基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，解决了传统光学元件功能单一、光波调制成本高、装置复杂、集成度低的技术难题。本发明专利技术系统依次设有光源扩束、调制、散射介质显微和探测模块，在调制和探测模块间设有数据处理模块。由计算机循环控制空间光调制器调制输入光场，探测器探测输出光场，进行数据整形，测得散射介质光学传输矩阵，并作可编程智能光学元件，结合光学相位共轭、相位恢复及散斑重建等方法实现光场调控，包括成像、色散、反常色散、聚焦及整形等。本发明专利技术智能化、多功能、低成本、易操作、高集成、操控性强，可用于军事、生物医学、集成光学及纳米光子学等科学研究领域中。

Programmable optical element based on scattering medium and optical field regulating system and method

The invention provides a scattering medium programmable optical element and optical field control system and method based on the traditional optical elements to solve the technical problems of single function, high cost, complex optical modulation device, a low degree of integration. The system of the invention is sequentially provided with a light source expansion beam, a modulation, a scattering medium, a microscope and a detecting module, and a data processing module is arranged between the modulation and the detecting module. The computer control loop spatial light modulator input optical field detector output light field data shaping, measured scattering optical transmission matrix, and programmable intelligent optical components with optical phase conjugation, phase recovery and reconstruction method of the speckle light field control, including imaging, dispersion and anomalous dispersion focus, and plastic etc.. The invention has the advantages of intelligence, multifunction, low cost, easy operation, high integration and strong manipulation, and can be used in the scientific research fields of military, biomedicine, integrated optics and nano photonics, etc..

【技术实现步骤摘要】
基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法
本专利技术属于新体制光学成像与光场调控
，主要涉及可编程智能光学元件及成像系统，具体是一种基于散射介质的数字化智能可编程光学元件及其成像系统。利用本专利技术可实现光波的可编程控制与多功能可控光学元件的构建，用于光波调控以及光束整形。
技术介绍
使用传统的折射光学元件并基于折射定律可以对光束进行控制、约束，但是单一光学元件很难产生较复杂光场，一般要产生特定的复杂光场，需要使用折反射透镜组合系统来实现。双折射透镜组整形系统通过两对双折射晶体透镜以及一个检偏器构成，可产生特定复杂光场，此方法使用双折射元件组进行光束整形。此灵活方便，易于改变其透过率函数，尤其适用于线偏振的高斯光束的整形并且该系统设计方便，结构紧凑，费用低廉，在工程上有较高的实用价值，但此种方法在近场动态情况下还无法实现对光波的整形。非球面透镜组整形系统是最早的无能量损失的相位型光束整形系统，可将高斯光束整形为均匀光束，但是其只对单模激光光束的整形效果较好，对于激光器发出的光场强度分布未知甚至随时间不断变化的复杂多模激光束则失去作用。微透镜阵列整形系统由多个微透镜单元组成，可以产生较复杂的光场，但是它由多个单元排成阵列，无论怎么紧密，表面总会有空隙，除了这些空隙造成能量损失外，微透镜的边缘要发生菲涅尔衍射，也使能量有所损失，而且此方法无法随光束灵活的调节其透过率函数。衍射光学元件通过控制光波的衍射与传输，可以实现波前调制与相位调控，可用来产生不同于传统折衍射光学元件的光束变换功能，具有结构简单，集成度高，可设计自由度大的特点，但是其设计制作难度大，成本高，以及无法实现复杂光场自由控制的不足，限制了其在实际光学系统中的应用。超表面是最近发展起来的纳米光子学领域的一个重要研究方向，通过微纳结构，超表面可以实现光场控制并制作为超表面成像器件和光学功能元件。其具有亚波长控制精度与高度集成化的特点，同时可设计实现多功能光学控制、全息成像、偏振转换、反常折反射等功能元件。由于其设计复杂精细，制作加工需要亚波长控制精度，成本很高，能量利用效率有限，因此其应用发展与应用领域收到了一定的制约。上述方法各有所长，但都有一个共同的缺点：每个器件针对特定的光束而设计，且制作好的光学元件功能限定而无法灵活地调节其透射函数。因此，无法实现多功能光学变换效果，无法构建实时可控的光学元件与系统。那么是否有一种方法，可以全面、准确的表征系统对任意光场的调控作用并且可以实现灵活智能的变换呢？实际上由巴黎工业物理和化学高等教育机构社提出的“光学传输矩阵”可以较为理想的描述上述作用，一旦散射介质的光学传输矩阵被测量，其对于入射光场的作用就变得可控，也就是说此时的散射介质可以充当可编程光学元件实现光波整形和光束变换，这是一种可实现多功能光学变换效果、构建实时可控光学元件的新颖思路，但是在目前的新体制光学成像与光场调控
