本發(fā)明涉及光信息處理領(lǐng)域，尤其涉及了一種在相位采集的同時進行精準相位調(diào)制的裝置和方法，實現(xiàn)光波面相位的快速準確高精度調(diào)制。

背景技術(shù)：

光信息的獲取和控制已成為現(xiàn)代光學技術(shù)的重要手段之一。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電系統(tǒng)對光束靜態(tài)和動態(tài)控制的要求也越來越高。光束的控制包括光束的方向控制、波前相位控制、光強調(diào)制和濾波等，其中波前相位控制是光束偏轉(zhuǎn)、光束整形、動態(tài)全息、自適應(yīng)光學、激光光鑷中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著波前相位控制技術(shù)的發(fā)展，用于波前校正的光電調(diào)制器應(yīng)運而生，該器件由變形反射鏡，發(fā)展到液晶電視，以及相位型液晶空間光調(diào)制器。其中液晶空間光調(diào)制器具有空間分辨率高、體積小、重量輕、功耗低的優(yōu)勢，近年來在波前控制和波前校正中的應(yīng)用日益受到重視。

1971年美國休斯公司J.D.Margerum等人提出光導型透射式液晶光調(diào)制器，從此液晶器件在光學信息處理領(lǐng)域開始扮演著越來越重要的角色。之后T.D.Bemd等人研制出交流電壓驅(qū)動的反射式讀出液晶光閥；J.Grinberg等人又研制出使液晶工作于混合場效應(yīng)的交流反射式液晶光閥。中國科學院西安光機所1990年研制的液晶光閥空間分辨率達到50lp/mm(每毫米50線)。1989年，日本掌握了薄膜晶體管液晶顯示器生產(chǎn)技術(shù)，商用薄膜晶體管液晶顯示器主要用于投影顯示和液晶大屏幕投影電視，后來，有人開始利用其振幅及相位調(diào)制特性進行光學信號處理。

基于硅基板的液晶技術(shù)(Liquid Craytal on Silicon，LCoS)的出現(xiàn)為空間光調(diào)制器的發(fā)展提供了一個很好的平臺，它融合了以單晶硅片為襯底的CMOS集成技術(shù)，和以透明導電平板為基底制作液晶封裝盒的反射式液晶顯示技術(shù)，具有小尺寸，高分辨率以及高光能利用率等優(yōu)點。1992年美國BNS公司與科羅拉多大學共同開發(fā)了基于LCoS技術(shù)的電尋址128×128像素鐵電液晶空間光調(diào)制器(FLC SLM)。該器件由于響應(yīng)速度快，可以提供亞毫秒級的刷新率，因此該器件作為光學補償器表現(xiàn)出較好的性能。1994年BNS公司借助于大規(guī)模集成技術(shù)(VLSI)制作液晶驅(qū)動電路，又相繼開發(fā)了小尺度，高密度和高填充系數(shù)的256×256像素和512×512像素模擬式鐵電液晶和向列液晶空間光調(diào)制器，用于相干光信息處理和實時波前補償。1997年美國國防現(xiàn)代研究計劃DARPA投資研制的4000fps模擬式512×512像素LCoS SLM問世。為實現(xiàn)對液晶空間光調(diào)制器在0～2π相位范圍的連續(xù)控制，拓寬該器件在高精度、高分辨波前控制的應(yīng)用，近年來美國BNS公司推出了采用向列相液晶材料的相位型液晶空間光調(diào)制器。美國Meadowlark optics公司也以其國際領(lǐng)先的技術(shù)提供線性1×128、1×256線陣和六邊形單元Hex127兩種幾何結(jié)構(gòu)的相位型液晶空間調(diào)制器，其可用光譜范圍為450nm～1800nm，該類型器件被應(yīng)用于光束偏轉(zhuǎn)、地面望遠鏡的航天成像、通過體液的醫(yī)學成像和高能激光的相位補償?shù)取?/p>

