一种基于LCOS的空间光调制器的校准装置和方法与流程

【技术领域】

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于lcos的空间光调制器的校准装置和方法。

背景技术：

空间光调制器(spatiallightmodulator，简写为slm)通常是指能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效利用光的固有速度、并行性和互连能力的一类器件。空间光调制器可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光，已经广泛地应用于光信息处理、光束变换、输出显示等诸多应用领域。

目前，一种比较常用的空间光调制器为基于硅基液晶(liquidcrystalonsilicon，简写为lcos)芯片的空间光调制器，一般由lcos芯片和驱动电路组成，根据lcos芯片制作上的不同，可以分为振幅型和相位型空间光调制器。其中，振幅型空间光调制器可以对光的振幅进行调制，通常应用于光学投影领域；相位型空间光调制器可以对光的相位进行调制，通常应用于光束整形、数字全息、衍射光学(如闪耀光栅)等领域。不论是振幅型还是相位型空间光调制器，对其进行精准的测试和校准工作是空间光调制器的使用前提，校准工作越精准，空间光调制器的性能越优化。

传统方案中一种常用的校准方式是结合双光束干涉和ccd相机观察来进行，如图1所示，校准装置主要包括顺次连接设置的激光器laser、中性密度滤波器ndf、第一显微物镜mo1、第一透镜l1、检偏器p、光罩mask、分析仪a、第二透镜l2、第二显微物镜mo2和ccd。校准原理如下：由激光器laser发出的光依次经过中性密度滤波器ndf、第一显微物镜mo1后，经第一透镜l1变为平行光，再通过检偏器p变为偏振光，由光罩mask将光分为两束；两束光分别打到空间光调制器中lcos芯片的不同区域，并改变两束光的光程，两束光光程差的改变就会形成干涉，经第二透镜l2聚焦后，通过第二显微物镜mo2，并在ccd上形成不同的干涉条纹，通过观察干涉条纹来进行slm的校验。但是通过这种双光束干涉的校准方法，整个校准装置复杂、光路复杂，ccd的条纹观察不够直观，很难量化，使得校准精度较低、校准速度较慢，进而影响空间光调制器的性能。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是：

传统的slm校准中，通常采用双光束干涉法进行校准，整个装置复杂、光路复杂，而且ccd的条纹观察不够直观，很难量化，使得校准精度较低、校准速度较慢，进而影响空间光调制器的性能。

本发明通过如下技术方案达到上述目的：

第一方面，本发明提供了一种基于lcos的空间光调制器的校准装置，空间光调制器110为相位型slm或振幅型slm，包括lcos芯片106和slm驱动电路107；校准装置包括：顺次连接设置在所述lcos芯片106之前的可调谐激光器101、环形器102、准直器104和起偏器105，以及顺次连接设置在所述环形器102之后的功率计103和计算机108，所述计算机108与所述slm驱动电路107连接；

所述可调谐激光器101的出射光经所述环形器102后进入所述准直器104，再经所述起偏器105后变为线偏光入射到所述lcos芯片106；

所述lcos芯片106对线偏光的相位或者偏振态进行处理后，反射回的光依次经所述起偏器105、准直器104、环形器102后进入功率计103，由所述功率计103记录光功率值；

所述计算机108基于光功率值进行计算分析，并根据计算结果控制所述slm驱动电路107实现所述空间光调制器110的校准。

优选的，所述环形器102包括沿顺时针方向依次设置的第一端口、第二端口和第三端口；所述环形器102通过所述第一端口与所述可调谐激光器101连接，通过所述第二端口与所述准直器104连接，通过所述第三端口与所述功率计103连接。

优选的，所述起偏器105的起偏方向与所述lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向成45±3°角。

第二方面，本发明提供了一种基于lcos的空间光调制器的校准方法，采用第一方面所述的校准装置，校准方法包括：

设置可调谐激光器101波长后，在光路不加起偏器105和不给空间光调制器110供电的情况下，记录功率计103的光功率值p；

依次为lcos芯片106加载灰阶等级，对应每个灰阶等级i分别记录功率值pi，并根据p和pi得到灰阶等级-il曲线；

对相位型slm，根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-相位调制深度曲线；对振幅型slm，根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-透过率曲线；

