基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于DMD器件与共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法。该空间光调制器由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件可对空间光进行高速二进制调制，通过共轴光学系统可将简单的二进制调制转换为任意幅度和相位的调制结果，调制精度由共轴光学系统中的小孔和DMD器件的偏转角度共同控制，在合适的偏转角度配合下小孔孔径越小获得的调制精度越高。本发明专利技术的空间光调制器采用共轴光学系统，实现了DMD器件对空间光的幅度和相位的独立调制；其具有速度快、调制精度高、调制精度可调等优势，其在速度方面能提升两个数量级，通过调节小孔孔径可以实现任意精度，且可以实现幅度与相位的高度独立调制。

【技术实现步骤摘要】
基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法
本专利技术属于光学
，涉及空间光调制技术、信息光学、全息成像和显示技术，具体涉及一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法。
技术介绍
空间光调制技术是信息光学、全息成像、高精度显示、显微成像等领域的关键核心技术之一。空间光调制器是实现空间光调制的器件，能够对入射的空间光实现幅度或者相位方面的调制。调制信息通常以数字或模拟的电信号形式加载在空间光调制器上。现有成熟的商品化的空间光调制器件采用特殊材料制成，利用这些材料的电特性对入射光的幅度和相位施加调制。主要代表性的材料为液晶等。现有的空间光调制器(SpacialLightModulator，SLM)，严重依赖器件材料的特性，而这些材料主要是复杂有机化合物，对工作环境要求较为苛刻，也受环境影响较大。此外，现有的空间光调制器存在着调制精度低、调制数据更新速度慢、幅度和相位无法独立调制等问题，在调制速度、调制精度、被调制的参量类型等方面均难以满足快速增长的技术需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有空间光调制器件存在的缺陷，提供一种能够摆脱材料对调制精度和调制速度的约束，能够实现较高调制精度和调制速度的，基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法。本专利技术的技术方案如下：本专利技术一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，它由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面在同一光轴上依次排列；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔(即滤波小孔光阑上用于滤波的小孔)、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面之间的距离分别为一倍的傅里叶变换透镜的焦距f，整个系统的光路长度共为4f；在同一光轴上，DMD器件与第一傅里叶变换透镜之间，还设有倾斜角度为45度的分光镜。所谓的共轴4f小孔滤波光学系统，其中：共轴，是指两个傅里叶变换透镜和用于滤波的小孔处于相同的光轴之上；4f，是指4倍焦距，f是指傅里叶变换透镜的焦距；4f小孔滤波光学系统，是指DMD器件、第一傅里叶变换透镜、用于滤波的小孔、第二傅里叶变换透镜和调制面之间的距离分别为一倍的焦距f，整个系统的光路长度共为4f。进一步地，该空间光调制器的调制速度由DMD器件的微镜翻转速度或微镜更新速度决定；该空间光调制器的调制精度由滤波小孔的孔径尺寸所决定；在DMD器件偏转角度的配合下，滤波小孔的孔径尺寸越小，调制精度越高。进一步地，DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转可以实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下可以形成多种调制方案。进一步地，该空间光调制器可以同时对入射光信号的幅度和相位进行调制，而且幅度和相位的调制彼此独立。进一步地，该空间光调制器，其幅度与相位的调制精度可以根据实际的应用需求进行调节。利用本专利技术的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，对空间光进行幅度和相位调制的调制方法如下：(1)通过分光镜使入射光沿4f系统光轴入射到DMD器件上；将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异；(2)通过打开和关闭DMD器件上不同位置处的像素，经过小孔滤波后可以得到具有不同幅度和相位的调制结果。进一步地，DMD器件通过围绕自身中心的三个轴旋转可以实现对调制方案的修正，在滤波小孔孔径尺寸的配合下可以形成多种调制方案；可以根据实际的应用需求，通过控制DMD器件的偏转角度并且通过调节滤波小孔的孔径尺寸，实现对空间光的幅度和相位的调制精度的任意调节。本专利技术提供了一种利用数字微镜阵列器件(DigitalMirrorDevice，DMD)和共轴光学系统实现高速高精度的空间光幅度和相位独立调制技术。该技术中所采用的DMD器件可以对空间光进行高速的二进制调制，而通过共轴4f小孔滤波光学系统可以将简单的二进制调制转换为任意幅度和相位的调制结果；调制精度由共轴光学系统中的小孔以及DMD器件的偏转角度共同控制，在合适的偏转角度配合下，小孔孔径越小获得的调制精度越高。