專利名稱：一種消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及相位型空間光調制器黑柵效應的消除方法，屬于光信息處理技術。
背景技術：
空間光調制器(Spatial Light Modulator, SLM)是一種在信號源的控制下，能對
光波的某個參量進行調制的器件，例如通過吸收調制振幅，通過折射率調制相位，通過偏振
面的旋轉調制偏振態等。它有效地利用了光的并行、互聯和高速的處理能力，使之能夠實時
地在空間上調制光束，成為實時光學信息處理等系統的核心部件，在現代光學領域中具有
越來越重要的地位和價值，它是光學、光電混合系統進行光互連、光學相關、光計算、模式識
別、光學控制、光學檢測、圖像處理、顯示技術等研究中的基本構件和關鍵器件。 按SLM的調制方式，主要分成兩類，一類是振幅調制型，一類是相位調制型。振幅
調制型SLM是通過其透射率或反射率的變換調制入射光波的振幅，主要用于光開關、濾波
和光學相關等應用。而SLM之所以在能夠在光信息處理中愈來愈受到重視，應用越來越廣，
主要是因為它能夠實現相位調制，它可以把圖像的強度變化變成SLM的折射率變化，從而
調制相位。這樣無法直接用強度來表征的相位可以用一副強度圖像的方式通過SLM實現相
位調制的作用。因此，廣泛的光信息處理系統，尤其是一些最新的技術，例如計算全息、衍射
光學元件、光束整形、光鑷等等都是使用相位型空間光調制。 空間光調制器通常是由單個分離像素組成，可以獨立控制每個像素的變化，從而 實現對光波面以像素為單位的調制。一副用于調制光波的數字圖像寫入SLM，這時SLM會顯 示這幅圖像，入射光波經過SLM時，會受到空間調制。但由于每個像素周圍均需電極包圍， 會在SLM上形成縱橫交錯的不透光區域，使得但該器件呈二維周期性柵格結構排列。光波 經這種二維柵格式的結構發生衍射，會帶來兩個問題中心亮斑和多級衍射像，尤其是中心 亮斑，由于能量高度集中，其強度遠高于其他衍射級。把這種現象稱之為空間光調制器的 "黑柵效應"。"黑柵效應"是SLM所固有的一種現象，即使在未向SLM寫入任何圖像時也會存在， 而當寫入調制圖像時，則寫入圖像的衍射像的中心和中心亮斑重合，其高級衍射像的中心 同樣也會和空間光調制器的高級衍射亮斑重合，而使得在接收面上的圖像的中心始終和空 間光調制器固有的多級衍射亮斑耦合在一起無法分開，造成衍射像的質量嚴重下降，甚至 無法使用。這種效應影響了空間光調制器的應用，為空間光調制器的應用帶來極為不利的 影響，使得空間光調制器在光信息處理中的應用受到了很大限制。 因此，尋求一種能夠抑制黑柵效應的方法，對空間光調制器在光信息處理中的應 用具有重要價值。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠抑制相位型空間光調制器黑柵效應的方法，該方法 提高了空間光調制器的相位調制性能。
4
本發明是通過下述技術方案加以實現的在相位調制圖寫入SLM之前先對其進行 線性相位補償，使得調制后的有效光信息偏離主光軸傳播，根據補償相位的大小，在SLM后 面放置一個空間濾波器，它可通過有效光波，而擋掉零頻光和高級衍射光，從而使得在衍射 后的像面上只有有效信息，而沒有中心亮斑與高級衍射像。 本發明的目的是提供一種消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法，所述黑柵效 應是空間光調制器所固有的二維周期結構的衍射效應，而產生的在衍射接收面上的中心亮 斑和多級衍射像。其特征在于利用相位補償并結合空間濾波步驟以消除黑柵效應，其包括 以下步驟利用線性起偏器(204)將光源產生的光波變換為線偏振光；將該線偏振光照射 到空間光調制器(205、212)的入光面，空間光調制器(205、212)工作在相位調制的狀態下， 相位調制圖首先用一個線性相位模板補償，然后寫入空間光調制器(205、212)，受線性相位 模板的補償作用，經過空間光調制器的被調制光波通過檢偏器(206)，圍繞光軸旋轉起偏器 (204)和檢偏器(206)，改變起偏器(204)的透光軸和檢偏器(206)的透光軸之間的夾角， 使經檢偏器透射出的光波強度不隨相位調制度而變化。