一种光场调控系统及设计方法与流程

本发明涉及空间光调制器应用领域，特别涉及一种光场调控系统及其设计方法。

背景技术：

空间光调制器是可编程调控光场的器件，通过改变写入光束在空间分布上的振幅、相位、偏振属性从而得到全新的读出光光场分布，被广泛应用到科学研究和工业设备中，是一种既利用已知又探索未知的科研工具和器件。

如图1所示，可编程调控光场的方式是100用户通过101光场调控软件来生成102寻址数据矩阵，以103空间光调制器分辨率参数为基准得到一个array＝p(m,n,d)的数据矩阵，其中m，n为空间光调制器分辨率，d为数据深度，p为控制pattern函数，pattern映射到空间光调制器寻址，进而调控104写入光束读出特定的105读出光光束。在应用上，100用户分为两类：一类研究光场p函数的构成和定义方式，目的在于发现新的pattern以及深入研究105读出光的各种特性，一般使用matlab等计算软件生成寻址数据矩阵；另一类是希望利用现有研究成果来展开新的研究或开发产品，他们对光场pattern算法本身并不研究，希望直接用。对于第一类用户，p函数的构成存在无数可能，用户根据需要自行编程来定义p函数，希望有灵活的可视化工具来生成寻址数据矩阵，但依然以自行编程为主手段。第二类用户则希望有现成的光场调控软件，尽量避免自己编程。市面上虽然有部分定义好的p函数集合的成熟软件，但变化模式上比较僵化，且包含的内容较为零散缺乏系统性、对空间光调制器所处光路环境的不确定性缺乏有效灵活的应对手段。

光场调控是一个比较崭新的研究领域，除了陆续发布论文被验证的光场外，仍有很多未知及不确定性参数的光场亟待研究和利用。对于空间光调制器用户而言，一套能快速对接新型光场调控技术功能集合又能设计生成新的光场功能的软件，将极大降低编程工作量。现实情况在于，正因为光场pattern的设计存在未知，探索性研究无法事先知道应该用何种pattern来调控出期望的光场，因此一般光场调控的pattern设计工具要么通用化编程工具如matlab或编程开发平台，要么是纯粹的绘图工具，工作量很大和可重复利用性很差。

但是，现有技术中，由于软件不能提供足够灵活的未知探索模式，特别是针对特殊光束的横向应用，如光场在材料学、生物学等非光学本身的研究领域的应用，使得软件不能将基于已知光场以系列有规律的路径来生成探索性的未知光场，这将极大增加了用户技术门槛和降低工作效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种光场调控系统及设计方法，针对现有技术存在的灵活性不足、缺乏系统性光场调控功能集合软件的问题，本发明的目的在于提出了一种设计光场调控软件的方法并利用该方法开发相应的软件系统，既能生成已知光场的寻址数据矩阵，又能生成各种未知光场的寻址数据矩阵。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种光场调控系统，用于调控空间光调制器，包括：

一外部环境配置模块，所述外部环境配置模块对空间光调制器的初始参数进行配置；

一核心设计模块，所述核心设计模块包括基础功能单元集合模块、空间叠加函数模块和功能叠加函数模块，均应用所述空间光调制器的参数设置，其中所述基础功能单元模块可视化生成光场并能够改变光场参数，所述空间叠加函数模块在空间维度上接收所述基础功能单元模块生成的光场进行二次生成，所述功能叠加函数模块在空间维度上接收所述空间叠加函数模块生成的光场进行二次生成；以及

