數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，包括：用于提供短相干長度準(zhǔn)直光的光源模塊；用于放置數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的載物臺；用于成像干涉條紋的數(shù)字相機(jī)；用于對所述數(shù)字相機(jī)調(diào)節(jié)位置的反射成像光路模塊；用于在所述數(shù)字相機(jī)和反射成像光路模塊之間切換光路的反射鏡；其中，整個光路以載物臺為中心點呈L型直角分布。本發(fā)明還公開了一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，由于是等大成像，只需要一次定位即可以保證光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的相對橫向位置重合和像素的一一對應(yīng)，并逐漸增加棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，使邊界逐漸密集，反復(fù)調(diào)校，增加橫向定位精度，為保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的最終性能。
【專利說明】數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器進(jìn)行調(diào)校的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光線散射一直是光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。由于折射率的不規(guī)則性所帶來的光線散射，會提高系統(tǒng)背景噪聲并帶來額外波像差，并進(jìn)而影響光學(xué)成像的分辨率和對比度，一直以來嚴(yán)重影響著包括天文望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡在內(nèi)的諸多光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
[0003]為了解決上述問題，人們自上世紀(jì)50年代發(fā)展出了所謂自適應(yīng)光學(xué)的概念，通過對于接到光場光波前的人為修正，達(dá)到減少散射影響、提高成像質(zhì)量的目的。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前的自適應(yīng)光學(xué)已經(jīng)成為光學(xué)里的一個重要分支，包括一系列基于不同概念的理論和具體實現(xiàn)方法。在這當(dāng)中，應(yīng)用和發(fā)展最為廣泛的是光學(xué)位相反轉(zhuǎn)法，即將原來穿過散射介質(zhì)后被發(fā)散的光線進(jìn)行位相反轉(zhuǎn)后重新通過原有的散射介質(zhì)。經(jīng)過理論和實驗證明，該種方法可以有效地補(bǔ)償由于散射對于原有成像光學(xué)系統(tǒng)性能所帶來的影響。
[0004]自上世紀(jì)70年代光學(xué)位相反轉(zhuǎn)的概念被首次提出以來【A.Yariv等，((Phaseconjugate optics and real-t ime holography))],光學(xué)位相反轉(zhuǎn)的具體實現(xiàn)裝置幾經(jīng)變革。目前，比較常見的實現(xiàn)裝置主要都基于光學(xué)非線性效應(yīng)，如光致折變效應(yīng)【P.Yeh, ((Introduction to photorefractive nonlinear optics))]和布里淵散射效應(yīng)【D.P.M.Gower, ((Optical phase conjugation》】等。然而，利用這些光學(xué)非線性效應(yīng)實現(xiàn)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)的裝置，其光能利用率(光能利用率定義:最終被光學(xué)位相反轉(zhuǎn)的光能量與入射裝置的總光能量之比)往往較低，并且為了激發(fā)非線性效應(yīng)，在構(gòu)建裝置時往往需要特殊的光源和與之對應(yīng)的光學(xué)晶體。這些限制使得該種類型的光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器在使用上受到了極大的限制。
[0005]為了解決上述問題，2010年有研究人員提出了新的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器【M.Cui等，Implementation of a digital optical phase conjugation system and its applicationto study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation],并在隨后進(jìn)一步對原有裝置進(jìn)行了簡化【K.Si 等，F(xiàn)luorescence imaging beyond the ballisticregime by ultrasound-pulse-guided digital phase conjugation]。與傳統(tǒng)方法不同，該種裝置不依賴于光學(xué)非線性效應(yīng)。構(gòu)建上述裝置往往僅需要三個器件:一個50-50分束棱鏡對入射光進(jìn)行分光，一個數(shù)字相機(jī)進(jìn)行光波前探測，一個空間光調(diào)制器根據(jù)探測值光波前調(diào)制。數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的像素值等大，二者在光學(xué)上相對于50-50分束棱鏡處于光學(xué)共軛位置，并且二者的每個像素在位置上一一對應(yīng)。由于結(jié)構(gòu)簡單，并且對于光源性質(zhì)，如波長、相干長度和輸入光強(qiáng)等，沒有嚴(yán)格的要求，因此數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器一經(jīng)推出便受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在，該裝置已被大量應(yīng)用于顯微成像等領(lǐng)域，并取得了顯著的像質(zhì)提升效果。