CN212931344U - 单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于相位图像读取技术领域，公开了单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、快门、第一光阑、第一中继透镜、第二中继透镜、第一非偏振立体分束器、二分之一波片、相位调制空间光调制器、第三中继透镜、第二光阑、第四中继透镜、第一物镜、全息材料层、第二物镜、第二非偏振立体分束器、第一平面镜、第五中继透镜、第六中继透镜、衰减器、第二平面镜、成像透镜和光强度探测器，其能够提高相位读取系统的稳定性和数据转换速率；其实现了单次干涉读取相位，能够大大提高相位读取系统的稳定性和数据转换速率。

Description

单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置

技术领域

本实用新型属于信息数据存储技术领域，尤其涉及单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置。

背景技术

目前，相位信息无法直接被探测器读出，通常需要一束平面参考光与带相位信息的信息光进行干涉，将相位信息转变成为光强度信息，由探测器读出光强度信息，再根据相位和光强度的余弦转换关系推知相位信息。

但由于相位分布是以2π为周期呈周期分布的，且相位和光强度呈余弦转换关系。因此会出现一个光强度对应多个相位的情况，致使相位无法被准确的得到。情况如图1所示。

在以相位为编码信息的全息存储中，通常只使用0到2π的相位范围进行编码，既是出于对相位解码准确性的考虑，也是由于目前的相位调制器件多是只能达到2π水平。但即使是只使用0到2π相位范围，仍然存在一个光强度对应两个相位情况。

现有技术的方法是利用相移干涉法进行相位探测。即用不同相位参考光与待测信息光进行干涉，得到多个光强度分布结果。例如三步相移法，测量三次干涉结果，设初始相位差为

相移量为

(通常设

为π/2)，三次测量时的相位差分别为

测得光强度分布分别为I₀，I₁，I₂。则待测信息光的相位分布为

(参考：图书Optical Measurement of Surface Topography,Springer Berlin Heidelberg,2011,38(4):167-186)。

又如四步相移法，测量四次干涉结果，四次测量时的相位差分别为

对应测得光强度分布分别为I₀，I₁，I₂，I₃。则待测信息光的相位分布为

随着相移步数的增多，即测量次数的增加，得到的相位分布越精确。

可见，现有技术的相移干涉法都需要多次干涉，多次测量才能得到正确的相位分布。但多次测量增大了系统的不稳定性，并且读取相位数据的时间变长，降低了数据转换速率。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述需要多次干涉，多次测量才能得到正确的相位分布，但多次测量增大了系统的不稳定性，并且读取相位数据的时间变长，降低了数据转换速率的问题，本实用新型提供了单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，以提高相位读取系统的稳定性和数据转换速率。

本实用新型是这样实现的，本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，包括激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、快门(4)、第一光阑(5)、第一中继透镜(6)、第二中继透镜(7)、第一非偏振立体分束器(8)、二分之一波片(9)、相位调制空间光调制器(10)、第三中继透镜(11)、第二光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)、第二非偏振立体分束器(17)、第一平面镜(18)、第五中继透镜(19)、第六中继透镜(20)、衰减器(21)、第二平面镜(22)、成像透镜(23)和光强度探测器(24)；

针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、快门(4)、第一光阑(5)、第一中继透镜(6)、第二中继透镜(7)及第一非偏振立体分束器(8)由左至右依次设置在激光器(1)出射光的光轴上；第一非偏振立体分束器(8)的上方，其反射光方向上，由下至上依次设置有相位调制空间光调制器(10)和二分之一波片(9)，第一非偏振立体分束器(8)的下方由上至下依次设置有第三中继透镜(11)、第二光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)和第二非偏振立体分束器(17)，相位调制空间光调制器(10)和二分之一波片(9)的光轴重合，第三中继透镜(11)、第二光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)和第二非偏振立体分束器(17)的光轴重合；第一非偏振立体分束器(8)的右侧，其透射光方向上设置有45°倾斜的第一平面镜(18)，第一平面镜(18)的反射光光轴上由上至下依次设置有第五中继透镜(19)、第六中继透镜(20)、衰减器(21)和45°倾斜的第二平面镜(22)；第二非偏振立体分束器(17)的左侧，其反射光光轴上由右至左依次设置有成像透镜(23)和光强度探测器(24)，第二平面镜(22)的反射光光轴与成像透镜(23)和光强度探测器(24)的光轴重合。

