CN114815561A - 光学图像生成系统和生成光学图像的方法 - Google Patents

光学图像生成系统和生成光学图像的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种光学图像生成系统和生成光学图像的方法，光学图像成成系统包括：空间光调制器SLM，被配置为接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行调制；一个或多个光学元件，被配置为将调制后的激光束投射到焦平面上；第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜位于所述焦平面处，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻，所述第一反射镜被配置为沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，所述第二反射镜被配置为沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分；以及镜筒透镜和物镜，被配置为将所述第一部分和所述第二部分投影成组合图像；其中，零阶衍射在所述焦平面的中心被阻挡或抑制。

Description

光学图像生成系统和生成光学图像的方法
技术领域
本发明通常涉及利用全息图生成二维光学图像或二维光学图案的光学系统。更具体地，本发明涉及一种用于消除纯相位空间光调制器中零阶衍射的光机械系统。
背景技术
液晶空间光调制器(SLM)已被广泛接受为用于动态光波前调制的工具。波前调制可用于非机械光束控制、生成子束、图像投影、光学图案生成或光学捕获。应用于SLM的全息相位掩模通常由计算机通过目标图像或图案的傅立叶变换生成。透镜或光学系统将波前相位调制光束投射到焦平面上的目标图像或图案中。本质上，这种波前调制基于光的衍射。由于液晶SLM在结构上是像素化的，因此除了+/-一级衍射之外，残留的零阶衍射光束中总是存在不可忽略的光功率。零阶光束从SLM表面以镜面反射的方式传播。因此，在透镜或光学系统之后，零阶光束与目标图像或图案一起在焦平面中心聚焦成一个光点。通常有三种方法可以阻止或抑制零阶衍射。
1.使用零阶阻隔器，通常是一个由金属薄膜制成的小点，放置在焦平面的中心，从而阻隔零阶光斑。虽然它阻挡了零阶衍射，但被零阶掩模阻挡的区域不能被全息相位掩模寻址。
2.仅使用全息相位掩模的一半视场。这种方法可以避免中心残余零阶衍射，但损失了SLM一半的视场。
3.在全息相位掩模中，对每个子束应用球面相移，使图像平面远离焦平面。以这种方式，在图像或图案的平面处，零阶衍射光束散焦，因此看起来更暗。
因此，长期以来一直需要一种创造性的解决方案来克服困扰上述现有方法的问题。
发明内容
本发明的一个实施例提出了一种光机械系统，该光机械系统可以阻挡零阶衍射光束，同时保持图像平面的中央区域可寻址并利用完整的SLM视场。
本发明的一个实施例提供一种光学图像生成系统，包括：空间光调制器SLM，被配置为接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；一个或多个光学元件，被配置为将调制后的激光束投射到焦平面上；第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜位于所述焦平面处，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻，所述第一反射镜被配置为沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，并且所述第二反射镜被配置为沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分；以及镜筒透镜和物镜，被配置为将所述第一部分和所述第二部分投影成组合图像；其中，所述焦平面的中心落在位于所述第一反射镜的所述边缘和所述第二反射镜的所述边缘之间的间隙中，从而消除由所述SLM对所述激光束造成的零阶衍射。
本发明的一个实施例提供了一种光学图像生成系统，包括：空间光调制器SLM，被配置为接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行调制；一个或多个光学元件，被配置为将调制后的激光束投射到焦平面上；零阶挡块，位于所述焦平面处；第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述零阶挡块后面，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻，所述第一反射镜被配置为沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，所述第二反射镜被配置为沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分；以及镜筒透镜和物镜，被配置为将所述第一部分和所述第二部分投影成组合图像；其中，所述零阶挡块包括位于所述焦平面中心的不透明条带，并且所述条带的长度平行于所述第一反射镜的所述边缘和所述第二反射镜的所述边缘，使得由所述SLM对所述激光束造成的零阶衍射被阻挡。
