CN113917818A - 基于空间光调制器的光束编码系统及方法 - Google Patents

基于空间光调制器的光束编码系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的光束编码系统及方法，系统包括：激光器、预处理单元、空间光调制器、第三透镜、光阑及第四透镜；其中，激光器及所述预处理单元在同一直线上，空间光调制器设置于第三透镜的第一焦平面，光阑设置于第三透镜的第二焦平面，第三透镜及第四透镜组成第二4f系统；激光器产生的光经过预处理单元进行准直和扩束后，由空间光调制器反射，并依次经过第三透镜、光阑及第四透镜；空间光调制器用于加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，编码相位的范围为[0，π]。本发明实施例能够提高能量利用率和信噪比，轴向尺寸可调节，可广泛应用于信息处理技术领域。

Description

基于空间光调制器的光束编码系统及方法
技术领域
本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种基于空间光调制器的光束编码系统及方法。
背景技术
空间光调制器的衍射成像能够完整记录和重建三维物体的波前，提供人眼视觉系统所需的全部深度信息，这些显著的优点使空间光调制器在全息投影领域脱颖而出。近年来全息显示技术逐渐成为了国内外3D立体显示领域的研究热点之一，越来越多的人研究基于空间光调制器的全息显示方法，以求得到更好的再现像。
但是，由于空间光调制器本身的像素结构的影响，输出光场会有多级衍射光的影响，其中零级光斑始终在再现像上，严重影响再现像质量。目前抑制或消除空间光调制器零级衍射光的方法主要有以下三种方法。一、在空间光调制器上加载偏移光栅，将零级衍射光与其他级次衍射光分开，而再现像光场被偏移到正一级，同时在零级衍射光的传播路径上放置光束阻隔块，阻止零级衍射光传输；这种方法虽然能够有效去除零级衍射光，但是光场的主要能量仍在零级，能量利用率低。二、在空间光调制器上加载菲涅尔透镜相位，使零级衍射光聚焦的轴向位置和高级次衍射光聚焦的轴向位置分离；这种方法是将高衍射级次聚焦位置轴向上偏离物镜焦面，但是离焦面衍射效率很低，会大大降低图像信噪比。三、使用平凹加平凸柱面透镜正交组合，并在空间光调制器上加载两个柱面透镜的共轭相位，使零级衍射光聚焦在像面两侧；这种方法由于使用了轴线正交的凹平凸柱面透镜组合，因此零级衍射光会聚焦为两条聚焦线位于像面两侧，这种方法在一定程度上限制了三维全息成像在轴向的尺寸。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于空间光调制器的光束编码系统及方法，能够提高能量利用率和信噪比，轴向尺寸可调节。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于空间光调制器的光束编码系统，包括：激光器、预处理单元、空间光调制器、第三透镜、光阑及第四透镜；其中，
所述激光器及所述预处理单元在同一直线上，所述空间光调制器设置于所述第三透镜的第一焦平面，所述光阑设置于所述第三透镜的第二焦平面，所述第三透镜及所述第四透镜组成第二4f系统；
所述激光器产生的光经过所述预处理单元进行准直和扩束后，由所述空间光调制器反射，并依次经过所述第三透镜、所述光阑及所述第四透镜；所述空间光调制器用于加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，所述编码相位的范围为[0，π]。
可选地，当所述激光器产生竖直偏振光，所述光束编码系统还包括波片，所述波片位于所述激光及所述预处理单元之间，所述波片用于将所述竖直偏振光转换为水平偏振光。
可选地，所述预处理单元包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和所述第二透镜组成第一4f系统。
可选地，所述空间光调制器包括若干个棋盘单元，所述棋盘单元由所述空间光调制器的4n个像素点组成，n为正整数。
可选地，所述棋盘单元由所述空间光调制器的4个像素点组成。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于空间光调制器的光束编码方法，应用于上述的光束编码系统，包括：
装配所述光束编码系统；