相位型液晶空間光調(diào)制器以其獨有的優(yōu)勢展示了巨大的市場前景，它具有無機械慣性，成本低，體積小，功耗小，可靠性高，可編程控制，相移單元數(shù)量大，快速的開關(guān)速度，超低的能量吸收，高光學效率和高相位分辨率等特點。然而當用于光學圖像加密、生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域時，空間光調(diào)制器很難實現(xiàn)像素級對準，進而實現(xiàn)高精度的相位調(diào)制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種在相位采集的同時進行精準相位調(diào)制的裝置和方法，與相位采集同步進行，能準確高精度光學相位調(diào)制。

本發(fā)明利用光場的相位提取技術(shù)獲取物光波的相位信息，然后利用與CCD相機嚴格空間對稱且像素匹配的高分辨率空間光調(diào)制器對物光或參考光進行精準相位調(diào)制，在醫(yī)學成像、信息安全等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是：

一、一種相位采集與同步精準調(diào)制的裝置，包括：

CCD相機，與空間光調(diào)制器像元大小相同，用于記錄物光與參考光干涉得到的數(shù)字全息圖，利用光場的相位提取算法獲取物光的相位信息；

計算機，對CCD相機采集到的信息進行處理，計算物光或參考光的調(diào)制相位，并控制空間光調(diào)制器進行相位調(diào)制；

空間光調(diào)制器，與CCD相機像元大小相同，加載所需的反射光相位與入射光原始相位的差值，實現(xiàn)物光或參考光的精準相位調(diào)制；

分束鏡，分束和改變光束傳播方向；

調(diào)節(jié)臺，調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器或CCD相機，使兩者相對于分束鏡嚴格空間對稱并像素匹配；等。

首先需要調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器或者CCD相機，使兩者關(guān)于分束鏡嚴格空間對稱且像素匹配。調(diào)節(jié)過程可通過六維調(diào)節(jié)臺實現(xiàn)，六維調(diào)節(jié)臺可以調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器或CCD相機的六個自由度，即沿x,y,z方向的位移和繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動。首先調(diào)節(jié)CCD相機感光面和空間光調(diào)制器的面板，使兩者中心與光束中心重合且距離相等、相互垂直，實現(xiàn)空間對稱，然后在空間光調(diào)制器上加載特殊的調(diào)制相位，通過測量CCD相機的光強信息，調(diào)節(jié)CCD相機感光面或空間光調(diào)制器的面板，使兩者達到像素匹配。

由于空間光調(diào)制器與CCD相機感光面的空間對稱，物光的一部分在通過分束鏡到達空間光調(diào)制器表面的同時，另一部分也通過分束鏡反射到達CCD相機的感光面。同樣，參考光的一部分在到達CCD相機感光面的同時，另一部分也到達空間光調(diào)制器的表面。物光與參考光的各一部分在空間光調(diào)制器和CCD相機感光面的表面分別發(fā)生干涉，且兩干涉場的光強分布幾乎完全相同。

二、一種相位采集與同步精準調(diào)制的方法：

采用上述裝置，由CCD相機采集參考光和物光相干涉的光強分布，根據(jù)光強分布計算得到光場相位分布，并作為空間光調(diào)制器采集到的光場相位分布，進而計算空間光調(diào)制器中每個像素點所需加載的相位，實現(xiàn)物光或參考光的精準相位調(diào)制。

本發(fā)明利用光場的位相提取方法由CCD相機感光面的波形分布求出CCD相機表面光場的相位分布，由空間光調(diào)制器與CCD相機感光面的空間對稱性可知，該位相分布即為空間光調(diào)制器表面的相位分布。

光場的位相提取有多種實現(xiàn)方式，這里以四步相移法來舉例說明。參考光首先經(jīng)過位相型電光調(diào)制器，通過改變施加電壓控制參考光的位相延遲量分別為0、π、在CCD相機上依次記錄對應(yīng)的四幅數(shù)字全息圖。由相位計算公式可以獲取CCD相機感光面上物光的二維位相分布。

