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液晶空间光调制器调制特性及其在数字全息中的应用研究

Spozmai Panezai  
【摘要】:基于液晶和硅材料制成的电寻址空间光调制器作为一种实时波前调制器件,对空间传播的光波,可完成二维并行光波前的振幅(强度)、相位或偏振态调制,在三维显示、自适应光学、光电检测、全息成像等领域具有广泛的应用。但是,不同空间光调制器的调制特性各不相同,即使是同一品牌同一型号,其调制特性也不尽相同。因此,研究空间光调制器的调制特性尤为重要,并且以此为基础可以利用空间光调制器来设计衍射光学元件,弥补传统光学元件设计中高成本、不可调节的不足,具有更大的灵活性。本论文主要包括两方面的内容:一是硅基并行准直液晶(PA-LCOS)反射式空间光调制器的相位调制特性研究,分析了光正入射和斜入射对调制结果的影响;二是应用该空间光调制器设计和实现了衍射光学元件功能,并用于数字全息成像。具体内容如下:1、PA-LCOS反射式空间光调制器的相位调制特性研究。通过在PA-LCOS上加载灰度图,改变每个像素点的电压,实现液晶分子取向的变化,完成对光波前的相位调制。深入研究了四种干涉测量方法—杨氏双孔干涉、迈克尔逊干涉、马赫曾德干涉和数字全息方法,分析比较各自的特点。前三种方法通过观察干涉条纹的移动,确定相位调制值,缺点是需要采集和处理多幅图像比较费时。而数字全息方法可以实时测量二维空间的相位调制值,具有全场、快速的优点。因此采用无透镜傅里叶变换数字全息方法,设计了灰度值从0到255线性变化的图像加载到PA-LCOS上。通过再现数字全息图,一次即可得到相位调制曲线。为了消除相位畸变,采用了两步曝光法进行实验,方法为在PA-LCOS上分别加载0-255灰度图和0灰度图记录两幅全息图,再现的相位图相减,从而校正相位畸变。2、读出照明光入射角对PA-LCOS相位调制特性影响的研究。对于反射式空间光调制器的实际应用,常常需要用倾斜的照明光读出,这有利于光学元件布局和排除光束串扰等,因此有必要研究读出照明光入射角对PA-LCOS相位调制特性的影响。采用532nm波长的激光器和杨氏双孔干涉的光路结构,得到不同倾斜角度读出光照明情况下的相位调制曲线。结论是,入射角对PA-LCOS的相位调制起到重要的作用,随着入射角的增加相位调制值减小。同时,针对闪烁效应和相干噪声,采用了一系列图像处理方法简化了计算并提高了测量精度。3、设计PA-LCOS作为衍射光学元件用于数字全息成像研究。首先,加载二次相位因子于PA-LCOS上,通过调制光波前的相位实现透镜的功能,模拟和实验结果验证了可行性。其次,在同轴数字全息中,通过在PA-LCOS上加载啁啾式复振幅分布调制光波前,实现物光在两个平面,从而记录两幅全息图。再通过两幅全息图之间的运算,去除了再现结果中的零级和共轭项,模拟和实验结果均验证了这一方法。这种方法不需要光学元件进行任何的机械运动,因此具有更快的速度和准确性,系统也更加稳定。再次,PA-LCOS也用于离轴无透镜傅里叶变换数字全息中抑制散斑噪声,通过在PA-LCOS上加载复振幅分布,轴向移动物光,记录不相干的多幅全息图来去除散斑噪声,模拟结果验证了该方法。


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