CN107422489A - 一种动态控制散斑场对比度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及散斑场光强调控技术，公开了一种动态控制散斑场对比度的装置及方法，方法包括：激光器输出的光束经两个透镜扩束后，入射到偏振片，再入射到空间光调制器上；在空间光调制器上加载相位变化幅度可控的随机相位动画；入射光束经过该空间光调制器反射后，由第一大数值孔径物镜聚焦，散射介质放在第一物镜的焦点附近，经过散射介质的出射光再由第二物镜收集，产生散斑场，最后利用光束分析仪采集散斑场光强。本发明直接通过随机相位动画的相位变化幅度控制散斑场对比度，原理科学，容易实现；装置结构简单，易于调整，稳定性好；本发明提供的动态控制散斑场对比度的方法，可实际应用于激光加工和激光显示等领域。
Description
技术领域
本发明涉及散斑场的光强调控技术，具体涉及一种动态控制散斑场对比度的方法及其装置，可以方便高效地控制光束经过散射介质所形成散斑场的对比度，应用于激光加工、激光显示等领域。
背景技术
在激光的一些应用中，会涉及到激光经过散射介质(例如白纸、生物组织、纳米材料等)的传输问题。激光光束入射到散射介质上，由于散射介质微粒分布的随机性以及折射率分布的不均匀性等原因，光在散射介质中将经历复杂的多重散射过程，这导致了高相干度的激光光束经过散射介质传输后，会形成光强无序分布的散斑场。这种散斑场对于激光的某些应用是不利的。例如在激光显示中，屏幕上的散斑现象会严重影响成像质量，降低了图像的分辨率和清晰度。散斑对比度是用于描述散斑场性质最常用的参量之一，其定义为
其中Imax表示散斑场中的最大光强值，Imin表示散斑场中的最小光强值。很显然，对比度越低意味着散斑现象越不明显，光强分布越均匀。
常用的抑制散斑现象，降低散斑对比度的方法，主要包括以下几种：1.加入机械运动的元件，如运动的散射体或者振动的屏幕，这种方法的缺陷在于需要在光路中加入高速运动的元件，会降低***的稳定性。2.利用胶体容液作为移动的散射单元，这种方法的弊端在于难以定量地控制散斑的对比度。3.利用多光束的叠加，这一方法的光路相对比较复杂。4.增加光谱的宽度，该方法对光源的要求较高。
综上分析，尽管已经发展出了不少用于控制散斑对比度的方法。但是，目前用于控制散斑场对比度的方法，都有一些不足之处，特别是在散斑场对比度的动态控制方面，现有的方法，难以实现散斑场对比度的实时动态控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种动态控制散斑场对比度的装置及方法，本发明所提供的装置可直接动态控制散斑场的对比度，操作简单，在计算机上生成相位变化幅度可控的随机相位动画，并将其加载到空间光调制器上，光束经过空间光调制器进行相位调制，就可实现对散斑场对比度的动态调控。本发明技术方案所提出的散斑场对比度的动态控制方法，在激光显示、激光加工等方面有着重要的应用价值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种动态控制散斑场对比度的装置，依次包括：激光器、第一透镜、第二透镜、偏振片、空间光调制器、第一计算机、第一物镜、散射介质、第二物镜；所述激光器发出的激光经所述第一透镜和第二透镜进行扩束后入射到所述偏振片；所述偏振片产生的线偏振光束入射到所述空间光调制器；所述空间光调制器的相位由所述第一计算机相控制，所述第一计算机生成的相位变化幅度可控的随机相位动画，相位调制的光束经所述第一物镜聚焦后入射到所述的散射介质上，经过散射介质的出射光由所述的第二物镜进行收集。
所述装置还包括：
光束分析仪和第二计算机；所述第二计算机与所述光束分析仪相连接；所述光束分析仪用于采集光束经过散射介质所形成的散斑场光强，并由所述第二计算机进行散斑场对比度的测量。
一种动态控制散斑场对比度的方法，具体步骤如下：
由激光器发出激光光束经第一透镜和第二透镜进行扩束后，再经偏振片产生偏振光后入射到空间光调制器；
在空间光调制器上加载第一计算机产生的相位变化幅度可控的随机相位动画；
空间光调制器的反射光经第一物镜聚焦，入射到散射介质上；第二物镜收集散射介质的出射光，并在其出射端产生散斑场；
