【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种矢量波前整形方法，具体涉及一种透过散射介质实现光场矢量调控的方法。
技术介绍
1、波前整形技术是一种利用空间光调制器件对光波前进行的复振幅进行像素级的调控，进而实现调制后的光波通过散射介质后进行聚焦或无畸变成像，本质是通过对波前复振幅的预调制来补偿散射介质引起的波前畸变，使得经过散射介质后的光线能够重新聚焦或成像。该技术的目的是实现光束透过深层生物组织、浑浊液体、大气湍流等散射介质进行清晰成像。根据实现方式的不同，现有的波前整形技术可分为迭代优化技术，传输矩阵技术和光学相位共轭技术三大类。迭代优化和传输矩阵技术需要多次采集散斑分布，难以实时进行整形，光学相位共轭技术基于时间反演原理，只需要单次采集便可以实现实时的波前整形，对于动态散射介质的波前整形更具优越性。现有的波前整形技术虽然可以实现透过散射介质的光场聚焦或成像，但是难以实现光场的偏振调控，对于透过散射介质进行极化分子成像或矢量聚焦等应用，仍然无法满足条件。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种透过散射介质实现光场矢量调控的方法及装置，克服现有波前整形技术难以调控光场的偏振分布的不足，同时为散射介质成像理论提供新的技术手段，主要原理是基于数字光学相位共轭和光波的矢量合成与分解。
2、本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：
3、一方面，一种透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于包括以下步骤：
4、s1、散斑场复振幅记录过程：基于离轴数字全息术、偏振角度复用
5、s2、散斑场共轭相位获取过程：从复合全息图h1(m,n)和h2(m,n)中利用数值重建方法分别解调出左旋圆偏振光和右旋圆偏振光形成的散斑场复振幅的正交偏振分量，并进一步从复振幅中数值计算得到共轭相位分布角标s和p分别表示散斑场复振幅的水平偏振分量和竖直偏振分量；
6、s3、散斑场相位共轭及重新聚焦过程：将和转换为空间光调制器件对应的图像，然后编码到同一幅灰度图像g1(m,n)中，同理，将和编码到同一幅图像g2(m,n)中；将g1和g2同时加载到两个空间光调制器件上，并与参考光照射得到两束相位共轭光，利用图像采集器件二记录两束相位共轭光束形成的叠加焦点复振幅及偏振分布；
7、s4、相位共轭光束矢量调制过程：对步骤s2获得的共轭相位分布分别施加不同的相位差,并改变两束参考光的强度比，根据矢量光束的合成与分解原理，此时的相位共轭光是由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加而成，且左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的强度与相位均是可调的，通过检测图像采集器件二记录共轭光束形成的焦点偏振分布，完成光束透过散射介质的矢量调控。
8、优选地，所述散斑场复振幅记录过程，对应于图2所示光路结构，具体包括以下步骤：
9、(s1-1)、由所述连续激光光源1输出的可见光经光学扩束准直系统2后变为线偏振光束，然后经过偏振片3调制得到45度线偏振光束，后经偏振分束镜4分为透射光束和反射光束两束；
10、(s1-2)、反射光束经过偏振调制系统5调制得到左旋圆偏振光束，依次经过反射镜6、会聚透镜7入射到散射介质8中，从散射介质出射的散射光束被会聚透镜9收集，透过非偏振合束镜10后到达图像采集器件一11靶面形成散斑场，记为s1；
11、(s1-3)、透射光束再次经过非偏振分束镜12和半波片13，分为水平偏振光r1s和竖直偏振光r1p并分别垂直入射到两个反射式空间光调制器件14，15的表面，空间光调制器件的偏振响应方向与光束偏振方向一致，并处于关闭状态；
12、(s1-4)、经空间光调制器件直接反射后的两束光再次经过非偏振分束镜合束后，通过由透镜16和透镜17组成的4f系统后到达图像采集器件一靶面，调整两个反射式空间光调制器件和成像器件一的空间位置及俯仰和旋转角度，使得两个反射式空间光调制器件和图像采集器件一处于4f系统的共轭面；
13、(s1-5)、微调图像采集器件一前的消偏振合束镜角度，使得s1与rs、rp发生离轴干涉形成复合全息图h1(m,n)被成像器件记录；然后调整左旋圆偏振光为右旋圆偏振光，得到散斑场s2与参考光rs、rp，再次离轴干涉形成复合全息图h2(m,n)被图像采集器件一记录。
14、优选地，所述散斑场共轭相位获取过程，具体进行数字全息术复振幅重建所采用的方法为角谱法。
15、优选地，所述散斑场相位共轭及重新聚焦过程，对应于图3，具体包括以下步骤：
16、(s3-1)、将共轭相位和分别转换为空间光调制器件的灰度图像g1s(m,n)和g2s(m,n)，利用像素空间复用的方法，将g1s(m,n)和g2s(m,n)，融合编码到一幅灰度图像g1中，同理可以根据共轭相位和得到融合编码灰度图像g2，所述融合编码方法如图4所示；
17、(s3-2)、将g1和g2分别加载到两个的空间光调制器上，利用步骤s1中分出的两束参考光分别照射两个空间光调制器件；
18、(s3-3)、在图像采集器件一前的非偏振分束镜10的透射方向放置一个反射镜18，调节反射镜的空间位置及俯仰和旋转角度，使得反射镜也处于步骤s1中4f系统的共轭面，此时反射镜与图像采集器件一靶面关于非偏振分束镜对称且等效；
19、(s3-4)、两束相位共轭光束经过反射镜和消偏振合束镜反射后，反向传输依次经过透镜、散射介质、透镜，然后旋转反射镜6的方向至图中的下方向，经过透镜19聚焦到图像采集器件二的靶面；
20、优选地，所述相位共轭光束矢量调制过程，具体包括以下步骤：
21、(s4-1)、根据矢量光场分解与合成原理，计算所需要的偏振光分布对应的左右旋圆偏振分量的相位差与强度比值；
22、(s4-2)、调整入射到两个空间光调制器件的强度比值直至满足所需值；
23、(s4-3)、分别保持左旋圆偏振光的共轭相位g1s(m,n)和g1p(m,n)的相位差恒定，以及右旋圆偏振光的共轭相位g2s(m,n)和g2p(m,n)的相位差恒定，然后改变左旋和右旋圆偏振光束的整体相位差实现合成的相位共轭光的矢量调控。