衍射后相位圖所對應的有效光波偏 離空間光調制器的主光軸傳播，通過調節相位補償模板來控制有效光波偏離主光軸的角度 大小，使得它既不和零級衍射亮斑重合，又不與高級衍射亮斑重合，在光波的傳播路徑上放 置一個空間濾波器(208)，以濾出有效光波，消除中心亮斑和高級衍射像對有效光波成像的 影響。 前述的空間光調制器是透射式空間光調制器?；蚴欠瓷涫娇臻g光調制器。 所述的相位補償模板由計算機產生，相位補償模板只與有效光波偏離主光軸的角
度大小成正比。計算機生成的相位補償模板直接補償到相位調制圖。 本發明的目的是提供一種消除相位型空間光調制器黑柵效應的裝置，所述黑柵效 應是空間光調制器所固有的二維周期結構的衍射效應，而產生的在衍射接收面上的中心 亮斑和多級衍射像。其特征在于包括沿主光軸順序排列的光源(201)，光波擴束準直系 統(由二個透鏡202和203組成)，線性起偏器(204)，具有相位補償的空間相位光調制器 (205，212)，檢偏器(206)，傅立葉透鏡(207)，光波空間濾波器(208)和圖像探測器(209); 起線性偏器(204)將光源產生的光波變換為線偏振光；該線偏振光被相位調制空間光調 制器(205、212)相位調制，相位調制圖用一個線性相位模板補償，被調制光波通過檢偏器 (206)，圍繞光軸旋轉起偏器(204)和檢偏器(206)，以改變起偏器(204)的透光軸和檢偏器 (206)的透光軸之間的夾角，使經檢偏器透射出的光波強度不隨相位調制度變化?？臻g濾波 器(208)濾出有效光波；衍射后相位圖所對應的有效光波偏離空間光調制器的主光軸，調 節相位補償模板改變有效光波偏離主光軸的角度，使有效光波的成像既不和零級衍射亮斑 重合，又不與高級衍射亮斑重合。 所述的空間光調制器是透射式空間光調制器，或是反射式空間光調制器。
所述的相位補償模板由計算機產生，輸入到空間光調制器以構成相位補償后的相 位空間光調制器。所述的擴束準直系統是二個透鏡(202,203)組成的雙透鏡擴束準直系 統。


圖l是空間光調制器物理結構示意圖，圖中白色區域表示透光部分，黑色區域表示不透光部分。 圖2是相位補償原理示意圖。 圖3是相位補償量與偏移量的計算仿真結果。 圖4相位調制圖灰度值與空間光調制器透過率之間的關系曲線，其中橫坐標軸為 灰度值，縱坐標軸為透過率。 圖5是透射式空間光調制器工作原理示意圖。 圖6是反射式空間光調制器工作原理示意圖。 圖7是空間光調制器補償前的衍射成像結果。 圖8是空間光調制器經過相位補償后的衍射成像結果。 圖9是空間光調制器經過相位補償再經空間濾波后的衍射成像結果。 圖中201為光源，202為透鏡一，203為透鏡二， 204為起偏器，205為透射式空間光
調制器，206為檢偏器，207為傅里葉透鏡，208為空間濾波器，209圖像探測器，210為中央處
理器，211為分光棱鏡，212為反射式空間光調制器。
具體實施例方式
下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述。 附圖1是空間光調制器的物理結構示意圖，白色區域表示透光部分，也代表了每 個像素；黑色區域表示不透光部分，這種固有的物理結構使得SLM呈現一種二維柵格的結 構。SLM的黑柵效應的影響主要在夫瑯禾費衍射區，因此黑柵效應可看作是二維柵格的夫瑯 禾費衍射，其在透鏡焦距的傅里葉頻譜面上的夫瑯禾費衍射場可以看作是二維矩孔陣列的 傅里葉變換。 定義SLM上的行方向坐標為fx，列方向坐標為fY， w為SLM的像素中心之間間距，
w。為SLM的像素開口寬度，每個像素的透射率函數為1"W
、
，整個M行N列的SLM
的透射率函數為^"(
/,入
Mw0 iVw0
)，黑柵的透射率函數T(fx， fv)<formula>formula see original document page 6</formula>
在平面波U。(f,， 照射下，平面波和黑柵透射率函數相乘的復振幅分布為