[0006]但是，數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器對于其數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的相對位置有非常嚴(yán)格的要求。如前所述，為了達(dá)到最佳的性能，要求二者處于光學(xué)共軛位置、每個像素等大并且在位置上一一對應(yīng)，這些要求使得數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器變得十分困難。原有數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的發(fā)明人曾經(jīng)提出過一整套的調(diào)校方法【M.Cui等，Implementation of a digitaloptical phase conjugation system and its application to study the robustness ofturbidity suppression by phase conjugation】,但是該方法的實現(xiàn)較為困難，需要復(fù)雜的光路設(shè)計并借助于專門的標(biāo)定掩模板。由于掩模板的特征尺寸直接決定于構(gòu)建數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器所使用的數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器。當(dāng)使用不同的數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器時，所使用的標(biāo)定掩模板也需要重新制作，因此該方法的通用性受到了很大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，以簡化調(diào)校步驟并克服原有方法通用性不足的問題。
[0008]一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，包括以下步驟:
[0009]I)初步調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器相對位置；
[0010]2)使用短相干長度準(zhǔn)直光照射數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的入射端；
[0011]3)在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上形成平面圖案；
[0012]4)在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的出射端，對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的干涉圖樣進(jìn)行拍攝；
[0013]5)根據(jù)所拍攝的干涉圖樣，調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的軸向位置和傾角，使干涉圖樣條紋空間周期最大并且干涉條紋位于整個圖樣中心位置；
[0014]6)改變數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器調(diào)制值，在其上形成棋盤圖案；
[0015]7)在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的出射端構(gòu)建反射成像光路，將數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上所形成的圖案成像至數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)上；
[0016]8)調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)橫向位置，將數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上棋盤圖案與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的感光兀件完全重合；
[0017]9)改變數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器調(diào)制值，增加所形成棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，重復(fù)步驟7)~8)，增加調(diào)校準(zhǔn)確度；
[0018]10)重復(fù)步驟9)多次。
[0019]其中，所述步驟I)中的初步調(diào)節(jié)，是指調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器至相對位置誤差小于200微米，垂直角度誤差小于0.5度。
[0020]其中，所述步驟2)中的短相干長度，是指入射光的相干長度小于30微米。
[0021]其中，所述步驟3)中的平面圖案，是指此時數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器每個像素點對入射光產(chǎn)生的位相延遲值相同，為提高調(diào)制精度，優(yōu)選位相延遲值為O。
[0022] 其中，所述步驟6)中的棋盤圖案，是指此時數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器以正中心像素為原點分割為一個2X2象限格子區(qū)域，其中第一、三象限內(nèi)的位相延遲值相等，第二、四象限內(nèi)的位相延遲值也相等。為保證成像對比度，優(yōu)選第一、三象限位相延遲值為O，對應(yīng)第二、四象限位相延遲值為π。
[0023]其中，所述步驟7)中的反射成像光路，由一個凸透鏡和一個平面鏡組成，二者與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器處于共軸光路上。所述的凸透鏡位于平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器中間，且平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器均置于凸透鏡焦平面上。