上述单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法，还可以优选的，使得恒定相位差φ为π/2。

还可以优选的，将编码数据页包含至少两个相位编码单元。且将n取为4。

上述单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法用装置，还可以优选的，第一中继透镜(6)和第二中继透镜(7)构成4f系统。

还可以优选的，第三中继透镜(11)和第四中继透镜(13)构成4f系统。

还可以优选的，第一光阑(5)为同轴全息光阑，所述同轴全息光阑的中心处为供信息光束通过的矩形孔(501)，所述矩形孔的外侧套设有同心的、供参考光束通过的圆环孔(502)。第一物镜(14)和第二物镜(16)的参数相同。

还可以优选的，第一平面镜(18)的镜面与第二平面镜(22)的镜面垂直。

还可以优选的，第五中继透镜(19)和第六中继透镜(20)构成4f系统。

还可以优选的，激光器(1)发出的激光波长为532nm。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，能够提高相位读取系统的稳定性和数据转换速率。其相位编码及相位解码方法用装置，结构和成本合理，便于组装，适用于上述单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法。本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法和装置，实现了单次干涉读取相位，能够大大提高相位读取系统的稳定性和数据转换速率。

附图说明

图1为现有技术的相位与光强度的关系曲线图。

图2为本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法用装置的光路结构图。

图3为本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法用装置的第一光阑的结构示意图。

图4为本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法的流程框图。

图5为本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法的四阶相位编码示意图。

图6为本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法的相位编码单元的示意图。

图7为本实用新型的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码方法的光强度解码单元的示意图。

图2中，1为激光器，2为针孔滤波器，3为准直透镜，4为快门，5为第一光阑，6为第一中继透镜，7为第二中继透镜，8为第一非偏振立体分束器，9为二分之一波片，10为相位调制空间光调制器，11为第三中继透镜，12为第二光阑，13为第四中继透镜，14为第一物镜，15为全息材料层，16为第二物镜，17为第二非偏振立体分束器，18为第一平面镜，19为第五中继透镜，20为第六中继透镜，21为衰减器，22为第二平面镜，23为成像透镜，24为光强度探测器。图3中，501为矩形孔，502为圆环孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本实用新型具体实施方式：

实施例：

单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，如图2所示，包括激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、快门4、第一光阑5、第一中继透镜6、第二中继透镜7、第一非偏振立体分束器8、二分之一波片9、相位调制空间光调制器10、第三中继透镜11、第二光阑12、第四中继透镜13、第一物镜14、全息材料层15、第二物镜16、第二非偏振立体分束器17、第一平面镜18、第五中继透镜19、第六中继透镜20、衰减器21、第二平面镜22、成像透镜23和光强度探测器24；

针孔滤波器2、准直透镜3、快门4、第一光阑5、第一中继透镜6、第二中继透镜7及第一非偏振立体分束器8由左至右依次设置在激光器1出射光的光轴上；第一非偏振立体分束器8的上方，其反射光方向上，由下至上依次设置有相位调制空间光调制器10和二分之一波片9，第一非偏振立体分束器8的下方由上至下依次设置有第三中继透镜11、第二光阑12、第四中继透镜13、第一物镜14、全息材料层15、第二物镜16和第二非偏振立体分束器17，相位调制空间光调制器10和二分之一波片9的光轴重合，第三中继透镜11、第二光阑12、第四中继透镜13、第一物镜14、全息材料层15、第二物镜16和第二非偏振立体分束器17的光轴重合；第一非偏振立体分束器8的右侧，其透射光方向上设置有45°倾斜的第一平面镜18，第一平面镜18的反射光光轴上由上至下依次设置有第五中继透镜19、第六中继透镜20、衰减器21和45°倾斜的第二平面镜22；第二非偏振立体分束器17的左侧，其反射光光轴上由右至左依次设置有成像透镜23和光强度探测器24，第二平面镜22的反射光光轴与成像透镜23和光强度探测器24的光轴重合。