測得物光的相位信息后，就可求出物光或參考光所需的調(diào)制相位，如遮擋物光，將物光的相位加載到空間光調(diào)制器，可產(chǎn)生物光的相位共軛光，實現(xiàn)時間反演。在光學圖像加密中，該方案首先可調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器之間的像素匹配。另外如通過遮擋參考光，對物光相位信息進行兩次隨機相位調(diào)制，即可實現(xiàn)加密，而物光的調(diào)制相位即為秘鑰。

遮擋參考光或物光，將物光或參考光所需的調(diào)制相位加載到空間光調(diào)制器。由于CCD相機感光面與空間光調(diào)制器的面板存在像素匹配關(guān)系，即CCD相機感光面與空間光調(diào)制器面板的每個像素關(guān)于分束鏡成鏡面對稱，兩者的像素點一一對應(yīng)，因此，CCD相機感光面處測得的相位分布等價于空間光調(diào)制器面板的相位分布，而求出的物光或參考光所需的調(diào)制相位即為空間光調(diào)制器的調(diào)制相位。所以，即可由CCD相機感光面的干涉場光強分布控制空間光調(diào)制器的調(diào)制相位，對物光或參考光實現(xiàn)精準相位調(diào)制。

本發(fā)明方法中的相位記錄和相位調(diào)制分別是在CCD相機和空間光調(diào)制器的兩個不同元件上進行，如圖1所示。因而就需要調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器或CCD相機，使兩者達到嚴格的空間對稱和像素匹配?？臻g對稱是指空間光調(diào)制器的面板和CCD相機的感光面相對于分束鏡成嚴格的鏡面對稱關(guān)系；像素匹配是指CCD相機感光面上每個像元接收到的光場信息要通過點對點的方式無損地(或以最小的損失)轉(zhuǎn)移、加載到空間光調(diào)制器上，且兩個面板對應(yīng)的每個像素點關(guān)于分束鏡成鏡面對稱。

由于光的頻率較高，現(xiàn)有儀器(CCD相機等)只能采集光場的強度信息，而無法直接獲取其相位信息，因此，現(xiàn)階段的相位提取技術(shù)都需要借助光電探測器面上測得的強度信息。光場的位相提取有多種實現(xiàn)方式，如：傅里葉變換法，規(guī)則化相位跟蹤法，二步、三步、四步相移法等。這里以四步相移法來舉例說明。如圖2所示，參考光首先經(jīng)過位相型電光調(diào)制器，通過改變施加電壓控制參考光的位相延遲量分別為0、π、參考光和物光共同進入CCD相機的感光面發(fā)生干涉，在CCD相機上分別記錄對應(yīng)的四幅數(shù)字全息圖并保存。由相位計算公式可以獲取CCD相機感光面上物光的二維位相分布

其中，(x,y)表示CCD相機的像素坐標，I()表示某一相位時該坐標處的光強。

本發(fā)明方法可分別對物光或參考光的相位進行測量和精準調(diào)制。物光的相位調(diào)制需要在全息記錄后遮擋參考光，將所需的物光相位分布與物光原相位分布的差加載到空間光調(diào)制器上，如圖3所示，可獲得振幅不變，相位精準調(diào)制的物光反射光；相反，參考光的相位調(diào)制需要在全息記錄后遮擋物光，將所需反射光的相位分布直接加載到空間光調(diào)制器上，對近似于均勻平面波的參考光進行相位調(diào)制，如圖4所示。對物光或參考光的精準相位調(diào)制可用于光學圖像加密、生物醫(yī)學成像等研究領(lǐng)域，詳見具體實施例。

本發(fā)明的工作原理如下：

由于CCD相機感光面與空間光調(diào)制器面板的空間對稱，因此，物光與參考光的干涉場在兩者上的光強分布幾乎相同，可認為CCD相機感光面的物光與參考光的相位分布等于兩者在空間光調(diào)制器面板上的相位分布，所以可由CCD相機面板上的干涉場光強信息求出空間光調(diào)制器面板的相位信息。又因為CCD相機感光面與空間光調(diào)制器的面板像素匹配，即每個像素點一一對應(yīng)，因而可以根據(jù)需要精確的求出空間光調(diào)制器每個像素點所需的調(diào)制相位。由于CCD相機和空間光調(diào)制器的像素匹配和高分辨率，將該調(diào)制相位加載到空間光調(diào)制器，對物光或參考光進行相位調(diào)制，即可實現(xiàn)兩者的精準相位調(diào)制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明利用CCD相機感光面與空間光調(diào)制器面板的空間對稱和相位匹配，實現(xiàn)空間光調(diào)制器表面光場的相位測量；

