一种高精度高速光调制器件及设备的制作方法

1.本技术涉及调制器件技术领域，具体而言，涉及一种高精度高速光调制器件及设备。


背景技术：

2.光波是信息的载体，在光学领域，对于传输过程中光波的分析和认识，一直推动着相关原理与技术的进步。尤其是近年来，诸多先进成像技术蓬勃发展，往往少不了光调制技术。光调制技术就是按照要传递的信息来改变信息载体的一个或多个参量，它是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的一种调制技术。光调制能够使光波的某些特征参数如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间等按一定的规律发生变化，实现光调制的装置被称为光调制器件。
3.在光调制过程的实现中，光调制器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。光调制器件能够成为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中的构造单元或关键的器件。其中，常见的调制方式为通过静态掩膜板调制和通过动态的空间光调制器进行调制。
4.然而，无论是采用静态掩膜板进行光调制还是通过空间光调制器进行光调制，均容易出现调制精度差的问题。


技术实现要素：

5.为了解决传统动态场景调制过程中调制精度较差的问题，本技术提供了一种高精度高速光调制器件及设备。
6.本技术的实施例是这样实现的：
7.本技术实施例的第一方面提供一种高精度高速光调制器件，包括：掩膜板，设置为圆环，所述圆环上设置有用于调制的图样，所述掩膜板适用于静态调制场景；
8.驱动件，用于驱动所述掩膜板沿其中轴线转动，以使所述掩膜板适用于动态调制场景，所述驱动件与所述圆环的内圈固定连接；
9.相机，用于采集经过所述掩膜板调制后的图像；
10.编码器，用于实现所述掩膜板与所述相机的同步；所述编码器集成在所述掩膜板中，基于所述编码器输出电信号，控制所述相机和所述驱动件同步运行，实现高精度调制；
11.其中，所述电信号用于同时输入至所述驱动件和所述相机，以控制所述驱动件驱动所述掩膜板转动，并作为外触发信号控制所述相机拍照。
12.在一些实施例中，当所述掩膜板沿其周向方向包括多个扇形，且所述掩膜板上的图样以所述扇形为分布单位时，所述扇形的个数与所述驱动件要求的最高线数相等，以使所述编码器更加精确地控制所述驱动件驱动所述掩膜板转动。
13.在一些实施例中，所述掩膜板沿其径向方向包括多个同心环，其中一个所述同心
环被设置为校验圈；
14.所述校验圈用于显示所述掩膜板转动后的正确图样，以与所述相机实际采集到的结果进行比对。
15.在一些实施例中，当所述掩膜板上的每一个所述扇形为空间光调制器中掩膜板的一行，所述掩膜板上的每一个所述同心环为空间光调制器中掩膜板的一列时，若所述掩膜板上的图样行数达到第一阈值，列数达到第二阈值，则所述掩膜板上的像素与空间光调制器的像素相比，高出1-2个数量级；
16.其中，所述图样对应于所述像素。
17.在一些实施例中，所述光调制器件的最高调制频率大于等于第三阈值，所述第三阈值大于空间光调制器的最高调制频率。
18.在一些实施例中，所述光调制器件的最高调制频率取决于所述掩膜板的扇形数量及所述驱动件的最高速度。
19.在一些实施例中，所述编码器集成在所述掩膜板的外圈，以使所述掩膜板兼容线路。
20.在一些实施例中，所述掩膜板的图样采用金属打孔方式、菲林刻蚀方式或者铬板刻蚀方式加工制得；
21.其中，当采用金属打孔方式时，所述掩膜板的最高分辨率为40-55μm；
22.当采用菲林刻蚀方式时，所述掩膜板的最高分辨率为18-22μm；
23.当采用铬板刻蚀方式时，所述掩膜板的最高分辨率为4-6μm。
24.在一些实施例中，所述驱动件采用伺服电机或者直驱电机。