空间光调制器进行不同变化幅度的相位调制，获得对比度可控变化的散斑场。
所述方法还包括：
所述光束分析仪采集所述第二物镜出射的散斑场光强，并由与所述光束分析仪相连的第二计算机测量散斑场的对比度。
本发明的原理是通过控制空间光调制器上随机相位的相位变化幅度，克服现有技术无法实现散斑场对比度的动态控制。利用空间光调制器加载随机相位对激光光束进行相位调控，经过相位调制的激光光束经过散射介质所产生散斑场的光强分布将发生变化，散斑场的对比度由加载随机相位的变化幅度所决定，相位变化幅度越大，则散斑场对比度越低。根据这一原理，在空间光调制加载上变化幅度可控的随机相位，就可以实现散斑场对比度的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种动态控制散斑场对比度的装置结构简单，易于调整；可以直接利用计算机控制空间光调制器随机相位的变化幅度，实现对散斑场对比度的动态控制，方法简单，可靠；本发明方法可以应用于各种类型散斑场的对比度调控，实用范围广。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种动态控制散斑场对比度的装置及方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种动态控制散斑场对比度装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中对比度为0.78的散斑图；
图3为本发明实施例中对比度为0.69的散斑图；
图4为本发明实施例中对比度为0.50的散斑图。
附图标记：1、激光器，2、第一透镜，3、第二透镜，4、偏振片，5、空间光调制器，6、第一计算机，7、第一物镜，8、散射介质，9、第二物镜、10、光束分析仪，11、第二计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供的一种动态控制散斑场对比度装置的结构示意图，其具体结构的示意图参见附图1所示；该装置依次包括激光器1、第一透镜2、第二透镜3、偏振片4、空间光调制器5、控制空间光调制器的第一计算机6、第一物镜7、散射介质8、第二物镜9、光束分析仪10、用于测量的第二计算机11。
本实施例提供的一种动态控制散斑场对比度的方法，具体步骤如下：
步骤1，将激光器1打开，激光光束经过第一透镜2和第二透镜3准直扩束后，再经线偏振片4产生线偏振光；
步骤2，线偏振光入射到相位型空间光调制器5，经过加载了随机相位的空间光调制器；利用计算机6产生相位变化幅度可控的随机相位动画，并将其加载到相位型空间光调制器，实现对激光光束相位变化幅度的控制。
步骤3，空间光调制器的反射光经由第一物镜7、散射介质8和第二物镜9，在第二物镜9的出射端形成散斑场。
步骤4，第二物镜9出射的散斑场光强，经由光束分析仪10及与其相连接的第二计算机9组成测量装置，用于测量散斑场的对比度。
本实施例中的激光器1为氦氖激光器，输出功率为15mW，波长为633nm；第一透镜2的焦距f＝10mm，第二透镜3的焦距f＝30mm。扩束后的激光光束经过偏振片4，获得线偏振光束。
线偏振光入射到空间光调制器5，该空间光调制器5为反射式相位型空间光调制器(德国HOLOEYE，PLUTO)，其上加载动态随机相位由第一计算机6控制。利用第一计算机6产生相位变化幅度可控的随机相位动画。
第一计算机6上的随机相位动画原理为利用随机函数生成空间随机分布的相位。引入参量c表示随机相位的变化幅度大小。随机相位的变化范围取决于参量c，具体为随机相位的相位变化幅度在π-cπ到π+cπ之间。例如当变化幅度c＝0.2时，则相位图中各个点的相位为0.8π到1.2π的一个任意数值，对于相位图中的不同空间点其相位是随机取值的，因此相位图在空间上呈现随机的无序分布。对于同一相位变化幅度的相位图，我们利用软件产生数百张相位图。由于函数的随机性，这数百张相位图的相位分布是不同的。将这数百张相位图，利用软件制作成一个动画。将该动画加载到空间光调制器上，就可以实现对光束的相位调制。激光光束经过空间光调制器反射后，激光的相位在空间和时间上都表现为随机无序分布。为了实现对散斑场对比度的动态控制，针对不同的变化幅度的相位都制作了相应的动画。将不同变化幅度的动画加载到空间光调制器上，可以动态地控制经空间光调制器反射的激光光束的相位变化幅度。对应的，如图2所示为依据本原理动态调制出的对比度为0.78的散斑场光强分布图；如图3所示为依据本原理动态调制出的对比度为0.69的散斑场光强分布图；如图4所示为依据本原理动态调制出的对比度为0.50的散斑场光强分布图。
