数字微反射镜纯相位调制实现方法及成像方法技术

本发明专利技术公开了一种数字微反射镜纯相位调制实现方法及成像方法，方法通过对数字微反射镜进行超像素划分，并基于振幅、相位筛选后，保留每个超像素单元的同振幅、不同相位的像素组合，并依此建立LUT，使数字微反射镜具备相位调制能力；成像方法中利用转换为纯相位调制器件的数字微反射镜结合IFTA算法，实现数字微反射镜相位调制成像。本发明专利技术有效地将数字微反射镜应用范围在一定程度上拓展为纯相位调制模式，使得一系列基于纯相位调制器的IFTA算法也可以用于数字微反射镜投影。以用于数字微反射镜投影。以用于数字微反射镜投影。

【技术实现步骤摘要】
数字微反射镜纯相位调制实现方法及成像方法


[0001]本专利技术涉及数字微反射镜调制成像方法领域，具体是一种数字微反射镜纯相位调制实现方法及成像方法。

技术介绍

[0002]在应用光学领域，有一类受控于电脑、调制图案可变的衍射光学元件（diffractive optical element，DOE），即空间光调制器（spatial light modulator，SLM）。这是一系列可以用来在空间或时间上对光进行振幅、相位等进行调制的设备，已经在生物、物理化学、材料等领域有广泛的应用。最常见的空间光调制器包括基于液晶的LCOS
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SLM（liquid crystal on silicon SLM），和基于MEMS（micro
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electro
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mechanical system）技术的数字微反射镜（digital micromirror device，DMD）。
[0003]市面上比较成熟的LCOS
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SLM产品主要为液晶型反射式纯相位（phase
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only）调制型，目前有些产品甚至可以达到相位区间内超千阶的调制能力。实际应用中通常采用基于2f光路系统（即光路中仅含一个傅里叶变换透镜的光学系统）的迭代傅里叶变换算法（Iterative Fourier Transform Algorithm，IFTA），将前焦面入射的高斯光或均匀光调制后投射为后焦面（即像面）上的目标光场，获得所需的光强分布。最早的IFTA算法见文献1：GERCHBERG R W, SAXTON W O. A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures[J]. OPTIK, 1972, 35: 237
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246，而后陆续有研究者在其基础上进行改进，如文献2：PASIENSKI M, DEMARCO B. A high
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accuracy algorithm for designing arbitrary holographic atom traps[J]. Optics Express, 2007, 16: 2176
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2190提出的 MRAF 算法，是当前成像效果最好的IFTA算法之一。
[0004]数字微反射镜（DMD）则是另一类器件，是由控制器控制的高速数字式微反射镜阵列。数字微反射镜中以各个微反射镜分别作为其像素，每个数字微反射镜的像素受控于控制器只能进行角度偏转实现该像素的开启和关闭，通过计算机基于目标光强分布图计算出所需的数字微反射镜输入图像，载入数字微反射镜的控制器，进而由控制器控制各个像素的开或闭，使数字微反射镜形成所需的输入图像，当光入射至数字微反射镜时，数字微反射镜按输入图像进行反射，经过光学系统投影成像。
[0005]基于上述数字微反射镜的工作原理可知，通常情况下数字微反射镜被用作纯振幅型调制器，比如对目标光强分布直接投影成像。也有一些技术利用其微结构衍射光进行更多自由度的振幅甚至相位调制，但受限于很弱的相位调制能力，至今只能对极其有限的特殊目标光强分布实现较好的复现。特别是在2f光路中，现有技术在生成任意多变的目标光强分布时效果仍不理想（如文献3：LEE W H. Binary synthetic holograms[J]. Applied Optics, 1974, 13: 1677
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1682；文献4：ZUPANCIC P. Dynamic holography and beam shaping using digital micromirror devices[D].[S.l.]: Ludwig
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Maximilian University of Munich, 2013）。总之，现有技术至今仍没有将数字微反射镜视为纯相位型
器件来进行编码使用，同时在2f光路进行成像时远远达不到为纯相位型器件开发的迭代傅里叶变换技术的效果。