25.通过采用上述技术方案，能够使驱动件和掩膜板同步运行，进而实现光调制器件的高精度调制；通过设置圆环形状的掩膜板，有助于使掩膜板上承载较多像素，提高光调制器件的可调制精度；通过设置校验圈，能够进一步促进光调制器件的调制精度。
26.本技术实施例的另一方面提供一种高精度高速光调制设备，包括：上述第一方面中的任意一种高精度高速光调制器件。通过使用上述高精度高速光调制设备，能够达到高精度调制的目的。
27.本技术的有益效果：通过让驱动件驱动掩膜板转动，并设置编码器，使驱动件和相机同步工作，有助于实现光调制器件的高精度和高速度，突破原有产品的精度与速度限制，使掩膜板既适用于动态调制场景，又适用于静态调制场景；进一步通过设置校验圈，有助于促进光调制器的精度，且光调制器件的最高调制频率大于等于空间光调制器的最高调制频率；将掩膜板设置为圆环，既能够使掩膜板转动时可以适应相机，又能够大幅提升掩膜板的数据量，还能由于节省材料而降低了成本；进一步通过将编码器设置在掩膜板的外圈，有助于使线路不易在掩膜板中弯折，进而有助于使集成在掩膜板上的线路不易损坏；进一步使掩膜板上扇形的个数与所述驱动件要求的最高线数相等，编码器能够更加精确地控制所述驱动件驱动所述掩膜板转动。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申
请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为传统技术中调制盘不同类型的示意图；
30.图2为传统技术中静态矩形掩膜板转动时的状态示意图；
31.图3为传统技术中光栅的工作状态示意图；
32.图4为传统技术中空间光调制器的立体结构示意图；
33.图5为传统技术中控件光调制器工作时的结构示意图；
34.图6为空间光调制器调制结果示意图；
35.图7为传统技术中矩形掩膜板的示意图；
36.图8为本技术一个或多个实施例的掩膜板的平面结构示意图。
具体实施方式
37.为使本技术的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本技术示例性实施例中的附图，对本技术示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
38.需要说明的是，本技术中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本技术的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
39.本技术中说明书和权利要求书及上述附图中的术语
″
第一
″
、
″
第二
″
、
″
第三
″
等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。
40.术语
″
包括
″
和
″
具有
″
以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
41.光调制器件能够对光波的振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间等特征参数进行调制，使上述参数按照预设的规律发生变化。其中，对光强进行调制的过程中，通常采用空间域调制方式。而结合图1-3所示，空间域调制方式又包括以下几种：
42.(1)调制盘调制。调制盘是一种典型的光调制器件，将需要加载的信息通过打印、刻蚀等方式制作在圆盘上，可以使得通过的光的光强、相位、甚至偏振等信息按照设定的方式变化。如图1所示，调制盘可用于光电扫描式调幅，旋转调频、调相式以及脉冲调宽，传统技术中，调制盘主要用于抑制背景噪声、空间滤波和确定目标方位。与之相似的，还存在一种掩膜板，同样是通过在不同材质的表面上加工出不同类型的图样，以达到调制的效果。
43.但是，受到加工精度影响，传统的动态调制盘主要用于红外辐射的空间滤波降噪领域，而静态调制盘则在军工及测绘等领域中被用于确定目标方位，目前尚无在可见光光学成像领域，尤其是机器视觉成像领域中的应用。