进一步的，本实施例中的第一物镜7为10倍物镜，第二物镜9为20倍物镜，散射介质为氧化锌纳米材料。空间光调制器的反射光经过物镜1聚焦后，入射到散射介质上，并由物镜2收集散射介质的出射光，散射介质放在两个物镜的共焦点附近。物镜2的出射光束将呈现散斑状分布，该散斑的光强分布决定于空间光调制器上的相位变化幅度，相位变化幅度越大，这散斑场的对比度越小，光强分布越均匀。
在本实施案例中，光束分析仪10及与其相连接的第二计算机11组成测量装置，用于测量散斑场的对比度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种动态控制散斑场对比度的装置，其特征在于，依次包括：激光器(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、偏振片(4)、空间光调制器(5)、第一计算机(6)、第一物镜(7)、散射介质(8)和第二物镜(9)；所述第一透镜(2)和第二透镜(3)组成扩束装置用于将所述激光器(1)产生的激光扩束后入射到所述偏振片(4)；所述偏振片(4)产生的偏振光束入射到所述空间光调制器(5)；所述空间光调制器(5)的反射光经所述第一物镜(7)聚焦，所述散射介质(8)置于所述第一物镜(7)的焦点附近，所述散射介质(8)的出射光由所述第二物镜(9)进行收集并在所述第二物镜(9)的出射端形成散斑场；所述空间光调制器(5)与所述第一计算机(6)相连接用于加载所述第一计算机(6)产生的相位变化幅度可控的随机相位动画，对所述散斑场进行调制，获得对比度可动态控制的散斑场。
2.根据权利要求1所述的动态控制散斑场对比度的装置，其特征在于，还包括：
光束分析仪(10)和第二计算机(11)；所述第二计算机(11)与所述光束分析仪(10)相连接；所述第二物镜(9)出射的散斑场光强经由所述光束分析仪(10)采集，并由所述第二计算机(11)测量散斑场的对比度。
3.根据权利要求1所述的动态控制散斑场对比度的装置，其特征在于，所述空间光调制器(5)为反射式相位型空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的动态控制散斑场对比度的装置，其特征在于，所述第一计算机(6)上的随机相位动画为利用随机函数生成空间随机分布的相位；引入参量c表示随机相位的变化幅度大小，随机相位的变化范围取决于参量c，具体为随机相位的相位变化幅度在π-cπ到π+cπ之间。
5.根据权利要求1所述的动态控制散斑场对比度的装置，其特征在于，所述散射介质(8)置于所述第一物镜(7)和所述第二物镜(9)的共焦点附近。
6.一种动态控制散斑场对比度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
由激光器(1)发出激光光束经第一透镜(2)和第二透镜(3)进行扩束后，再经偏振片(4)产生偏振光后入射到空间光调制器(5)；
在空间光调制器(5)上加载第一计算机(6)产生的相位变化幅度可控的随机相位动画；
空间光调制器(5)的反射光经第一物镜(7)聚焦，入射到散射介质(8)上；第二物镜(9)收集散射介质(8)的出射光，并在其出射端产生散斑场；
空间光调制器(5)进行不同变化幅度的相位调制，获得对比度可控变化的散斑场。
7.根据权利要求6所述的动态控制散斑场对比度的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述光束分析仪(10)采集所述第二物镜(9)出射的散斑场光强，并由与所述光束分析仪(10)相连的第二计算机(11)测量散斑场的对比度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171201 |