恒定值。而BP值的变化，不影响AP的功能目标，例如图1示例AP(x,y)为一个涡旋相位分布图，其参数拓扑荷变化与BP(x,y)无关,BP(x,y)的结果仅仅影响光束的角度位置。

虽然在基于上位机的空间光调制器控制系统中增加闪耀光栅或类似光束偏转算法得到偏置分量，技术非常成熟，但由于引入了额外计算，寻址数据无法做到与设备应用场景解耦，缺乏通用性，换个光路环境可能就需要再次计算，带来系统复杂度。由于寻址数据是通过上位机编程，空间光调制器本身无法实时与外部设备进行交互控制，必须通过上位机中转实现控制，这在自动化设备、自适应光学控制领域存在弊端，例如无法通过电平信号直接实现光束角度偏转，或者直接把光束出射角度偏置固定在某个值而无需重复计算。即采用现有的空间光调制器，其不便于自动化操控，不具有广泛的适应性和易用性。

发明内容

为了解决现有空间光调制器不便于自动化操控，适用性不广的问题，本发明提供一种空间光调制器及系统，其将调制数据和可配置参数项分离开，将可配置参数项内置在空间光调制器本体内，使之成为一种硬件可选参数项，而无需用户单独计算，便于操控，从而使得空间光调制更有广泛的适应性和易用性。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明第一方面提供一种空间光调制器，包括：

一用于接收光束空间调制数据信号的第一输入接口；

至少一个用于接收可配置硬件参数项的第二输入接口，所述可配置硬件参数项为光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量、光斑焦距、出射光分束数量、基底相位误差和基底相位误差补偿值中的至少一种；

一根据所述光束空间调制数据信号和可配置硬件参数项生成寻址数据的控制单元；

一根据所述寻址数据驱动光学头的驱动模块。

发明人在长期研究中发现，光束调制功能的寻址数据算法中有一部分内容是固定模式，仅跟应用场景和光路环境有关。本方案将固定模式解耦做到硬件中处理，使得调制功能算法与设备、环境无关，极大改变空间光调制器的控制模式，可简单有效的操控空间光调制器。通过将可配置的硬件参数项信息内置在空间光调制器本体内，使之成为一种硬件可选参数项，而无需用户单独计算，便于操控，从而使得空间光调制更有广泛的适应性和易用性。

在一种可能的设计中，所述控制单元包括：

一根据所述光束空间调制数据信号确认初始寻址数据的寻址数据处理模块；

一根据所述硬件参数项信息和初始寻址数据生成寻址数据的偏置分量计算模块。

本方案的控制单元可基于单控制器实现，也可基于双控制器实现。采用双控制器即包括寻址数据处理模块和偏置分量计算模块，其基于不同的函数实现，可大大提高计算速度。

在一种可能的设计中，所述偏置分量计算模块为达曼光栅函数模块、菲涅尔透镜函数模块、全息掩膜函数模块、闪耀光栅函数模块和轴锥函数模块中的至少一种。

在一种可能的设计中，所述第二输入接口为按键接口、旋钮接口、GPIO接口或PLC接口。

采用上述接口，可实现多形式的数据交互，提高操作便捷性。

在一种可能的设计中，所述第一输入接口为HDMI接口或DVI接口。

在一种可能的设计中，所述第二输入接口上连接有用于调节硬件参数项信息中硬件参数大小的调节件。

本方案采用调节件直接实现硬件参数项信息中硬件参数大小调节，其便于操作。

在一种可能的设计中，所述调节件为旋钮、按键中的一种。

本发明第二方面提供一种空间光调制系统，包括用于生成光束空间调制数据信号的上位机和第一方面及其任一种可能所述的空间光调制器，所述空间光调制器的第一输入接口与上位机的信号输出口连接，以接收上位机的光束空间调制数据信号。

