一种数字菲涅耳消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法和装置.pdf

本发明公开了一种用数字菲涅耳透镜消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法。该方法通过在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，利用菲涅耳透镜的光会聚集作用使得相位调制图的衍射像与黑栅的衍射像位置分开，以克服空间光调制器的黑栅效应。首先在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，使得相位调制图所对应的有效光信息在菲涅耳透镜的焦平面上成像，而此时黑栅效应所造成的中心强亮斑和高级衍射亮斑的现象尚未形成，因此仅通过数字补偿即实现了抑制相位型空间光调制器的黑栅效应，提高了其在光信息处理中的实际应用价值。

权利要求书
1.  一种消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：通过在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，利用菲涅耳透镜的聚集作用使得相位调制图的衍射像与黑栅的衍射像成像位置分离，以克服空间光调制器的黑栅效应，其特征在于包括以下过程：入射光波被起偏器，变换为线偏振光，该线偏振光入射到空间光调制器的受光面，空间光调制器工作在相位调制的状态下，空间光调制器后面放置一个检偏器，调整起偏器和检偏器的偏振轴的夹角角度，使空间光调制器工作在相位调制状态，且经检偏器透射出的光强不随相位调制度的大小而变化；在用于调制入射光波的相位调制图上叠加一个数字菲涅耳透镜，将叠加后的相位调制图写入空间光调制器，光波经数字菲涅耳透镜的聚集，在菲涅耳透镜焦平面上能够接收到相位调制图所对应的衍射像，调节数字菲涅耳透镜的焦距以在不同位置接收观察到相位调制图衍射成像的结果；空间光调制器的二维周期性栅格结构不受数字运算的影响，在所加入的数字菲涅耳透镜的焦平面位置上，还没有形成“黑栅效应”，二位栅格衍射的光波传播到该位置，因为菲涅耳衍射的效应仅形成一个均匀的背景光，使得接收到的衍射像的背景较亮，这样使得相位调制图的衍射像与黑栅的衍射像在沿光轴的方向完全分开，以消除“黑栅效应”的影响，改善空间光调制器的调制性能。

2.  如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：利用数字菲涅耳透镜自身的作用，完成相位调制图在焦平面上的衍射成像，而不使用额外的傅里叶透镜。

3.  如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：上述的空间光调制器是透射式空间光调制器。

4.  如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：上述的空间光调制器是反射式空间光调制器。

5.  如权利要求1所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，其特征在于：上述的数字菲涅耳透镜由计算机产生，它的光学参数均由计算机设置调整，计算机生成的数字菲涅耳透镜分布图被直接叠加到相位调制图。

6.  一种利用数字菲涅耳透镜消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：该装置由下列结构构成：光源(201)产生入射光波，入射光波经过第一透镜(202)，第二透镜(203)后，入射光波被扩束成平行光束；平行光束经过起偏器(204)变换为线偏振光，该线偏振光经过空间光调制器(205、210)，该空间光调制器对该线偏振光执行相位调制，被调制的光束经过检偏器(206)，入射到图像探测器(207)，其成像被图像探测器(207)检测；中央处理器(208)接收输入的相位调制图并在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，利用菲涅耳透镜的会聚作用使得相位调制图的衍射像成像位置与黑栅的衍射像成像位置分离，在被叠加了数字菲涅耳透镜的相位调制图的衍射像位置接收成像，黑栅衍射的光波传播在此位置，仅形成一个均匀的背景光，使得接收到的衍射像的背景较亮，从而消除“黑栅效应”对数字菲涅耳透镜的相位调制图的影响。

7.  如权利要求6所述的利用数字菲涅耳透镜消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：上述的数字菲涅耳透镜由计算机产生，它的光学参数均能够由计算机设置调整，计算机生成的数字菲涅耳透镜分布图被直接叠加到相位调制图。

8.  如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：利用数字菲涅耳透镜的作用，完成相位调制图在焦平面上的衍射成像，不使用傅里叶透镜。

9.  如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：上述的空间光调制器是透射式空间光调制器。

10.  如权利要求6所述的消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：上述的空间光调制器是反射式空间光调制器。