[0024]其中，所述步驟8)中的調(diào)節(jié)橫向位置，是指在保持?jǐn)?shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和分束棱鏡之間距離和平行度不變的前提下，在水平方向上二維調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)數(shù)字相機(jī)的位置。
[0025]其中，所述步驟9)中的增加所形成棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，是指棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量多于步驟6)所述的2X2格子區(qū)域，理論上可以為可以整除數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器像素數(shù)的任意數(shù)字，為在調(diào)校時間和調(diào)校準(zhǔn)確度間權(quán)衡，優(yōu)選最大棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量不大于IOX 10。每個格子所占據(jù)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上像素數(shù)相同并具有相等的位相延遲度，且任意相鄰格子產(chǎn)生的位相延遲值不同，優(yōu)選方案為相鄰格子產(chǎn)生的位相延遲值相差η。
[0026]其中，所述步驟10)中的多次，可以為數(shù)值不小于2的任意整數(shù)，為在調(diào)校時間和調(diào)校準(zhǔn)確度間權(quán)衡，優(yōu)選數(shù)量為5次，最終橫向定位精度應(yīng)小于半個像素尺寸。
[0027]本發(fā)明的工作原理如下:
[0028]在經(jīng)過初步調(diào)節(jié)后，數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的相對位置誤差和垂直角度誤差已經(jīng)處于較小的狀態(tài)，但不足以滿足數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器正常工作所需要的精度。此時，需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)校。首先，將短相干長度準(zhǔn)直光照射數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的入射端，在這種情況下，數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器將構(gòu)成一個等厚干涉儀。進(jìn)入數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的光線，經(jīng)過數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的反射后，會發(fā)生等厚干涉而形成干涉條紋。根據(jù)干涉條件，發(fā)生等厚干涉時兩平面間的相對距離應(yīng)小于光源的相干長度，因此通過使用短相干長度光源可以對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的相對軸向位置進(jìn)行精確定位。并且，理論上說，相干長度越短定位越精確。同時，由于當(dāng)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器有相對角度傾斜時，干涉圖樣所形成的條紋也將朝相同方向傾斜，并且條紋空間周期與傾角大小成反比，因此通過此原理進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，可以保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的平行度。
[0029]在完成軸向位置和傾角的調(diào)節(jié)后，還需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的相對橫向位置，以保證二者像素的一一對應(yīng)。為達(dá)到上述目的?？梢詷?gòu)建一套反射成像光路:由一個凸透鏡和一個平面鏡組成，二者與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器處于共軸光路上。凸透鏡位于平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器中間，且平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器均置于凸透鏡焦平面上。這在實際上構(gòu)成了一個4f成像光路，從而使得數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器可以被等大成像到光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)數(shù)字相機(jī)上。由于數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器表面圖案實際為位相圖，為保證成像對比度，可以將數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器表面圖案劃分為若干個等大的區(qū)域，而相鄰區(qū)域的位相差為η。這樣，由于光的干涉作用，相鄰區(qū)域的邊界即會顯示出暗紋。由于數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上位相圖案預(yù)先已知，因此邊界位置所對應(yīng)像素點坐標(biāo)是已知的，從而可以作為參考點被清晰精確定位。在理想狀態(tài)下，由于是等大成像，只需要一次定位即可以保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的相對橫向位置重合和像素的一一對應(yīng)，但是由于成像像差(特別是場曲和畸變)的存在，需要逐漸增加棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，使邊界逐漸密集，反復(fù)調(diào)校，增加橫向定位精度。為保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的最終性能，要求最終橫向定位精度應(yīng)小于半個像素尺寸。