本发明与现有技术相比，至少具有以下优点和有益效果：

1、本发明将固定模式解耦做到硬件中处理，使得调制功能算法与设备、环境无关，极大改变空间光调制器的控制模式，可简单有效的操控空间光调制器。

2、通过将可配置的硬件参数项信息内置在空间光调制器本体内，使之成为一种硬件可选参数项，而无需用户上位机单独计算，便于操控，从而使得空间光调制更有广泛的适应性和易用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是现有上位机与空间光调制器的工作原理图。

图2是本发明的空间光调制器的一具体原理图。

图3是图2具体原理图对应的一电气原理图。

图4为一第二输入口的具体电路原理图。

图5是本发明的空间光调制器的另一具体原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选可能设计中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

本发明第一方面公开一种空间光调制器，包括一第一输入接口、至少一个第二输入接口、一控制单元、一驱动模块和一连接在驱动模块输出端上的光学头。

第一输入接口用于接收光束空间调制数据信号，该光束空间调制数据信号由用户的上位机生成，用户上位机仅需功能函数AP(x，y)生成光束空间调制数据即可。第一输入接口实现与上位机的连接，其可以是HDMI接口或DVI接口。

第二输入接口用于接收可配置硬件参数项，可配置硬件参数项与用户的上位机分离，内置在空间光调制器内，与用户的功能函数AP(x，y)无关，做为一个通用的可配置硬件参数项，适用到任意用户功能函数中，基于该思想，所述的可配置硬件参数项不仅可以是光束出射角度偏置量，也可以是光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量、光斑焦距、出射光分束数量、基底相位误差和基底相位误差补偿值中的至少一种。第二输入接口根据可配置硬件参数项的输入方式、调节项数可设置一个或多个。将光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量、光斑焦距、出射光分束数量、基底相位误差和基底相位误差补偿值作为空间光调制器本体的硬件参数，并通过第二输入接口实现参数量的调节。具体的，第二输入接口可以是电信号接口，也可以是旋钮接口，亦或者是按键接口。采用电信号接口时，可以是GPIO接口或PLC接口，接收外部输入的电信号，从而完成对可配置硬件参数项的定义。

控制单元对第一输入接口接收的光束空间调制数据信号和第二输入接口接收的可配置硬件参数项进行处理生成寻址数据。控制单元根据具体情况，可采用单控制器和双控制器模式。即根据应用目标确定的光场功能变量，与用户上位机输入的光场功能进行自动叠加，从而得到复合功能。

驱动模块根据所述寻址数据驱动光学头，光学头连接在驱动模块的输出端上。

基于上述原理，现以2个四个输入接口，控制单元采用单控制器，空间光调制可实现光束光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量设置为例进行说明。

参照图2，包括两个第二输出口A和B，一个第一输出接口C，α为入射光束与法线的夹角，β为出射光束与法线的夹角，γ为出射光束发散角。本方案将光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量的计算过程固化到空间光调制器本体的控制单元中，用户上位机只需输入功能函数AP(x，y)结果信号至光空间调制本体中即可实现传统功能函数AP(x，y)加BP(x，y)即用户寻址数据F(x,y)的目的。在本实施例中，空间光调制器与外部设备或单元的交互方式可采用多种形式，可以根据目的设置多种交互实现手段，比如第二输入接口可采用按键接口、旋钮接口、GPIO接口或PLC接口，实现与按键、旋钮、触摸屏等调节件的连接，调节件以调节硬件参数项信息中硬件参数大小。光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量分别通过第二输出口A和B以调节。

具体的，控制单元可采用FPGA及其外围电路实现，以图3所示，带电可擦可编程只读存储器EEPROM、flash存储器等构成外围电路，接口IN1、接口IN2分别构成两个第二输入口，HDMI/DVI接口构成第一输入口。第二输入口具体可采用图4所示的具体电路实现。采用FPGA实现功能函数AP(x，y)加BP(x，y)的目的，其计算速度快，其内置两个相位函数，其中一个透镜相位函数，用于控制光束出射角度，一个优化的闪耀光栅相位函数，用来控制光束偏转角，可以在上位机输入的调制数据基础上快速叠加，从而驱动显示屏LCOS Panel完成光束调制。

