CN114280806A - 一种基于相息图的光线准直方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相息图的光线准直方法，包括：将透镜的位相调制函数转换为相息图；将相息图加载到空间光调制器上；根据分光棱镜的绝对折射率、长度以及空间光调制器所模拟透镜的焦距，调整CCD相机的位置；将CCD相机接收到的像素值拟合为二维独立高斯分布公式；根据二维独立高斯分布公式调整点光源与透镜的距离。本发明搭建光线准直系统，能够推导出光路的实际光程，计算出空间光调制器反射光向前传播的衍射场的聚焦位置。将CCD相机镜头置于此聚焦位置，通过调整透镜与点光源之间的距离，使得透镜扩束后的光线经过空间光调制器反射后能聚焦在CCD相机的镜头上，则可认为点光源此时正位于透镜的焦点处，扩散光束为符合实验要求的准直光束。

Description

一种基于相息图的光线准直方法

技术领域

本发明涉及光线准直技术领域，特别是涉及一种基于相息图的光线准直方法。

背景技术

准直光束是指具有极小发散角，在传播一段距离后束腰半径不会发生显著变化的光束。由于束腰半径在传播过程中基本保持不变，准直光束光学性能优越。理想的准直光束是均匀平面波，其可被广泛应用于精密干涉计量、光学生物成像和全息等各种领域。

实验室中所用激光器的输出光束一般为高斯光束，发散角偏大，传播一段距离后激光的束腰半径会发生显著改变，在接收屏上表现为随着传播距离增大，光斑会逐渐发散，亮点会变弱变大。所以激光器通常需要配合激光准直器或激光扩束镜使用，以减小发散角，增大光斑的束腰半径，提高激光的准直程度。或者使用透镜扩束，配合剪切干涉仪和准直光检验器使用，以达到准直光束的效果。前者需要质量较好的激光器，实验成本较高；后者比较依赖于操作人员的主观判断，判断标准不同会造成准直效果迥异。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相息图的光线准直方法，在透镜焦距未知或质量问题导致所给焦距与实际焦距有微小差别的情况下，通过结合相息图(纯相位全息图)得到透镜的实际焦距，以对点光源进行扩束准直的方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于相息图的光线准直方法，所述光线准直方法应用于光线准直系统，所述光线准直系统包括依次设置的点光源、透镜和分光棱镜；所述分光棱镜的反射光路上设置有空间光调制器；所述分光棱镜的透射光路上设置有CCD相机；所述CCD相机用于将所述空间光调制器的反射光线的衍射场强度分布转化为图像的像素值大小；

所述光线准直方法包括：

基于所述透镜的位相调制函数生成相息图；

将所述相息图加载到所述空间光调制器上；

根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，调整所述CCD相机的位置；

将所述CCD相机接收到的像素值拟合为二维独立高斯分布公式；

根据所述二维独立高斯分布公式调整所述点光源与所述透镜的距离，实现光线的准直。

可选地，所述透镜的位相调制函数如下：

其中，t_l(x,y)为透镜的位相调制函数，x、y分别为以透镜中心为原点建立的平面直角坐标系中的横坐标和纵坐标，U_l(x,y)是入射光靠近透镜前平面上的光场复振幅分布，U′_l(x,y)是出射光靠近透镜后平面上的光场复振幅分布，j为虚数单位，k为波矢，f为空间光调制器所模拟透镜的焦距。

可选地，基于所述透镜的位相调制函数生成相息图的公式如下：

其中，Q表示坐标为(x,y)处的相位。

可选地，所述根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，调整所述CCD相机的位置，具体包括：

根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，计算所述空间光调制器的反射光线的聚焦位置；

将所述CCD相机放置在所述聚焦位置上。

可选地，所述空间光调制器的反射光线的聚焦位置的计算公式如下：

d＝f-(n-1)l₂

其中，d为聚焦位置，f为空间光调制器所模拟透镜的焦距，n为分光棱镜的绝对折射率，l₂为分光棱镜的长度。

可选地，还包括：对所述透镜的焦距进行调整。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明在空间光调制器上加载相息图，可以对入射光进行精准的位相调制。根据透镜的位相调制函数制作出对应焦距的相息图，并将其加载到空间光调制器上。通过搭建光线准直系统，能够推导出光路的实际光程，计算出空间光调制器反射光向前传播的衍射场的聚焦位置。将CCD相机镜头置于此聚焦位置，通过调整透镜与点光源之间的距离，使得透镜扩束后的光线经过空间光调制器反射后能聚焦在CCD相机的镜头上，则可认为点光源此时正位于透镜的焦点处，扩散光束为符合实验要求的准直光束。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例相息图的光线准直方法的流程图；

