4) ,就可得到 CCD 面上物波光场的复振幅分布
Uh ( x , y)
=
4|
1 UR
|
{
I1
(
x
,
y
, 0)
-
I3 ( x , y ,π)
+
i〔I2
(
x
,
y
,
π 2)
-
I4 ( x , y , 32π〕}
(2)
并可得到数字再现物波的振幅和相位分布
U0 ( x , y , z0) = exp
π iλz0
从而得到全场被测参数的分布 ,真正实现了光学全场测量 。 光的某一参数 (相位 、强度 、偏振等) ,从而完成信息从信源向 其中相移法是最常用的一种位相测量方法 。该方法是在条 处理系统的转移 ,以及信息由非相干光荷载向相干光荷载的
纹位相上附加一个己知相移量来增加方程数 ,使方程数大于 变换 。实现非相干光 ———相干光转换的器件就是空间光调 或等于未知量数来解出位相值 。实现相位测量的方法有很 制器 (SLM) 。另一类常用信号是电信号 ,电信号必须通过特
成像质量 。
液晶光调制计算全息相移器 ( CGH - PS) ———一种可以 避免机械运动且能够精确产生特定相移量的新方法 ,利用实 时显示在高分辨液晶空间光调制器上的计算全息图产生特
1. 1 液晶空间光调制器 空间光调制器 (Spatial Light Modulator 缩写成 SLM) ,一种
(
x2
+
y2)
Uh ( x , y) (3)
2 实验光路
首先测量液晶光调制计算全息相移器产生相移的稳定
性和准确性 ,其中物体是一个均匀透射率物体 。在实验中发 现 ,液晶显示器驱动电源的稳定性会对实验结果产生较大的 影响 ,它的电压的波动会造成液晶显示器整体相位的漂浮 。 但这个影响对于各衍射级次都是相同的 。
principle and displacement theorem of Fourier transform. LCD is utilized as optical display component , and specific phase shift is achieved by changing encodes of
量 ,除此之外 ,高斯曲线直观 ,易于操作 ,而且这些函数有相
显得至关重要 。
本文通过对液晶空间光调制器编码 ,即利用实时显示在 高分辨液晶空间光调制器上的计算全息图产生特定光波并
实现特定的相移 ,得到多幅相移干涉图 。采用迂回相位编码 制全息图消去自相关像和共轭像 。通过分析相关数据验证
液晶空间光调制器用于相移技术的可行性 ,精确性 。
1 原理
一般来说 ,空间光调制器指的是这样的器件 ,在信源信 号的控制下 ,它能对光波的某个参量进行调制 ,例如通过吸 收调制振幅 ,通过折射率调制相位 ,通过偏振面的旋转调制 偏振态等等 ,从而将信源信号所荷载的信息写进光波之中 。
关键词 :空间光调制器 ;计算全息 ;FFT;数字全息 ;相移 中图分类号 :O551. 2 文献标识码 :A 文章编号 :0253 - 2743( 2010) 03 - 0020 - 02
Research of the phase - shifting system on the liquid crystal spatial light modulator
对光波的空间分布进行调制的器件 。它能对光波的诸如相
位 、振幅 、偏振态等特性的一维或二维分布进行实时或快速
地空间和时间的变换或调制 。液晶空间光调制器具有无机
定光波并实现特定的相移 。如果将整个实验过程预先编好
程序 ,就可方便 、快速地记录多幅相移干涉图 。这方法的优 点是在相位的改变过程中无机械操作 ,全部数字控制 ,可重 复性好 ,并能在同一器件上同时实现波面变换和相移两种操 作 。实验上常采用计算傅立叶变换全息图 。利用液晶显示
相移法成功与否的一个关键因素就是相移器的设计 ,它 的精度 ,重复性以及稳定性都直接影响着相移技术的测量精 度 。迄今引入的相移法有压电陶瓷法 、偏振相移法 、倾斜玻
璃法 、光栅相移法 、拉伸光纤法 、改变半导体激光器波长和空
气相移法等 。但这些方法大多数需要机械运动 ,精度不够 , 且仅仅局限于实验室里的原理性研究 ,难以推广到具体的在 线测量 。所以研究高性能的相移器对位相测量方法来说就
2. 昆明市第三中学 ,云南昆明 650000
提要 :根据计算全息原理和傅立叶变换的位移原理 ,将液晶显示器作为光学显示元件 ,通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的 编码 ,对液晶空间光调制器进行相移特性系统研究 。实验测量表明液晶空间光调制器相移系统具有很高的精确性 、可重复性和稳定性 ,并验证 相移系统在同轴数字全息中使用的可行性 。
本次主要研究的是一种可以避免机械运动且能够精确
产生特定相移量的新方法 ,即利用实时显示在高分辨液晶空 间光调制器上的计算全息图产生特定光波并实现特定的相
移 ,得到多幅相移干涉图 。 1. 2 液晶光调制计算全息相移理论