亂力)J(/"力)xc/o(y;,力) <formula>formula see original document page 6</formula>
(2) 在傅里葉頻譜面上的夫瑯禾費衍射圖樣為 <formula>formula see original document page 6</formula> (3) 其中，<formula>formula see original document page 7</formula>
= M Vvt^ w2 sin c(Mw0x) sin c(衡。力 [sin c(vra:) sin c(w力x c歸6( w0;c)com6(w0_y)]
通過公式(l)-(4)的理論推導，SLM上的二維柵格對入射平面波在傅里葉頻譜面 上的夫瑯禾費衍射圖樣有巻積調制。這是由SLM物理結構決定，不論輸入任何信息，這種效 應都會存在。從另外一個角度說，如果改變相位調制圖，黑柵效應并無變化，它會在接收成 像面上形成固定的圖案。如果能通過改變相位調制圖使得有效光信息與二維柵格帶來的多 級衍射亮斑分開，就有可能通過濾波的方法消除黑柵效應。 附圖2是通過相位補償來消除黑柵效應的原理示意圖。相位調制圖101在理想情
況下所對應的衍射成像結果如102所示，當把相位調制圖101寫入空間光調制器205、212
后，由于空間光調制器205、212的黑柵效應，此時衍射成像的結果為103所示，如圖，黑柵效
應造成了中心亮斑和高級衍射像與有效光信息耦合在一起無法分開。 定義SLM輸入面上寫入的相位調制圖為f (x， y)，其傅里葉變換為F(u， v)，如果在
相位調制圖上乘-可得
線性相位因子exp/(x,力exp /2;r
M + ，
< _F(w —w0,v —v0)
，根據二維傅里葉變換的平移性質
(5) 公式(5)表明，在傅里葉頻譜面上圖像會平移(u。， v。)，也就是通過改變輸入面上 的相位調制圖的相位，使傅里葉頻譜面的有效光信息發生移動，從而避開黑柵效應所造成
的多級衍射亮斑。實際加入相位補償的過程如附圖2所示，把exp
、
乂
作為相
位補償模板104，與原來的相位調制圖101相乘，疊加的結果寫入SLM，則在頻譜上所形成的 有效圖像會發生錯動，從而與多級衍射亮斑分開，效果如附圖2中105所示。
其中加入的相位補償量與有效圖像的移動成正比，并以分辨率M和N為周期?？梢?通過調整11。和 的大小來移動有效圖像在接收面上的位置，1!。的取值范圍為1，2，3...1-1， M， v。的取值范圍為1，2，3...N-l， N，其中M和N均為正整數。如附圖3所示是沿豎直方向 分別移動1/4個周期時的計算仿真結果，其中(a)是原始圖像，(b)是計算得到的(a)圖相 應的衍射光學元件相位圖，(c)和(d)分別是加入不同相位補償后的相位圖，(e)和(f)分 別是對應的計算仿真的衍射成像結果，很明顯補償后有效圖像發生了相應的移動。偏移量 的大小以把有效圖像與多級衍射亮斑分開為準，常用的偏移量為± 1/4周期、± 1/2周期。
與已有的發明和技術相比，本發明具有以下優點 它通過相位補償結合空間濾波的技術，消除了相位型空間光調制器的黑柵效應。 該技術所用的相位補償模板由計算機計算產生并補償到相位調制圖，此過程完全由計算機 來自動完成；所采用的濾波技術，即為空間上的一個帶通濾波器，不論制作和使用均比較簡 便可行。因此，僅僅通過數字域上的相位補償和空間上的帶通濾波，即實現了相位型空間光 調制器的黑j
f效應的抑制:
7
按照上述方法，實現相位型空間光調制器的黑柵效應抑制的系統主要包括光源、 空間光調制器、起偏器和檢偏器、空間濾波器、圖像探測器和中央處理器。所說的光源可以 是相干光源或部分相干光源；所說的空間光調制器可以是反射式，也可以是透射式；所說 的起偏器和檢偏器是一對偏振器件，主要作用是保證空間光調制器的相位調制狀態；所說 的圖像探測器可以是CCD器件或CMOS器件；所說的中央處理器是數字信號處理器與可編程 專用集成電路的組合，可以是計算機，也可以是嵌入式系統。其特征在于，中央處理器計算 產生的相位調制圖經相位補償后寫入空間光調制器，在入射光波的照射下發生衍射，經空 間濾波后，成像在圖像探測器的光電探測器上，再經中央處理器存儲和顯示成像結果。
