CN114486199B - 空间光调制器相位调制量标定装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

一种空间光调制器相位调制量标定装置和标定方法，装置包括波长调谐激光器、空间滤波器、准直镜、线偏振片、分束器、参考镜、待测空间光调制器、反射镜、成像镜头组、相机和计算机。本发明可对纯相位型液晶空间光调制器的相位调制量进行标定，误差优于2π/200。使用本发明标定的液晶空间光调制器可调制出误差峰谷值小于等于λ/20的波前，从而达到高精度波面补偿的效果。本发明可应用于基于液晶空间光调制器的波前校正、波前补偿和自适应光学等领域。

Description

空间光调制器相位调制量标定装置和标定方法

技术领域

本发明主要应用于波前调制、波前补偿和波前测量等光学领域，特别是一种空间光调制器相位调制量标定装置和标定方法。

背景技术

空间光调制器(Spatial light modulator，SLM)作为一种相位调制器件已被应用在光束整形、激光加工、结构光照明、波前补偿、波前校正、自适应光学成像、光刻系统和全息打印等方面。反射式纯相位空间光调制器是基于反射式硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)微显示技术，通过电信号控制，可在硅基液晶上实现单像素可寻址的自由相位调制。然而，受非线性误差影响，空间光调制器调制时的电信号通常与调制出的相位值不呈理想直线型，每一个空间光调制器的调制情况也不一样，因此我们需要在使用前对空间光调制器的输入灰度值与输出相位值之间的关系进行精确测量和校正，从而对输入电信号的校正提供依据。

在发明专利CN112697401A中，发明人公开了一种基于衍射图样中暗条纹的强度来标定空间光调制器相位调制量的方法，该方法虽然简易且计算量较少，但也存在一些缺点，如：(1)由于环境因素、背景噪声和相机非线性效应等影响，仅凭一张衍射图中暗条纹的强度来判断相位值，是不准确的；(2)一些空间光调制器的液晶面只能垂直于入射光使用，将空间光调制器在光路中倾斜放置容易引入像素串扰误差，使空间光调制器液晶面上的反射光携带相邻液晶分子调制的相位量出射；(3)标定过程中没有考虑空间光调制器的基底误差(～2λ)对测量的影响，也没有提出相关的解决办法。

发明内容

为了避免上述方法中存在的问题，本发明的目的在于提供一种空间光调制器相位调制量标定装置和方法，本发明可对纯相位型液晶空间光调制器的相位调制量进行标定，误差优于2π/200。使用本发明标定的液晶空间光调制器可调制出误差峰谷值小于等于λ/20的波前，从而达到高精度波面补偿的效果。本发明可应用于基于液晶空间光调制器的波前校正、波前补偿和自适应光学等方面。

本发明的技术解决方案如下：

一种空间光调制器相位调制量标定装置，其特点在于包括：波长调谐激光器、空间滤波器、准直镜、线偏振片、分束器、参考镜、待测空间光调制器、反射镜、成像镜头组、相机和计算机；

沿所述的波长调谐激光器出射方向依次是所述的空间滤波器、准直镜、线偏振片和分束器，所述的分束器将入射激光分成了反射光和透射光，在所述的透射光方向是所述的参考镜，在所述的反射光方向是所述的待测空间光调制器；所述的透射光在所述的参考镜表面上发生反射后，经过所述的分束器反射形成参考光，所述的反射光在所述的待测空间光调制器表面上发生反射后，透过所述的分束器形成测量光；所述的参考光和测量光经过所述的反射镜反射后，经所述的成像镜头组被所述的相机收集，所述的相机输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的波长调谐激光器的控制端相连，所述的计算机的输出端与所述的待测空间光调制器的输入端相连；