对相位型slm，结合初始gamma曲线和希望得到的灰阶等级-相位调制深度线性关系，计算出校准的gamma曲线；对振幅型slm，结合初始gamma曲线和希望得到的灰阶等级-透过率关系，计算出校准的gamma曲线；

其中，所述初始gamma曲线中灰阶等级-gamma值呈线性关系。

优选的，在进行slm校准之前，所述方法还包括：

确定空间光调制器110的相关参数信息，所述相关参数包括空间光调制器110是相位型还是振幅型、lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向、lcos芯片106的分辨率、slm驱动电路107的灰阶等级以及空间光调制器110的适用波段范围中的一项或多项。

优选的，当空间光调制器110按照n灰阶和x*y分辨率设置时，所述依次为lcos芯片106加载灰阶等级，对应每个灰阶等级i分别记录功率值pi，并根据p和pi得到灰阶等级-il曲线，具体包括：

通过计算机108控制slm驱动电路107，将lcos芯片106的x*y个像素设置为相同的灰阶等级，从0～n-1遍历n个状态；

计算机108每设置一种lcos芯片106的灰阶控制状态，通过功率计103读取一次光功率值并记录为pi，i＝0,1,2,...,n-1；

分别将每个pi减去p，得到每个灰阶等级i对应的插入损耗il，n个灰阶等级的il组成了灰阶等级-il曲线。

优选的，对于相位型slm，所述根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-相位调制深度曲线，具体为：

结合所述灰阶等级-il曲线，以及相位差δi和il(i)的换算公式，计算出各灰阶等级i对应的相位差δi；

以灰阶0的相位差δ0为基准，将各灰阶i的相位差δi减去δ0，得到各灰阶i对应的相位调制深度，进而得到灰阶等级-相位调制深度曲线；

其中，il(i)表示灰阶等级改变导致的插入损耗；对于任一灰阶i，il(i)由对应的il值减去系统固有的插入损耗值得到。

优选的，相位差δi和il(i)的换算公式具体为：

cos²(δi/2)＝power(10，il(i)/10)

其中，power表示乘幂函数，第一个参数10为基数，第二个参数il(i)/10为幂次。

优选的，对振幅型slm，所述根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-透过率曲线，具体为：

结合所述灰阶等级-il曲线，以及透过率y(i)和il(i)的换算公式，计算出各灰阶等级i对应的透过率y(i)，从而得到灰阶等级-透过率曲线；

其中，il(i)表示灰阶等级改变导致的插入损耗；对于任一灰阶i，il(i)由对应的il值减去系统固有的插入损耗值得到。

优选的，透过率y(i)和il(i)的换算公式具体为：

y(i)＝power(10，il(i)/10)

其中，power表示乘幂函数，第一个参数10为基数，第二个参数il(i)/10为幂次。

本发明的有益效果是：

本发明提供的校准装置和方法中，利用功率计作为测量设备，通过记录光功率计算出插入损耗il，再算出相应的相位调制深度或者透过率，结合gamma曲线完成空间光调制器的校准；整个校准装置更为简单，光路更小，相较于采用ccd观察干涉条纹的方法，数据更易获取，校准精度更高，而且形成闭环系统，可以全自动、快速地实现slm校准，有效提高空间光调制器的性能。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种基于lcos的空间光调制器的校准装置及其原理图；

图2为本发明实施例提供的一种基于lcos的空间光调制器的校准装置及其原理图；

图3为本发明实施例提供的一种空间光调制器初始线性gamma曲线；

图4为本发明实施例提供的一种基于lcos的空间光调制器的校准方法流程图；

图5为本发明实施例提供的一种相位型slm的灰阶等级-il曲线(256灰阶)；

图6为本发明实施例提供的一种相位型slm的灰阶等级-相位差曲线(256灰阶)；

图7为本发明实施例提供的一种相位型slm的校准gamma曲线；

图8为本发明实施例提供的一种相位型slm校准gamma后的灰阶等级-相位调制深度曲线(256灰阶)；

图9为本发明实施例提供的一种振幅型slm的灰阶等级-il曲线(256灰阶)；

图10为本发明实施例提供的一种振幅型slm的灰阶等级-相位差曲线(256灰阶)；

图11为本发明实施例提供的一种振幅型slm的校准gamma曲线；

图12为本发明实施例提供的一种振幅型slm校准gamma后的灰阶等级-透过率曲线(256灰阶)；

其中，附图标记如下：

可调谐激光器101、环形器102、功率计103、准直器104、起偏器105、lcos芯片106、slm驱动电路107、计算机108、空间光调制器110。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1：

