一种自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统及方法

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统及方法。

背景技术：

1、液晶空间光调制器(liquid crystal spatial light modulator，简称lc-slm)作为一种能够对光波的强度、相位、频率等特性进行一维或二维控制的光学衍射元器件，被广泛应用在光学全息投影、激光光束整形、自适应光学、相干波前调制等领域中。

2、由于液晶空间光调制器对不同波长的光产生的双折射效应不同，即对不同波长的光的相位调制作用不相同，因而在使用前需要对液晶空间光调制器进行测试和相位标定。

3、目前，针对液晶空间光调制器相位标定所采用的方法基于原理主要分为衍射法和干涉法两类。基于衍射的方法依靠建立远场衍射光斑强度和相位调制量之间的联系来进行标定，标定的质量依赖于强度采集的稳定性；而基于干涉的方法依靠建立干涉条纹的位移和相位调制量之间的关系来进行标定，对环境的震动比较敏感，会导致标定误差比较大。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统及方法，通过在slm上半部分加载灰度渐变的二元条纹光栅灰度图，其余部分加载闪耀光栅灰度图，能够产生稳定的测量衍射光斑和闪耀光栅产生的用于参考的衍射光斑，替代了传统方法中用分光棱镜分光产生参考光斑的方式，不需借助另外的器件便能达到最终结果，适用于原位标定。此外，与传统基于干涉法的标定方法相比，不受系统环境抖动影响。与无参考光斑修正的衍射法相比，有效的减少了激光功率抖动的影响，具有运行稳定、控制灵活、计算准确的特点。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统及方法，所述系统包括沿光轴依次设置的光源模块1、激光准直滤波扩束模块2、纯相位液晶空间光调制器slm控制模块3和图像采集模块4；

4、所述光源模块1，用于提供稳定的单纵模连续激光输出；

5、所述激光准直滤波扩束模块2，用于产生能够完整覆盖slm液晶屏幕的线偏振平行均匀光斑；

6、所述纯相位液晶空间光调制器slm控制模块，用于控制slm电信号的加载，并且进行灰度图上传产生衍射光斑；

7、所述图像采集模块4，用于采集焦面衍射光斑。

8、进一步地，所述光源模块1采用固体激光器。

9、进一步地，所述激光准直滤波扩束模块2包括沿光轴依次设置的透镜5、偏振片6和可调孔径光阑7；所述光源模块1位于透镜5的前焦面处，调节偏振片6方向，使激光偏振方向处于纯相位液晶空间光调制器最大调制范围；进一步调节孔径光阑7，使光斑完整覆盖液晶屏幕。

10、进一步地，所述纯相位液晶空间光调制器slm控制模块3包括纯相位液晶空间光调制器slm8、上位机9；通过上位机9在纯相位液晶空间光调制器slm8上加载每一个灰度值对应的灰度图产生对应的衍射光斑。

11、进一步地，所述纯相位液晶空间光调制器slm8可采用反射式或透射式液晶空间光调制器。

12、进一步地，所述图像采集模块4包括聚焦透镜10、ccd相机11和上位机12；所述条纹光栅衍射条纹经聚焦透镜10会聚并产生0级和±1级光斑，所述闪耀光栅衍射经聚焦透镜10会聚并产生偏移光斑，之后由ccd相机11采集图像，并将焦面衍射光斑图像传输至所述上位机12；改变其中条纹光栅的灰度值对比度，依据光斑图像测量0级光斑强度变化，同时采集参考光斑强度值，二者相除，排除激光功率抖动的影响，并根据0级衍射光斑的光强与条形光栅的对比度之间的关系公式：

13、i＝(1+cosδψ)/2

14、得到最终的标定结果，其中i为0级衍射光斑归一化强度，δψ为条形光栅的相位对比度。

15、本发明还提出一种基于上述自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定方法，所述方法包括以下步骤：