[0030]本發(fā)明還提供了一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，包括:
[0031]用于提供短相干長度準(zhǔn)直光的光源模塊；
[0032]用于放置數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的載物臺；
[0033]用于成像干涉條紋的數(shù)字相機(jī)；
[0034]用于對所述數(shù)字相機(jī)調(diào)節(jié)位置的反射成像光路模塊；
[0035]用于在所述數(shù)字相機(jī)和反射成像光路模塊之間切換光路的反射鏡；
[0036]其中，整個光路以載物臺為中心點呈L型直角分布。光源模塊位于光路的一臂上，所述的反射鏡、數(shù)字相機(jī)和反射成像光路模塊位于另一臂上。
[0037]所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器為現(xiàn)有技術(shù)，所述的光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器包括:
[0038]用于對入射光進(jìn)行50-50分光的分束棱鏡、光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)、空間光調(diào)制器、用于負(fù)責(zé)調(diào)整所述光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的空間位置和傾角的第一調(diào)整裝置以及用于負(fù)責(zé)調(diào)整所述空間光調(diào)制器的空間位置和傾角的第二調(diào)整裝置。
[0039]其中，分束棱鏡可以對入射光進(jìn)行50-50分光；第一調(diào)整裝置負(fù)責(zé)調(diào)整光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的空間位置和傾角，第二調(diào)整裝置負(fù)責(zé)調(diào)整空間光調(diào)制器的空間位置和傾角；光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的像素等大且像素數(shù)相同。在最優(yōu)狀態(tài)下，光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器相對于分束棱鏡為光學(xué)共軛位置，且二者的每一個像素在位置上應(yīng)該一一對應(yīng)。
[0040]其中，所述的光源模塊，包括短相干長度光源和準(zhǔn)直光路兩部分組成，二者均有許多現(xiàn)成的解決方案。所述的短相干長度光源是指入射光的相干長度小于30微米。短相干長度光源優(yōu)選為中心波長在600納米的紅光發(fā)光二極管；準(zhǔn)直光路兼具擴(kuò)束功能，優(yōu)選為由小孔和單凸透鏡組成的準(zhǔn)直擴(kuò)束光路，其中小孔置于單凸透鏡理想焦點位置。
[0041]其中，所述的載物臺為旋轉(zhuǎn)臺，可以繞中軸做360度旋轉(zhuǎn)。
[0042]其中，所述的反射鏡，可以在兩個間隔45度角的位置上做任意切換。當(dāng)切換至O度位置時，可以導(dǎo)通干涉成像光路；當(dāng)切換至45度位置時，可以導(dǎo)通反射成像光路。
[0043]其中，所述的數(shù)字相機(jī)，有許多現(xiàn)成的解決方案，如電荷耦合元件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體體等，優(yōu)選為電荷耦合元件，以獲得更小的背景噪聲。
[0044]其中，所述的反射成像光路模塊，由一個凸透鏡和一個平面鏡組成，二者與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器處于共軸光路上。所述凸透鏡位于平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器中間，且平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器均置于凸透鏡焦平面上；所述平面鏡與光軸方向垂直。凸透鏡優(yōu)選為焦距100毫米的雙膠合消色差透鏡。
[0045]所述的對所述數(shù)字相機(jī)調(diào)節(jié)位置，是指沿L型直角分布中所述數(shù)字相機(jī)中所在一臂的光路方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，即橫向調(diào)節(jié)。
[0046]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:[0047](I)結(jié)構(gòu)簡單，整體尺寸緊湊；
[0048](2)通用性強(qiáng)；
[0049](3)價格便宜。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]圖1為本發(fā)明涉及的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)原理圖。
[0051]圖2為本發(fā)明的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置結(jié)構(gòu)原理圖。
[0052]圖3為本發(fā)明的光源模塊結(jié)構(gòu)原理圖。
[0053]圖4為本發(fā)明的反射成像光路模塊結(jié)構(gòu)原理圖。
[0054]圖5為本發(fā)明的光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器中空間光調(diào)制器所加載棋盤圖案的示意圖。【具體實施方式】
[0055]下面結(jié)合附圖和實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0056]如圖1所示為本發(fā)明涉及的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6結(jié)構(gòu)原理圖，包括: [0057]分束棱鏡61,數(shù)字相機(jī)62 (即光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī))，空間光調(diào)制器63,第一調(diào)整裝置64和第二調(diào)整裝置65。