在所述空间光调制器上加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，对所述激光器产生的光进行编码调制得到目标光束；其中，所述编码相位的范围为[0，π]。
可选地，所述编码相位通过以下方法获得：
将原再现象的相位与调制相位之和作为第一相位；
将所述第一相位与补偿相位之差作为编码相位。
可选地，所述调制相位通过以下方法获得：
根据棋盘相格的坐标值的矩形函数及狄拉克函数确定第一函数；
根据棋盘相格的坐标值的梳状函数确定第二函数；
将所述第一函数及所述第二函数的卷积作为第一数值；
将所述第一数值与调制函数的乘积作为所述调制相位。
可选地，所述调制函数通过以下方法获得：
将2倍的目标光束的复振幅分布的平方值与1的差值作为第二数值；
将所述第二数值的反余弦值与π之商作为所述调制函数。
可选地，所述补偿相位通过以下方法获得：
将所述编码相位的余弦值与1之和作为第三数值；
将所述编码相位的正弦值与所述第三数值之商作为第四数值；
将所述第四数值的反正切值作为所述补偿相位。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例激光器产生的光经过预处理单元进行准直和扩束后，由空间光调制器反射，并依次经过第三透镜、光阑及第四透镜后，在第四透镜的焦平面得到再现象，空间光调制器加载有0和编码相位相间的棋盘相格相息图；从而抑制再现象中的零级光，同时保持再现象的相位，实现提高能量利用率和信噪比；另外，第三透镜及第四透镜组成第二4f系统中，第三透镜和第四透镜的焦距可调，从而实现系统的轴向尺寸可调节。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于空间光调制器的光束编码系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种基于空间光调制器的光束编码系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于空间光调制器的光束编码方法的步骤流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法在数值上产生高斯光束的补偿相位；
图5是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法在数值上产生高斯光束的进行补偿相位后的相位；
图6是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法在数值上产生高斯光束与目标高斯光束的对比图；
图7是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法在数值上产生圆pearcey光束相位与目标圆pearcey光束相位的对比图；
图8是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法在数值上产生圆pearcey光束光强与目标圆pearcey光束光强的对比图；
图9是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法得到的圆pearcey光束的相息图；
图10是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法得到的圆pearcey光束光强的实验图；
图11是本发明实施例提供的一种使用棋盘相格法得到的圆pearcey光束光强的理论图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
空间光调制器是一种由计算机编码相息图来对光场施加某种形式的空间变化的光学设备；空间光调制器可以通过加载相息图来对输入光场进行相位调制或强度调制，也可以对输入光场的偏振态进行转换。空间光调制器是由多个规则排布的独立单元组成的像素结构，每个单元可独立接受光学信号或电学信号的控制，从而实现对入射到空间光调制器的光场进行相应调制。按照光读出方式的不同，空间光调制器分为反射型和透射型；按照输入的控制信号的性质，可以分为光寻址(O-SLM)和电寻址(E-SLM)的两类。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于空间光调制器的光束编码系统，包括：激光器L、预处理单元M、空间光调制器SLM、第三透镜F3、光阑Q及第四透镜F4；其中，