说明书一种数字菲涅耳消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法和装置
技术领域
本发明涉及相位型空间光调制器黑栅效应的消除方法，属于光信息处理技术。
背景技术
空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)是一种在信号源的控制下，能对光波的某个参量进行调制的器件，例如通过吸收调制振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态等。它有效地利用了光的并行、互联和高速的处理能力，使之能够实时地在空间上调制光束，成为实时光学信息处理等系统的核心部件，在现代光学领域中具有越来越重要的地位和价值，它是光学、光电混合系统进行光互连、光学相关、光计算、模式识别、光学控制、光学检测、图像处理、显示技术等研究中的基本构件和关键器件。
按SLM的调制方式，主要分成两类，一类是振幅调制型，一类是相位调制型。振幅调制型SLM是通过其透射率或反射率的变换调制入射光波的振幅，主要用于光开关、滤波和光学相关等应用。而SLM之所以在能够在光信息处理中愈来愈受到重视，应用越来越广，主要是因为它能够实现相位调制，它可以把图像的强度变化变成SLM的折射率变化，从而调制相位。这样无法直接用强度来表征的相位可以用一副强度图像的方式通过SLM实现相位调制的作用。因此，广泛的光信息处理系统，尤其是一些最新的技术，例如计算全息、衍射光学元件、光束整形、光镊等等都是使用相位型空间光调制。
空间光调制器通常是由单个分离像素组成，可以独立控制每个像素的变化，从而实现对光波面以像素为单位的调制。一副用于调制光波的数字图像写入SLM，这时SLM会显示这幅图像，入射光波经过SLM时，会受到空间调制。但由于每个像素周围均需电极包围，会在SLM上形成纵横交错的不透光区域，使得但该器件呈二维周期性栅格结构排列。光波经这种二维光栅式的结构发生衍射，会带来两个问题：中心亮斑和多级衍射像，尤其是中心亮斑，由于能量高度集中，其强度远高于其他衍射级。把这种现象称为空间光调制器的“黑栅效应”。
“黑栅效应”是SLM所固有的一种现象，即使在未向SLM写入任何图像时也会存在，而当写入调制图像时，则写入图像的衍射像的中心和中心亮斑重合，其高级衍射像的中心同样也会和空间光调制器的高级衍射亮斑重合，而使得在接收面上的图像的中心始终和空间光调制器固有的多级衍射亮斑耦合在一起无法分开，造成衍射像的质量严重下降，甚至无法使用。这种效应影响了空间光调制器的应用，为空间光调制器的应用带来极为不利的影响，使得空间光调制器在光信息处理中的应用受到了很大限制。
因此，寻求一种能够抑制黑栅效应的方法，对空间光调制器在光信息处理中的应用具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够消除相位型空间光调制器黑栅效应的方法，该方法提高了空间光调制器的相位调制性能。
本发明是通过下述技术方案加以实现的：它通过在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，利用菲涅耳透镜的聚集作用使得相位调制图的衍射像与黑栅的衍射像成像位置发生分离，以克服空间光调制器的黑栅效应，其特征在于包括以下过程：入射光波被起偏器，变换为线偏振光，该线偏振光入射到空间光调制器的受光面，空间光调制器工作在相位调制的状态下，空间光调制器后面放置一个检偏器，调整起偏器和检偏器的偏振轴的夹角角度，使空间光调制器工作在相位调制状态，且经检偏器透射出的光强不随相位调制度的大小而变化；在用于调制入射光波的相位调制图上叠加一个数字菲涅耳透镜，将叠加后的相位调制图写入空间光调制器，光波受菲涅耳透镜的折射，在菲涅耳透镜焦平面上能够接收到相位调制图所对应的衍射像，调节数字菲涅耳透镜的焦距以在不同位置接收观察到相位调制图衍射成像的结果；空间光调制器的二维周期性栅格结构并未受到数字运算的任何影响，在所加入的数字菲涅耳透镜的焦平面位置上，没有形成“黑栅效应”，黑栅衍射的光波传播到此，根据菲涅耳衍射的效应仅形成一个均匀的背景光，使得接收到的衍射像的背景较亮，从而使得相位调制图的衍射像与黑栅的衍射像在沿光轴的方向完全分开，以消除“黑栅效应”的影响，改善空间光调制器的调制性能。