24、另一方面，一种透过散射介质实现光场矢量调控的装置，包括一台激光器，一扩束准直装置，一偏振片，一半波片，一偏振调控系统，两反射镜，一散射介质，五透镜，一偏振分束镜，两非偏振分束镜，两空间光调制器，两图像采集器件和一计算机。其中，所述激光器发出的光依次经所述扩束准直装置、所述偏振片，得到一束45度线偏振光束，后被所述偏振分束镜分成两束，其中，反射光束经所述偏振调控系统得到左旋圆偏振光，并所述反射镜反射后，被所述透镜会聚并穿过所述散射介质后，被所述透镜收集准直后穿过所述非偏振分束镜到达所述图像采集器件一的靶面。被所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S1散斑场复振幅记录过程中，具体包含以下步骤：
3.根据权利要求2所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述偏振分束镜用于在相位共轭时与所述偏振片配合，实现光束全部透射；所述反射式空间光调制器件在散斑场记录和共轭过程中分别处于关闭和工作两种状态。
4.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S2散斑场共轭相位获取过程中，从全息图中数值重建获取复振幅分布的方法包括了卷积法，角谱法，菲涅耳衍射法以及基于菲涅耳衍射所推导的数值重建方法。
5.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S3散斑场相位共轭及重新聚焦过程中，具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S3-1中，来自于不同散斑场同一偏振态下的共轭相位在转换为灰度图并融合编
7.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S4所述相位共轭光束偏振调制过程中，具体包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S4-3所述改变左旋和右旋圆偏振光束的整体相位差过程中，每一组独立的共轭相位分布只能整体改变，不能改变其分布。
9.根据权利要求7所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤S4所述相位共轭光束偏振调制过程中，通过调制所能生成的相位共轭光束需要满足能够分解为具有一定相位差和振幅比的左旋和右旋圆偏振光束。
10.一种透过散射介质实现光场矢量调控的装置，其特征在于，包括一台激光器，一扩束准直装置，一偏振片，一半波片，一偏振调控系统，两反射镜，一散射介质，五透镜，一偏振分束镜，两非偏振分束镜，两空间光调制器，两图像采集器件和一计算机。其中，所述激光器发出的光依次经所述扩束准直装置、所述偏振片，得到一束45度线偏振光束，后被所述偏振分束镜分成两束，其中，反射光束经所述偏振调控系统得到左旋圆偏振光，并所述反射镜反射后，被所述透镜会聚并穿过所述散射介质后，被所述透镜收集准直后穿过所述非偏振分束镜到达所述图像采集器件一的靶面。被所述偏振分束镜透射的光束被所述非偏振分束镜再次分为两束，其中一束被所述半波片调制，之后分别入射到所述两个空间光调制器上，被反射后重新被所述非偏振分束镜合束并被所述两个透镜组成的4f成像系统成像到图像采集器件一的靶面，与散斑场发生角度复用干涉，形成全息图。在散斑场相位共轭及重新聚焦过程中，在所述图像采集器件一关于所述非偏振分束镜对称的位置放置反射镜，并将所述散射介质之前的反射镜旋转90度，使相位共轭光束从所述反射镜出射后被所述透镜会聚到图像采集器件二上，实现相位共轭光束聚焦效果和偏振调控结果的实时检测。
11.根据权利要求10所述的透过散射介质实现光场矢量调控的装置，其特征在于，所述扩束准直装置为透镜组和针孔滤波器组成；所述空间光调制器件为相位型液晶空间光调制器；所述图像采集器件为CCD或CMOS相机。
12.根据权利要求10所述的透过散射介质实现光场矢量调控的装置，其特征在于，所述偏振调控系统由偏振片、半波片及四分之一波片组成，或由可调液晶偏振器件组成，能够将线偏振光束转化为左右旋圆偏振光束。
...【技术特征摘要】
1.一种透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s1散斑场复振幅记录过程中，具体包含以下步骤：
3.根据权利要求2所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述偏振分束镜用于在相位共轭时与所述偏振片配合，实现光束全部透射；所述反射式空间光调制器件在散斑场记录和共轭过程中分别处于关闭和工作两种状态。
4.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s2散斑场共轭相位获取过程中，从全息图中数值重建获取复振幅分布的方法包括了卷积法，角谱法，菲涅耳衍射法以及基于菲涅耳衍射所推导的数值重建方法。
5.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s3散斑场相位共轭及重新聚焦过程中，具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s3-1中，来自于不同散斑场同一偏振态下的共轭相位在转换为灰度图并融合编码到一张图中的方案是相邻像素交错编码融合。
7.根据权利要求1所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s4所述相位共轭光束偏振调制过程中，具体包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s4-3所述改变左旋和右旋圆偏振光束的整体相位差过程中，每一组独立的共轭相位分布只能整体改变，不能改变其分布。
9.根据权利要求7所述的透过散射介质实现光场矢量调控的方法，其特征在于，在步骤s4所述相位共轭光束偏振调制过程中，通过调制所能生成的相位共...
【专利技术属性】
技术研发人员：豆嘉真，江文隽，麦宇健，邸江磊，秦玉文，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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