本发明实施例提供了一种基于lcos的空间光调制器的校准装置，如图2所示，空间光调制器110包括lcos芯片106和slm驱动电路107，所述空间光调制器110为相位型slm或振幅型slm。针对上述空间光调制器110，本发明实施例提供的所述校准装置包括顺次连接设置在所述lcos芯片106之前的可调谐激光器101、环形器102、准直器104和起偏器105，以及顺次连接设置在所述环形器102之后的功率计103和计算机108，所述计算机108与所述slm驱动电路107连接。

基于上述校准装置，slm的校准原理如下：

所述可调谐激光器101的出射光经所述环形器102后进入所述准直器104，再经所述起偏器105后变为线偏光入射到所述lcos芯片106；所述lcos芯片106对线偏光的相位或者偏振态进行处理(其中，相位型slm的lcos芯片会改变光的相位，振幅型slm的lcos芯片会改变光的偏振态)，然后由所述lcos芯片106将光进行反射，反射回的光依次经所述起偏器105、准直器104、环形器102后进入功率计103，由所述功率计103记录光功率值；所述计算机108基于光功率值进行计算分析，并根据计算结果控制所述slm驱动电路107实现所述空间光调制器110的校准。

在本发明实施例中，校准工作是针对gamma曲线进行，通过调整gamma曲线，使相位型的slm的灰阶等级与相位调制深度成线性关系，或者使振幅型的slm的灰阶等级与透过率成线性关系。因此，在实际校准时，所述计算机108通过控制所述slm驱动电路107为所述lcos芯片106加载灰阶等级，每加载一次灰阶等级所述功率计103记录一次光功率值，根据光功率值计算出对应的插入损耗(insertionloss，简写为il)，得到灰阶等级-il曲线，进一步得到灰阶等级-相位曲线(相位型slm)，或者灰阶等级-透过率曲线(振幅型slm)，最终结合gamma曲线完成slm的校准工作。具体校准过程将在实施例2中介绍，此处不再赘述。

其中，在本发明实施例中，所述功率计103的计量单位为dbm，因为只有dbm为单位的功率值才能进行相减运算，进而利用多功率值进行相减运算来计算插入损耗il，具体计算过程将在实施例2中介绍。

参考图2，所述环形器102包括沿顺时针方向依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述环形器102通过所述第一端口与所述可调谐激光器101连接，通过所述第二端口与所述准直器104连接，通过所述第三端口与所述功率计103连接。如此一来，根据环形器的原理，所述可调谐激光器101的出射光经第一端口进入所述环形器102后，可由第二端口输出并进入所述准直器104；而反射光由所述准直器104经第二端口进入所述环形器102后，可由第三端口输出并进入所述功率计103。

进一步地，所述lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向确定后，所述起偏器105的起偏方向通常与所述lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向成45°，上下可有±3°的误差。

进一步地，所述可调谐激光器101的波长设置，所述环形器102、所述准直器104、所述起偏器105和所述功率计103的选择，均需要根据所述空间光调制器110的使用波段范围来确定。

本发明实施例提供的上述校准装置中，利用功率计作为测量设备，通过记录光功率计算出插入损耗il，再算出相应的相位调制深度或者透过率，结合gamma曲线完成空间光调制器的校准；整个校准装置更为简单，光路更小，相较于采用ccd观察干涉条纹的方法，数据更易获取，校准精度更高，而且形成闭环系统，可以全自动、快速地实现slm校准。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本发明实施例提供了一种基于lcos的空间光调制器的校准方法，采用实施例1中所述的校准装置来完成。其中，在通过上述校准装置进行slm校准之前，需要先确定所述空间光调制器110的相关参数信息，所述相关参数包括空间光调制器110是相位型还是振幅型、lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向、lcos芯片106的分辨率、slm驱动电路107的灰阶等级以及空间光调制器110的适用波段范围等等。