2、本發(fā)明可以實現(xiàn)物光或參考光的相位調(diào)制，調(diào)制相位可以為0～2π間的任意值；

3、本發(fā)明方案的相位調(diào)制是與相位采集同步進行的，且具有高精度、高分辨率等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的實現(xiàn)裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明利用四步相移法實現(xiàn)位相提取的裝置實例圖；

圖3是利用本發(fā)明所述的相位調(diào)制方案實現(xiàn)物光精準相位調(diào)制的原理示意圖；

圖4是利用本發(fā)明所述的相位調(diào)制方案實現(xiàn)參考光精準相位調(diào)制的原理示意圖；

圖5是雙隨機相位編碼系統(tǒng)原理圖；

圖6是本發(fā)明具體實施示例1的光學圖像加密示意圖；

圖7是具體實施示例1的光學圖像加密模擬結(jié)果圖；

圖8是本發(fā)明具體實施示例2的生物醫(yī)學成像示意圖。

圖中：1、激光器，2、相位型分束鏡，3、半波片，4、散射介質(zhì)，5、反射鏡，6、位相型電光調(diào)制器，7、分束鏡，8、第二反射鏡，9、空間光調(diào)制器，10、CCD相機，11、擋光板，12、透鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。

如圖1所示，本發(fā)明包括激光器1、相位型分束鏡2、半波片3、散射介質(zhì)4、第一反射鏡5、位相型電光調(diào)制器6、分束鏡7和第二反射鏡8，激光器1出射端前方依次置有相位型分束鏡2、半波片3和第一反射鏡5，散射介質(zhì)4位于半波片3和第一反射鏡5之間，主要由相位型分束鏡2、半波片3、散射介質(zhì)4和第一反射鏡5形成物光光路；物光光路的側(cè)方布置第二反射鏡8、位相型電光調(diào)制器6和分束鏡7，分束鏡7兩側(cè)分束輸出端分別置有空間光調(diào)制器9和CCD相機10替換，空間光調(diào)制器9和CCD相機10均與計算機連接，主要由相位型分束鏡2、第二反射鏡8、位相型電光調(diào)制器6和分束鏡7形成參考光光路。

激光器1發(fā)出激光經(jīng)相位型分束鏡2發(fā)生透射和折射，相位型分束鏡2的透射光作為物光，依次經(jīng)半波片3、散射介質(zhì)4后，再經(jīng)第一反射鏡5反射到分束鏡7一側(cè)的輸入端面；相位型分束鏡2的反射光作為參考光，經(jīng)第二反射鏡8反射后，再經(jīng)位相型電光調(diào)制器6調(diào)制后入射到分束鏡7另一側(cè)的輸入端面；入射到分束鏡7的參考光和物光的兩束光在分束鏡7中均發(fā)生反射和投射，參考光的透射光和物光的反射光相重疊并入射到CCD相機10被接收，參考光的反射光和物光的透射光相重疊并入射到空間光調(diào)制器9被接收。

CCD相機10與空間光調(diào)制器9以分束鏡7的分束面為空間對稱并且采集的圖像像素相同，從而使兩者達到嚴格的空間對稱和像素匹配，即空間光調(diào)制器面板和CCD相機感光面上的每個像素點相對于分束鏡成嚴格的鏡面對稱關(guān)系。