所述激光器L及所述预处理单元M在同一直线上，所述空间光调制器L设置于所述第三透镜F3的第一焦平面，所述光阑Q设置于所述第三透镜F3的第二焦平面，所述第三透镜F3及所述第四透镜F4组成第二4f系统；
所述激光器L产生的光经过所述预处理单元M进行准直和扩束后，由所述空间光调制器SLM反射，并依次经过所述第三透镜F3、所述光阑Q及所述第四透镜F4；所述空间光调制器SLM用于加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，所述编码相位的范围为[0，π]。
具体地，此时激光器产生的激光是水平偏振光，水平偏振光经过预处理单元准直和扩束后充满整个空间光调制器面板，水平偏振光与空间光调制器面板的夹角小于6度，水平偏振光经过空间光调制器调制后，再经过第二4f系统滤波后在第四透镜的焦平面Plane产生再现象。
本领域技术人员可以理解的是，光阑作为低通滤波器只允许零级光通过。
需要说明的是，空间光调制器加载的编码相位由三部分组成，具体包括：调制相位、原再现象的相位及补偿相位。
需要说明的是，第三透镜F3和第四透镜F4组成第二4f系统，通过调节第三透镜F3和第四透镜F4的焦距，可以调节系统的轴向尺寸，从而使系统的轴向尺寸不受限制。
为了克服零级光的干扰，传统方法是通过衍射光栅对再现像进行衍射级的偏移，使再现像由零级偏移到正一级显示，但这种偏移方式能量利用率极低，只有1％左右。本发明实施例通过加载棋盘相格相息图抑制住了零级光，同时对于加载的相位有很好的保真度；产生的再现像中多级衍射中的零级光被抑制，使再现像较少了零级光的干扰，并将能量的利用率提高到了60％，使产生的光束有望在非线性介质中传输；另外，透镜F3和透镜F4组成的4f系统可以任意的调节再现像的尺寸；以及，加载的相息图能够实现对振幅和相位的调控，相对于传统方法简化了实验装置。
可选地，所述预处理单元包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和所述第二透镜组成第一4f系统。
具体地，参阅图2，第一透镜F1和第二透镜F2组成第一4f系统，对激光器L产生的激光进行准直和扩束。
可选地，当所述激光器产生竖直偏振光，所述光束编码系统还包括波片，所述波片位于所述激光及所述预处理单元之间，所述波片用于将所述竖直偏振光转换为水平偏振光。
具体地，参阅图2，波片P为二分之一波片，当激光器产生竖直偏振光，通过二分之一波片P将竖直偏振光转换成水平偏振光。
可选地，所述空间光调制器包括若干个棋盘单元，所述棋盘单元由所述空间光调制器的4n个像素点组成，n为正整数。
可选地，所述棋盘单元由所述空间光调制器的4个像素点组成。
具体地，参阅图2，空间光调制器包括若干个棋盘单元，棋盘单元由空间光调制器的4n个像素点组成，n为正整数；如棋盘单元由空间光调制器的4或8或16个像素点组成等。当棋盘单元由空间光调制器的4个像素点组成时，能更好的抑制零级光。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例激光器产生的光经过预处理单元进行准直和扩束后，由空间光调制器反射，并依次经过第三透镜、光阑及第四透镜后，在第四透镜的焦平面得到再现象，空间光调制器加载有0和编码相位相间的棋盘相格相息图；从而抑制再现象中的零级光，同时保持再现象的相位，实现提高能量利用率和信噪比；另外，第三透镜及第四透镜组成第二4f系统中，第三透镜和第四透镜的焦距可调，从而实现系统的轴向尺寸及再现象的尺寸可调节。
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于空间光调制器的光束编码方法，应用于上述的光束编码系统，具体包括以下步骤：
S100、装配所述光束编码系统；
S200、在所述空间光调制器上加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，对所述激光器产生的光进行编码调制得到目标光束；其中，所述编码相位的范围为[0，π]。
具体地，首先装配如图1或图2所示的光束编码系统，然后根据目标光束对空间光调制器加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图。
可选地，所述编码相位通过以下方法获得：
将原再现象的相位与调制相位之和作为第一相位；
将所述第一相位与补偿相位之差作为编码相位。
具体地，编码相位的计算公式如下：
Figure BDA0003241336400000051
其中，Φ表示编码相位，
Figure BDA0003241336400000052