确定slm是相位型还是振幅型之后，即可确定gamma校准的不同算法；确定lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向后，可将起偏器105的起偏方向放置为与lcos芯片106内部液晶分子的光轴方向成45°方向；确定lcos芯片106的分辨率后，可确定所述计算机108该如何控制所述slm驱动电路107；确定slm驱动电路107的灰阶等级后，可以确定gamma校准的精度；确定slm的适用波段范围后，可确定可调谐激光器101需要设置的波长，以及其他光学元件(环形器102、准直器104、起偏器105和功率计103)需要选取相应波段的元件。其中，所述slm驱动电路107的灰阶等级决定了调制精度，灰阶等级越高，调制精度越高；常用的灰阶等级主要有：65536灰阶(16bits)、4096灰阶(12bits)、256灰阶(8bits)。

本发明实施例中为了便于说明，slm就按照256(8bit)灰阶等级、1920*1080分辨率、c波段(光通信波段1530nm～1570nm)来做说明，至于其他灰阶等级、其他分辨率、其他波段的校准，可以参照本发明实施例进行校准。另外，本发明实施例中校准工作是针对gamma曲线进行，通过调整gamma曲线，使相位型的slm的灰阶等级与相位调制深度成线性关系(如图8所示)，或者使振幅型的slm的灰阶等级与透过率成线性关系(如图12所示)。gamma值-灰阶-相位调制深度是一一对应的，gamma值-灰阶-透过率也是一一对应的，因此需选择一初始gamma曲线，且初始gamma曲线中灰阶等级-gamma值呈线性关系，如图3中曲线201所示。

参考图4，本发明实施例提供的校准方法主要包括以下步骤：

步骤301，设置可调谐激光器101波长后，在光路不加起偏器105和不给空间光调制器110供电的情况下，记录功率计103的光功率值p。

按照图2将slm校准光路搭建完毕后，设置所述可调谐激光器101至所述lcos芯片106的使用波段范围中心波长；以slm的适用波段范围为c波段为例，设置所述可调谐激光器101的波长为1550nm(c波段的中心处波长)。然后在光路不加起偏器105和不给slm供电的情况下，记录功率计103的光功率值p，作为后续计算备用。

步骤302，依次为lcos芯片106加载灰阶等级，对应每个灰阶等级i分别记录功率值pi，并根据p和pi得到灰阶等级-il曲线。当空间光调制器110按照n灰阶和x*y分辨率设置时，具体可按照以下步骤进行：

首先，通过计算机108控制slm驱动电路107，将lcos芯片106的x*y个像素设置为相同的灰阶等级，从0～n-1遍历n个状态。然后，所述计算机108每设置一种lcos芯片106的灰阶控制状态，通过功率计103读取一次光功率值并记录为pi，i＝0,1,2,...,n-1。最后，分别将每个pi减去p，得到每个灰阶等级i对应的插入损耗il，n个灰阶等级的il组成了灰阶等级-il曲线。其中，本发明实施例中所使用的功率计103的计量单位为dbm，即pi和p的单位均为dbm，通过dbm为单位的功率值的相减运算，可计算得到插入损耗il。

以256灰阶等级、1920*1080分辨率为例，具体是将所述lcos芯片106的1920*1080个像素设置为相同的灰阶等级，从0～255遍历256个状态，分别记录光功率值pi(i＝0,1,2,……,255)，最终256个灰阶等级的il组成了灰阶等级-il曲线，如图5中曲线211(相位型slm)和图9中曲线221(振幅型slm)所示。

步骤303，对相位型slm，根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-相位调制深度曲线；对振幅型slm，根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-透过率曲线。

以slm的lcos芯片106内部液晶的光轴方向为0°方向为例，在给所述lcos芯片106加灰阶等级i时，液晶的e光和o光的相位差为δi。其中，e光和o光分别是指，液晶分子双折射产生0°方向的非寻常光和90°方向的寻常光。