在相位调制图写入SLM之前先在它上面叠加一个由计算机计算生成的数字菲涅耳透镜，在加入的菲涅耳透镜的焦平面上观察衍射成像的结果。由于菲涅耳透镜的会聚作用，相位调制图所对应的衍射像在其焦平面上成像，菲涅耳透镜对空间光调制器的“黑栅效应”没有影响，因此在其焦平面上“黑栅效应”，即中心亮斑和高级衍射像，尚未形成，黑栅带来的影响只是形成一个比较均匀的背景光，它仅会对相位图衍射像的比度产生影响，其带来的不利影响远小于中心亮斑。
一种利用数字菲涅耳透镜消除相位型空间光调制器黑栅效应的装置，其特征在于：该装置由下列结构构成：光源(201)产生入射光波，入射光波经过第一透镜(202)，第二透镜(203)后，入射光波被扩束成平行光束；平行光束经过起偏器(204)变换为线偏振光，该线偏振光经过透射式空间光调制器(205)，该空间光调制器对该线偏振光执行相位调制，被调制的光束经过检偏器(206)，入射到图像探测器(207)，其成像被图像探测器(207)检测；中央处理器(208)接收输入的相位调制图并在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，利用菲涅耳透镜的会聚作用使得相位调制图的衍射像与黑栅的衍射像成像位置分离，在被叠加了数字菲涅耳透镜的相位调制图的衍射像位置接收成像，黑栅衍射的光波传播在此位置，仅形成一个均匀的背景光，使得接收到的衍射像的背景较亮，从而消除“黑栅效应”的影响。
而数字菲涅耳透镜对SLM的二维周期性的结构并没有任何影响，“黑栅效应”仍会存在，但“黑栅效应”是SLM固有二维周期结构的夫琅禾费衍射的结果，因此在菲涅耳透镜的焦平面上，“黑栅效应”还未形成，黑栅衍射的光波传播到在此位置仅仅会形成一个较为均匀的背景光，使得接收到的衍射像的背景比较亮，降低了图像对比度，但它所带来的不利影响远小于黑栅效应所带来的中心亮斑，因此这种方法很好的克服了空间光调制器的“黑栅效应”。
上述的空间光调制器可以是透射式，也可以是反射式，如果是反射型SLM，可以通过一块分光棱镜，也使SLM工作在正入射的状态。正入射的工作状态不是必须条件，目的只是组成共轴的光学系统，便于调节。
上述的数字菲涅耳透镜由计算机产生，它可根据实际光学系统的设计需求很方便地改变焦距等光学参数，计算机生成后，直接叠加到相位调制图即可。
与已有的发明和技术相比，本发明具有以下优点：
它通过在相位调制图上叠加数字菲涅耳透镜，利用菲涅耳透镜的聚集作用，使得相位调制图所对应的衍射成像与空间光调制器黑栅所对应的衍射像在光轴方向发生分立，从而消除了相位型空间光调制器的“黑栅效应”。该技术所用的数字菲涅耳透镜由计算机计算产生并叠加到相位调制图，此过程完全由计算机来自动完成，并且透镜的尺寸、焦距等光学参数都在数字域改变，通过设置由计算机完成，在消除了相位型空间光调制器的黑栅效应的同时，不用额外的傅里叶透镜或滤波器等装置，结构简单。
附图说明
图1空间光调制器物理结构示意图。其中白色区域表示透光部分，黑色区域表示不透光部分。
图2数字菲涅耳消除黑栅效应的原理示意图。
图3空间光调制器菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射强度对比曲线。其中虚线为菲涅耳衍射强度曲线，实线为夫琅禾费衍射强度曲线。
图4是透射式空间光调制器工作原理示意图。
图5是反射式空间光调制器工作原理示意图。
图6是空间光调制器加入数字菲涅耳透镜前的衍射成像结果。
图7是空间光调制器加入数字菲涅耳透镜后的衍射成像结果。
图8是空间光调制器在加入不同焦距的数字菲涅耳透镜后的实施例。
图中101为初始的相位调制图，102为理想情况下所对应的衍射像，103为在空间光调制器黑栅效应影响下的衍射像，104为数字菲涅耳透镜，105为加入数字菲涅耳透镜后的衍射像。
图中201为光源，202为透镜一，203为透镜二，204为起偏器，205为透射式空间光调制器，206为检偏器，207为图像探测器，208为中央处理器，209为分光棱镜，210为反射式空间光调制器。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
附图1是空间光调制器的物理结构示意图，白色区域表示透光部分，也代表了每个像素；黑色区域表示不透光部分，这种固有的物理结构使得SLM呈现一种二维栅格的结构。SLM的黑栅效应的影响主要在夫琅禾费衍射区，因此黑栅效应可以看作是二维栅格的夫琅禾费衍射，其在透镜焦距的傅里叶频谱面上的夫琅禾费衍射场可以看作是矩孔阵列的傅里叶变换。