本实施例的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，激光器1发出的激光，可以为532nm波长的绿色激光，经过针孔滤波器2和准直透镜3变成光束质量良好的平行光，经过快门4、第一光阑5后，圆形光束变为第一光阑5中形状的光束；第一中继透镜6和第二中继透镜7可以构成4f系统，即像方焦距是物方焦距的四倍，以使得第一光阑5和相位调制空间光调制器10的物面相同，即二者物面等效。光束继续通过第一非偏振立体分束器8和二分之一波片9，第一非偏振立体分束器8的作用是分光，将一部分光反射到相位调制空间光调制器10，并由相位调制空间光调制器10反射回来的光再次通过第一非偏振立体分束器8透射至第三中继透镜11，另一部分光直接透射至第一平面镜18。二分之一波片9的作用是调节光束的偏振状态，使得光束入射到相位调制空间光调制器10上后，带上准确的相位信息。相位调制空间光调制器10的作用是上载设计好的相位图，光束照射到相位调制空间光调制器10上后即带有相位图信息，由于相位调制空间光调制器10是反射式的，因此光会原路返回，并再次经过第一非偏振立体分束器8时透射至第三中继透镜11方向。第三中继透镜11和第四中继透镜13也为4f系统，二者中间的第二光阑12的作用是剪切频谱，控制记录在材料中的频谱范围。第一物镜14和第二物镜16是一对相同参数的物镜，用于记录和重现物面信息。全息材料层15对光场具有响应并通过材料结构的变化产生折射率差，记录下相位调制空间光调制器10上带有的相位图信息。第二非偏振立体分束器17令光反射到成像透镜23方向，并将第二平面镜22部分来的光合并一处，产生干涉。第一平面镜18和第二平面镜22都是对光进行反射，二者中间的第五中继透镜19和第六中继透镜20构成4f系统，起到调节光程差的作用。衰减器21起到衰减光强的作用，使两束经过第二非偏振立体分束器17合束的光强度近似相同，此时干涉条纹对比度最高。成像透镜23对干涉条纹进行成像，光强度探测器24对成像的光强度分布进行接收。

其中，请见图3，第一光阑5为同轴全息光阑，所述同轴全息光阑的中心处为供信息光束通过的矩形孔501，所述矩形孔的外侧套设有同心的、供参考光束通过的圆环孔502。矩形孔501优选为正方形孔。圆形光束经过该同轴全息光阑后，变成中间为矩形、且优选为正方形的信息光和外围为圆环形的参考光。在后面的光学系统中，参考光与信息光通过第一中继透镜6聚焦在材料层中并产生干涉，以记录全息图。读取时，仅让外围为圆环形参考光通过，而挡住中间正方形的信息光，当参考光照射材料层的全息图时，就能够衍射出信息光，然后通过上述实施例的相位解码方法对衍射出的信息光(其为相位分布)进行单次干涉解码，得到相位信息。材料层可以为PQ/PMMA(Optical Response Analysis ofHolographic Polymeric Materials)有机光致聚合物材料层。

上述实施例的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置可以通过如下方法实现工作：参见图4，包括以下步骤：

编码时，将上、下两个像素位置作为一对，将每一对像素作为编码对来表示一个数据；

在一个所述编码对中，上方像素位置是具有相位编码信息量的位置，而下方像素位置并不含有信息量，其相位为所述上方像素位置相位加上一个恒定相位，则上、下像素位置具有恒定相位差；

在n阶相位编码中，编相位分别为φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，…，φ_n，恒定相位差为φ；

