【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于光電測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及液晶空間光調(diào)制器(lc-slm)相位調(diào)制特性的測量，特別涉及一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的方法。

背景技術(shù)：

基于lc-slm空間分辨率高、可編程控制、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。許多應(yīng)用對波前相位控制的高精度和相位調(diào)制深度范圍的線性化提出了要求，這就需要準(zhǔn)確評價(jià)空間光調(diào)制器的性能，甚至校正廠家預(yù)設(shè)的相位響應(yīng)參數(shù)。

目前研究lc-slm相位調(diào)制特性的方法很多，傳統(tǒng)的檢測方法主要分為兩類：干涉法和衍射法。其中干涉法的相位測量依賴條紋圖的位移，而雙光束在干涉之前都要行進(jìn)較長的路徑，機(jī)械振動(dòng)、空氣湍流等環(huán)境因素都會(huì)引起它們光程差的變化，導(dǎo)致采集的條紋圖不穩(wěn)定。而衍射法基于強(qiáng)度傳輸對于振動(dòng)和空氣湍流具有較高的魯棒性，但就相位計(jì)算的角度來看，強(qiáng)度圖像用有效相位差的余弦值來表征，使得相位估計(jì)的運(yùn)算過程更復(fù)雜。

傳統(tǒng)干涉法均是入射偏振光垂直入射空間光調(diào)制器，在光路中采用分光器件將入射光和出射光在空間上分離，這樣會(huì)引起光強(qiáng)的損失，影響測量的準(zhǔn)確性。而北京工業(yè)大學(xué)panezai和中國科學(xué)院大學(xué)魯強(qiáng)等人研究證明小角度入射的情況和垂直入射得到的結(jié)果沒有太大差別。所以測量slm相位調(diào)制特性時(shí)可用小角度斜入射來代替垂直入射。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的裝置及方法。實(shí)驗(yàn)簡單，所需儀器成本低，不需要復(fù)雜的光學(xué)裝置，克服了干涉法入射光和出射光空間分離和衍射法相位估計(jì)復(fù)雜的問題，且具有良好的魯棒性和機(jī)械穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的方法，以消除環(huán)境振動(dòng)或空氣湍流引起的條紋抖動(dòng)對測量的影響，包括以下步驟：

(1)設(shè)計(jì)空間光調(diào)制器的組合灰度圖，其中，在空間光調(diào)制器上加載的灰度圖分為三部分，其中一半屏幕加載二元垂直的衍射光柵，另一半屏幕分為上下兩部分，均加載均勻的灰度級，上下兩部分分別為測量區(qū)域和參考區(qū)域，其中，參考區(qū)域加載零灰度級，測量區(qū)域從零灰度級逐步增加至255；

(2)采集光束：將從激光中發(fā)出的激光光束經(jīng)擴(kuò)束、濾波、準(zhǔn)直為平行光束后，經(jīng)偏振器得到振動(dòng)方向平行于液晶分子的線偏振光，偏振光入射到空間光調(diào)制器，由ccd相機(jī)采集：由液晶光柵衍射的+1級光、經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束，以及沒有經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束相互干涉產(chǎn)生的干涉條紋圖像；

(3)計(jì)算空間光調(diào)制器的相位調(diào)制量

根據(jù)以下公式采用相對條紋移動(dòng)法在錯(cuò)位條紋圖上計(jì)算測量區(qū)域的相位調(diào)制量δ：

δ＝2π(δ/λ)

其中，δ和λ分別為條紋相對移動(dòng)量和條紋周期寬度。

條紋周期寬度λ的計(jì)算方法為：因?yàn)楦缮鏃l紋是沿水平分布的，作垂直掃描線穿過各條紋，掃描線與m個(gè)條紋的中心線分別交于p0,p1，···pm點(diǎn)，則條紋間距矢量為v＝(pm-pm-1，···p2-p1，p1-p0)，條紋周期寬度λ為：

條紋相對移動(dòng)量δ的計(jì)算方法為：當(dāng)左右兩組干涉條紋產(chǎn)生垂直方向的相對移動(dòng)時(shí)，判斷條紋移動(dòng)方向，兩條垂直掃描線分別穿過靜止條紋和移動(dòng)條紋，與每條干涉條紋中心線的交點(diǎn)分別為p0,p1，···pm和s0,s1,···sm，則條紋位移矢量為t＝(p0-s0,p1-s1,···pm-sm)，條紋移動(dòng)量δ為：