44.另外，如图2所示，由于相机像素均为矩形，因此传统加工定制的静态掩膜板外形为矩形，其内部像素也为矩形，以便和相机采集图像相匹配，但是静态掩膜板在动态运动时，若采用平动的运动方式，则要求掩膜板的尺寸远大于相机靶面，否则调制图样的数量不足，难以实现调制的多样性，但将掩膜板设置过大，又会导致成本大幅增加；若采用转动的
运动方式，则会造成相机采集到的图案与掩膜板上的调制图样无法匹配的情况，进而导致整个调制精度差。
45.(2)光栅调制。光栅是具有周期性空间结构或光学性能(透射率、反射率等)的光学元件，如图3所示，通过光栅的移动，可以形成摩尔条纹，从而引起光通量的幅度调制。
46.使用光栅实现幅度调制需要两条光栅交错运动，这种方式多用于光通信领域，目前无法应用在光学成像领域。
47.(3)光电子调制。光电子调制又分为电光、声光、磁光调制，是指给某些晶体施加随时间变化的电场、声波和磁场，通过随之产生的双折射效应控制出射的光强、相位、偏振等性质。其中，空间光调制器是指在主动控制下，通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。
48.如图4所示，空间光调制器合有许多独立单元，在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接收光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中构造单元或关键的器件。
49.需要说明的是，空间光调制器由众多微型光学元件构成，以数字微镜阵列(digital micromirror devices，dmd)为例，其组成为多达百万个微型反射镜及多个微型马达，通过配合电信号可以实现像素级的高精度强度调制，通过将数以百万个微型反射镜以矩阵的形式排列起来，通过控制其单独配备的微型马达，可以实现对每个微型反射镜的角度设置。然而它也由此拥有较高的成本，从数万元到数十万元不等。同时，由于每个微型反射镜都由微型马达驱动，本身的调制频率也受马达的频率限制，对于超高速的调制过程，空间光调制器尚无法胜任。
50.可以理解的是，空间域调制是通过人为地将已知的二维或三维空间分布信息叠加到光波上，再通过分析像空间的照度分布即可对成像结果中的信息进行分析提取，以提升成像结果的图像分辨率。其中以近年来最具代表性、在光学成像领域最前沿的空间光调制器为代表。
51.如图5所示(图中，灰色方块表示微型反射镜；中央的绿色虚线表示反射镜的翻转轴)，在成像过程中，样品本身发出的光经过光学系统被成像到调制器件的表面上，当所有的微型反射镜都被设置为相同角度时，可以认为此时空间光调制器为一枚大型的平面反射镜，通过控制角度，可以选择出射光的方向。如果出射光被反射到后续部分的光路中，则图像信息仍然可以随着光波传递，如果出射光被反射到光路之外，则图像信息丢失，相机接收不到信号。
52.通过控制器对每个反射镜的角度进行设置，可以使得部分像素的信息保持传递，部分像素的信息故意丢失，以此实现不同图样的调制效果，如图6所示(图中，白色代表信息保留，黑色代表信息丢失)，由于空间调制器中的反射镜角度都由人为设置，因此这些微型反射镜的排布图样可以被记录，并用于后续的算法解调过程。
53.图7为传统技术中静态矩形掩膜板的示意图。
54.如图7所示，传统技术中的静态矩形掩膜板和调制盘类似，都是预先通过加工，获得已经被刻蚀好图样的掩膜，掩膜上涂黑部分不通光，剩余部分可通光，以此实现图像的强度调制。
55.通过上述分析可知，对于已加工完成的静态矩形掩膜板而言，当采用静态矩形掩膜板进行静态场景中的光调制时，每个时刻，相机拍摄图像时，掩膜板上图样都是已知的，可以与相机拍摄的图像实现对应。但是采用静态矩形掩膜板在动态场景中进行光调制，容易产生相机采集到的图案无法和掩膜板上调制图样匹配的问题，进而导致后续无法通过算法解调。虽然空间光调制器在工作过程中，每次调整微型反射镜的角度时，都由电脑给出电信号控制，该电信号可以同步给到相机，控制二者的同时进行，但是，空间光调制器中的掩膜板承载的像素数较少，存在调制频率低，调制精度差，且成本高昂的问题。