所述的波长调谐激光器的频率调谐范围≥1GHz；

所述的线偏振片的透偏方向与所述的待测空间光调制器液晶区域的长边方向相同；

所述的参考镜在直径为20mm的口径内的面形误差峰谷值≤λ/200。

所述的分束器包括但不限于分光棱镜、分光平板或分光楔板。

利用上述空间光调制器相位调制量标定装置对空间光调制器相位调制量的标定方法，该标定方法包括以下步骤：

1)将所述的待测空间光调制器置于所述的分束器反射的参考光方向并垂直于所述的参考光，开启所述的波长调谐激光器、待测空间光调制器和所述的计算机，调整并确保：所述的透射光与所述的参考镜表面垂直，所述的反射光与所述的待测空间光调制器表面垂直；所述的成像镜头组能将所述的待测空间光调制器液晶表面上的信息清晰地成像在所述的相机的靶面上；所述的相机能拍摄到所述的待测空间光调制器的全部液晶区域，所述的波长调谐激光器和待测空间光调制器与所述的计算机之间的信号通讯正常,所述的波长调谐激光器的工作波长记为λ，所述的待测空间光调制器液晶区域的长像素数量和宽像素数量分别记为m和n，长像素数量m和宽像素数量n均大于等于1080；

2)在所述的待测空间光调制器上不加载任何灰度图，对所述的波长调谐激光器进行干涉条纹的移相采集和相位解包，测量得到所述的待测空间光调制器的基底面形误差数据并记为W_base；

3)建立像素尺寸为m×n的渐变灰度图，该渐变灰度图的中心点的坐标为(m/2，n/2)、图中灰度最大值为g(0≤g≤255)、图中各点的灰度值G与该点到中心点的距离r有关，G与g和r的关系满足下列关系式：

4)共得到256幅渐变灰度图，将它们依次记为I_g(0≤g≤255)；

5)令g＝0；

6)所述的计算机将所述的渐变灰度图I_g加载到所述的待测空间光调制器上，运行所述的波长调谐激光器进行干涉条纹的移相采集和相位解包，由此测量得到的面形误差数据，记为W_g；

7)所述的计算机按下列公式计算所述的待测空间光调制器在灰度值为g时的去基底面形误差数据CW_g：

CW_g＝W_g-W_base；

8)令g＝g+1；

9)当g≤255，返回步骤6)，否则跳转到步骤10)；

10)得到所述的待测空间光调制器在灰度值为g时的去基底面形误差数据共256个：CW₀，CW₁，CW₂，……，CW₂₅₅；

11)令g＝0；

12)提取去基底面形误差数据CW_g中260≤r＜360和r≥860区域的数据，计算该区域所有数据的平均值，记为Height_max_g；

13)提取去基底面形误差数据CW_g中0≤r＜60和560≤r＜660区域的数据，计算该区域所有数据的平均值，记为Height-min_g；

14)按下式计算所述的待测空间光调制器在灰度值为g时的实际调制量，单位为波长：

Height_g＝Height-max_g-Height-min_g；

15)令g＝g+1；

16)当g≤255，则返回步骤12)，否则跳转到步骤17)；

17)计算得到所述的待测空间光调制器在灰度值为g时的实际的调制量共256个：Height₀，Height₁，Height₂，……，Height₂₅₅；

18)所述的计算机按下列公式计算所述的待测空间光调制器在灰度值为g时标定出的相位调制量Phase_g，单位为弧度，共得到256个相位调制量Phase_g：

19)完成所述的待测空间光调制器的相位调制量的标定。

本发明的技术效果如下：

1)本发明避免了基于衍射法测量空间光调制器相位调制量方法存在的问题，提高了相位调制量的标定精度；

2)本发明从干涉测量的角度出发，引入移相测量术，避免了环境因素、背景噪声和相机非线性效应等影响，可去除空间光调制器的基底误差(～2λ)对测量的影响，从而对空间光调制器调制出的相位值进行精确测量，测量误差优于λ/200；

3)本发明提出使用特定的渐变灰度图取代一般方法使用的台阶图作为标定图样，对空间光调制器的相位调制量进行标定，该方法避免了一般方法在相位解包过程中因台阶过高而产生相位解包不连续的情况，从而避免了相位跃变后，因相位值接近于0引入的噪声误差；