将编码数据页包含相位编码单元，所述相位编码单元由s乘t的像素矩阵组成；

上方像素编码为φ_m，m≤n，n为相位编码阶数，下方像素为φ_m+φ，整体编码对存储的相位数据为φ_m；

在所述相位编码单元内设置作为标准点的像素位置，用于在解码中生成解码对；

所述标准点的相位为φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，…，φ_n，并得到n组标准编码对，分别为{φ₁,φ₂}，{φ₂,φ₃}，{φ₃,φ₄}，{φ₄,φ₅}，…，{φ_n,φ₁}；该n组标准编码对与

相统一；

解码时，采用一束平面参考光与再现信息光进行单次干涉，得到光强度分布；将所述相位编码单元干涉后对应光强度解码单元；

所述标准点位置的相位φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，…，φ_n与该位置的光强度I₁，I₂，I₃，I₄，…，I_n对应；

在解码单元中，将a个光强度I₁，I₂，I₃，I₄，…，I_a记作a组标准光强度对{I₁,I₂}，{I₂,I₃}，{I₃,I₄}，{I₄,I₅}，…，{I_a,I₁}；其余待测光强度对记为

a＝1，2，3，4，…。

然后算出每一组待测光强度对与n组标准光强度对的方差，以V来表示；方差公式如下：

……

其中，n＝1，2，3，4，…；

则每一组待测光强度对都得到n个方差值{V₁，V₂，V₃，V₄，…，V_n}，且每个方差值V₁，V₂，V₃，V₄，…，V_n分别与标准光强度对{I₁，I₂}，{I₂，I₃}，{I₃，I₄}，{I₄，I₅}，…，{I_n，I₁}为一一对应关系；标准光强度对与所述标准点的相位编码一一对应，方差值与相位编码也为一一对应关系；则求出待测相位的相位值φ_n为最小方差V_n对应的相位值。

上述单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置的编码及解码方法利用适当的相位编码规则将时间上需要的相移干涉测量转换到空间编码中，并利用相应的解码方法将相位分布通过单次干涉结果准确的进行读出，能够解决现有技术的三步相移法或四步相移法所存在的需要多次干涉，多次测量才能得到正确的相位分布，但多次测量增大了系统的不稳定性，并且读取相位数据的时间变长，降低了数据转换速率的问题。

上述单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置的编码及解码方法，将编码数据页包含至少两个相位编码单元。还可以将n取为4。

如编码时，以4阶相位编码为例，可编相位分别为φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，恒定相位差为

则编码示例如图3。编码数据页包含若干个单元，每个单元是由4乘4的像素矩阵组成的。每两个上下像素组成一个编码对，如图5中上面的虚线框中，上方像素编码为φ₁，下方像素为

整体编码对存储的相位数据为φ₁。另外，在某些单元中会安排一些像素位置作为标准点，如图3中下面的虚线框中，用于在解码中生成解码对。理论上，恒定相位差

为π/2时，解码效果最佳。而在实际使用中，由于噪声的存在，

有时并不是在π/2这一值上解码效果最佳，最佳值是在π/2周围有很微小的浮动。

上述单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置的编码及解码方法，其编码特点是将相移干涉法所需的相移量体现在同一个编码页的编码对中。当相移量或者说相位差

为π/2时，在0到2π相位周期内的任意时刻，均有且只有一种光强度对分布与相位数据相对应，这就避免了一种光强度对应两个相位的情况。

解码时，用一束平面参考光与再现信息光进行单次干涉，得到光强度分布。以一个单元的解码为例，如图6和图7所示。图6为相位编码单元，其中上面的虚线框中的标准点为已知信息，其余部分均为待测信息，图5为干涉后对应的光强度解码单元。标准点位置的相位φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，与该位置的光强度I₁，I₂，I₃，I₄对应。在编码时，则可规定以下关系，φ₂＝φ₁+π/2，φ₃＝φ₂+π/2，φ₄＝φ₃+π/2，且恒定相位差