16、步骤1，搭建纯相位液晶空间光调制器相位标定系统；

17、步骤2，调节光源模块1的可调激光功率控制器，选择所需的光功率；

18、步骤3，调节偏振片的方向，使激光偏振方向处于纯相位液晶空间光调制器最大调制范围；进一步调节孔径光阑，使光斑完整覆盖液晶屏幕。

19、步骤4，在纯相位液晶空间光调制器slm上加载能够产生所需光斑的灰度图；

20、步骤5，通过透镜进行会聚并产生衍射光斑，之后由ccd相机采集光斑图像，并上传至上位机；

21、步骤6，改变其中条纹光栅灰度对比度，得到各灰度值对应的衍射光斑强度量和参考光斑强度值并记录；

22、步骤7，通过上位机进行数据处理与计算得到各灰度值对应的相位并绘制曲线，完成标定。

23、本发明具有以下有益技术效果：

24、本方法进一步提高了纯相位液晶空间光调制器全局标定的准确度，不需借助另外的器件便能达到最终结果，适用于原位标定。此外，与传统基于干涉法的标定方法相比，不受系统环境抖动影响。与无参考光斑修正的衍射法相比，有效的减少了激光功率抖动的影响，具有运行稳定、控制灵活、计算准确的特点。

技术特征：

1.一种自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统，其特征在于，所述系统包括沿光轴依次设置的光源模块(1)、激光准直滤波扩束模块(2)、纯相位液晶空间光调制器slm控制模块(3)和图像采集模块(4)；

2.根据权利要求1所述的自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统，其特征在于，所述光源模块(1)采用固体激光器。

3.根据权利要求1所述的自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统，其特征在于，所述激光准直滤波扩束模块(2)包括沿光轴依次设置的透镜(5)、偏振片(6)和可调孔径光阑(7)；所述光源模块(1)位于透镜(5)的前焦面处，调节偏振片(6)方向，使激光偏振方向处于纯相位液晶空间光调制器最大调制范围；进一步调节孔径光阑(7)，使光斑完整覆盖液晶屏幕。

4.根据权利要求1所述的自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统，其特征在于，所述纯相位液晶空间光调制器slm控制模块(3)包括纯相位液晶空间光调制器slm(8)、上位机(9)；通过上位机(9)在纯相位液晶空间光调制器slm(8)上加载每一个灰度值对应的灰度图产生对应的衍射光斑。

5.根据权利要求4所述的自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统，其特征在于，所述纯相位液晶空间光调制器slm(8)采用反射式或透射式液晶空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统，其特征在于，所述图像采集模块(4)包括聚焦透镜(10)、ccd相机(11)和上位机(12)；条纹光栅衍射条纹经聚焦透镜(10)会聚并产生0级和±1级光斑，闪耀光栅衍射经聚焦透镜(10)会聚并产生偏移光斑，之后由ccd相机(11)采集图像，并将焦面衍射光斑图像传输至所述上位机(12)；改变其中条纹光栅的灰度值对比度，依据光斑图像测量0级光斑强度变化，同时采集参考光斑强度值，二者相除，排除激光功率抖动的影响，并根据0级衍射光斑的光强与条形光栅的对比度之间的关系公式：

7.一种基于权利要求1至6任意一项所述自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统的标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种自参考衍射法的纯相位液晶空间光调制器标定系统及方法，系统包括：光源模块、激光准直滤波扩束模块、纯相位液晶空间光调制器控制模块和CCD图像采集模块。系统通过在纯相位液晶空间光调制器上半部分加载灰度渐变的二元条纹光栅灰度图，其余部分加载闪耀光栅灰度图，能够产生稳定的测量衍射光斑和闪耀光栅产生的用于参考的衍射光斑，替代了传统方法中用分光棱镜分光产生参考光斑的方式，不需借助另外的器件便能达到最终结果，适用于原位标定。此外，与传统基于干涉的标定方法相比，不受系统环境抖动影响。与无参考光斑修正的衍射法相比，有效的减少了激光功率抖动的影响，具有运行稳定、控制灵活、计算准确的特点。技术研发人员：郭友明,张家昊受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/29