4)使用本发明装置和方法标定的液晶空间光调制器可调制出误差峰谷值小于等于λ/20的波前，应用于高精度波前校正、波前补偿和自适应光学等领域。

附图说明

图1是本发明空间光调制器相位调制量标定装置的结构示意图

图2是基于本发明实施例1：待测空间光调制器的基底干涉条纹(a)和基底面形误差测量结果W_base(b)

图3是基于本发明实施例2：渐变灰度图I₂₅₅(a)和理想情况下的空间光调制器去基底面形误差CW₂₅₅(b)

图4是基于本发明实施例3：加载渐变灰度图I₂₅₅后的干涉条纹(a)和实际测得的空间光调制器去基底面形误差CW₂₅₅(b)

图5是基于本发明实施例4：标定出的空间光调制器相位调制量Phase_g与灰度值g之间的变化关系曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

图1为本发明空间光调制器相位调制量标定装置的结构示意图。由图可见，本发明空间光调制器相位调制量标定装置，包括：波长调谐激光器101、空间滤波器102、准直镜103、线偏振片104、分束器105、参考镜106、待测空间光调制器107、反射镜108、成像镜头组109、相机110和计算机111；

沿所述的波长调谐激光器101出射方向依次是所述的空间滤波器102、准直镜103、线偏振片104和分束器105，所述的分束器105将入射激光分成了反射光和透射光，在所述的透射光方向是所述的参考镜106，在所述的反射光方向是所述的待测空间光调制器107；所述的透射光在所述的参考镜106表面上发生反射后，经过所述的分束器105反射形成参考光，所述的反射光在所述的待测空间光调制器107表面上发生反射后，透过所述的分束器105形成测量光；所述的参考光和测量光经过所述的反射镜108反射后，经所述的成像镜头组109被所述的相机110收集，所述的相机110输出端与所述的计算机111的输入端相连，所述的计算机111的输出端与所述的波长调谐激光器101的控制端相连，所述的计算机111的输出端与所述的待测空间光调制器107的输入端相连；

所述的波长调谐激光器101的频率调谐范围≥1GHz；

所述的线偏振片104的透偏方向与所述的待测空间光调制器107液晶区域的长边方向相同；

所述的参考镜106在直径为20mm的口径内的面形误差峰谷值≤λ/200。

所述的分束器105包括但不限于分光棱镜、分光平板或分光楔板。

利用上述空间光调制器相位调制量标定装置对空间光调制器相位调制量的标定方法，包括以下步骤：

1)将所述的待测空间光调制器107置于所述的分束器105反射的参考光方向并垂直于所述的参考光，开启所述的波长调谐激光器101、待测空间光调制器107和所述的计算机111，调整并确保：所述的透射光与所述的参考镜106表面垂直，所述的反射光与所述的待测空间光调制器107表面垂直；所述的成像镜头组109能将所述的待测空间光调制器107液晶表面上的信息清晰地成像在所述的相机110的靶面上；所述的相机110能拍摄到所述的待测空间光调制器107的全部液晶区域，所述的波长调谐激光器101和待测空间光调制器107与所述的计算机111之间的信号通讯正常，所述的波长调谐激光器101的工作波长记为λ，所述的待测空间光调制器107液晶区域的长像素数量和宽像素数量分别记为m和n，长像素数量m和宽像素数量n均大于等于1080；

2)在所述的待测空间光调制器107上不加载任何灰度图，对所述的波长调谐激光器101进行干涉条纹的移相采集和相位解包，测量得到所述的待测空间光调制器107的基底面形误差数据并记为

3)建立像素尺寸为m×n的渐变灰度图，该渐变灰度图的中心点的坐标为(m/2，n/2)、图中灰度最大值为g(0≤g≤255)、图中各点的灰度值G与该点到中心点的距离r有关，G与g和r的关系满足下列关系式：

4)共得到256幅渐变灰度图，将它们依次记为I_g(0≤g≤255)；

5)令g＝0；

6)所述的计算机111将所述的渐变灰度图I_g加载到所述的待测空间光调制器107上，运行所述的波长调谐激光器101进行干涉条纹的移相采集和相位解包，由此测量得到的面形误差数据，记为W_g；