表示原再现象的相位，
Figure BDA0003241336400000053
表示调制相位，αphs表示补偿相位，
Figure BDA0003241336400000054
表示第一相位。
可选地，所述调制相位通过以下方法获得：
根据棋盘相格的坐标值的矩形函数及狄拉克函数确定第一函数；
根据棋盘相格的坐标值的梳状函数确定第二函数；
将所述第一函数及所述第二函数的卷积作为第一数值；
将所述第一数值与调制函数的乘积作为所述调制相位。
具体地，调制相位的具体计算公式如下：
Figure BDA0003241336400000061
Figure BDA0003241336400000062
其中，α表示调制函数，a表示像素点大小，(x,y)表示以空间光调制器中心为坐标原点的函数坐标点，δ表示狄拉克函数，j表示虚数单位，comb表示梳状函数，
Figure BDA0003241336400000063
表示卷积计算；c(x,y)表示第一函数，
Figure BDA0003241336400000064
表示第二函数。
可选地，所述调制函数通过以下方法获得：
将2倍的目标光束的复振幅分布的平方值与1的差值作为第二数值；
将所述第二数值的反余弦值与π之商作为所述调制函数。
具体地，调制函数的计算公式如下：
Figure BDA0003241336400000065
Figure BDA0003241336400000066
其中，ED表示目标光束的复振幅分布，A(x,y)表示振幅。
可选地，所述补偿相位通过以下方法获得：
将所述编码相位的余弦值与1之和作为第三数值；
将所述编码相位的正弦值与所述第三数值之商作为第四数值；
将所述第四数值的反正切值作为所述补偿相位。
具体地，补偿相位的计算公式如下：
Figure BDA0003241336400000067
其中，1+cos(απ)表示第三数值，
Figure BDA0003241336400000068
表示第四数值。
实施本发明实施例包括以下有益效果：实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例激光器产生的光经过预处理单元进行准直和扩束后，由空间光调制器反射，并依次经过第三透镜、光阑及第四透镜后，在第四透镜的焦平面得到再现象，空间光调制器加载有0和编码相位相间的棋盘相格相息图；从而抑制再现象中的零级光，同时保持再现象的相位，实现提高能量利用率和信噪比；另外，第三透镜及第四透镜组成第二4f系统中，第三透镜和第四透镜的焦距可调，从而实现系统的轴向尺寸及再现象的尺寸可调节。
下面以具体实施例说明本申请的光束编码系统及方法。
实施例一
激光器选择氦氖激光器，F1透镜的焦距为100mm，F2透镜的焦距为600mm，F3透镜的焦距为500mm，F4透镜的焦距为500mm；使用棋盘相格法在数值上产生高斯光束，此时ED的表达式为：ED＝exp(-(x^2+y^2)/2)；补偿相位αphs如图4所示，进行相位补偿后的相位如图5所示，从图5可知，进行相位补偿后，多余的相位基本被消除；棋盘相格法产生的高斯光束与目标高斯光束如图6所示，从图6可知两者高度一致。
实施例二
激光器选择氦氖激光器，F1透镜的焦距为100mm，F2透镜的焦距为600mm，F3透镜的焦距为500mm，F4透镜的焦距为500mm；使用棋盘相格法在数值上产生圆pearcey光束，图7为数值下棋盘相格法产生的圆pearcey光束相位与目标圆pearcey光束相位对比图，图8为数值下棋盘相格法产生的圆pearcey光束光强与目标圆pearcey光束光强对比图，从图7及图8可知，相位和光强的理论值与数值结果都高度一致。
实施例三
激光器选择氦氖激光器，波长为532nm的基模高斯光束，F1透镜的焦距为100mm，F2透镜的焦距为600mm，F3透镜的焦距为500mm，F4透镜的焦距为500mm，激光器输出的基模高斯光束依次经过平行竖直放置的二分之一波片以及透镜F1与F2组成的4f系统后，产生准直的水平偏振光，产生的准直水平偏振光由液晶空间光调制器进行调制，液晶空间光调制器在F3的焦平面处；当空间光调制器加载的相息图为圆pearcey相息图时，圆pearcey相息图具体如图9所示，经过一次傅里叶变换后进行低通滤波，再反傅里叶变换后可在透镜F4的后焦面上观察到圆pearcey光束，圆pearcey光束的光强实验图如图10所示，圆pearcey光束的光强理论图如图11所示，从图10及图11可知，圆pearcey光束的光强实验图和理论图比较接近。此时加载在空间光调制器上的相息图可由三部分表示：