本发明的一个实施例提供了一种生成光学图像的方法，包括：通过空间光调制器SLM接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；通过一个或多个光学元件将调制后的激光束投射到焦平面上；通过第一反射镜沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，并通过第二反射镜沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分，所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述焦平面处，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻；以及通过镜筒透镜和物镜将所述第一部分和所述第二部分投影以形成组合图像；其中，所述焦平面的中心落在位于所述第一反射镜的所述边缘和所述第二反射镜的所述边缘之间的间隙中，从而消除由所述SLM对所述激光束造成的零阶衍射。
本发明的一个实施例提供了一种生成光学图像的方法，包括：通过空间光调制器SLM接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；通过一个或多个光学元件将调制后的激光束投射到焦平面上；在所述焦平面处放置零阶挡块；通过第一反射镜沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，并通过第二反射镜沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分，所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述零阶挡块后面，第一反射镜的边缘与第二反射镜的边缘相邻；以及通过镜筒透镜和物镜将所述第一部分和所述第二部分投影以形成组合图像；其中，所述零阶挡块包括位于所述焦平面中心的不透明条带，并且所述条带的长度平行于所述第一反射镜的所述边缘和第二反射镜的所述边缘，使得所述SLM对所述激光束的零阶衍射被阻挡。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的光机械系统。
图2示出了根据本发明实施例的光机械系统的两个D形反射镜。
图3a示出了原始图像，图3b示出了由SLM投影的图像，在SLM中心具有零阶光斑，图3c示出了一条线障碍物掩盖了中心光斑，也留下了中心间隙，并且图3d示出了根据本发明实施例的具有大顶角的屋脊镜移动图像的左右部分以密封间隙。
图4示出了沿+x方向的场曲，该+x方向与根据本发明实施例的屋脊镜折叠角正交。
图5示出了沿+y方向的场曲，该+y方向沿根据本发明的实施例的屋脊镜的折叠角。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合附图来阅读，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，对方向或取向的任何提及都仅是为了描述的方便，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。诸如“较低”、“较高”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上部”、“下部”、“顶”和“底”等相对术语及其派生词(例如、“水平地”、“向下”、“向上”等)应被解释为是指当时所描述的或所讨论的图中所示的方向。这些相关术语仅是为了便于描述，除非明确指出，否则不要求以特定方向构造或操作设备。诸如“连接”、“固定”、“连接”、“耦合”、“互连”等术语是指一种关系，在该关系中结构直接地或通过中间结构间接地固定或连接于彼此，以及两者兼而有之可移动或刚性的附件或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，本发明不应该被明确地限制于这样的示例性实施例，所述示例性实施例示出了可以单独存在或以其他特征组合存在的一些可能的非限制性特征组合；本发明的范围由所附的权利要求限定。
本公开描述了目前所设想的实施本发明的最佳模式。该描述并不意在以限制意义来理解，而是通过参考附图提供仅出于说明目的呈现的本发明的示例，以向本领域的普通技术人员说明本发明的优点和构造。在附图的各个视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
在一个实施例中，计算机生成的全息图(CGH)被应用于SLM 110以充当光学相位掩模。如图1所示，相位掩模对输入准直激光束120的波前进行相位调制。由于SLM的像素化结构，输入激光的很大一部分总是不受相位掩模影响。这部分激光看起来就像来自衍射光栅的零阶光束。当在成像平面上观察时，零阶光束聚焦成图像中心的一个亮点，如图3b所示。在该成像平面处，插入线障碍物130以遮挡零阶(零阶挡块的示例性前视图示出在图1左下方)。如图3c中所示，线障碍物可以挡住不需要的中心点；然而，它也会遮挡图像的一个子区域，并在图像中心留下一个暗区。
为了恢复中央暗区，在一个实施例中，屋脊镜140被放置在零阶挡块130之后，如图1所示。屋脊镜包括两个不平行的反射镜。屋脊镜140具有反射角，使得其有效地将图像的左侧移位到右侧并且将右侧移位到左侧。屋脊镜左侧和右侧的反射由镜筒透镜150和物镜160投射以形成组合图像。通过使用适当的反射角度，图像的左右两侧在中心处融合，如图3d所示。结果，获得了中心处没有暗区的零阶无点图像。
一个实施例提供了一种用于构造具有反射角的所需屋脊镜的方法。如图2中所示，两个D形反射镜210、220固定于挠性安装座230。请注意，用于创建圆形屋脊镜的两个反射镜不必一定得是D形。在一个示例性实施例中，使用两个D形反射镜来制造具有圆形形状的屋脊镜。屋脊镜的其他形状，例如方形、矩形等，也被考虑在内。固定手段的非限制性示例，例如胶水、螺钉、支撑架、焊料等，可用于将反射镜固定到挠性安装座。在一个实施例中，挠性安装座235的一半可以用细螺纹柱塞调节。人们可以将一个D形反射镜相对于另一个D形反射镜精确地调整，直到达到合适的角度，从而完全恢复中央暗区。在另一个实施例中，挠性安装座的两侧都是可调节的，以允许在调节两个反射镜之间的角度时具有更大的灵活性和便利性。
