成像专题 | 基于衍射图样分析的相位型空间光调制器标定（OLEN）

基于衍射图样分析的相位型空间光调制器标定 

Calibration of Phase-only Liquid-Crystal Spatial Light Modulators by Diffractogram Analysis

本期导读

相位型液晶空间光调制器（Spatial light modulator, SLM）是操控光场的关键器件，在成像和显示等领域都有着广泛应用。在使用空间光调制器之前，对其相位—灰度响应，即查找表（Look-up table, LUT）进行标定是至关重要的。传统基于光的干涉，衍射，偏振的相位测量方法，需要额外的光学元件，测量距离受限，并且其标定结果易受到机械振动，空气扰动，以及系统像差等外部因素的影响。来自浙江大学的研究人员提出了一种基于衍射图样分析的相位型空间光调制器标定方法，通过分析空间光调制器上所加载的特定全息图与其衍射图样的强度分布之间的函数关系，对空间光调制器进行了全局和局部查找表的精确标定，使空间光调制器的原位标定成为可能，并且不易受到外部不利因素的影响。该研究近期发表在《Optics and Lasers in Engineering》。

技术背景

液晶空间光调制器（SLM）具有高分辨率，高填充因子，低功耗，和可编程性，因此被广泛应用于各个领域，如光镊，超分辨成像，自适应光学，光束整形，激光加工，而其中大多数应用是利用空间光调制器的相位调制能力。在这些应用中，要求对SLM进行精确的控制，因此其灰度—相位响应，即查找表（LUT）需要被预先知道。要得到SLM的LUT，就需要对其进行标定。虽然部分SLM的生产商会提供对应的出厂LUT，但是由于用户在实际使用时所对应的光束入射角，环境温度等条件与生产商标定时的条件可能有所差异，同时器件老化也可能带来LUT的变化，因此在使用SLM之前对其进行再次标定是十分必要的。

传统的SLM标定方法基于光的干涉、衍射、或偏振。然而，基于干涉的方法极易受到外部环境因素的干扰，且其测量距离十分受限。基于衍射的方法需要额外的透镜，且需要精确地放置相机的位置。基于偏振的方法需要额外的偏振测量仪或偏振片。总体来说，由于实验空间通常十分紧凑，这些方法都难以实现SLM的原位标定。

技术路线

为了克服外部环境的干扰，简化标定装置，本文提出了基于衍射图样分析的SLM标定方法。通过分析SLM上所加载的特定全息图与其衍射图样的强度分布之间的函数关系，对SLM进行了全局和局部LUT的精确标定，该方法所采用的实验装置无需额外的光学元件，测量距离不受限制，从而可以实现对SLM的原位标定，并且不易受到外部不利因素的影响。该方法所采用的装置及原理如图1所示。该实验装置十分紧凑，除SLM及实际实验中所必需的光学元件外，无需其它额外的器件或装置（如反射镜，透镜，偏振片等）。通过在SLM上加载特定的全息图（右半边相位为0，左半边相位从0变化至2π），并利用菲涅尔衍射公式计算其在SLM一定距离处的理论衍射图样，并从其强度分布中提取出中心暗条纹的强度，则可得出SLM所引入的相位差φ与暗条纹强度Ic之间的函数关系 Ic=f(φ)，然后通过在相同衍射距离处实拍的衍射图样提取出中心暗条纹强度Ic′与SLM上所加载的灰度值g之间的关系，最后通过f的反函数即可求出SLM上所加载的灰度值g与其引入的相位差φ之间的关系，即LUT。    

图 1 基于衍射图样分析的SLM标定装置及原理示意图

图2是本文采用衍射图样分析法所得到的SLM标定结果，并将该方法就准确度和鲁棒性与传统的干涉法和偏振法进行了比较。与干涉法和偏振法相比，基于衍射图样分析法的标定结果与从这两种传统方法所得结果之间的误差均在两个灰度值以内，表明了该方法所得标定结果的准确性。同时，从对相同灰度值的重复测量结果的标准差来看，基于衍射图样分析法所得的结果具有最好的稳定性。

图 2 LUT标定结果及对比分析

图3所示为基于衍射图样分析法和干涉法在不同外部相位扰动下所得到的标定误差对比。基于衍射图样分析法所得的结果在弱扰动条件下的误差小于干涉法所得到的结果，在强扰动条件下，衍射图样分析法仍能得到准确的标定结果，然而此时采用干涉法则完全无法得到正确的标定结果。

图 3 抗干扰能力比较

图4所示为在不同衍射距离下采用基于衍射图样分析法所得到的标定结果，其表明，虽然衍射图样的强度分布随着衍射距离改变而变化，但该方法所得的LUT并不受衍射距离变化的影响。因此可以在任意合适的距离处放置相机，对SLM进行原位标定。

图 4 不同衍射距离的影响

该方法不仅可以用于全局LUT的标定，也可用于局部LUT（即SLM上不同的区域对应于不同的LUT）的标定。如图5所示，SLM被分为4个象限，采用基于衍射图样分析的方法所得出的结果与干涉法所得出的结果高度一致，表明了该方法用于局部LUT标定时的可靠性。

图 5 局部LUT的标定

简单总结，该工作提出了基于衍射图样分析的SLM标定方法，其无需额外的器件，因而具有目前最紧凑的实验装置，并且更抗外部环境因素的干扰。同时该方法不受衍射距离的限制，并可用于局部LUT的标定。相信在未来的相位测量、全息显示、光场调控等领域具有广泛的应用前景。

论文信息：

• Xin Liu, Shijie Tu, Cuifang Kuang, Xu Liu, and Xiang Hao, “Calibration of phase-only liquid-crystal spatial light modulators by diffractogram analysis,” Optics and Lasers in Engineering. 156, 107056 (2022).

技术详见:

https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107056

*该技术分享所涉及文字及图片源于作者论文和网络公开素材,不做任何商业用途。

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