Figure BDA0003241336400000071
其中，
Figure BDA0003241336400000072
表示圆pearcey再现像的相位，
Figure BDA0003241336400000073
表示调制相位，αphsPG表示补偿相位。调制相位的具体计算公式如下：
Figure BDA0003241336400000081
Figure BDA0003241336400000082
Figure BDA0003241336400000083
Figure BDA0003241336400000084
实验上，所用激光波长λ＝532nm，透镜F1焦距为100mm，透镜F2焦距为600mm，透镜F3的焦距为500mm，透镜F4的焦距为500mm，透镜F3与透镜F4组成的4f系统，可以对再现像的尺寸进行缩放；空间光调制器与F2的距离为300mm且在F3的焦平面上。空间光调制器的像素点为512*512，拍摄CCD像素点大小为10.4μm。产生圆pearcey光束的实验中，设计的圆pearcey光束为10个环，最大环半径为3.764mm，实验上测得最大环半径为3.816mm，理论自聚焦距离为1.2934m，实验测得自聚焦距离为1.24m。根据实验数据可知，实验上产生的圆pearcey光束与理论值相符。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器的光束编码系统，其特征在于，包括：激光器、预处理单元、空间光调制器、第三透镜、光阑及第四透镜；其中，
所述激光器及所述预处理单元在同一直线上，所述空间光调制器设置于所述第三透镜的第一焦平面，所述光阑设置于所述第三透镜的第二焦平面，所述第三透镜及所述第四透镜组成第二4f系统；
所述激光器产生的光经过所述预处理单元进行准直和扩束后，由所述空间光调制器反射，并依次经过所述第三透镜、所述光阑及所述第四透镜；所述空间光调制器用于加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，所述编码相位的范围为[0，π]。
2.根据权利要求1所述的光束编码系统，其特征在于，当所述激光器产生竖直偏振光，所述光束编码系统还包括波片，所述波片位于所述激光及所述预处理单元之间，所述波片用于将所述竖直偏振光转换为水平偏振光。
3.根据权利要求1所述的光束编码系统，其特征在于，所述预处理单元包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和所述第二透镜组成第一4f系统。
4.根据权利要求1所述的光束编码系统，其特征在于，所述空间光调制器包括若干个棋盘单元，所述棋盘单元由所述空间光调制器的4n个像素点组成，n为正整数。
5.根据权利要求4所述的光束编码系统，其特征在于，所述棋盘单元由所述空间光调制器的4个像素点组成。
6.一种基于空间光调制器的光束编码方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的光束编码系统，包括：
装配所述光束编码系统；
在所述空间光调制器上加载0和编码相位相间的棋盘相格相息图，对所述激光器产生的光进行编码调制得到目标光束；其中，所述编码相位的范围为[0，π]。
7.根据权利要求6所述的光束编码方法，其特征在于，所述编码相位通过以下方法获得：
将原再现象的相位与调制相位之和作为第一相位；
将所述第一相位与补偿相位之差作为编码相位。
8.根据权利要求7所述的光束编码方法，其特征在于，所述调制相位通过以下方法获得：
根据棋盘相格的坐标值的矩形函数及狄拉克函数确定第一函数；
根据棋盘相格的坐标值的梳状函数确定第二函数；
将所述第一函数及所述第二函数的卷积作为第一数值；
将所述第一数值与调制函数的乘积作为所述调制相位。
9.根据权利要求8所述的光束编码方法，其特征在于，所述调制函数通过以下方法获得：
将2倍的目标光束的复振幅分布的平方值与1的差值作为第二数值；
将所述第二数值的反余弦值与π之商作为所述调制函数。
10.根据权利要求7所述的光束编码方法，其特征在于，所述补偿相位通过以下方法获得：
将所述编码相位的余弦值与1之和作为第三数值；
将所述编码相位的正弦值与所述第三数值之商作为第四数值；
将所述第四数值的反正切值作为所述补偿相位。
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