定义SLM上的行方向坐标为fx，列方向坐标为fy，w为SLM的像素中心之间间距，w0为SLM的像素开口宽度，每个像素的透射率函数为整个M行N列的SLM的透射率函数为黑栅的透射率函数T(fx，fy)：
T(fx,fy)=Σm=0MΣn=0Nrect(fx-mw0w,fy-nw0w)]]>
=rect(fxMw0,fyNw0)[1w02rect(fxw,fyw)⊗comb(fxw0,fyw0)]---(1)]]>
在平面波U0(fx，fy)照射下，平面波和黑栅透射率函数相乘的复振幅分布为：
H(fx,fy)=T(fx,fy)×U0(fx,fy)]]>
=rect(fxMw0,fyNw0)[1w02rect(fxw,fyw)⊗comb(fxw0,fyw0)]×exp(jkz)---(2)]]>
在傅里叶频谱面上的夫琅禾费衍射图样为：
O(x,y)=F{H(fx,fy)}=F{T(fx,fy)}⊗F{U0(fx,fy)}=t(x,y)⊗O0(x,y)---(3)]]>
其中，
t(x,y)=F{T(fx,fy)}]]>
=F{rect(fxMw0,fyNw0)[1w02rect(fxw,fyw)⊗comb(fxw0,fyw0)]}---(4)]]>
=MNw02w2sinc(Mw0x)sinc(Nw0y)⊗[sinc(wx)sinc(wy)×comb(w0x)comb(w0y)]]]>
通过公式(1)-(4)的理论推导，SLM上的二维栅格对入射平面波在傅里叶频谱面上的夫琅禾费衍射图样有卷积调制。这是由SLM物理结构决定，不论输入任何信息，这种效应都会存在。但既然黑栅效应是夫琅禾费衍射的结果，如果在近场观察或接收，则相位调制图和黑栅的衍射像多以菲涅耳衍射的形式传播了一段距离，此时如果在初始的相位调制图中叠加一个数字菲涅耳透镜，在其焦平面上会观察到相位调制图所对应的衍射像，而此时黑栅效应尚未形成。因此，一种利用数字菲涅耳透镜来消除SLM黑栅效应的办法其原理图如附图2所示。
附图2是通过相位补偿来消除黑栅效应的原理示意图。相位调制图101在理想情况下所对应的衍射成像结果如102所示，当把相位调制图101写入空间光调制器205、210后，由于空间光调制器205、210的黑栅效应，此时衍射成像的结果为103所示，如图，黑栅效应造成了中心亮斑和高级衍射像与有效光信息耦合在一起无法分开。本发明在相位调制图101写入空间光调制器205、210之前，首先叠加一个数字菲涅耳透镜104，这时衍射像在透镜的后焦面上场分布为U′f (x，y)为：
Uf′(x,y)=e(jπλf(x2+y2))jλf∫∫∞U(x1,y1)e(-j2πλf(x1x+y1y))dx1dy1---(5)]]>
其中U(x1，y1)为输入的相位调制图，(x1，y1)为输入面坐标，(x，y)为输出面坐标，λ为波长，f为焦距。则由(5)式可知，在焦平面的场分布是入射到菲涅耳透镜上的场的夫琅禾费衍射图样。此时黑栅在菲涅耳透镜的后焦面上场分布为Uf″(x，y)：
Uf′′(x,y)=ejf2πλjλfejπλf(x2+y2)∫∫∞U′(x1,y1)ejπλf(x12+y12)e-j2πλf(x1x+y1y)dx1dy1---(6)]]>
其中U′(x1，y1)为空间光调制器的函数，由(6)式可知，黑栅在菲涅耳透镜的焦平面的场分布为其菲涅耳衍射图样。如附图3所示，计算模拟的空间光调制器在菲涅耳透镜的焦平面上的菲涅耳衍射强度和其夫琅和费衍射强度分别表示为虚线和实线，显示在同一坐标系下。从附图3可以看到菲涅耳透镜的焦平面位置的衍射场，其强度远远小于夫琅禾费衍射的强度，并可近似的认为其光强分布是均匀的，为观察或接收面上的一个背景光强，此时的效果如附图2中105所示，接收到的图像背景较亮，但不会出现严重的中心亮斑问题。
所加入的数字菲涅耳透镜的相位因子为exp[jπ/λf(x12+y12)]，把它作为相位补偿模板104，与原来的相位调制图101所对应的相位因子相乘，叠加后的结果105写入SLM。其中透镜焦距的取值范围取决于两个要素：一是焦距大小要确保空间光调制器的二维栅格的衍射满足菲涅耳衍射的近似条件，即不能因焦距太大而接近夫琅禾费远场衍射的距离；二是抽样对菲涅尔透镜最小焦距的限制，因为该相位因子的最大空间频率随焦距的减小而增大，焦距太小，会导致不满足抽样定理。
