三维复杂光场的全相位调制方法技术

一种三维复杂光场的全相位调制方法，采用相干光源１照射全相位空间光调制器２，全相位空间光调制器２出射平面的相干光经光学成像系统３传播到达第一成像平面４，相干光在自由空间继续传播，并依次到达第二成像平面５，第三成像平面６等多个成像平面，在每个成像平面的设定区域内，振幅分布满足设定值，成像平面的设定区域和振幅分布设定值由三维空间复杂光场的分布决定，全相位空间光调制器２的相位分布函数通过迭代方法求得，该方法可以实现在任意三维曲面上的投影、实现三维立体显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用全相位空间光调制器调制复杂光场的方法，尤其是涉及 一种在多个平面同时实现复杂光场振幅调制，即通过全相位空间光调制器实现三 维空间复杂光场振幅调制的方法。
技术介绍
全相位空间光调制器(phase only spatial light modulator)在相干光波前调制 领域有非常重要的应用前景。全相位空间光调制器还被用于二维动态图像的投影 (参考文献l: A Georgiou, J Christmas, N Collings, J Moore and WA Crossland, 'Aspects of hologram calculation forvideo什ames', J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 (2008) 035302 (9叩))，具有低功耗、结构紧凑等特点。利用全相位空间光调制器实现二 维动态图像投影的基本原理在于，全相位空间光调制器和成像平面上的复杂光场 之间满足傅里叶变换关系，在预先设定成像平面复杂光场的振幅分布函数条件 下，可以通过迭代方法(参考文献2:丄R. Fienup, 'Phase retrieval algorithms: a comparison', APPLIED OPTICS, Vol. 21, No. 15, 1982: 2758-2769)或解析方法(参考 文献3: T. E. Gureyev, , A. Pogany, D. M. Paganin, S. W. Wilkins, 'Linear algorithms for phase retrieval in the Fresnel region', Optics Communications 231 (2004) 53—70)求得对应的全相位空间光调制器的相位分布函数。将全相位空间光调制器调制为 计算获得的相位分布函数，并采用相干光照射全相位空间光调制器，经过衍射，在成像平面上可以观察到预先设定的振幅分布。但是目前的调制方法主要集中在 二维空间光场的调制上，本专利技术提供一种实现三维空间复杂光场的调制方法。
技术实现思路
技术问题为克服目前全相位空间光调制器只能对二维空间复杂光场进行调 制，本专利技术提供一种三维空间复杂光场的调制方法，该方法可以在多个成像平面上同时对复杂光场振幅进行调制。技术方案本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是采用相干光源1照射全相位空间光调制器2,全相位空间光调制器2出射平 面的相干光经光学成像系统3传播到达第一成像平面4，相干光在自由空间继续 传播，并依次到达第二成像平面5，第三成像平面6等多个成像平面，在每个成像平面的设定区域(例如4、 4、 4)内，振幅分布满足设定值(例如巧(x,力、F"x,y)、 F;(x，力)。相干光的传播过程符合标量衍射原理(参考文献4: jos印hW. Goodman, 'Introduction to Fourier Optics, Third Edition',电子工业出版社， 2006)，自由空间的传播函数为<formula>formula see original document page 5</formula>0其它其中，A为相干光波长，z为传播距离。全相位空间光调制器2仅对入射相干光的相位进行调制，而振幅保持不变。 光学成像系统3可以是不包含任何光学组件的自由空间，也可以是包含一个或多个共轴透镜的系统，采用透镜可以縮小复杂光场在光学成像系统3出射平面的空间分布范围，扩大衍射角度，或相反呈放大的像。为实现三维空间复杂光场的调制，在三维空间复杂光场的传播方向上预先设定多个成像平面，从而将三维空间复杂光场的分布离散为多个二维成像平面复杂光场的分布，每个成像平面的设定区域(例如4、 4、 4)，以及在设定区域内的振幅分布设定值(例如A(xj)、尸2(x,少)、尸3(x,力)由离散过程决定，从而可以实现任意三维空间复杂光场的调制。本专利技术所提供的方法，可以实现采用单 个全相位空间光调制器2在任意三维曲面上投影清晰图像，实现三维立体显示。 