空間光調制器工作在相位調制的狀態下，光波入射到SLM之前放置一個起偏器， 以使得入射到SLM上的光為線偏光，SLM后面放置一個檢偏器，圍繞光軸旋轉起偏器和檢偏 器之間的夾角，可使SLM工作在相位調制狀態，此時經檢偏器透射出的光強基本不隨寫入 SLM的圖像灰度值，即相位調制度的變化而變化。一組在不同夾角下的經檢偏器后的光強透 過率實際測量曲線如附圖4所示，從圖中三條曲線可以看到當角度為160°時，透過率基本 不隨相位調制圖的灰度值改變而變化，而在其他角度例如20。和90°時，透過率隨著灰度 值的變換變化明顯，無法滿足相位型空間光調制器的工作要求。相位調制圖首先用一個相 位模板補償，然后寫入SLM，由于相位補償模板的作用，經衍射后，相位圖所對應的有效光波 偏離SLM的主光軸傳播，通過調節相位補償模板，可以控制有效光波偏離主光軸的角度大 小，使得它既不和零級衍射亮斑重合，又不與高級衍射亮斑重合，在光的傳播路徑上再放置 一個濾波片，可以很容易濾出有效光波，從而消除黑柵效應，即中心亮斑和高級衍射像的影 響。 附圖5是透射式空間光調制器工作原理示意圖。如圖所示，光源201輸出的光波 經202透鏡一和203透鏡二組成的擴束準直系統擴束準直，通過起偏器204使得光波以線 偏光入射到透射式空間光調制器205，光波經過透射式空間光調制205后，再經過一片檢偏 器206，起偏器204和檢偏器206的作用是確保入射光波為線偏光，并且在線偏光入射的情 況下透射式空間光調制器205工作在相位調制狀態。為了縮短工作距離，光波離開檢偏器 206后，經傅里葉透鏡207匯聚，并通過空間濾波器208濾波后成像在圖像探測器209上。 中央處理器210計算產生或者把已存儲的相位調制圖相位補償后寫入透射式空間光調制 器205，并接收和顯示由圖像探測器209傳輸過來的衍射成像結果。 附圖6是反射式空間光調制器工作原理示意圖。如圖所示，光源201輸出的光波 經202透鏡一和203透鏡二組成的擴束準直系統擴束準直，通過起偏器204使得光波以線 偏光入射到分光棱鏡211后被分成兩束，其中透射光束經反射式空間光調制器212調制反 射后，再經過分光棱鏡211反射，入射到檢偏器206，然后經傅里葉透鏡207匯聚，并通過空 間濾波器208濾波后成像在圖像探測器209上。中央處理器210計算產生或者把已存儲的 相位調制圖相位補償后寫入反射式空間光調制器212，并接收和顯示由圖像探測器209傳 輸過來的衍射成像結果。 附圖7是空間光調制器相位補償前的衍射成像結果。其中(a)是原始圖像，(b)是
計算得到的(a)圖相應的衍射光學元件相位圖，(c)是(b)圖直接寫入SLM后，衍射成像的
結果，由于黑柵效應的存在，很明顯可看到中心亮斑和多級衍射像的現象。 附圖8是空間光調制器相位補償后的衍射成像結果。其中(a)是對圖7(b)相位補償后的圖像，(b)是(a)圖寫入SLM后衍射成像的結果，很明顯有效光波已經與衍射亮斑 分離。 附圖9是對空間光調制器相位補償后再經過濾波后的衍射成像結果。很明顯可看 到利用本發明提出的方法消除了中心亮斑和多級衍射像的影響。
權利要求
一種消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法，所述黑柵效應是空間光調制器所固有的二維周期結構的衍射效應，而產生的在衍射接收面上的中心亮斑和多級衍射像。其特征在于利用相位補償并結合空間濾波步驟以消除黑柵效應，其包括以下步驟利用線性起偏器(204)將光源產生的光波變換為線偏振光；將該線偏振光照射到空間光調制器(205、212)的入光面，空間光調制器(205、212)工作在相位調制的狀態下，相位調制圖首先用一個線性相位模板補償，然后寫入空間光調制器(205、212)，受線性相位模板的補償作用，經過空間光調制器的被調制光波通過檢偏器(206)，圍繞光軸旋轉起偏器(204)和檢偏器(206)，改變起偏器(204)的透光軸和檢偏器(206)的透光軸之間的夾角，使經檢偏器透射出的光波強度不隨相位調制度而變化，衍射后相位調制圖所對應的有效光波偏離空間光調制器的主光軸傳播，通過調節相位補償模板來控制有效光波偏離主光軸的角度大小，使得它既不和零級衍射亮斑重合，又不與高級衍射亮斑重合，在光波的傳播路徑上放置一個空間濾波器(208)，以濾出有效光波，消除中心亮斑和高級衍射像對有效光波成像的影響。