中，并没有较为具体的系统或结构利用散射介质的光学传输矩阵实现对任意光场的调控作用，以及任意改变散射介质以构建更为复杂的光场。故本专利技术提出的基于散射介质的数字化可编程光学元件，其使用前提就是测得散射介质的光学传输矩阵。目前，测量散射介质光学传输矩阵的主要测量方法有：相位匹配方法，空间频率分解法、波前相位调制法以及全场四步相移干涉测量方法等。基于相位匹配方法测得散射介质光学传输矩阵的方法，计算量较大、耗时较长并且对恢复出的相位精度要求较高；基于空间频率分解法出现较早，但是无法测量倏逝波下散射介质光学传输矩阵，限制了其在实际工程中的应用；基于波前相位调制法对散射介质光学传输矩阵进行测量装置简单，但是测量精度较低，不适合测量光波整形的散射介质光学传输矩阵。全场四步相移干涉测量方法利用干涉原理，通过改变加载到空间光调制器上的相位实现对输入光场的改变，对应得到不同的相机探测结果，最终通过计算输入输出关系解得散射介质光学传输矩阵，此方法装置简单、精度较高，本专利技术对散射介质光学传输矩阵进行测量时采用此方法。上述光场调控方法以及光学传输矩阵测量方法各有优点，但是也存在很多不足，比如无法针对不同的光场输入实现理想的光波输出、结构复杂且造价较高、对实验装置的一些参数要求较为苛刻、只能解决特定问题而无法全面并准确的将对光场的作用进行描述以及无法实现任意可控光场输出与光束整形及光波变换等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于散射介质的集成化可编程控制智能光学元件及成像系统，以实现低成本、易操作、高集成度、操控性强的数字化可编程智能光束整形、光波变换元件与系统。本专利技术首先是一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，按照光路方向依次设有光源扩束模块、调制模块、探测模块，并设有数据处理模块，数据处理模块在调制模块和探测模块之间电路连接，用于调制模块和探测模块的电信号反馈及控制，所述光源扩束模块包括激光器和接在激光器输出端的扩束器，用于发出特定波长和直径的光束；所述探测模块包括探测器，用于接收经激光器发射并被光学处理后的光波信号，记录其散斑强度信息并传输到数据处理模块中，进而实现对调制模块和探测模块的电信号控制；所述数据处理模块包括计算机，用于控制调制模块循环加载不同相位图像、控制探测器自动采集图像、对测得的所有数据进行整形处理，实现对基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的输入光场和输出光场进行调控，其特征在于：调制模块以及探测模块的光路之间还设有散射介质显微模块，所述散射介质显微模块沿光路方向同光轴依次接有第一显微物镜、散射介质和第二显微物镜，其中第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的焦点上，散射介质的作用用光学传输矩阵描述，第一显微物镜对光束的聚集作用以及第二显微物镜对光束的收集作用，助于快速有效的测得散射介质的光学传输矩阵，当散射介质的光学传输矩阵被测量得到后，此散射介质显微模块中的散射介质即可作为可编程智能光学元件，对入射光波进行控制，进而实现光场调控，如聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换等；所述调制模块位于光源扩束模块和散射介质显微模块之间，在调制模块中沿光路方向依次接有半波片、空间光调制器以及偏振片，空间光调制器受数据处理模块数据控制，半波片和偏振片搭配空间光调制器实现纯相位调制，数据处理模块控制空间光调制器将入射到空间光调制器的光束分别为两部分，其中一部分被调制，称为调制光，另一部分称为参考光，两部分共同入射到偏振片并进入散射介质显微模块；计算机控制改变加载到空间光调制器上的相位图像，并记录探测器采集的图像，重复此过程数次以测量并计算散射介质的光学传输矩阵，结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建等方法，利用可编程光学元件，即散射介质的光学传输矩阵，可以实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。本专利技术还是一种基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，实现可编程智能光学元件就是测量散射介质的光学传输矩阵，其特征在于：在权利要求1至5中任意的基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统上运行，包括有如下步骤：步骤1：设置系统参数，确定基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统各参数，主要根据系统视场角大小、空间光调制器的像元尺寸、探测器的像元尺寸，确定空间光调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，按照光路方向依次设有光源扩束模块、调制模块、探测模块，并设有数据处理模块，数据处理模块在调制模块和探测模块之间电路连接，用于调制模块和探测模块的电信号反馈及控制，所述光源扩束模块包括激光器和接在激光器输出端的扩束器，用于发出特定波长和直径的光束；所述探测模块包括探测器，用于接收经激光器发射并被光学处理后的光波信号，记录其散斑强度信息并传输到数据处理模块中，进而实现对调制模块和探测模块的电信号控制；所述数据处理模块包括计算机，用于控制调制模块循环加载不同相位图像、控制探测器自动采集图像、对测得的所有数据进行整形处理，实现对基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的输入光场和输出光场进行调控，其特征在于：调制模块以及探测模块的光路之间还设有散射介质显微模块，所述散射介质显微模块沿光路方向同光轴依次接有第一显微物镜、散射介质和第二显微物镜，其中第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的焦点上，散射介质的作用用光学传输矩阵描述，第一显微物镜对光束的聚集作用以及第二显微物镜对光束的收集作用，助于快速有效的测得散射介质的光学传输矩阵，当散射介质的光学传输矩阵被测量得到后，此散射介质显微模块中的散射介质即可作为可编程智能光学元件，对入射光波进行控制，进而实现光场调控，如聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换；所述调制模块位于光源扩束模块和散射介质显微模块之间，在调制模块中沿光路方向依次接有半波片、空间光调制器以及偏振片，空间光调制器受数据处理模块数据控制，半波片和偏振片搭配空间光调制器实现纯相位调制，数据处理模块控制空间光调制器将入射到空间光调制器的光束分别为两部分，其中一部分被调制，称为调制光，另一部分称为参考光，两部分共同入射到偏振片并进入散射介质显微模块；计算机控制改变加载到空间光调制器上的相位图像，并记录探测器采集的图像，重复此过程数次以测量并计算散射介质的光学传输矩阵，结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建等方法，利用可编程光学元件，即散射介质的光学传输矩阵，可以实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。...