一输出寻址矩阵模块，所述基础功能单元集合模块、空间叠加函数模块和功能叠加函数模块均输出至所述输出寻址矩阵模块。

优选地，所述空间叠加函数模块包括xyz空间坐标系叠加函数和空间极坐标系叠加函数。

优选地，所述基础功能单元模块对每个基础功能单元的计算过程进行封装，且在封装计算里关联空间光调制器参数配置的结果，进而由统一的交互界面配置参数来生成。

优选地，所述功能叠加函数模块能以所述空间叠加函数模块生成的任一结果以及所述基础功能单元集合模块生成的任一结果进行功能函数叠加计算。

本发明进一步地提供了一种基于光场调控系统的设计方法，包括：

(a)将已知光场的生成功能集合化；

(b)利用核心设计模块将光场调控基础单元进行组合。

优选地，在步骤(a)中还包括以下步骤：

(a1)使用者能够通过可视化操作界面改变光场的设定参数，或者通过定时触发来自动生成光场参数。

优选地，在步骤(b)中还包括以下步骤：

(b0)所述核心设计模块包括基础功能单元集合模块、空间叠加函数模块和功能叠加函数模块，均应用所述空间光调制器的参数设置；

(b1)所述基础功能单元模块可视化生成光场并能够改变光场参数；

(b2)所述空间叠加函数模块在空间维度上接收所述基础功能单元模块生成的光场进行二次生成；

(b3)所述功能叠加函数模块在空间维度上接收所述空间叠加函数模块生成的光场进行二次生成。

优选地，还包括以下步骤(c)：在叠加函数设计结果的基础上叠加外部环境函数。

采用上述技术方案，使得本发明的有益效果在于：

第一、可生成各类已知的光场调控的寻址数据矩阵，用于得到各类已知特性的光束，方便用户直接应用或学习；

第二、提供了一套设计寻址数据矩阵的方法，让用户可快速生成各种空间复用、功能叠加、外部环境快速适应的未知特性光场所对应的寻址数据矩阵，用于探索或发现新型光场；

第三、利用该方法得到的寻址数据矩阵可能未被现有文献或理论验证过的，需要用户去进行仿真计算或实验验证其理论背景；

第四、也可以提供工具让用户快速可视化生成各种光场pattern，无论该pattern是否存在已知的现实意义，这为探索未知的工作提供了便捷。

附图说明

图1为现有技术中的光场调控软件工作功能场景示意图；

图2为本发明光场调控软件功能模块与设计流程；

图3为本发明的空间三维xyz坐标系叠加示意图；

图4为本发明的空间极坐标叠加示意图；

图5为本发明的功能性叠加示意图；

图6为本发明的像差叠加示意图；

图7为本发明利用引导函数生成光子筛模式的人机交互流程和参数配置界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于光场调控系统的设计方法，如图1所示，在计算机中安装有所述光场调控系统101，用户100输入至所述计算机中，经过所述光场调控系统101输出至所述空间光调制器102，在所述空间光调制器102的作用下，写入光光束103调制成为读出光光束104。

具体地，本发明中基于光场调控系统的设计方法，包括：

(a)将已知光场的生成功能集合化；

(b)利用核心设计模块将光场调控基础单元进行组合。

优选地，在步骤(a)中还包括以下步骤：

(a1)使用者能够通过可视化操作界面改变光场的设定参数，或者通过定时触发来自动生成光场参数。

优选地，在步骤(b)中还包括以下步骤：

(b0)所述核心设计模块包括基础功能单元集合模块、空间叠加函数模块和功能叠加函数模块，均应用所述空间光调制器的参数设置；

(b1)所述基础功能单元模块可视化生成光场并能够改变光场参数；

(b2)所述空间叠加函数模块在空间维度上接收所述基础功能单元模块生成的光场进行二次生成；

(b3)所述功能叠加函数模块在空间维度上接收所述空间叠加函数模块生成的光场进行二次生成。

优选地，还包括以下步骤(c)：在叠加函数设计结果的基础上叠加外部环境函数。

如图2所示，在所述设计方法中，所述光场调控系统中包括三个部分，分别是外部环境配置模块201、核心设计模块202和输出寻址数据矩阵模块203。

所述外部环境配置模块201是基础性模块，不改变pattern(光场模式)本身功能定义，仅仅是针对空间光调制器初始化参数如分辨率、像素大小等进行配置，或针对光路环境参数进行配置，例如所用光束波长、光束中心位置与空间光调制器相对关系、光束本身像差或gamma曲线、基底误差等参数进行补偿或校正。201模块属于本发明内容易用性的一部分。

所述核心设计模块202还包括基础功能单元集合模块、空间叠加函数模块、功能叠加函数模块三个部分。其中基础功能单元集合模块是将数十种已知特性的光场pattern进行统一可视化生成，以人机交互界面和时间维度模块为入口，方便用户通过可视化操作界面来改变每个pattern的设定参数、在时间维度上的变换模式，通过定时触发来自动动态生成pattern。基础功能单元集合包括涡旋光束函数、无衍射光束函数、光束整形函数、基础光栅函数、矢量光束函数、基础doe模拟等数十种已知光场调控pattern生成函数。本发明将其进行系统组合，利用统一的界面来配置管理，并提供了用户自行将外部设计的pattern提交到软件内进行集合管理的接口。