[0058]其中，分束棱鏡61可以對入射光進(jìn)行50-50分光；第一調(diào)整裝置64負(fù)責(zé)調(diào)整數(shù)字相機(jī)62的空間位置和傾角，第二調(diào)整裝置65負(fù)責(zé)調(diào)整空間光調(diào)制器63的空間位置和傾角；數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63的像素等大且像素數(shù)相同。在最優(yōu)狀態(tài)下，數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63相對于分束棱鏡61為光學(xué)共軛位置,且二者的每一個像素在位置上應(yīng)
該--對應(yīng)。
[0059]本發(fā)明的主要作用便是針對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6進(jìn)行調(diào)校至最優(yōu)狀態(tài)。
[0060]如圖2所示為本發(fā)明的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置結(jié)構(gòu)原理圖，包括:
[0061]光源模塊1，載物臺2，反射鏡3，數(shù)字相機(jī)4，反射成像光路模塊5。
[0062]在調(diào)校過程中，數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6放置于載物臺2上，載物臺2可以繞中心軸做360度旋轉(zhuǎn)，保證其上所放置的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6入射端與光源模塊I發(fā)出的光線照射方向垂直。
[0063]整個光路以載物臺為中心點呈L型直角分布。光源模塊I位于光路的一臂上，反射鏡3、數(shù)字相機(jī)4和反射成像光路模塊5位于另一臂上。
[0064]如圖3所示為本發(fā)明的光源模塊I結(jié)構(gòu)原理圖。它由兩部分組合，包括短相干長度光源11和準(zhǔn)直光路12，二者均有許多現(xiàn)成的解決方案。短相干長度光源11優(yōu)選為中心波長在600納米的紅光發(fā)光二極管，相干長度優(yōu)選為30微米；準(zhǔn)直光路12兼具擴(kuò)束功能，優(yōu)選為由小孔121和單凸透鏡122組成的準(zhǔn)直擴(kuò)束光路，其中小孔121置于單凸透鏡122理想焦點位置。
[0065]反射鏡3可以在兩個間隔45度角的位置上做任意切換。當(dāng)切換至O度位置時，可以導(dǎo)通干涉成像光路，從光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6出射的光線將照射在數(shù)字相機(jī)4上；當(dāng)切換至45度位置時，可以導(dǎo)通反射成像光路，從光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6出射的光線將照射在反射成像光路模塊5上并進(jìn)一步被反射。
[0066]以下進(jìn)一步說明數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6的整個調(diào)校過程。[0067]首先，通過第一調(diào)整裝置64和第二調(diào)整裝置65，對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，保證相對位置誤差小于200微米，垂直角度誤差小于0.5度。
[0068]在此基礎(chǔ)之上，利用本發(fā)明所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6的調(diào)校方法進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。在此步驟中，空間光調(diào)制器63位置保持固定，而僅需要利用第一調(diào)整裝置64調(diào)節(jié)數(shù)字相機(jī)62的相對位置。
[0069]當(dāng)由光源模塊I提供的短相干長度準(zhǔn)直光照射數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6的入射端后，經(jīng)過數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)會在數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63表面發(fā)生反射最終從出射端出射。在這種情況下，數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63實際上將構(gòu)成一個等厚干涉儀。進(jìn)入數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6的光線，經(jīng)過數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63的反射后，會發(fā)生等厚干涉而形成干涉條紋。為保證干涉圖像清晰，應(yīng)事先在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)空間光調(diào)制器63上形成平面圖案根據(jù)干涉條件，所謂平面圖案，是指此時數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)空間光調(diào)制器63每個像素點對入射光產(chǎn)生的位相延遲值相同，為提高調(diào)制精度，優(yōu)選位相延遲值為O。由于發(fā)生等厚干涉時兩平面間的相對距離應(yīng)小于光源的相干長度，因此通過使用短相干長度光源可以對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63的相對軸向位置進(jìn)行精確定位。理論上說，相干長度越短定位越精確。此時，將反射鏡3切換至O度位置，導(dǎo)通干涉成像光路，從光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6出射的光線將照射在數(shù)字相機(jī)4上，這樣，形成的等厚干涉條紋即可以被數(shù)字相機(jī)4所拍攝 接收。同時，如果數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63有相對角度傾斜時，干涉圖樣所形成的條紋也將朝相同方向傾斜，并且條紋空間周期與傾角大小成反比。因此，基于此原理，操縱第一調(diào)整裝置64對數(shù)字相機(jī)62進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，貝U可以保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63的平行度。最終，要求通過數(shù)字相機(jī)4觀察到的等厚干涉圖樣，條紋空間周期最大并且干涉條紋位于整個圖樣中心位置，即時即完成了數(shù)字相機(jī)62縱向位置和傾斜角度的調(diào)校。