參考光和物光從分束鏡7相鄰的兩側(cè)入射到分束鏡7的分束面上，并且入射角為嚴格的45度。

本發(fā)明的實施例及其實施過程如下：

實施例1

光學圖像加密技術(shù)最經(jīng)典的系統(tǒng)之一是1995年提出的雙隨機相位編碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過兩次隨機相位擾亂使密文具有白噪聲的性質(zhì)，其原理圖如圖5所示。首先對明文進行空間域的隨機相位調(diào)制，然后將調(diào)制后的信息經(jīng)傅里葉變換到頻率域，再經(jīng)過頻率域的隨機相位調(diào)制后，結(jié)果的空間域分布即呈現(xiàn)白噪聲的性質(zhì)，實現(xiàn)加密，而解密過程即為加密過程的逆過程。傳統(tǒng)的解密辦法是采用原系統(tǒng)利用逆向平行光照射密文。而在數(shù)字雙隨機相位加密系統(tǒng)中，加密過程中的兩隨機相位板(空間光調(diào)制器)需達到像素匹配，秘鑰才能為加載值，否則，將不能利用秘鑰實現(xiàn)密文的解密。利用本發(fā)明提出的相位采集和實時精準調(diào)制裝置和方法可以實現(xiàn)這一目的。

過程是如圖6所示，采集前，需要調(diào)節(jié)CCD相機感光面與空間光調(diào)制器面板關(guān)于分束鏡空間對稱并像素匹配，調(diào)節(jié)過程通過六維調(diào)節(jié)臺實現(xiàn)。先調(diào)節(jié)CCD相機感光面和空間光調(diào)制器的面板，使兩者中心與光束中心重合且距離相等、相互垂直，實現(xiàn)空間對稱。然后在空間光調(diào)制器上加載特殊的調(diào)制相位，通過測量CCD相機的光強信息，調(diào)節(jié)CCD相機感光面或空間光調(diào)制器的面板，使兩者達到像素匹配。

然后讓平面波經(jīng)過第一個空間光調(diào)制器進行隨機相位調(diào)制，并引入?yún)⒖脊?，在CCD相機的感光面上發(fā)生干涉，由CCD相機記錄干涉場的光強信息。

利用位相提取方法獲取CCD相機表面的相位信息，將該相位信息和第一個空間光調(diào)制器加載的調(diào)制相位進行對比，同時調(diào)節(jié)CCD相機的感光面和空間光調(diào)制器的面板，直至CCD相機與第一個空間光調(diào)制器像素匹配。此時，兩空間光調(diào)制器即實現(xiàn)像素匹配。利用匹配的空間光調(diào)制器進行雙隨機相位編碼加密的模擬，采用激光器波長為633nm，相位型空間光調(diào)制器和CCD的像素均為1920×1080，像素大小8.0um，結(jié)果如圖7所示，其中(a)圖為明文(1080×1080)，(b)圖為密文，(c)圖為解密結(jié)果，當空間光調(diào)制器沒有進行匹配操作時，解密結(jié)果為白噪聲，如(d)所示。

實施例2

實施例2用于生物醫(yī)學成像領(lǐng)域，實現(xiàn)時間反演。

過程是如圖8所示，物光經(jīng)過散射介質(zhì)散射后與參考光在CCD相機感光面和空間光調(diào)制器面板均發(fā)生干涉。由于CCD相機感光面與空間光調(diào)制器面板關(guān)于分束鏡空間對稱且像素匹配，因此可認為CCD相機感光面與空間光調(diào)制器面板的每個像素點干涉場的光強分布相同，即相位分布是相同的，因此可以測得空間光調(diào)制器面板上的相位分布。

若要實現(xiàn)時間反演，需使空間光調(diào)制器的反射光與入射光成相位共軛關(guān)系?？梢哉趽跷锕?，將測得的相位分布加載到空間光調(diào)制器對參考光進行調(diào)制，獲得振幅均勻但與物光相位共軛的時間反演光，聚焦于物光散射前的聚焦點；或者遮擋參考光，求出空間光調(diào)制器所需的調(diào)制相位

其中，φ₀為測得的空間光調(diào)制器面板上的相位分布，然后對物光進行調(diào)制，獲得與物光相位共軛的時間反演光。

反演光經(jīng)分束鏡出射后，再經(jīng)透鏡12、散射介質(zhì)4后到擋光板1，實現(xiàn)聚焦。