进一步地，所述核心设计模块202的空间叠加函数模块又分为xyz空间坐标系叠加函数模块和极坐标系叠加函数模块。也就是说，在所述基础功能单元集合模块中的光场调控，在空间维度和功能维度上按叠加函数模板来进行二次生成，从而得到一种新的pattern分布。在图3、图4以实施例描述了这种模板函数的含义和操作流程。

具体地，如图3所示，xyz坐标系上的空间叠加函数，是以基础功能单元pattern为基础，在空间上进行以模板函数进行复用，模板函数的类型包括相同阵列拼接、对称拼接、区域面积大小按函数拼接等，模板函数的种类和可调参数内容根据光场理论进行预测性生成。所谓预测性生成的含义就是这种模板函数最终生成的pattern可能并没有实际意义，也可以在某些特定空间光调制器型号、外部环境参数下实现科研目标。该设计的出发点在于提供设计pattern的方法，而非关注pattern所产生光场的最终特性，这正是本发明的创造性意义，在于鼓励科研人员通过实验和仿真分析去探索未知。

由于空间叠加函数中的模板函数存在无限可能，本方法核心思想是将空间分布的模板函数分为引导函数和区域变化函数。无论何种坐标系，引导函数即pattern区域的位置变化引导函数；区域变化为区域大小变化函数，这两种函数叠加上pattern本身的变化模式，形成系列新的光场调控pattern。例如实施例的引导函数包括斐波那契数列、黄金螺旋线、对称复用、平分复用、幂函数复用、二次曲线复用、分型函数复用，区域变化函数包括线性函数、多项式函数、幂函数、余弦函数、随机函数等。

如图5所示，被复用叠加的pattern包括涡旋光束函数、达曼光栅函数、轴锥函数、矢量函数、二元相位函数、菲涅尔透镜函数、小孔及多边形函数等。

本发明中展示了几种实施例的样例，在空间光调制器的有效光学区域中，p(1)p(2)p(3)p(4)代表同一个pattern在不同空间分布位置时参数不同；p1，p2、p3、p4代表不同空间分布位置时采用不同pattern。p001是将螺旋相位分布按空间等分复用函数生成的pattern。图3描述了xyz坐标系下不同引导函数和区域变化函数的设计案例，图4则是极坐标体系下的设计案例。

基于上述方法设计的pattern结果中，部分已经被科研人员验证了特定参数下的光场数学模型和仿真结果，并被积极推广到干涉测量应用场景中，部分依然处在探索研究中，以期望发现更多的应用场景。这种应用的典型案例就是光子筛设计或者掩模板设计。

本发明进一步地展示了第二个实施例，其中图6展示了空间叠加函数设计结果的基础上叠加外部环境函数zernike像差后的样例。该功能设计是空间光调制器应用场景中针对因为光路元件或环境因素引入的补偿功能函数，解决了光场调控中理论模型与环境参数进行适应性匹配的问题。本实施例基于本发明提出的软件设计方法完成。

本发明进一步地展示了第三个实施例，其中图7具体描述了本发明实施过程中人机交互界面的具体实施过程。u001为引导函数模式，可以通过界面选择，表现为一个五角星形空间分布函数；引导函数通常预设计为软件里的模板，u002为大小变化锚点，u003为角度变化锚点，可以利用鼠标激活为操作热点拖曳变化。u004为选择pattern区域的形状与大小，本实施例为圆形实体区域，区域变换函数也是一种模板函数，预设到软件中；u005为完成初步设计后的pattern结果，pattern本身内容可以从光场调控基础功能单元集合中选择，本实施例用颜色代表不同透过率pattern。u006展示了实施例的界面布局模式和配置参数内容。图7所表述的实施例从软件技术上而言，本身技术非常成熟，遵循本发明方法的人机交互界面的具体方式有很多，本发明以此实施例描述了光场调控软件中空间叠加函数的具体实现方式。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。