56.基于上述现象，本技术提出一种高精度高速调制器件，用于在光学成像领域实现对图像的空间域强度调制，与传统方案相比，通过对调制器件的像素分布作优化以降低成本外，还将调制器件上的掩膜图样与相机进行严格同步，提高了调制器件的适用面、最高调制频率和最高调制精度，并且还大幅降低了调制器件的成本。具体阐述如下：
57.图8示出了本技术一实施例中掩膜板的平面结构示意图。
58.如图7所示，高精度高速调制器件包括掩膜板、驱动件、编码器和相机，掩膜板设置为圆环，圆环上刻蚀有用于调制的图样，掩膜板适用于静态调制场景；驱动件与圆环的内圈固定连接，且用于驱动掩膜板沿其中轴线转动，以使掩膜板适用于动态调制场景；相机位于掩膜板远离光发射源的另一侧，且用于采集光经过掩膜板调制后的图像；编码器用于实现掩膜图样与相机的同步；编码器集成在掩膜板中且沿掩膜板的周向方向阵列，基于编码器输出电信号，控制相机和驱动件同步运行，实现高精度调制；其中，电信号用于同时输入至驱动件和相机，以控制驱动件驱动掩膜板转动，并作为外触发信号控制相机拍照。
59.其中，驱动件可设置为直驱电机，也可设置为伺服电机，电机的驱动轴与掩膜板的内圈键连接。电机结构相对简单，且驱动掩膜板转动的过程高效。高精度高速调制器件还包括光学系统，用于发出照射在掩膜板一侧的照射光，且能够采集通过掩膜板后的光束并成像，以使相机获取图像。
60.需要说明的是，电机的旋转过程是通过编码器连续输出脉冲，电机的读头读取到脉冲后输出电信号控制的，因此这个电信号也可以用于控制相机的触发，使电机与相机实现同步。在达到相同像素精度的情况下，本技术的成本是掩膜板定制加工费用及电机的采购费用，成本约为1万元，而市场上的空间光调制器售价在8万元-15万元左右，由此可见，本技术中高精度高速调制器件的成本大幅降低。
61.可以理解的是，掩膜板被设计为圆环，掩膜板可以套在电机的驱动轴上，被电机带动旋转，从而克服传统掩膜板只能静态调制的缺点，使调制器件既可用于静态调制场景，又适用于动态调制场景。另外，将掩膜板设置为圆形，相比于空间光调制器而言，在相同面积下承载的像素量较多，有助于减小需求面积，进而缩减成本，也有助于提高掩膜板的最高调制频率。
62.在一些实施例中，编码器集成在掩膜板的外圈，以使掩膜板兼容线路。即当编码器集成在掩膜板的外圈时，整个掩膜板中用于兼容线路的区域较大，有助于使编码器中的线路不易因折弯而损坏。需要说明的是，图8中掩膜部分及编码器所在区域之间的白色区域即
为线路集成区域。
63.在一些实施例中，当掩膜板沿其周向方向包括多个扇形(如图8所示的圆心角为θ对应的扇形)，且掩膜板上的图样以扇形为分布单位时，扇形的个数与电机要求的最高线数相等，以使编码器更加精确地控制电机驱动掩膜板转动。例如，已选型的电机最高只能接纳5000线的编码器，则掩膜板可以设计为正好有5000个扇形，且每个扇形对应一个编码器。此时，由于编码器与扇形一一对应，掩膜图样与编码器属于同一个扇形，故编码器与掩膜图样也严格对应，在工作过程中，掩膜板每次旋转到一定角度时，最外圈的编码器均会输出电信号给电机，该电信号可用于同时输出到相机，作为外触发信号控制相机拍照。
64.在一些实施例中，如图8所示，掩膜板上的图样由黑白相间的黑色色块及白色色块组成，每个黑色色块或白色色块均为静态矩形掩膜板的一个像素，区别在于从矩形排列变成圆形排列。当掩膜板沿其径向方向包括多个同心环时(如图8所示的虚线与掩膜板内圈形成的圆环)，每一个同心环均为空间光调制器中掩膜板的一列，若以扇形为分布单位，则掩膜板上的图样中，每个扇形为空间光调制器中掩膜板的一行。