2. 如權利要求1所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法，其特征在于所述 的空間光調制器是透射式空間光調制器。
3. 如權利要求1所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法，其特征在于所述 的空間光調制器是反射式空間光調制器。
4. 如權利要求1所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法，所述的相位補償模 板由計算機產生，相位補償模板只與有效光波偏離主光軸的角度大小成正比。
5. 如權利要求4所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法，計算機生成的相位 補償模板直接補償到相位調制圖。
6. —種消除相位型空間光調制器黑柵效應的裝置，所述黑柵效應是空間光調制器所固 有的二維周期結構的衍射效應，而產生的在衍射接收面上的中心亮斑和多級衍射像。其特 征在于包括沿主光軸順序排列的光源(201)，光波擴束準直系統(由二個透鏡202和203 組成)，線性起偏器(204)，具有相位補償的空間相位光調制器(205，212)，檢偏器(206)， 傅立葉透鏡(207)，光波空間濾波器(208)和圖像探測器(209);起線性偏器(204)將光源 產生的光波變換為線偏振光；該線偏振光被相位調制空間光調制器(205、212)相位調制， 相位調制圖用一個線性相位模板補償，被調制光波通過檢偏器(206)，圍繞光軸旋轉起偏器 (204)和檢偏器(206)，以改變起偏器(204)的透光軸和檢偏器(206)的透光軸之間的夾 角，使經檢偏器透射出的光波強度不隨相位調制度變化?？臻g濾波器(208)濾出有效光波； 衍射后相位圖所對應的有效光波偏離空間光調制器的主光軸，調節相位補償模板改變有效 光波偏離主光軸的角度，使有效光波的成像既不和零級衍射亮斑重合，又不與高級衍射亮 斑重合。
7. 如權利要求6所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的裝置，其特征在于所述 的空間光調制器是透射式空間光調制器。
8. 如權利要求6所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的裝置，其特征在于所述 的空間光調制器是是反射式空間光調制器。
9. 如權利要求6所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的裝置，所述的相位補償模 板由計算機產生，輸入到空間光調制器以構成相位補償后的相位空間光調制器。
10. 如權利要求6所述的消除相位型空間光調制器黑柵效應的裝置，所述的擴束準直系統是二個透鏡(202,203)組成的雙透鏡擴束準直系統c
全文摘要
本發明公開了一種消除相位型空間光調制器黑柵效應的方法。該方法通過相位補償結合空間濾波的技術，來抑制黑柵效應。首先通過對相位調制圖的線性相位補償，使得調制后的有效光波偏離主光軸傳播，再根據補償相位的大小，在空間光調制器后面放置一個空間濾波器，它通過有效光波，而擋掉零頻光和高級衍射光，從而使得在衍射后的像面上只有有效信息，而沒有中心亮斑與高級衍射像，即實現了相位型空間光調制器的黑柵效應的抑制，提高了其在光信息處理中的實際應用價值。
文檔編號G02B27/46GK101794029SQ201010107530
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者李 東, 田勁東, 鄭劍峰 申請人:深圳大學