图2为本发明实施例光线准直系统的光路图；

图3为本发明实施例空间光调制器反射光线的光路。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种基于相息图的光线准直方法，在透镜焦距未知或质量问题导致所给焦距与实际焦距有微小差别的情况下，通过结合相息图(纯相位全息图)得到透镜的实际焦距，以对点光源进行扩束准直的方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的基于相息图的光线准直方法应用于如图2所示的光线准直系统，将一个CCD相机放在分光棱镜的另外一侧，用以接收空间光调制器反射光线的衍射场。点光源、透镜、分光棱镜、空间光调制器液晶屏和CCD相机镜头的中心都是对齐的。

如图1所示，所述光线准直方法包括以下步骤：

步骤101：基于所述透镜的位相调制函数生成相息图。

步骤102：将所述相息图加载到所述空间光调制器上。

步骤103：根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，调整所述CCD相机的位置。

步骤104：将所述CCD相机接收到的像素值拟合为二维独立高斯分布公式。

步骤105：根据所述二维独立高斯分布公式调整所述点光源与所述透镜的距离，实现光线的准直。

其中，透镜的位相调制函数为：

式中，x、y分别为以扩束透镜中心为原点建立的平面直角坐标系中的横坐标和纵坐标，U_l(x,y)是入射光紧靠透镜前平面上的光场复振幅分布，U′_l(x,y)是出射光紧靠透镜后平面上的光场复振幅分布。j为虚数单位，k为波矢(

λ为单色波长)，f为空间光调制器所模拟透镜的焦距。

根据式(1)，计算出在空间光调制器液晶屏上的位相分布t_l(x,y)，通过式(2)将其映射到0～255的整数空间。式中，mod[…,…]为取模函数，round(…)为四舍五入取整函数。即式(2)可以将位相调制函数转化为256阶灰度相息图，将其加载到空间光调制器SLM上，能够调制入射光的位相，把发散的球面波变换为会聚的球面波。

其中，步骤103具体包括：

构建光线准直系统时可以发现，反射型空间光调制器的反射光线的传播要经过分光棱镜，如图3所示，故需要考虑分光棱镜的折射率对光程的影响。已知所用分光棱镜的绝对折射率为n，长度为l₂，忽略光在空气中与真空中的折射率差别，则反射光线的聚焦位置为

d＝f-(n-1)l₂ (3)

将CCD相机放置在聚焦位置上；f是SLM的焦距。

其中，步骤104具体包括：

将相息图加载到空间光调制器上，通过透镜扩散后的光束被其反射后向前传播形成衍射场。

将CCD相机镜头置于空间光调制器正前方距离为d处的位置，用于接收该处位置反射光线的衍射场。

通过电荷耦合器件(charge coupled device)的光电效应，CCD相机能够将反射光线的衍射场强度分布转化为图像的像素值，即将人眼不能精确识别的光学信息转化为数字信息。

将CCD相机与计算机相连接，通过数值计算软件把输出的像素值拟合为图像中心点在直角坐标系原点的二维独立高斯分布公式

其中，步骤105具体包括：

调整透镜与点光源之间的距离，使得式中的参数

和

的值均为最小，即CCD相机镜头处接收的光斑直径最小、亮度最强，然后记录下点光源与透镜中心点的距离D。

此时空间光调制器的反射光线在相息图对应的聚焦距离d处聚焦，则可以认为空间光调制器的入射光，即经过透镜扩散后的光束是准直的。

本发明提供的方法还包括：对透镜的焦距进行校准。具体包括：

设定m个不同的焦距f_i,i＝1,2,…,m(在实验室中常用的焦距范围内取，例如5-30cm)，则对应的聚焦距离为d_i＝f_i+(n-1)l₂,i＝1,2,…,m。重复上述步骤，让空间光调制器的反射光线分别在设定的聚焦距离处聚焦，记录下对应的点光源与透镜中心点的距离D_i,i＝1,2,…,m，计算出平均值