7)所述的计算机111按下列公式计算所述的待测空间光调制器107在灰度值为g时的去基底面形误差数据CW_g：

CW_g＝W_g-W_base；

8)令g＝g+1；

9)当g≤255，返回步骤6)，否则跳转到步骤10)；

10)得到所述的待测空间光调制器107在灰度值为g时的去基底面形误差数据共256个：CW₀，CW₁，CW₂，……，CW₂₅₅；

11)令g＝0；

12)提取去基底面形误差数据CW_g中260≤r＜360和r≥860区域的数据，计算该区域所有数据的平均值，记为Height_max_g；

13)提取去基底面形误差数据CW_g中0≤r＜60和560≤r＜660区域的数据，计算该区域所有数据的平均值，记为Height_min_g；

14)按下式计算所述的待测空间光调制器107在灰度值为g时的实际调制量，单位为波长：

Height_g＝Height_max_g-Height_min_g；

15)令g＝g+1；

16)当g≤255，则返回步骤12)，否则跳转到步骤17)；

17)计算得到所述的待测空间光调制器107在灰度值为g时的实际的调制量共256个：Height₀，Height₁，Height₂，……，Height₂₅₅；

18)所述的计算机111按下列公式计算所述的待测空间光调制器107在灰度值为g时标定出的相位调制量Phase_g，单位为弧度，共得到256个相位调制量Phase_g：

19)完成所述的待测空间光调制器107的相位调制量的标定。

实施例

图2为本发明实施例1空间光调制器的基底干涉条纹(a)和基底面形误差测量结果W_base(b)，可见实施例1中使用的空间光调制器的液晶区域的长和宽像素数量分别为1920和1080，基底面形误差峰谷(PV)值为1.8007λ，接近于2λ。

图3为本发明实施例2渐变灰度图I₂₅₅(a)和理想情况下的空间光调制器去基底面形误差CW₂₅₅(b)。由图可见，理想情况下，渐变灰度图对应的相位调制量应该为均匀变化的，输入灰度值与输出相位值之间的关系曲线为直线。

图4是本发明实施例3加载渐变灰度图I₂₅₅后的干涉条纹(a)和实际测得的空间光调制器去基底面形误差CW₂₅₅(b)。由图可见，实际情况下，对于一个为标定的待测空间光调制器107，输入灰度值与输出相位值之间的关系曲线不为直线。

图5是本发明实施例4标定出的空间光调制器相位调制量Phase_g与灰度值g之间的变化关系曲线图。由图可见，本发明测量出的待测空间光调制器107的相位调制量结果较连续，变化较平缓，无相位跃变的情况发生。

实验表明，本发明可对纯相位型液晶空间光调制器的相位调制量进行标定，误差优于2π/200。本发明避免了空间光调制器基底面形误差对标定过程产生的影响。本发明可应用于基于液晶空间光调制器的波前校正、波前补偿和自适应光学等领域。

Claims (5)

1.一种空间光调制器相位调制量标定装置，其特征在于，包括：波长调谐激光器(101)、空间滤波器(102)、准直镜(103)、线偏振片(104)、分束器(105)、参考镜(106)、待测空间光调制器(107)、反射镜(108)、成像镜头组(109)、相机(110)和计算机(111)；

沿所述的波长调谐激光器(101)出射方向依次是所述的空间滤波器(102)、准直镜(103)、线偏振片(104)和分束器(105)，所述的分束器(105)将入射激光分成了反射光和透射光，在所述的透射光方向是所述的参考镜(106)，在所述的反射光方向是所述的待测空间光调制器(107)；所述的透射光在所述的参考镜(106)表面上发生反射后，经过所述的分束器(105)反射形成参考光，所述的反射光在所述的待测空间光调制器(107)表面上发生反射后，透过所述的分束器(105)形成测量光；所述的参考光和测量光经过所述的反射镜(108)反射后，经所述的成像镜头组(109)被所述的相机(110)收集，所述的相机(110)输出端与所述的计算机(111)的输入端相连，所述的计算机(111)的输出端与所述的波长调谐激光器(101)的控制端相连，所述的计算机(111)的输出端与所述的待测空间光调制器(107)的输入端相连；