首先从传播距离考虑。当菲涅耳衍射成立时，f需满足：
fn3>>π4λ[(x-x1)2+(y-y1)2]2max---(7)]]>
夫琅和费衍射近似条件为：
fh>>12λ(x12+y12)max---(8)]]>
则焦距取值范围要在fn与fh之间。从满足抽样定理考虑，设空间光调制器抽样间隔(或像素大小)为d，像素数为N×N，则菲涅耳透镜函数在空间光调制器上的最大空间频率为：
ϵmax=Ndλf---(9)]]>
根据抽样定理，抽样间隔需小于抽样函数的最大空间频率的倒数，即d≤1/εmax，由此得出对透镜焦距的限制条件为：
fc≥Nd22λ---(10)]]>
因此，数字菲涅耳透镜焦距最大值要小于fh，最小值则要选取fn和fc中的较大者。
按照上述方法，实现相位型空间光调制器的黑栅效应抑制的系统主要包括光源、空间光调制器、起偏器和检偏器、空间滤波器、图像探测器和中央处理器。所说的光源可以是相干光源或部分相干光源；所说的空间光调制器可以是反射式，也可以是透射式；所说的起偏器和检偏器是一对偏振器件，主要作用是保证空间光调制器的相位调制状态；所说的图像探测器可以是CCD器件或CMOS器件；所说的中央处理器是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，可以是计算机，也可以是嵌入式系统。其特征在于，中央处理器计算产生的相位调制图叠加数字菲涅耳透镜后写入空间光调制器，在入射光波的照射下发生衍射，在数字菲涅耳透镜所对应的焦平面上用图像探测器接收，再经中央处理器存储和显示成像结果。
下面结合附图对实施例作进一步的描述。
附图4是透射式空间光调制器工作原理示意图。如图所示，光源201输出的光波经202透镜一和203透镜二组成的扩束准直系统扩束准直，通过起偏器204使得光波以线偏光入射到透射式空间光调制器205，光波经过透射式空间光调制205后，再经过一片检偏器206，起偏器204和检偏器206的作用是确保入射光波为线偏光，并且在线偏光入射的情况下透射式空间光调制器205工作在相位调制状态。中央处理器208计算产生或者把已存储的相位调制图叠加数字菲涅耳透镜后写入透射式空间光调制器205，并接收和显示由图像探测器207传输过来的衍射成像结果。
附图5是反射式空间光调制器工作原理示意图。如图所示，光源201输出的光波经202透镜一和203透镜二组成的扩束准直系统扩束准直，通过起偏器204使得光波以线偏光入射到分光棱镜209后被分成两束，其中透射光束经反射式空间光调制器210调制反射后，再经过分光棱镜209反射，入射到检偏器206。中央处理器208计算产生或者把已存储的相位调制图叠加数字菲涅耳透镜后写入反射式空间光调制器210，并接收和显示由图像探测器207传输过来的衍射成像结果。
附图6是空间光调制器加入数字菲涅耳透镜前的衍射成像结果。其中(a)是原始图像，(b)是计算得到的(a)图相应的衍射光学元件相位图，(c)是(b)图直接写入SLM后，衍射成像的结果，由于黑栅效应的存在，很明显可看到中心亮斑。
附图7是空间光调制器加入数字菲涅耳透镜后的衍射成像结果。其中(a)是对附图6(b)叠加数字菲涅耳透镜后的图像，(b)是(a)图写入SLM后衍射成像的结果，很明显中心亮斑已经消除，黑栅的影响仅仅是使得图像的背景较亮，和附图6(c)相比，显著改善了空间光调制器的调制性能。
附图8是空间光调制器加入不同焦距的数字菲涅耳透镜后的结果。加入的数字菲涅耳透镜大小为512×512像素，像素间隔d为19μm，激光器的光波长为532nm，根据公式(7)～(10)，计算得焦距f取值范围在0.2～45m之间，这是理论计算的适用范围，结合实际使用情况，典型的取值一般只要满足大于最小取值，并方便观察或成像即可，焦距太大，随着衍射距离的变大会使“黑栅效应”逐渐增强，影响成像质量。实施例中取焦距f分别为300mm、350mm、400mm、450mm、500mm，分别对应图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)。在其焦平面上观察再现像，从图中看出，由于在本发明中不使用傅里叶透镜，所以黑栅现象只能在夫琅禾费远场衍射形成，对不同焦距的数字菲涅耳透镜，相位调制图所对应的成像结果均很清晰。