或采用另一种方法：通过移动CCD相机使反射光线恰好在CCD相机镜头处聚焦，记录下此时CCD相机镜头与空间光调制器之间的距离(实际聚焦距离)d_i′,i＝1,2,…,m。计算出不同的聚焦距离与实际聚焦距离差的平方和

微调透镜与点光源之间的距离，使得Δ的值最小，记录下此时点光源与透镜中心点的距离

将透镜放在距离点光源D处，则可以得到准直程度更高的平行光束。空间光调制器模拟聚焦的位置越多，距离分布越广泛，则系统的误差越小，光束的准直程度越高。

待准直的透镜焦距为

选取不同距离的聚焦位置多次进行实验，采取各次实验中透镜与点光源之间距离的平均值作为透镜焦距以生成扩散光束，可以降低系统误差，提高扩束的准直程度。

本发明所提出的结合相息图以准直光束的方式有以下优点：

(1)、操作灵活。由位相调制函数可知，空间光调制器所模拟的透镜聚焦系统可看作是线性空间不变系统，所以可以将接收屏上不同位置聚焦点所对应的相息图进行叠加，从而形成更大的聚焦光斑，以便于观察。

(2)、检验精度高。将光束的准直程度转化为CCD相机镜头上的光斑大小，进而化成二维独立高斯分布公式中的参数值这一指标，相比于观察剪切干涉仪和准直光检验器上的条纹分布情况，该种检验方式由定性转化为定量，检验结果更加精准可靠。

(3)、误差矫正能力强。只需要修改位相调制函数中的参数，在空间光调制器上加载对应的相息图，就可以聚焦在不同距离的CCD相机镜头上，从而对透镜与点光源之间的距离进行修正，降低系统误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于相息图的光线准直方法，其特征在于，所述光线准直方法应用于光线准直系统，所述光线准直系统包括依次设置的点光源、透镜和分光棱镜；所述分光棱镜的反射光路上设置有空间光调制器；所述分光棱镜的透射光路上设置有CCD相机；所述CCD相机用于将所述空间光调制器的反射光线的衍射场强度分布转化为图像的像素值；

所述光线准直方法包括：

基于所述透镜的位相调制函数生成相息图；

将所述相息图加载到所述空间光调制器上；

根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，调整所述CCD相机的位置；

将所述CCD相机接收到的像素值拟合为二维独立高斯分布公式；

根据所述二维独立高斯分布公式调整所述点光源与所述透镜的距离，实现光线的准直。

2.根据权利要求1所述的基于相息图的光线准直方法，其特征在于，所述透镜的位相调制函数如下：

其中，t_l(x,y)为透镜的位相调制函数，x、y分别为以透镜中心为原点建立的平面直角坐标系中的横坐标和纵坐标，U_l(x,y)是入射光靠近透镜前平面上的光场复振幅分布，U′_l(x,y)是出射光靠近透镜后平面上的光场复振幅分布，j为虚数单位，k为波矢，f为空间光调制器所模拟透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的基于相息图的光线准直方法，其特征在于，基于所述透镜的位相调制函数生成相息图的公式如下：

其中，Q表示坐标为(x,y)处的相位。

4.根据权利要求1所述的基于相息图的光线准直方法，其特征在于，所述根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，调整所述CCD相机的位置，具体包括：

根据所述分光棱镜的绝对折射率、所述分光棱镜的长度以及所述空间光调制器所模拟透镜的焦距，计算所述空间光调制器的反射光线的聚焦位置；

将所述CCD相机放置在所述聚焦位置上。

5.根据权利要求4所述的基于相息图的光线准直方法，其特征在于，所述空间光调制器的反射光线的聚焦位置的计算公式如下：

d＝f-(n-1)l₂

其中，d为聚焦位置，f为空间光调制器所模拟透镜的焦距，n为分光棱镜的绝对折射率，l₂为分光棱镜的长度。

6.根据权利要求1所述的基于相息图的光线准直方法，其特征在于，还包括：对所述透镜的焦距进行调整。

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