在另一个实施例中，不使用零阶档块。从图2可以看出，在一个实施例中，屋脊镜在两个D形反射镜的边缘之间具有间隙240。落入间隙中的光线不会被屋脊镜反射。在一个实施例中，屋脊镜设置在焦平面处，焦平面的中心落在两个反射镜边缘之间的间隙中。在这种布置中，激光束的零阶衍射落入间隙中，并因此被从图像输出中去除。
图像变换
在一个实施例中，图像的中央区域的内容也可以被恢复。由于CGH是计算机生成的，因此人们总是可以在原始图像中预先补偿由屋脊镜引起的偏移。如果在目标图像和实际图像之间建模仿射变换，则针对原始图像的左半部分和右半部分需要不同的平移值。通常，所需的仿射变换矩阵具有以下形式：
Figure BDA0003451278890000061
其中a11、a12、a21和a22是线性映射的矩阵元素，且vx和vy是平移的向量分量。
如果线障碍物的宽度为2d，图像的宽度为W，则新的修改后的仿射变换需要针对图像左部分和右部分的不同矩阵：
Figure BDA0003451278890000062
针对x<W/2
Figure BDA0003451278890000063
针对x>W/2
像差
屋脊镜的反射角在图像的左右部分引入轻微的图像倾斜。图4表示沿+x方向的场曲，该+x方向与屋脊镜折叠角正交。图5表示沿+y方向的场曲，该+y方向沿着屋脊镜的折叠角。保持小的反射角很重要，这样场的倾斜就在聚焦透镜之后光束的雷利(Rayleigh)范围内。
虽然本发明已经就几个所描述的实施例以一定的长度和一些特殊性进行了描述，但并不意在将其限制于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而其应该是参考所附权利要求来进行解释，以便根据现有技术对这些权利要求提供最广泛的可能解释，并因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人预见的实施例描述了本发明，对于这些实施例，可获得可用的描述，尽管目前未预见到本发明的非实质性修改，但其仍然可以代表其等效物。

Claims (24)

1.一种光学图像生成系统，其特征在于，所述光学图像生成系统包括：
空间光调制器SLM，被配置为接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；
一个或多个光学元件，被配置为将调制后的激光束投射到焦平面上；
第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜位于所述焦平面处，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻，所述第一反射镜被配置为沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，并且所述第二反射镜被配置为沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分；以及
镜筒透镜和物镜，被配置为将所述第一部分和所述第二部分投影成组合图像；
其中，所述焦平面的中心落在位于所述第一反射镜的所述边缘和所述第二反射镜的所述边缘之间的间隙中，从而消除由所述SLM对所述激光束造成的零阶衍射。
2.根据权利要求1所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向中的至少一者是能够调节的。
3.根据权利要求1所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜安装在挠性安装座上，使得所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的角度是能够调节的。
4.根据权利要求1所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜被配置为双D形反射镜。
5.根据权利要求1所述的光学图像生成系统，其特征在于，计算机生成的全息图CGH被应用于所述SLM，以形成光学相位掩模。
6.根据权利要求5所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述CGH被预补偿由所述第一反射镜和所述第二反射镜引起的偏移，其中，所述预补偿包括将相应的第一仿射变换和第二仿射变换应用于所述第一部分和所述第二部分，所述第一仿射变换和所述第二次仿射变换基于图像的宽度和所述挡块或间隙的宽度。
7.一种光学图像生成系统，其特征在于，所述光学图像生成系统包括：
空间光调制器SLM，被配置为接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；
一个或多个光学元件，被配置为将调制后的激光束投射到焦平面上；
零阶挡块，位于所述焦平面处；
第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述零阶挡块后面，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻，所述第一反射镜被配置为沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，所述第二反射镜被配置为沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分；以及
镜筒透镜和物镜，被配置为将所述第一部分和所述第二部分投影成组合图像；