[0070]進(jìn)一步需要對數(shù)字相機(jī)62與空間光調(diào)制器63橫向相對位置進(jìn)行調(diào)校。為了達(dá)到上述目的，首先將反射鏡3切換至45度位置，導(dǎo)通反射成像光路。此時，從數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6出射的光線將照射至反射成像光路模塊5。如圖4所示為反射成像光路模塊5的原理圖。它主要包含兩個元件:凸透鏡51和平面鏡52。二者與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器處于共軸光路上。凸透鏡51位于平面鏡52和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6中間，且平面鏡52和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)空間光調(diào)制器63平面均置于凸透鏡51焦平面上；平面鏡52與光軸方向垂直。凸透鏡51優(yōu)選為焦距100毫米的雙膠合消色差透鏡。這樣，通過上述光學(xué)元件，即構(gòu)成了一個4f光學(xué)成像系統(tǒng),使數(shù)字相機(jī)62與空間光調(diào)制器63處于共軛位置。由于數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器63表面圖案實際為位相圖，直接觀察對比度不足，為了提高圖像對比圖，便于定位?？梢栽趯⒖臻g光調(diào)制器63劃分成若干等大區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)位相延遲保持一致，但相鄰區(qū)域的位相相差為η。如圖5所示為空間光調(diào)制器63所加載棋盤圖案的示意圖。在圖中顯示的是當(dāng)劃分為2X2象限格子區(qū)域時的情況。所有白色區(qū)域加載位相延遲量為0，所有黑色區(qū)域加載位相延遲度為π。在這種情況下，由于光的干涉作用，相鄰區(qū)域的邊界即會顯示出暗紋。由于數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)空間光調(diào)制器63上位相圖案預(yù)先已知，因此邊界位置所對應(yīng)像素點坐標(biāo)是已知的，從而可以作為參考點。只需要操控第一調(diào)整裝置64水平移動數(shù)字相機(jī)62，將所形成的十字叉絲定位于數(shù)字相機(jī)62對應(yīng)像素位置，數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63的相對位置即被清晰精確定位。在理想狀態(tài)下，由于是等大成像，只需要一次定位即可以保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6內(nèi)數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63的相對橫向位置重合和像素的一一對應(yīng)，但是由于成像像差(特別是場曲和畸變)的存在，需要逐漸增加棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，使邊界逐漸密集，反復(fù)調(diào)校，增加橫向定位精度。理論上所加載的格子數(shù)可以為可以整除數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器像素數(shù)的任意數(shù)字，但為在調(diào)校時間和調(diào)校準(zhǔn)確度間權(quán)衡，優(yōu)選最大棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量不大于IOX 10，最大重復(fù)次數(shù)為5次。為保證數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6的最終性能，要求最終橫向定位精度應(yīng)小于半個像素尺寸。
[0071]經(jīng)過上述步驟之后，整個對于數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器6的調(diào)校即完成。為了獲取更好的應(yīng)用效果，考慮數(shù)字相機(jī)62和空間光調(diào)制器63自身制造工藝所造成的表面不平整帶來的影響。還可以進(jìn)一步通過計算機(jī)加載位相補(bǔ)償矩陣于空間光調(diào)制器63上的方法進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)償和校正。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，其特征在于，包括: 用于提供短相干長度準(zhǔn)直光的光源模塊； 用于放置數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的載物臺； 用于成像干涉條紋的數(shù)字相機(jī)； 用于進(jìn)行橫向調(diào)節(jié)的反射成像光路模塊； 用于在所述數(shù)字相機(jī)和反射成像光路模塊之間切換光路的反射鏡； 其中，整個光路以載物臺為中心點呈L型直角分布，所述光源模塊位于光路的一臂上，所述的反射鏡、數(shù)字相機(jī)和反射成像光路模塊位于另一臂上； 所述的光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器包括: 