控制单元可以采用双控制器实现，即如图5所示，包括一寻址数据处理模块和一偏置分量计算模块，寻址数据处理模块根据所述光束空间调制数据信号确认初始寻址数据；偏置分量计算模块根据所述硬件参数项信息和初始寻址数据生成寻址数据。用户输入的光束空间调制数据信号先经寻址数据处理模块进行处理后进入偏置分量计算模块确认寻址数据，最后输入到驱动模块中生成驱动信号驱动光学头，完成光束调制功能。采用双控制器时，寻址数据处理模块和偏置分量计算模块采用一控制器实现，寻址数据处理模块可采用数字信号处理器DSP、微控制单元MCU或其他控制单元；偏置分量计算模块可以为现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或MCU中的Firmware，该计算模块Firmware针对空间光调制器本体所具有的偏置量参数进行计算，从而改变用户输入的光束空间调制数据，生成新的调制目标函数，这种计算模块可以是达曼光栅函数、菲涅尔透镜函数、全息掩膜函数、闪耀光栅函数、轴锥函数等已知光场调制函数，目的在将确定功能目标的计算部分作为空间光调制器的硬件参数，从而做到与用户调制数据解耦。对应的，偏置分量计算模块为达曼光栅函数模块、菲涅尔透镜函数模块、全息掩膜函数模块、闪耀光栅函数模块和轴锥函数模块中的至少一种。

本发明第二方面提供一种空间光调制系统，包括用于生成光束空间调制数据信号的上位机和第一方面中任一可能中所述的空间光调制器，所述空间光调制器的第一输入接口与上位机的信号输出口连接，以接收上位机的光束空间调制数据信号。本系统的运行原理在第一方面中已经详细阐述，在此不再赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种空间光调制器，其特征在于，包括：

一用于接收光束空间调制数据信号的第一输入接口；

至少一个用于接收可配置硬件参数项的第二输入接口，所述可配置硬件参数项为光束出射角度偏置量、出射光束发散角偏置量、光斑焦距、出射光分束数量、基底相位误差和基底相位误差补偿值中的至少一种；

一根据所述光束空间调制数据信号和可配置硬件参数项生成寻址数据的控制单元；

一根据所述寻址数据驱动光学头的驱动模块；

一连接在驱动模块上的光学头。

2.根据权利要求1所述的一种空间光调制器，其特征在于，所述控制单元包括：

一根据所述光束空间调制数据信号确认初始寻址数据的寻址数据处理模块；

一根据所述硬件参数项信息和初始寻址数据生成寻址数据的偏置分量计算模块。

3.根据权利要求2所述的一种空间光调制器，其特征在于，所述偏置分量计算模块为达曼光栅函数模块、菲涅尔透镜函数模块、全息掩膜函数模块、闪耀光栅函数模块和轴锥函数模块中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种空间光调制器，其特征在于，所述第二输入接口为按键接口、旋钮接口、GPIO接口或PLC接口。

5.根据权利要求1所述的一种空间光调制器，其特征在于，所述第一输入接口为HDMI接口或DVI接口。

6.根据权利要求1所述的一种空间光调制器，其特征在于，所述第二输入接口上连接有用于调节硬件参数项信息中硬件参数大小的调节件。

7.根据权利要求6所述的一种空间光调制器，其特征在于，所述调节件为旋钮、按键中的一种。

8.一种空间光调制系统，其特征在于，包括用于生成光束空间调制数据信号的上位机和权利要求1至7任一所述的空间光调制器，所述空间光调制器的第一输入接口与上位机的信号输出口连接，以接收上位机的光束空间调制数据信号。

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