步驟(1)中加載二元垂直的衍射光柵，對于衍射光柵的灰度級選擇，將其中一組條紋設(shè)置為零灰度級，剩下的條紋灰度級設(shè)置為128。

步驟(2)中，采用顯微物鏡進(jìn)行擴(kuò)束，采用針孔進(jìn)行濾波，采用準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，其中，針孔同時(shí)位于顯微物鏡的焦點(diǎn)位置和準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置。

一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的裝置，依次設(shè)置的激光器、顯微物鏡、針孔、準(zhǔn)直透鏡、偏振器、反射式空間光調(diào)制器、ccd相機(jī)；所述激光器、顯微物鏡、針孔、準(zhǔn)直透鏡、偏振器同軸設(shè)置，反射式空間光調(diào)制器與激光束形成一定的夾角，其中，針孔同時(shí)位于顯微物鏡的焦點(diǎn)位置和準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置。

所述激光器采用波長為532nm的綠色激光器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明除了能準(zhǔn)確測量lc-slm的相位調(diào)制特性，同時(shí)利用slm自生成液晶光柵的方法，能夠克服傳統(tǒng)干涉法入射光和出射光空間分離和衍射法相位估計(jì)復(fù)雜等不足。與其他方法相比，這種方法能夠消除環(huán)境振動(dòng)或空氣湍流引起的條紋抖動(dòng)對測量精度的影響，不需要復(fù)雜的光學(xué)裝置，具有優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速且實(shí)驗(yàn)易操作。

【附圖說明】

圖1為光束小角度斜入射到光柵發(fā)生的衍射示意圖。

圖2為液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性系統(tǒng)裝置示意圖。

圖3為加載灰度圖組合模式及仿真結(jié)果，其中，圖(a)為組合模式，圖(b)為仿真結(jié)果。

圖4為干涉條紋的圖像后處理過程示意圖。

圖5為slm相位調(diào)制量的計(jì)算示意圖。

【具體實(shí)施方式】

本發(fā)明的目的是在準(zhǔn)確測量lc-slm的相位調(diào)制特性的基礎(chǔ)上，利用slm自生成液晶光柵的方法，克服傳統(tǒng)干涉法入射光和出射光空間分離和衍射法相位估計(jì)復(fù)雜等不足。具體地說，本發(fā)明提供一種自生成液晶光柵干涉測量lc-slm的相位調(diào)制特性的方法，與其他方法相比，這種方法能夠消除環(huán)境振動(dòng)或空氣湍流引起的條紋抖動(dòng)對測量的影響，且不需要復(fù)雜的光學(xué)裝置，具有優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速更易實(shí)施。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的方法，包括以下步驟：

(1)選擇測量lc-slm相位調(diào)制特性區(qū)域，根據(jù)slm的參數(shù)設(shè)計(jì)，編碼生成對應(yīng)其像素的組合灰度圖。在slm上加載的灰度圖分成三部分，其中一半屏幕加載二元垂直的衍射光柵，對于衍射光柵的灰度級選擇，將其中一組條紋設(shè)置為零灰度級(即黑色)，剩下的條紋灰度級設(shè)置為128(即灰色)。slm另一半屏幕分為上下兩部分，其中，上半部分為測量區(qū)域，下半部分為參考區(qū)域，上下兩部分均加載均勻的灰度級，參考區(qū)域加載零灰度級，測量區(qū)域從零灰度級逐步增加至255。

(2)搭建測量系統(tǒng)裝置；

請參閱圖2所示，一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的裝置，包括依次設(shè)置的激光器1、顯微物鏡2、針孔3、準(zhǔn)直透鏡4、偏振器5、反射式空間光調(diào)制器(lc-slm)6、ccd相機(jī)7。所述激光器1、顯微物鏡2、針孔3、準(zhǔn)直透鏡4、偏振器5同軸設(shè)置，反射式空間光調(diào)制器6與激光束形成一定的夾角。

激光器1固定在平臺(tái)上，顯微物鏡2置于激光器2后，起濾波作用的針孔3置于顯微物鏡2的焦點(diǎn)位置處，準(zhǔn)直透鏡4置于針孔3后，針孔3同時(shí)處于準(zhǔn)直透鏡4的焦點(diǎn)位置，偏振器5置于準(zhǔn)直透鏡4后，激光束通過準(zhǔn)直透鏡4后得到平行光束，光束小角度斜入射lc-slm6，ccd相機(jī)采集出射光束的干涉條紋。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線分別與反射式lc-slm、ccd相機(jī)連接。

上述激光器采用波長為532nm的綠色激光器。

一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的測量裝置，采用上述裝置進(jìn)行測試，操作步驟如下：

搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從激光器出射的激光束入射到顯微物鏡進(jìn)行擴(kuò)束，并通過針孔濾波后入射到準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直成平行光束后入射到偏振器，得到振動(dòng)方向平行于液晶分子的線偏振光，偏振光入射到lc-slm，然后光束反射到ccd相機(jī)上。通過ccd相機(jī)采集：由液晶光柵衍射的+1級光(即從左半個(gè)屏幕出射的+1級光)、經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束(從測量區(qū)域射出的光束)，以及沒有經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束(即從參考區(qū)域出射的出射光束)相互干涉產(chǎn)生的干涉條紋圖像。(斜入射的衍射公式為d(sinφ-sinθ)＝mλ，其中，d為衍射光柵周期，θ為衍射角，ф為入射角，m＝0，±1，±2…m，為衍射光級次，r1和r2代表平行光束)。

(3)lc-slm相位調(diào)制量的計(jì)算；

在slm上加載步驟1所述的灰度圖，由ccd相機(jī)采集液晶光柵衍射的+1級光、經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束，以及沒有經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束干涉產(chǎn)生的干涉條紋圖像。隨著測量區(qū)域加載灰度值遞增，條紋將發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，而參考區(qū)域?qū)?yīng)的條紋基本保持不變。使用相對條紋移動(dòng)法在一整幅錯(cuò)位條紋圖上計(jì)算測量區(qū)域的相位調(diào)制量。

先對采集到的干涉條紋進(jìn)行圖像后處理，lc-slm相位調(diào)制量δ可以利用干涉條紋的相對移動(dòng)量來獲得，即是上述的相對條紋移動(dòng)法，計(jì)算公式如下；

δ＝2π(δ/λ)

式中的條紋相對移動(dòng)量和條紋周期寬度分別為δ和λ，這兩個(gè)參數(shù)的獲得可以通過間距平均法的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。

請參閱圖5所示，因?yàn)楦缮鏃l紋是沿水平分布的，作垂直掃描線穿過各條紋，掃描線與m個(gè)條紋的中心線分別交于p0,p1，···pm點(diǎn)，則條紋間距矢量為v＝(pm-pm-1，···p2-p1，p1-p0)，條紋周期寬度λ為：

當(dāng)左右兩組干涉條紋產(chǎn)生垂直方向的相對移動(dòng)時(shí)，判斷條紋移動(dòng)方向，兩條垂直掃描線分別穿過靜止條紋和移動(dòng)條紋，與每條干涉條紋中心線的交點(diǎn)分別為p0,p1，···pm和s0,s1,···sm，則條紋位移矢量為t＝(p0-s0,p1-s1,···pm-sm)，條紋移動(dòng)量δ為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明除了能準(zhǔn)確測量lc-slm的相位調(diào)制特性，同時(shí)利用slm自生成液晶光柵的方法，能夠克服傳統(tǒng)干涉法入射光和出射光空間分離和衍射法相位估計(jì)復(fù)雜等不足。與其他方法相比，這種新方法能夠消除環(huán)境振動(dòng)或空氣湍流引起的條紋抖動(dòng)對測量精度的影響，不需要復(fù)雜的光學(xué)裝置，具有優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速且實(shí)驗(yàn)易操作。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)選擇測量lc-slm相位調(diào)制特性區(qū)域，根據(jù)slm的參數(shù)設(shè)計(jì)，編碼生成對應(yīng)其像素的組合灰度圖，如圖4所示。在slm上加載的灰度圖分成三部分，其中一半屏幕加載二元垂直的衍射光柵，對于衍射光柵的灰度級選擇，將其中一組條紋設(shè)置為零灰度級，將剩下的條紋灰度級設(shè)置為128。slm另一半屏幕分為上下兩部分，均加載均勻的灰度級，作為參考的區(qū)域加載零灰度級，而測量區(qū)域從零灰度級逐步增加至255。

本實(shí)例中即是步驟(1)中的lc-slm是待測量的空間光調(diào)制器，型號為rle-ch04，像素為1024×768，像素尺寸為9μm。

本實(shí)例中的液晶二元衍射光柵周期p為8個(gè)像素，則衍射光柵的空間周期為72μm。

本實(shí)例中對于衍射光柵的灰度級選擇，由相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，干涉圖的對比度會(huì)隨著衍射光柵條紋灰度值的變化而改變，這是因?yàn)橐壕骷嬖谒矔r(shí)相位調(diào)制量不恒定的閃爍現(xiàn)象，當(dāng)光柵中條紋調(diào)制的相位差為π時(shí)，干涉條紋圖總將產(chǎn)生最大對比度，所以將其中一組條紋設(shè)置為零灰度級，將剩下的條紋灰度級設(shè)置為128。