用于對入射光進(jìn)行分光的分束棱鏡、光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)、空間光調(diào)制器、用于負(fù)責(zé)調(diào)整所述光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的空間位置和傾角的第一調(diào)整裝置以及用于負(fù)責(zé)調(diào)整所述空間光調(diào)制器的空間位置和傾角的第二調(diào)整裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，其特征在于，所述的光源模塊，包括短相干長度光源和準(zhǔn)直光路兩部分組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，其特征在于，所述的載物臺為360度旋轉(zhuǎn)臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，其特征在于，所述的反射成像光路模塊，由一個凸透鏡和一個平面鏡組成，二者與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器處于共軸光路上，所述凸透鏡位于平面鏡和數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器中間。
5.一種數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1~4任一項所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校裝置，包括以下步驟: 1)初步調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器相對位置； 2)使用短相干長度準(zhǔn)直光照射數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的入射端； 3)在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上形成平面圖案； 4)在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的出射端，對數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器的干涉圖樣進(jìn)行拍攝； 5)根據(jù)所拍攝的干涉圖樣，調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的軸向位置和傾角，使干涉圖樣條紋空間周期最大并且干涉條紋位于整個圖樣中心位置； 6)改變數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器調(diào)制值，在其上形成棋盤圖案； 7)在數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的出射端構(gòu)建反射成像光路，將數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上所形成的圖案成像至數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)上； 8)調(diào)節(jié)數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)橫向位置，將數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器上 棋盤圖案與數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)的感光兀件完全重合； 9)改變數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器調(diào)制值，增加所形成棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，重復(fù)步驟7)~8)，增加調(diào)校準(zhǔn)確度； 10)重復(fù)步驟9)多次，完成數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，其特征在于，所述步驟I)中的初步調(diào)節(jié)，是指調(diào)節(jié)所述數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器數(shù)字相機(jī)和空間光調(diào)制器至相對位置誤差小于200微米，垂直角度誤差小于0.5度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，其特征在于，所述步驟2)中的短相干長度，是指入射光的相干長度小于30微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，其特征在于，所述步驟3)中的平面圖案，是指此時數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器每個像素點對入射光產(chǎn)生的位相延遲值相同，位相延遲值為O。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，其特征在于，所述步驟6)中的棋盤圖案，是指此時數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器內(nèi)空間光調(diào)制器以正中心像素為原點分割為一個2X2象限格子區(qū)域，其中第一、三象限內(nèi)的位相延遲值相等，第二、四象限內(nèi)的位相延遲值也相等，第一、三象限位相延遲值為0，對應(yīng)第二、四象限位相延遲值為π。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字光學(xué)位相反轉(zhuǎn)器的調(diào)校方法，其特征在于，所述步驟9)中的增加所形成棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量，是指棋盤圖案內(nèi)格子數(shù)量多于步驟6)所述的2X2格子區(qū)域，最大棋盤圖案內(nèi)格子 數(shù)量不大于10X10。
【文檔編號】G02B27/00GK104020563SQ201410229633
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】李旸暉, 陳龍, 芮叢珊, 史召邑 申請人:中國計量學(xué)院