【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，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，這就需要準確評價空間光調(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較長的路徑，機械振動、空氣湍流等環(huán)境因素都會引起它們光程差的變化，導(dǎo)致采集的條紋圖不穩(wěn)定。而衍射法基于強度傳輸對于振動和空氣湍流具有較高的魯棒性，但就相位計算的角度來看，強度圖像用有效相位差的余弦值來表征，使得相位估計的運算過程更復(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，這樣會引起光強的損失，影響測量的準確性。而北京工業(yè)大學panezai和中國科學院大學魯強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)制特性時可用小角度斜入射來代替垂直入射。

技術(shù)實現(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。實驗簡單，所需儀器成本低，不需要復(fù)雜的光學裝置，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復(fù)雜的問題，且具有良好的魯棒性和機械穩(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)境振動或空氣湍流引起的條紋抖動對測量的影響，包括以下步驟：

(1)設(shè)計空間光調(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)擴束、濾波、準直為平行光束后，經(jīng)偏振器得到振動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法在錯位條紋圖上計算測量區(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量和條紋周期寬度。

條紋周期寬度λ的計算方法為：因為干涉條紋是沿水平分布的，作垂直掃描線穿過各條紋，掃描線與m個條紋的中心線分別交于p0,p1，···pm點，則條紋間距矢量為v＝(pm-pm-1，···p2-p1，p1-p0)，條紋周期寬度λ為：

條紋相對移動量δ的計算方法為：當左右兩組干涉條紋產(chǎn)生垂直方向的相對移動時，判斷條紋移動方向，兩條垂直掃描線分別穿過靜止條紋和移動條紋，與每條干涉條紋中心線的交點分別為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，采用顯微物鏡進行擴束，采用針孔進行濾波，采用準直透鏡進行準直，其中，針孔同時位于顯微物鏡的焦點位置和準直透鏡的焦點位置。

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、準直透鏡、偏振器、反射式空間光調(diào)制器、ccd相機；所述激光器、顯微物鏡、針孔、準直透鏡、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，針孔同時位于顯微物鏡的焦點位置和準直透鏡的焦點位置。

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)明除了能準確測量lc-slm的相位調(diào)制特性，同時利用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)境振動或空氣湍流引起的條紋抖動對測量精度的影響，不需要復(fù)雜的光學裝置，具有優(yōu)良的機械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速且實驗易操作。

【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)制量的計算示意圖。

【具體實施方式】

本發(fā)明的目的是在準確測量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)境振動或空氣湍流引起的條紋抖動對測量的影響，且不需要復(fù)雜的光學裝置，具有優(yōu)良的機械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速更易實施。

為實現(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，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、準直透鏡4、偏振器5、反射式空間光調(diào)制器(lc-slm)6、ccd相機7。所述激光器1、顯微物鏡2、針孔3、準直透鏡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的焦點位置處，準直透鏡4置于針孔3后，針孔3同時處于準直透鏡4的焦點位置，偏振器5置于準直透鏡4后，激光束通過準直透鏡4后得到平行光束，光束小角度斜入射lc-slm6，ccd相機采集出射光束的干涉條紋。計算機通過數(shù)據(jù)線分別與反射式lc-slm、ccd相機連接。

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，采用上述裝置進行測試，操作步驟如下：

搭建實驗系統(tǒng)，從激光器出射的激光束入射到顯微物鏡進行擴束，并通過針孔濾波后入射到準直透鏡，經(jīng)透鏡準直成平行光束后入射到偏振器，得到振動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相機上。通過ccd相機采集：由液晶光柵衍射的+1級光(即從左半個屏幕出射的+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)制量的計算；

在slm上加載步驟1所述的灰度圖，由ccd相機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)生錯位移動，而參考區(qū)域?qū)?yīng)的條紋基本保持不變。使用相對條紋移動法在一整幅錯位條紋圖上計算測量區(qū)域的相位調(diào)制量。

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

δ＝2π(δ/λ)

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

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

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

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點：本發(fā)明除了能準確測量lc-slm的相位調(diào)制特性，同時利用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)境振動或空氣湍流引起的條紋抖動對測量精度的影響，不需要復(fù)雜的光學裝置，具有優(yōu)良的機械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速且實驗易操作。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述，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，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。

本實例中的液晶二元衍射光柵周期p為8個像素，則衍射光柵的空間周期為72μm。

本實例中對于衍射光柵的灰度級選擇，由相關(guān)實驗證明，干涉圖的對比度會隨著衍射光柵條紋灰度值的變化而改變，這是因為液晶器件存在瞬時相位調(diào)制量不恒定的閃爍現(xiàn)象，當光柵中條紋調(diào)制的相位差為π時，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、準直透鏡、偏振器、反射式lc-slm、ccd相機。其特征在于，所述激光器固定在平臺上，顯微物鏡置于激光器后，起濾波作用的針孔置于物鏡焦點位置處，并同時處于準直透鏡的焦點位置，激光束通過準直透鏡后得到平行光束，光束小角度斜入射lc-slm，ccd相機采集出射光束的干涉條紋。計算機通過數(shù)據(jù)線分別與反射式lc-slm、ccd相機連接。

本實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)。

本實例中其他裝置均為常用簡易的光學器件。

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，采用上述裝置進行測試，具體操作步驟是：

搭建實驗系統(tǒng)，從激光器出射的激光束入射到顯微物鏡進行擴束，并通過針孔濾波后入射到準直透鏡，經(jīng)透鏡準直成平行光束后入射到偏振器，得到振動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)生錯位移動，而參考區(qū)域?qū)?yīng)的條紋保持不變。使用相對條紋移動法在一整幅錯位條紋圖上計算測量區(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量來獲得，即是上述的相對條紋移動法，計算公式如下；

δ＝2π(δ/λ)(1)

式中的條紋相對移動量和條紋周期寬度分別為δ和λ，這兩個參數(shù)的獲得可以通過間距平均法的計算來實現(xiàn)。因為干涉條紋是沿水平分布的，作垂直掃描線穿過各條紋，掃描線與m個條紋的中心線分別交于p0,p1，···pm點，則條紋間距矢量為v＝(pm-pm-1，···p2-p1，p1-p0)，條紋周期寬度λ為：

當左右兩組干涉條紋產(chǎn)生垂直方向的相對移動時，判斷條紋移動方向，兩條垂直掃描線分別穿過靜止條紋和移動條紋，與每條干涉條紋中心線的交點分別為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，然后進行二值化、開操作和骨骼提取。本發(fā)明未詳細闡述部分為本領(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質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點：

1、本發(fā)明除了能準確測量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復(fù)雜等不足；

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

3、本發(fā)明不需要復(fù)雜的光學裝置，不需要精確對準，具有優(yōu)良的機械穩(wěn)定性，反應(yīng)快速且實驗易操作；

4、本發(fā)明能夠較容易地采集到干涉條紋。