本专利技术的核心特征体现在以下两个方面：(1)采用共轴光学系统，实现DMD器件对空间光的调制；(2)该空间光调制器实现了对空间光的幅度和相位的独立调制。本专利技术的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器及调制方法，包括以下内容：1、DMD器件承载了由大量微镜所组成的微镜阵列；每个微镜仅能实现“打开”或“关闭”的二元操作，进而对空间光实现“有”或“无”的二进制调制。2、为实现高精度的幅度和相位的独立调制，在本专利技术中首先将DMD器件沿其中心轴向进行三维旋转，使得其不同位置上的入射光相位存在一定的周期性差异。3、在本专利技术中利用4f光学系统配合以一个共轴的滤波小孔实现光学低通滤波器，利用这一空间光低通滤波器，可以有效地将DMD器件上相邻像素的调制结果混合在一起，得到所需要的幅度和相位调制结果。4、通过打开和关闭DMD器件上不同位置处的像素，经过小孔滤波后可以得到具有不同幅度和相位的调制结果。在以上所描述的内容1中，DMD器件的典型工作原理如下：DMD器件由成千上万个(最多可内置2048*1152阵列)可倾斜的反射微镜组成，其成像是靠微镜转动完成的，每一个像素上都有一个可以转动的微镜；每个微镜的尺寸为8*8微米～16*16微米，微镜间隔约1～2微米；每个微镜都有±10°～15°的偏转角，分别对应“打开”状态和“关闭”状态。即：DMD器件上承载了由大量可转动的反射微镜所组成的微镜阵列；每个微镜仅具有“打开”、“关闭”两种调制状态，只能对入射光实现“有”或“无”的二进制调制。通过控制每个微镜的“打开”或“关闭”状态，可以控制微镜是否反射光。在实际系统中，通过向每个微镜写入0或者1实现对微镜的“关闭”或“打开”状态的控制。在以上所描述的内容2中，假设入射光沿4f系统光轴入射至DMD器件，通过使DMD相对入射光进行三维旋转,从而使得DMD上的各微镜入射光的相位存在周期性差异。如图2所示，在图2中，(X,Y,Z)为光学系统坐标系，其中Z轴为光轴；(U,V,W)坐标系为DMD器件的坐标系，U和V轴为DMD器件的像素延展方向，W轴垂直于DMD器件表面指向DMD器件反射光的方向。在图中DMD器件坐标系原点与光学系统原点重合，两套坐标系各轴间存在的夹角分别为α、β和γ。图2中的DMD器件沿光轴方向的偏角如图3所示。图3中仅给出了DMD器件与光轴在俯仰方向的旋转关系。如图3所示，DMD器件与光轴之间不是垂直的，而是存在一个夹角α。由于夹角α的存在，使得入射光在DMD器件上每N个像素即相差λ的路程差，其中λ为入射光的波长，即DMD器件上每N个像素就存在2π的相位差。通过DMD与Z轴和X轴的夹角，使得DMD器件在两个方向上各像素都具有周期性的相位差。这些具有周期性相位差的二进制调制像素可以合成具有独立幅度相位的调制结果。这种合成的操作则由后续的4f系统以及相应的小孔配合加以实现。在以上所描述的内容3中，利用一个4f系统以及一个滤波小孔，构造空间光的低通滤波器。利用空间光的低通滤波器，实现将二进制调制得到的具有不同相位的光信号进行混合叠本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,它由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面在同一光轴上依次排列；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面之间的距离分别为一倍的傅里叶变换透镜的焦距f，整个系统的光路长度共为4f。

【技术特征摘要】
1.一种基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,它由DMD器件和一个共轴4f小孔滤波光学系统构成；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面在同一光轴上依次排列；DMD器件、第一傅里叶变换透镜、滤波小孔光阑、第二傅里叶变换透镜和调制结果输出面之间的距离分别为一倍的傅里叶变换透镜的焦距f，整个系统的光路长度共为4f。2.如权利要求1所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,在同一光轴上，DMD器件与第一傅里叶变换透镜之间，还设有倾斜角度为45度的分光镜。3.如权利要求1或2所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,DMD器件由成千上万个可倾斜的反射微镜组成，每一个像素上都有一个可以转动的微镜；每个微镜都有±10°～15°的偏转角，分别对应“打开”状态和“关闭”状态，即：每个微镜仅具有“打开”、“关闭”两种调制状态，只能对入射光实现“有”或“无”的二进制调制。4.如权利要求3所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,每个微镜的尺寸为8*8微米～16*16微米，微镜间隔为1～2微米。5.如权利要求3所述的基于DMD器件和共轴光学系统的高速高精度空间光调制器，其特征在于,该空间光调制器的调制速度由DMD器件的微镜翻转速度或微镜更新速度决定；该空间光调制器的调制精度由滤波小孔的孔径尺寸所决定；在DMD器件偏转角度的配合下，滤波小孔的孔径尺寸越小，调制精...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开志，翟长松，陈立武，
申请(专利权)人：上海德渺科学仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31