其中，所述零阶挡块包括位于所述焦平面中心处的不透明条带，并且所述条带的长度平行于所述第一反射镜的所述边缘和所述第二反射镜的所述边缘，使得由所述SLM对所述激光束造成的零阶衍射被阻挡。
8.根据权利要求7所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向中的至少一者是能够调节的。
9.根据权利要求7所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜安装在挠性安装座上，使得所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的角度是能够调节的。
10.根据权利要求7所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜被配置为双D形反射镜。
11.根据权利要求7所述的光学图像生成系统，其特征在于，计算机生成的全息图CGH被应用于所述SLM，以形成光学相位掩模。
12.根据权利要求11所述的光学图像生成系统，其特征在于，所述CGH被预补偿由所述第一反射镜和所述第二反射镜引起的偏移，其中，所述预补偿包括将相应的第一仿射变换和第二仿射变换应用于所述第一部分和所述第二部分，所述第一仿射变换和所述第二次仿射变换基于图像的宽度和所述挡块或间隙的宽度。
13.一种生成光学图像的方法，其特征在于，所述生成光学图像的方法包括：
通过空间光调制器SLM接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；
通过一个或多个光学元件将调制后的激光束投射到焦平面上；
通过第一反射镜沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，并通过第二反射镜沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分，所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述焦平面处，所述第一反射镜的边缘与所述第二反射镜的边缘相邻；以及
通过镜筒透镜和物镜将所述第一部分和所述第二部分投影以形成组合图像；
其中，所述焦平面的中心落在位于所述第一反射镜的所述边缘和所述第二反射镜的所述边缘之间的间隙中，从而消除由所述SLM对所述激光束造成的零阶衍射。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：调节所述第一方向和所述第二方向中的至少一者。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜安装在挠性安装座上，并且所述方法还包括：调节所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的角度。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜被配置为双D形反射镜。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：将计算机生成的全息图CGH应用于所述SLM，以形成光学相位掩模。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：针对由于所述第一反射镜和所述第二反射镜引起的偏移对所述CGH进行预补偿，其中，所述预补偿包括将相应的第一仿射变换和第二仿射变换应用于所述第一部分和所述第二部分，所述第一仿射变换和所述第二仿射变换变换基于图像的宽度和所述挡块或间隙的宽度。
19.一种生成光学图像的方法，其特征在于，所述生成光学图像的方法包括：
通过空间光调制器SLM接收输入的准直激光束并对所述激光束的波前进行相位调制；
通过一个或多个光学元件将调制后的激光束投射到焦平面上；
在所述焦平面处放置零阶挡块；
通过第一反射镜沿第一方向反射调制后的激光束的第一部分，并通过第二反射镜沿第二方向反射调制后的激光束的第二部分，所述第一反射镜和所述第二反射镜位于所述零阶挡块后面，第一反射镜的边缘与第二反射镜的边缘相邻；以及
通过镜筒透镜和物镜将所述第一部分和所述第二部分投影以形成组合图像；
其中，所述零阶挡块包括位于所述焦平面中心处的不透明条带，并且所述条带的长度平行于所述第一反射镜的所述边缘和第二反射镜的所述边缘，使得所述SLM对所述激光束的零阶衍射被阻挡。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：调节所述第一方向和所述第二方向中的至少一者。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜安装在挠性安装座上，并且所述方法还包括：调节所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的角度。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜被配置为双D形反射镜。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：将计算机生成的全息图CGH应用于所述SLM，以形成光学相位掩模。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：针对由于所述第一反射镜和所述第二反射镜引起的偏移对所述CGH进行预补偿，其中，所述预补偿包括将相应的第一仿射变换和第二仿射变换应用于所述第一部分和所述第二部分，所述第一仿射变换和所述第二仿射变换变换基于图像的宽度和所述挡块或间隙的宽度。
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