数字全息再现过程中同时获得被记录物体再现像的振
幅和相位分布 ,且数字全息可以通过编程来消除像差 。由于 记录材料分辨率的限制 ,数字全息常常采用同轴装置 ,并利 用相移的方法消除它的自相关像和共轭像 ,从而再现出所需 要的原始像 。在此项技术中 ,最为关键的就是相移器 ,它的 精度 、可重复性以及稳定性都直接影响测量精度及再现像的
the computer - generated hologram displayed on the LCD. According to the experiment measurement , we know that the phase shift system based on LC - SLM is
光学信息处理系统处理光波荷载的信息 ,这些信息用光 波的某一参数的空间分布来表征 ,例如强度 、相位 、偏振 。信 息处理系统中 ,通常需要一个器件 ,它首先接收非相干光图
收稿日期 :2010 - 04 - 22 基金项 目 : 云 南 省 中 青 年 技 术 带 头 人 后 备 人 才 培 养 项 目 资 助 (2008PY013) ,云南省教育厅重大项目 (ZD2009004) 通讯作者 :马 琨 。
器的计算机接口 ,把一幅编码图样显示到液晶显示器上 ,并 将其放入光路中用一束相干平面波垂直照射 ,液晶显示器就 会按照所编码的信息来调制光波 。在它的透射光场中沿正
一级衍射方向的分量波将再现原始波 ,沿直透方向的分量波 将具有平面波前 ,在另一侧的负一级衍射分量将再现原始波 的共轭波 ;另外还对称地分布着一些高级衍射波 。当投射光 经过一个傅立叶变换透镜之后 ,在透镜的后焦面的中心就会 出现一个亮点 ,两边对称的分布着正负一级像和高级次像 。 同时 ,由傅立叶变换的位移定理可知 ,当液晶显示器上显示 的计算全息图的编码图样发生适当位移时 ,它的频谱面上的 非零级衍射项就会相应的携带上相移因子 ,且相移因子的大 小是由位移量决定的 。依据此原理 ,就可以通过实时的改变 液晶显示器上显示的编码图 ,使之发生特定位移 ,从而实现
多 ,最常用的就是通过相移器改变相干光束的相位 ,比较干 殊设计的接口器件把电压电流的时间变化转化为光参量的 涉场中同一点在不同相移量下的光强值来求解该点的相 空间变化 。该接口器件也是空间光调制器 。
位〔1〕。因为用该技术可以对每一点的相位进行计算 ,所以可 对条纹图作进一步处理 ,是一种有效的定量分析手段 ,而且 相移法具有很高的精度 。位相法计算量小 ,自动化程度高 , 适合现代工业测量的需要 。
very exact and has high stability and good repeatability in the in - line system of the digital phase - shift holography.
Key words :spatial light modulator ;computer - generated holography ;FFT;digital holography ;phase - shifter
部分量分别用第一部分与第二部分的开孔面积大小来表示 。
复振幅负的实部分量与负的虚部分量分别用第三部分与第ຫໍສະໝຸດ 四部分的开孔面积大小来表示 。
由公式(1) 看到 ,编码图样的变化除了在非零级频谱项上增
加一常数相位因子外 ,对再现波面没有任何影响。由于任意单 元相邻部分之间位相差 π/ 2 ,所以将每一单元依次以 π/ 2 顺序 移动。对于李氏编码法 ,可重复实现 0 ,π/ 2 ,π,3π/ 2 顺序定量相 移。将这样四幅计算全息图依次显示到液晶光调制器上 ,并用 CCD 记录下对应不同相移时的干涉图样 In ( x , y ,θn) ( n = 1 ,2 ,3 ,
相位技术是指从光强分布中提取出相位信息 ,通过计算 像 ,通过器件中的特殊的效应 ,把光学图像所表征的光强分
机处理得到各点的精确的相位数据 ,大大提高测量精度 。光 布转换成其他物理量的二维分布 (例如折射率 、电压 、电荷密
学干涉计量中相位测量可获得被测量区域全场的位相数据 , 度分布等) ,再通过器件的另一效应来调制处理系统中相干
《激光杂志》2010吴年加第权3等1 卷:液第晶2空期间 光 调 制 器LA相SE移R特JO性UR研N究AL (Vol. 31. No. 2. 2010)
21
它的频谱面上的非零级项的相移 。因此 ,只要提取出它的正 一级项 ,就既可以实现波面变换 ,又可以实现定量的相移操 作。
本文采用李威汉的编码法来讲述光调制计算全息相移
械惰性等特点 。利用外电压改变液晶分子的指向 ,达到控制 双折射 ,实现对光波的调制作用 ,成为对光波可编程的控制 器件 ,且能够精确产生特定相移量的特性〔2〕。由于在图像显 示 、光学信息处理中所具有的重要作用 ,空间光调制器的研 制一直受到相关领域的高度重视 :特别是近年来高速发展的 光电子产业大大促进了空间光调制器的研制 。