在确定成像平面，以及每个成像平面设定区域(例如4、 4、 4)和在设 定区域内的振幅分布设定值(例如巧0c,川、F"x，力、^(xj))条件下，全相 位空间光调制器2的相位分布函数由以下方法确定该方法采用相千光源照射全相位空间光调制器2，经光学成像系统3传播， 同时在多个成像平面上调制复杂光场的振幅分布，该方法包含以下步骤1) 初始化并设定迭代的初始平面，确定多个成像平面复杂光场的设定区域， 以及振幅分布设定值，确定全相位空间光调制器2的初始相位分布函数，2) 复杂光场正向传播距离zl，即全相位空间光调制器2出射平面的复杂光 场经过光学成像系统3，传播了距离zl，到达了第一成像平面4，3) 施加第一成像平面4振幅限制条件，即在预先设定区域^内，修正后的振幅分布函数v4mpZ(x,力与设定值《(x，力相等，而在区域4外，保持不变，相位分布函数保持不变，4) 复杂光场正向传播距离z2，即第一成像平面4出射的复杂光场传播距离 z2，到达第二成像平面5，5) 施加第二成像平面5振幅限制条件，即在预先设定区域^内，修正后的振幅分布函数Jwp/Oc，少)与设定值F";c，W相等，而在区域4外，保持不变，相位分布函数保持不变，6) 复杂光场正向传播距离z3，即第二成像平面5出射的复杂光场传播距离 z3，到达第三成像平面6，7) 施加第三成像平面6振幅限制条件，即在预先设定区域^内，修正后的振幅分布函数爿wp/(;c,j;)与设定值F3(jc,力相等，而在区域4外，保持不变，相位分布函数保持不变，8) 计算并判断第一、二、三成像平面重建振幅分布函数误差是否都小于设 定值，如果误差小于设定阈值o，则迭代结束，否则继续步骤9)，9) 复杂光场反向传播距离zl+z2+z3，即第三成像平面6出射的复杂光场反 向传播zl+z2+z3，到达全相位空间光调制器2出射平面，10) 施加全相位空间光调制器2出射平面振幅限制条件，即将振幅分布函数 ^附A(x,力修正为均匀分布，而相位分布函数保持不变，11) 迭代循环步骤2) 步骤10)，直到步骤8)中误差小于设定阈值o，停 止迭代。上述步骤是一个循环迭代过程，步骤1)中的迭代的起点可以是全相位空间 光调制器2的出射平面，也可以是三维空间中的任何一个平面，例如第一成像平 面4，或第二成像平面5、或第三成像平面6。本领域内研究人员可以根据需要改变迭代次序，或增加嵌套循环迭代过程， 例如步骤9)中可以增加嵌套循环迭代过程，先反向传播到第一成像平面4，并 在第一成像平面4、第二成像平面5和第三成像平面6之间进行多次迭代，然后 再返回到全相位空间光调制器2的出射平面。全相位空间光调制器2的相位分布函数可以采用解析方法求解，(参考文献 3)，或使用解析法求解作为步骤1)中的初始值，再从步骤l)开始迭代运算， 直至步骤8)中的误差小于设定阈值CJ。上述步骤讨论的相干光是单波长的单色光，也可以针对多个波长的相干光分 别进行迭代运算，多个波长的相干光可以采用分时复用的方式通过空间光调制器 2进行调制，从而实现全彩色图像。上述步骤2)中忽略光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维复杂光场的全相位调制方法，其特征在于：该方法采用相干光源（１）照射全相位空间光调制器（２），经光学成像系统（３）传播，同时在多个成像平面上调制复杂光场的振幅分布，该方法包含以下步骤：　１）初始化并设定迭代的初始平面，确定多个成像平面复杂光场的设定区域，以及振幅分布设定值，确定全相位空间光调制器（２）的初始相位分布函数，　２）复杂光场正向传播距离ｚ１，即全相位空间光调制器（２）出射平面的复杂光场经过光学成像系统（３），传播了距离ｚ１，到达了第一成像平面（４），　３）施加第一成像平面（４）振幅限制条件，即在预先设定区域Ａ↓［１］内，修正后的振幅分布函数Ａｍｐ↓［１］′（ｘ，ｙ）与设定值Ｆ↓［１］（ｘ，ｙ）相等，而在区域Ａ↓［１］外，保持不变，相位分布函数保持不变，　４）复杂光场正向传播距离ｚ２，即第一成像平面（４）出射的复杂光场传播距离ｚ２，到达第二成像平面（５），　５）施加第二成像平面（５）振幅限制条件，即在预先设定区域Ａ↓［２］内，修正后的振幅分布函数Ａｍｐ↓［２］′（ｘ，ｙ）与设定值Ｆ↓［２］（ｘ，ｙ）相等，而在区域Ａ↓［２］外，保持不变，相位分布函数保持不变，　６）复杂光场正向传播距离ｚ３，即第二成像平面（５）出射的复杂光场传播距离ｚ３，到达第三成像平面（６），　７）施加第三成像平面（６）振幅限制条件，即在预先设定区域Ａ↓［３］内，修正后的振幅分布函数Ａｍｐ↓［３］′（ｘ，ｙ）与设定值Ｆ↓［３］（ｘ，ｙ）相等，而在区域Ａ↓［３］外，保持不变，相位分布函数保持不变，　８）计算并判断第一、二、三成像平面重建振幅分布函数误差是否都小于设定值，如果误差小于设定阈值σ，则迭代结束，否则继续步骤９），　９）复杂光场反向传播距离ｚ１＋ｚ２＋ｚ３，即第三成像平面（６）出射的复杂光场反向传播ｚ１＋ｚ２＋ｚ３，到达全相位空间光调制器（２）出射平面，　１０）施加全相位空间光调制器（２）出射平面振幅限制条件，即将振幅分布函数Ａｍｐ↓［４］（ｘ，ｙ）修正为均匀分布，而相位分布函数保持不变，　１１）迭代循环步骤２）～步骤１０），直到步骤８）中误差小于设定阈值σ，停止迭代。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏军，雷威，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]