所述的线偏振片(104)的透偏方向与所述的待测空间光调制器(107)液晶区域的长边方向相同。

2.根据权利要求1所述的空间光调制器相位调制量标定装置，其特征在于，所述的波长调谐激光器(101)的频率调谐范围≥1GHz。

3.根据权利要求1所述的空间光调制器相位调制量标定装置，其特征在于，所述的参考镜(106)在直径为20mm的口径内的面形误差峰谷值≤λ/200。

4.根据权利要求1所述的空间光调制器相位调制量标定装置，其特征在于所述的分束器(105)包括分光棱镜、分光平板或分光楔板。

5.利用权利要求1-4任一所述的空间光调制器相位调制量标定装置对空间光调制器相位调制量的标定方法，其特征在于该标定方法包括以下步骤：

1)将所述的待测空间光调制器(107)置于所述的分束器(105)反射的参考光方向并垂直于所述的参考光，开启所述的波长调谐激光器(101)、待测空间光调制器(107)和所述的计算机(111)，调整并确保：所述的透射光与所述的参考镜(106)表面垂直，所述的反射光与所述的待测空间光调制器(107)表面垂直；所述的成像镜头组(109)能将所述的待测空间光调制器(107)液晶表面上的信息清晰地成像在所述的相机(110)的靶面上；所述的相机(110)能拍摄到所述的待测空间光调制器(107)的全部液晶区域，所述的波长调谐激光器(101)和待测空间光调制器(107)与所述的计算机(111)之间的信号通讯正常，所述的波长调谐激光器(101)的工作波长记为且，所述的待测空间光调制器(107)液晶区域的长像素数量和宽像素数量分别记为m和n，长像素数量m和宽像素数量n均大于等于1080；

2)在所述的待测空间光调制器(107)上不加载任何灰度图，对所述的波长调谐激光器(101)进行干涉条纹的移相采集和相位解包，测量得到所述的待测空间光调制器(107)的基底面形误差数据并记为W_base；

3)建立像素尺寸为m×n的渐变灰度图，该渐变灰度图的中心点的坐标为(m/2，n/2)、图中灰度最大值为g(0≤g≤255)、图中各点的灰度值G与该点到中心点的距离r有关，G与g和r的关系满足下列关系式：

4)共得到256幅渐变灰度图，将它们依次记为I_g(0≤g≤255)；

5)令g＝0；

6)所述的计算机(111)将所述的渐变灰度图I_g加载到所述的待测空间光调制器(107)上，运行所述的波长调谐激光器(101)进行干涉条纹的移相采集和相位解包，由此测量得到的面形误差数据，记为W_g；

7)所述的计算机(111)按下列公式计算所述的待测空间光调制器(107)在灰度值为g时的去基底面形误差数据CW_g：

CW_g＝W_g-W_base；

8)令g＝g+1；

9)当g≤255，返回步骤6)，否则跳转到步骤10)；

10)得到所述的待测空间光调制器(107)在灰度值为g时的去基底面形误差数据共256个：CW₀，CW₁，CW₂，……，CW₂₅₅；

11)令g＝0；

12)提取去基底面形误差数据CW_g中260≤r＜360和r≥860区域的数据，计算该区域所有数据的平均值，记为Height_max_g；

13)提取去基底面形误差数据CW_g中0≤r＜60和560≤r＜660区域的数据，计算该区域所有数据的平均值，记为Height_min_g；

14)按下式计算所述的待测空间光调制器(107)在灰度值为g时的实际调制量，单位为波长：

Height_g＝Height_max_g-Height_min_g；

15)令g＝g+1；

16)当g≤255，则返回步骤12)，否则跳转到步骤17)；

17)计算得到所述的待测空间光调制器(107)在灰度值为g时的实际的调制量共256个：Height₀，Height₁，Height₂，……，Height₂₅₅；

18)所述的计算机(111)按下列公式计算所述的待测空间光调制器(107)在灰度值为g时标定出的相位调制量Phase_g，单位为弧度，共得到256个相位调制量Phase_g：

19)完成所述的待测空间光调制器(107)的相位调制量的标定。

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