65.需要说明的是，掩膜板图像中的扇形和环的数量决定了最终调制器件可调制的最高精度，若掩膜板上的图样行数达到第一阈值，列数达到第二阈值，则掩膜板上的像素与空间光调制器中掩膜板的像素相比，高出1-2个数量级。当掩膜板的外径为30cm时，第一阈值可为15000，第二阈值可为7500，即掩膜板上图样可设置为15000行7500列，此时，掩膜板的像素数远高于现有的空间光调制器(现有的空间光调制器最高仅能实现约4000行3000列的图样设计)。由此可见，在同等面积的情况下，本技术中的掩膜板的像素数高出约1-2个数量级，因此本技术中调制器件的调制精度也高于传统技术中的空间光调制器。
66.在一些实施例中，为了促进电机和相机能够更加精准同步，将掩膜板上其中一个同心环设置为校验圈，校验圈也刻蚀有黑-白相间的图案设计。本实施例中，校验圈设置在掩膜板的内圈。校验圈用于显示所述掩膜板转动后的正确图样，以与相机实际采集到的结果进行比对。当将相机实际采集到的图像结果与校验圈上的图样进行比对时，比对结果显示相机接收到的实际结果与掩膜板调制后的理论结果不同，则说明调制结果存在问题，从而有助于及时排查问题。
67.掩膜板上的图样可通过多种方式进行加工，例如，在一些实施例中，掩膜板的图样加工可以采用金属打孔的方式实现，此时，掩膜板的最高分辨率为40-55μm，如，掩膜板的最高分辨率为50μm。在一些实施例中，掩膜板的图样加工可以采用菲林刻蚀的方式实现，此时，掩膜板的最高分辨率为18-22μm，如，掩膜板的最高分辨率为20μm；在另一些实施例中，掩膜板的图样加工采用采用铬板刻蚀的方式实现，此时，掩膜板的最高分辨率分别为4-6μm，如，掩膜板的最高分辨率为5μm。
68.需要说明的是，当掩膜板的图样加工采用采用铬板刻蚀的方式实现时，本技术中的调制器件的调制精度能够达到微米级，例如，在一些实施例中，调制器件的调制精度为4μm。
69.需要说明的是，光调制器件的最高调制频率大于等于第三阈值，且第三阈值大于空间光调制器的最高调制频率，在一些实施例中，光调制器件的最高调制频率为2mhz，而传统空间光调制器的最高调制频率为20khz，由此可见，本技术中光调制器件的最高调制频率是传统空间光调制器的最高调制频率的100倍。
70.其中，光调制器件的最高调制频率取决于掩膜板的扇形数量及电机的最高速度。例如，当掩膜板的扇形数量为15000个，电机的最高速度为8000rpm时，光调制器件的最高调制频率为2mhz，极大提升了光调制器件调制频率的上限。
71.本技术在使用高精度高速调制器件时，由于圆环形状的掩膜板在较小的需求面积下可以承载更多数量的像素，有助于节约成本，且有助于提高调制器件可调制的最高精度；将编码器集成在掩膜板上，并使编码器能够同时输出电信号至驱动件及相机，可使驱动件与相机能够同步运行，达到让调制器件能够高精度调制的目的；掩膜板上扇形的个数与驱动件要求的最高线数相等，能够进一步使编码器更加精确地控制驱动件驱动掩膜板转动，进而使最终的调制结果准确；进一步在掩膜板图样中某一同心环设置为校验圈，通过校验圈与调制结果进行比对，促进调制结果的准确行，有助于进一步促进调制结果的准确性。
72.基于上文中对高精度高速调制器件方案及相关附图的介绍，本技术还提供了一种高精度高速光调制设备，包括上述第一方面中的任意高精度高速光调制器件，具有可同时适用于静态调制场景和动态调制场景、调制频率高、调制精度高且生产成本相对较低等优势。
73.本部分实施例的有益效果在于，通过将静态掩膜板与电机相配合，并将编码器集成在掩膜板上，实现了极高精度、极高频率的光学图像动态调制；调制时，掩膜图样与相机可同步运行，有助于消除同步不精准的可能性，大幅提高了调制器件的调制精度；进一步将掩膜板设置为圆环，有助于在相同面积下提高像素承载量，且与传统技术空间光调制器相比，实现相同性能，本技术中的调制器件的成本仅为空间光调制器的十分之一；进一步通过设置校验圈，有助于实现更加精准的同步，进而使光调制器件精确调制。
74.为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述在一些实施例中讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。