【技术特征摘要】
1.一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，按照光路方向依次设有光源扩束模块、调制模块、探测模块，并设有数据处理模块，数据处理模块在调制模块和探测模块之间电路连接，用于调制模块和探测模块的电信号反馈及控制，所述光源扩束模块包括激光器和接在激光器输出端的扩束器，用于发出特定波长和直径的光束；所述探测模块包括探测器，用于接收经激光器发射并被光学处理后的光波信号，记录其散斑强度信息并传输到数据处理模块中，进而实现对调制模块和探测模块的电信号控制；所述数据处理模块包括计算机，用于控制调制模块循环加载不同相位图像、控制探测器自动采集图像、对测得的所有数据进行整形处理，实现对基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的输入光场和输出光场进行调控，其特征在于：调制模块以及探测模块的光路之间还设有散射介质显微模块，所述散射介质显微模块沿光路方向同光轴依次接有第一显微物镜、散射介质和第二显微物镜，其中第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的焦点上，散射介质的作用用光学传输矩阵描述，第一显微物镜对光束的聚集作用以及第二显微物镜对光束的收集作用，助于快速有效的测得散射介质的光学传输矩阵，当散射介质的光学传输矩阵被测量得到后，此散射介质显微模块中的散射介质即可作为可编程智能光学元件，对入射光波进行控制，进而实现光场调控，如聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换；所述调制模块位于光源扩束模块和散射介质显微模块之间，在调制模块中沿光路方向依次接有半波片、空间光调制器以及偏振片，空间光调制器受数据处理模块数据控制，半波片和偏振片搭配空间光调制器实现纯相位调制，数据处理模块控制空间光调制器将入射到空间光调制器的光束分别为两部分，其中一部分被调制，称为调制光，另一部分称为参考光，两部分共同入射到偏振片并进入散射介质显微模块；计算机控制改变加载到空间光调制器上的相位图像，并记录探测器采集的图像，重复此过程数次以测量并计算散射介质的光学传输矩阵，结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建等方法，利用可编程光学元件，即散射介质的光学传输矩阵，可以实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。2.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：散射介质显微模块中，散射介质或采用强散射材料，或采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料；散射介质的作用用光学传输矩阵描述，通过改变散射介质的透射率、表面粗糙度以及构成形状得到不同性质的光学传输矩阵，测得其光学传输矩阵后，散射介质作为自由可控自适应多功能光学元件，能达到衍射光学元件、折射光学元件实现的光学变换调控效果，比如可实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换等。3.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍数成比例，其比例服从公式DSLM/Dcmos＝b1/b2，其中DSLM表示空间光调制器的像元尺寸大小，Dcmos表示探测器接收的像元尺寸大小，b1表示第一显微物镜的放大倍数，b2表示第二显微物镜的放大倍数；要求第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的后焦面，第二显微物镜的前焦面。4.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：空间光调制器工作在纯相位调制模式，采用调制深度为2π的空间光调制器时，其灰度-相位特征曲线关系满足x＝255θ/2π，其中x代表加载到空间光调制器上的灰度大小，θ代表待加载相位的值；空间光调制器与散射介质的距离d由视场角FOV决定，满足FOV≈λd/πL，其中L为散射介质厚度，λ为光源波长，π为常数。5.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：光源扩束模块中光源采用可见光波段的窄带激光器，根据空间光调制器上调制像素的大小，采用扩束器对激光进行扩束。6.一种基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，实现可编程智能光学元件就是测量散射介质的光学传输矩阵，其特征在于：在权利要求1至5中任意的基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统上运行，包括有如下步骤：步骤1：设置系统参数，确定基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统各参数，主要根据系统视场角大小、空间光调制器的像元尺寸、探测器的像元尺寸，确定空间光调制器与散射介质之间的间距以及各器件参数，如第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍数；根据第一显微物镜和第二显微物镜的焦距确定散射介质的位置，根据空间光调制器液晶的长轴方向以及偏振片的最大通光方向分别确定半波片和偏振片的角度，根据第二显微物镜的焦距，确定探测器的位置；根据调制光和参考光比例确定光束直径；步骤2：系统工作启动，打开计算机、激光器、空间光调制器以及探测器；步骤3：测量散射介质哈达玛基输入下的单一光学传输矩阵，设待测散射介质的光学传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰涛，王剑南，朱磊，郭成飞，邵晓鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61