[0006]现有技术文献5：GOORDEN S A, BERTOLOTTI J, MOSK A P. Superpixel
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based spatial amplitude and phase modulation using a digital micromirror[J]. Optics Express, 2014, 22: 17999
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18009中，提出了一种在4f光路（即光路中包含两个傅里叶变换透镜的光学系统，两透镜间距为两者焦距之和）中使用数字微反射镜的超像素（superpixel）方法，其将数字微反射镜的像素划分为多个超像素单元，每个超像素单元包含的数字微反射镜像素，通过选取一个特定的倾斜光轴方向，使得每个超像素单元中每个像素顺次单独开启时恰好均匀引入从0到2π的相位量，配合在4f光路的第一块透镜后焦面上特定位置摆放特定孔径的光阑进行低通滤波，使系统将每个超像素单元中的各个数字微反射镜像素细节模糊掉，并建立显示查找表LUT，其中存储有一个超像素单元总复光场对应的所有非重复振幅和相位及其像素组合，最终实现数字微反射镜对入射光场振幅和相位的共同调制并在4f光路的第二块透镜后焦面上成像。该方法存在的问题包括：（1）只能在4f光路使用，且必须在中间特定位置放置特定大小的滤波光阑，光路稍复杂。（2）相位调制能力很弱。由于每个超像素单元仅包含的数字微反射镜像素，在其种像素组合方式中，去掉重复的振幅和相位组合后仅剩6561种有效组合，且每种振幅对应的相位阶数平均只有不到8阶，有的振幅甚至只存在3阶可调相位。由此也无法应用现有的比较成熟的迭代傅里叶变换算法进行编码。（3）由于建立和使用的显示查找表LUT需要同时考虑振幅和相位，难以将每个超像素单元包含的数字微反射镜像素数从拓展到（其中为自然数，）。比如对于每个超像素单元包含的数字微反射镜像素的情况，共存在种组合，无论是搜索去除振幅和相位重复并建立显示查找表LUT，还是后续查表进行振幅和相位调制，实现上均非常困难且消耗大量计算资源。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种数字微反射镜纯相位调制实现方法及成像方法，以解决现有技术中数字微反射镜无法将超像素方法用于2f光路、无法进行超千阶相位调制、以及无法应用现有的供纯相位调制器使用的迭代傅里叶变换算法的问题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：数字微反射镜纯相位调制实现方法，包括以下步骤：步骤1、将数字微反射镜的所有像素划分为多个超像素单元，每个超像素单元均包含个数字微反射镜的像素，其中为自然数，；每个超像素单元中各个像素分别处于开启或关闭状态，由此每个超像素中各个像素基于开关状态共存在种像素组合；选取相对于中心光轴倾斜的方向，使得任意一个超像素单元中每个像素顺次单独开启时均匀引入从0到2π的相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.数字微反射镜纯相位调制实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将数字微反射镜的所有像素划分为多个超像素单元，每个超像素单元均包含个数字微反射镜的像素，其中为自然数，；每个超像素单元中各个像素分别处于开启或关闭状态，由此每个超像素中各个像素基于开关状态共存在种像素组合；选取相对于中心光轴倾斜的方向，使得任意一个超像素单元中每个像素顺次单独开启时均匀引入从0到2π的相位量；步骤2、基于步骤1得到的任意一个超像素单元中每个像素单独开启时引入的相位量，计算均匀平行光入射时该超像素单元的每种像素组合对应的总复光场，以及每种像素组合总复光场的振幅、相位，由此任意一个超像素单元对应得到个总复光场及总复光场各组对应的振幅、相位；步骤3、对于任意一个超像素单元，基于步骤2的计算结果设置振幅范围进行检测，保留总复光场振幅落入所述振幅范围的像素组合，丢弃总复光场振幅不在所述振幅范围的像素组合；步骤4、对于步骤3中任意一个超像素单元保留的像素组合，基于每种像素组合总复光场的相位进行检测，判断是否具有总复光场相位重复的像素组合，若具有总复光场相位重复的多种像素组合则仅保留其中一种像素组合，由此任意一个超像素单元最终保留多种振幅落入振幅范围、相位不重复的像素组合；步骤5、保存步骤4中任意一个超像素单元最终保留的多种像素组合与各自总复光场相位之间的对应关系，所有超像素单元共同基于所述对应关系实现纯相位调制，进而实现数字微反射镜的纯相位调制成像。2.根据权利要求1所述的数字微反射镜纯相位调制实现方法，其特征在于，步骤3中，从任意一个超像素单元对应的个总复光场振幅中确定最大振幅maxA，基于所述最大振幅maxA设置基准振幅，并基于所述基准振幅设置振幅范围。3.根据权利要求2所述的数字微反射镜纯相位调制实现方法，其特征在于，所述基准振幅设置为，其中可取（0，1）范围的任意数值。4.根据权利要求2所述的数字微反射镜纯相位调制实现方法，其特征在于，所述振幅范围设置为基准振幅，其中可取5%以内的任意数值。5.根据权利要求1所述的数字微反射镜纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宣恺，谢虔，苑震生，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：