本實(shí)例中所述的參考區(qū)域?qū)?yīng)圖1的右下部分，而測量區(qū)域?qū)?yīng)圖1的左上部分。

(2)搭建測量系統(tǒng)裝置，如圖2所示，一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的系統(tǒng)裝置，包括激光器、顯微物鏡、針孔、準(zhǔn)直透鏡、偏振器、反射式lc-slm、ccd相機(jī)。其特征在于，所述激光器固定在平臺(tái)上，顯微物鏡置于激光器后，起濾波作用的針孔置于物鏡焦點(diǎn)位置處，并同時(shí)處于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置，激光束通過準(zhǔn)直透鏡后得到平行光束，光束小角度斜入射lc-slm，ccd相機(jī)采集出射光束的干涉條紋。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線分別與反射式lc-slm、ccd相機(jī)連接。

本實(shí)例中使用的激光器采用波長為532nm的綠色激光器(其他波長的可見光同樣適用本裝置，只是同一款lc-slm對不同波長的可見光的相位調(diào)制深度不同)。

本實(shí)例中其他裝置均為常用簡易的光學(xué)器件。

一種液晶光柵干涉測量空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性的測量裝置，采用上述裝置進(jìn)行測試，具體操作步驟是：

搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從激光器出射的激光束入射到顯微物鏡進(jìn)行擴(kuò)束，并通過針孔濾波后入射到準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直成平行光束后入射到偏振器，得到振動(dòng)方向平行于液晶分子的線偏振光，偏振光入射到lc-slm，然后光束反射到ccd相機(jī)上。根據(jù)斜入射式的衍射公式d(sinφ-sinθ)＝mλ和空間幾何關(guān)系，找出0級光和+1級光的干涉位置，安置ccd相機(jī)采集由液晶光柵衍射的+1級光、經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束，以及沒有經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束干涉產(chǎn)生的干涉條紋圖像。

(3)lc-slm相位調(diào)制量的計(jì)算；

在slm上加載如圖1所示的灰度圖，搭建如圖2所示的測量系統(tǒng)裝置，由ccd相機(jī)采集液晶光柵衍射的+1級光、經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束，以及沒有經(jīng)過相位調(diào)制的出射光束干涉產(chǎn)生的干涉條紋圖像。隨著測量區(qū)域加載灰度值遞增，條紋將發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，而參考區(qū)域?qū)?yīng)的條紋保持不變。使用相對條紋移動(dòng)法在一整幅錯(cuò)位條紋圖上計(jì)算測量區(qū)域的相位調(diào)制量。

如圖3所示，先對采集到的干涉條紋進(jìn)行圖像后處理，lc-slm相位調(diào)制量可以利用干涉條紋的相對移動(dòng)量來獲得，即是上述的相對條紋移動(dòng)法，計(jì)算公式如下；

δ＝2π(δ/λ)(1)

式中的條紋相對移動(dòng)量和條紋周期寬度分別為δ和λ，這兩個(gè)參數(shù)的獲得可以通過間距平均法的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楦缮鏃l紋是沿水平分布的，作垂直掃描線穿過各條紋，掃描線與m個(gè)條紋的中心線分別交于p0,p1，···pm點(diǎn)，則條紋間距矢量為v＝(pm-pm-1，···p2-p1，p1-p0)，條紋周期寬度λ為：

當(dāng)左右兩組干涉條紋產(chǎn)生垂直方向的相對移動(dòng)時(shí)，判斷條紋移動(dòng)方向，兩條垂直掃描線分別穿過靜止條紋和移動(dòng)條紋，與每條干涉條紋中心線的交點(diǎn)分別為p0,p1，···pm和s0,s1,···sm，則條紋位移矢量為t＝(p0-s0,p1-s1,···pm-sm)，條紋移動(dòng)量δ為：

上述的圖像后處理包括均值濾波，得到其水平梯度圖，然后進(jìn)行二值化、開操作和骨骼提取。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分為本領(lǐng)域已知的成熟技術(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明除了能準(zhǔn)確測量lc-slm的相位調(diào)制特性，利用slm自生成液晶光柵的方法，能夠克服傳統(tǒng)干涉法入射光和出射光空間分離和衍射法相位估計(jì)復(fù)雜等不足；

2、本發(fā)明能夠消除環(huán)境振動(dòng)或空氣湍流引起的條紋抖動(dòng)對測量精度的影響；

3、本發(fā)明不需要復(fù)雜的光學(xué)裝置，不需要精確對準(zhǔn)，具有優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速且實(shí)驗(yàn)易操作；

4、本發(fā)明能夠較容易地采集到干涉條紋。