对于相位型slm，所述根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-相位调制深度曲线具体为：结合所述灰阶等级-il曲线(如图5所示)，以及相位差δi和il(i)的换算公式，计算出各灰阶等级i对应的相位差δi，得到灰阶等级-相位差曲线(如图6中曲线212所示)；然后以灰阶0的相位差δ0为基准，将各灰阶i的相位差δi减去δ0，得到各灰阶i对应的相位调制深度，进而得到灰阶等级-相位调制深度曲线。原理如下：

当光经过与液晶分子光轴方向(0°方向)成45°的起偏器105后，会变为45°(或者-45°，两种情况后续计算结果一致，以45°进行说明)线偏振光，线偏振光入射到所述lcos芯片106后可以分解为振幅相等的e光(0°方向)和o光(90°方向)，且经过所述lcos芯片106后e光会相对o光有δi的相位差，再经过所述起偏器105后会因偏振态改变导致透过率y(i)变为cos²(δi/2)。其中，灰阶等级i对应的透过率y(i)和il(i)之间又存在以下换算公式：

y(i)＝power(10，il(i)/10)(1)

因此，结合换算公式1以及“透过率y(i)变为cos²(δi/2)”，可得到相位差δi和il(i)的换算公式如下：

cos²(δi/2)＝power(10，il(i)/10)(2)

其中，il(i)表示灰阶等级改变导致的插入损耗，此处通过图5中的灰阶等级-il曲线即可确定：对于任一灰阶i，il(i)由灰阶等级-il曲线上灰阶i对应的il值减去系统固有的插入损耗值(即灰阶等级-il曲线上il的最大值)得到。power表示乘幂函数，第一个参数10为基数，第二个参数il(i)/10为幂次。根据换算公式(2)，当il(i)确定之后，即可计算出对应的相位差δi，进一步计算得到对应的相位调制深度。

对振幅型slm，所述根据灰阶等级-il曲线计算出灰阶等级-透过率曲线具体为：结合所述灰阶等级-il曲线(如图9所示)，以及透过率y(i)和il(i)的换算公式(1)，计算出各灰阶等级i对应的透过率y(i)，从而得到灰阶等级-透过率曲线(如图10中曲线222所示)。此处il(i)通过图9中的灰阶等级-il曲线即可确定：对于任一灰阶i，il(i)由灰阶等级-il曲线上灰阶i对应的il值减去系统固有的插入损耗值(即灰阶等级-il曲线上il的最大值)得到。

步骤304，对相位型slm，结合初始gamma曲线和希望得到的灰阶等级-相位调制深度线性关系，计算出校准的gamma曲线；对振幅型slm，结合初始gamma曲线和希望得到的灰阶等级-透过率关系，计算出校准的gamma曲线。

对于相位型slm，gamma值-灰阶-相位调制深度是一一对应的，灰阶实际上作为桥梁，如果希望灰阶等级-相位调制深度呈如图8中曲线214所示的线性关系，最终想要得到的是gamma值-相位调制深度的关系；因此将相位调制深度设为线性，去gamma值-相位调制深度关系中查找每个相位调制深度对应的gamma值，从而计算出校准的gamma曲线(如图7中曲线213所示)。如此一来，即可使相位型slm的灰阶等级与相位调制深度成如图8所示的线性关系，slm的校准工作完成。

对于振幅型slm，gamma值-灰阶-透过率是一一对应的，灰阶实际上也是作为桥梁，如果希望灰阶等级-透过率呈如图12中曲线224所示的线性关系，最终想要得到的是gamma值-透过率的关系；因此将透过率设为线性，去gamma值-透过率关系中查找每个透过率对应的gamma值，从而计算出校准的gamma曲线(如图11中曲线223所示)。如此一来，即可使振幅型slm的灰阶等级与透过率成如图12所示的线性关系，slm的校准工作完成。

本发明实施例提供的上述校准方法中，利用功率计作为测量设备，通过记录光功率计算出插入损耗il，再算出相应的相位调制深度或者透过率，校准工作针对gamma曲线进行，通过调整校准gamma曲线，使相位型slm的灰阶等级与相位调制深度成线性关系，或者使振幅型slm的灰阶等级与透过率成线性关系，完成slm校准。装置和光路更为简单，数据更易获取，校准精度更高，可以全自动、快速地实现slm校准，有效提高空间光调制器的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。