则由四个标准点的相位φ₁，φ₂，φ₃，φ₄可以得到四组标准编码对，分别为{φ₁,φ₂}，{φ₂,φ₃}，{φ₃,φ₄}，{φ₄,φ₁}，这四组标准编码对与

是统一的。同理在解码单元中，就可以将四个光强度I₁，I₂，I₃，I₄写作四组标准光强度对{I₁,I₂}，{I₂,I₃}，{I₃,I₄}，{I₄,I₁}。其余待测光强度对可写为

n＝1,2,3,4。

然后，算出每一组待测光强度对与四组标准光强度对的方差，以V来表示。方差公式如下：

其中，n＝1,2,3,4。

则每一组待测光强度对都得到四个方差值{V₁,V₂,V₃,V₄}，且每个方差值V₁,V₂,V₃,V₄分别与标准光强度对{I₁,I₂}，{I₂,I₃}，{I₃,I₄}，{I₄,I₁}是一一对应关系。而标准光强度对又与标准点的相位编码一一对应，因此方差值与相位编码也是一一对应关系，其中，方差、光强度对、相位对以及相位编码的对应关系如下：

则待测光强度对所对应的待测相位具体是什么值这一问题就转换为四个方差值取哪一个的问题。应取四个方差值中的最小值，因为某一方差值最小，意味着待测光强度对与某一标准光强度对分布最为接近。这时，待测相位的相位值即为最小方差对应的相位值。例如，某一待测相位对所对应的光强度对与标准光强度对的最小方差为V₂，则该待测相位数据即为φ₂，以此将所有待测相位算出。

上面结合附图对本实用新型优选实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本实用新型的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本实用新型不限于特定的实施方式，本实用新型的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，包括激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、快门(4)、第一光阑(5)、第一中继透镜(6)、第二中继透镜(7)、第一非偏振立体分束器(8)、二分之一波片(9)、相位调制空间光调制器(10)、第三中继透镜(11)、第二光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)、第二非偏振立体分束器(17)、第一平面镜(18)、第五中继透镜(19)、第六中继透镜(20)、衰减器(21)、第二平面镜(22)、成像透镜(23)和光强度探测器(24)；其特征在于，

针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、快门(4)、第一光阑(5)、第一中继透镜(6)、第二中继透镜(7)及第一非偏振立体分束器(8)由左至右依次设置在激光器(1)出射光的光轴上；第一非偏振立体分束器(8)的上方，其反射光方向上，由下至上依次设置有相位调制空间光调制器(10)和二分之一波片(9)，第一非偏振立体分束器(8)的下方由上至下依次设置有第三中继透镜(11)、第二光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)和第二非偏振立体分束器(17)，相位调制空间光调制器(10)和二分之一波片(9)的光轴重合，第三中继透镜(11)、第二光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)和第二非偏振立体分束器(17)的光轴重合；第一非偏振立体分束器(8)的右侧，其透射光方向上设置有45°倾斜的第一平面镜(18)，第一平面镜(18)的反射光光轴上由上至下依次设置有第五中继透镜(19)、第六中继透镜(20)、衰减器(21)和45°倾斜的第二平面镜(22)；第二非偏振立体分束器(17)的左侧，其反射光光轴上由右至左依次设置有成像透镜(23)和光强度探测器(24)，第二平面镜(22)的反射光光轴与成像透镜(23)和光强度探测器(24)的光轴重合。

2.如权利要求1所述的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，其特征在于，第一光阑(5)为同轴全息光阑，所述同轴全息光阑的中心处为供信息光束通过的矩形孔(501)，所述矩形孔的外侧套设有同心的、供参考光束通过的圆环孔(502)。

3.如权利要求1所述的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，其特征在于，第一中继透镜(6)和第二中继透镜(7)构成4f系统。

4.如权利要求2所述的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，其特征在于，第三中继透镜(11)和第四中继透镜(13)构成4f系统。

5.如权利要求1所述的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，其特征在于，第一平面镜(18)的镜面与第二平面镜(22)的镜面垂直。

6.如权利要求3所述的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，其特征在于，第五中继透镜(19)和第六中继透镜(20)构成4f系统。

7.如权利要求1所述的单次干涉读取相位的相位编码及相位解码装置，其特征在于，激光器(1)发出的激光波长为532nm。

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