[发明专利]三维复杂光场的全相位调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用全相位空间光调制器调制复杂光场的方法，尤其是涉及一种在多个平面同时实现复杂光场振幅调制，即通过全相位空间光调制器实现三维空间复杂光场振幅调制的方法。

背景技术

全相位空间光调制器(phase only spatial light modulator)在相干光波前调制领域有非常重要的应用前景。全相位空间光调制器还被用于二维动态图像的投影(参考文献1：A Georgiou，J Christmas，N Collings，J Moore and WA Crossland，‘Aspects of hologram calculation forvideo frames’，J.Opt.A：Pure Appl.Opt.10(2008)035302(9pp))，具有低功耗、结构紧凑等特点。利用全相位空间光调制器实现二维动态图像投影的基本原理在于，全相位空间光调制器和成像平面上的复杂光场之间满足傅里叶变换关系，在预先设定成像平面复杂光场的振幅分布函数条件下，可以通过迭代方法(参考文献2：J.R.Fienup，‘Phase retrieval algorithms：acomparison’，APPLIED OPTICS，Vol.21，No.15，1982：2758-2769)或解析方法(参考文献3：T.E.Gureyev，，A.Pogany，D.M.Paganin，S.W.Wilkins，‘Linear algorithmsfor phase retrieval in the Fresnel region’，Optics Communications 231(2004)53-70)求得对应的全相位空间光调制器的相位分布函数。将全相位空间光调制器调制为计算获得的相位分布函数，并采用相干光照射全相位空间光调制器，经过衍射，在成像平面上可以观察到预先设定的振幅分布。但是目前的调制方法主要集中在二维空间光场的调制上，本发明提供一种实现三维空间复杂光场的调制方法。

发明内容

技术问题：为克服目前全相位空间光调制器只能对二维空间复杂光场进行调制，本发明提供一种三维空间复杂光场的调制方法，该方法可以在多个成像平面上同时对复杂光场振幅进行调制。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用相干光源1照射全相位空间光调制器2，全相位空间光调制器2出射平面的相干光经光学成像系统3传播到达第一成像平面4，相干光在自由空间继续传播，并依次到达第二成像平面5，第三成像平面6等多个成像平面，在每个成像平面的设定区域(例如A₁、A₂、A₃)内，振幅分布满足设定值(例如F₁(x，y)、F₂(x，y)、F₃(x，y))。相干光的传播过程符合标量衍射原理(参考文献4：JosephW.Goodman，‘Introduction to Fourier Optics，Third Edition’，电子工业出版社，2006)，自由空间的传播函数为：

其中，λ为相干光波长，z为传播距离。

全相位空间光调制器2仅对入射相干光的相位进行调制，而振幅保持不变。

光学成像系统3可以是不包含任何光学组件的自由空间，也可以是包含一个或多个共轴透镜的系统，采用透镜可以缩小复杂光场在光学成像系统3出射平面的空间分布范围，扩大衍射角度，或相反呈放大的像。

为实现三维空间复杂光场的调制，在三维空间复杂光场的传播方向上预先设定多个成像平面，从而将三维空间复杂光场的分布离散为多个二维成像平面复杂光场的分布，每个成像平面的设定区域(例如A₁、A₂、A₃)，以及在设定区域内的振幅分布设定值(例如F₁(x，y)、F₂(x，y)、F₃(x，y))由离散过程决定，从而可以实现任意三维空间复杂光场的调制。本发明所提供的方法，可以实现采用单个全相位空间光调制器2在任意三维曲面上投影清晰图像，实现三维立体显示。