專利名稱：一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學成像和光學波前重構(gòu)領(lǐng)域，更具體地涉及一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相 共軛的裝置，特別適用于具有衍射極限質(zhì)量的復雜光學波前動態(tài)再構(gòu)，三維顯示與測量、虛 擬現(xiàn)實、計算機人機交換、機器人視覺等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光是一種電磁波，從不同光源或物體發(fā)出的光波其光學波前具有不同的形狀。例 如點光源發(fā)出的光波，其光學波前為球面，對于平行光束，其光學波前為平面。而對于一個 復雜的真實物體，從其表面反射或發(fā)出的光學波前，其結(jié)構(gòu)是非常復雜的。通過對光學波 前的調(diào)控或重建，我們可以改變光束傳播方向，改善光束質(zhì)量，重現(xiàn)物體三維形貌等等。采 用傳統(tǒng)的光學方法與裝置，如光學透鏡、全息技術(shù)等，可以靜態(tài)地實現(xiàn)光學波前的調(diào)控或重 建。但在很多領(lǐng)域，如三維立體電視、光通信網(wǎng)絡中的光交換等，需要實現(xiàn)快速動態(tài)光學波 前調(diào)控或重建。近幾十年來，隨著集成電路和液晶顯示等技術(shù)的發(fā)展，可以對光學波前的振 幅與位相進行逐點調(diào)節(jié)的空間光調(diào)制器，其分辨率已達到10微米量級，盡管如此，與亞微 米可見光波長相比，這一分辨率還是差得太遠。采用傳統(tǒng)光學原理，例如全息技術(shù)，很難用 現(xiàn)有空間光調(diào)制器實現(xiàn)復雜光學波前的接近衍射極限的高質(zhì)量數(shù)字動態(tài)再構(gòu)。本發(fā)明人的前一項發(fā)明“主動光學位相共軛方法及裝置(專利號 ZL200610124657. 4) ”提出了一種新的光學波前動態(tài)再構(gòu)方法，其基本原理基于光路的可逆 性。從光學波前的數(shù)學表達式可以看出，對波前形狀相同而傳播方向相反的兩個光波，它們 的復振幅具有共軛關(guān)系。反過來說，如果某一光學波前的復振幅與另一光學波前的復振幅 具有共軛關(guān)系，那么，該光波就會沿后一光波的同樣路徑逆向傳播。對簡單光波，即對平行 光束以及單模光波導里的基模光波，只需簡單反射就可使光路逆轉(zhuǎn)，再加上適當?shù)奈幌嗾{(diào) 節(jié)就可實現(xiàn)嚴格的光學位相共軛。為了實現(xiàn)對復雜光學波前的再構(gòu)，上述發(fā)明首先把入射 光波分解并逐步引導到一系列彼此互相隔離的單模光波導，然后在這些彼此隔離的單模光 波導中再構(gòu)出與輸入光波共軛的光波，這些共軛光波逆向通過同一光波導結(jié)構(gòu)，就可重建 出與原始光學波前形狀相同，但方向相反的共軛光波?；诠饴房赡嫘缘墓鈱W位相共軛方法其關(guān)鍵是構(gòu)造出與入射光波具有位相共軛 關(guān)系的光波。傳統(tǒng)光學位相共軛技術(shù)借助光學非線性效應產(chǎn)生入射波的位相共軛光波，它 只能恢復出原始輸入光波，但不能新創(chuàng)造出一個任意結(jié)構(gòu)的光學波前，光學波前的再構(gòu)過 程和再構(gòu)結(jié)果被動地依賴于非線性光學介質(zhì)和原始輸入光波。而發(fā)明(ZL200610124657. 4) 提出的方法可以通過數(shù)字化控制主動再構(gòu)出任意結(jié)構(gòu)的光學波前，為了與依賴于非線性效 應的傳統(tǒng)光學位相共軛方法相區(qū)別，發(fā)明(ZL200610124657.4)提出的方法在說明書中自 稱為主動光學位相共軛方法。實際上上述主動光學位相共軛方法還有一個更顯著的特征， 那就是其控制過程是數(shù)字化的。為了更符合行業(yè)習慣，參照已經(jīng)流行很久的“數(shù)字全息技 術(shù)”這一術(shù)語，在本發(fā)明中將把主動光學位相共軛方法改稱為數(shù)字光學位相共軛方法。實際 上數(shù)字控制過程本身就是一個主動過程，因此“數(shù)字光學位相共軛方法”這一名稱比“主動 5光學位相共軛方法”具有更廣泛的含義，在現(xiàn)代數(shù)字化時代更易被人接收。發(fā)明(ZL200610124657.4)盡管提出了一種可以數(shù)字化控制的光學波前再構(gòu)方法 與裝置，但只提出了少數(shù)幾種具體實施方案，本發(fā)明將對發(fā)明(ZL200610124657.4)進行完 善，補充更多的振幅位相調(diào)控裝置的結(jié)構(gòu)，同時進一步改進光路結(jié)構(gòu)以提升系統(tǒng)性能，改進 再構(gòu)光波的質(zhì)量，降低噪音。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，提供了更多復振 幅空間光調(diào)節(jié)器實施方案，通過優(yōu)化耦合器的結(jié)構(gòu)使得經(jīng)復振幅空間光調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的光 準確匯聚到絕熱錐形光波導束末端的單模光波導芯層內(nèi)，有效抑制了高階輻射模的產(chǎn)生， 同時通過改變絕熱錐形光波導束的形狀，進一步降低了高階輻射模影響，另外還通過引入 前置光學系統(tǒng)進一步提高了重構(gòu)光學波前的質(zhì)量，增加了三維像的尺寸。為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于它由照明光學系統(tǒng)、復振幅空間 光調(diào)節(jié)器、耦合器和絕熱錐形光波導束組成，照明光學系統(tǒng)、復振幅空間光調(diào)節(jié)器、耦合器 和絕熱錐形光波導束依次放置，且相互對準，使得照明光學系統(tǒng)發(fā)出的相干光波均勻照明 復振幅空間光調(diào)節(jié)器，被復振幅空間光調(diào)節(jié)器進行振幅和位相調(diào)節(jié)后再經(jīng)耦合器耦合進入 絕熱錐形光波導束的末端，并把光能匯聚在絕熱錐形光波導束末端的每個單模光波導芯層 內(nèi)，產(chǎn)生位相共軛光波。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復振幅空間光調(diào) 節(jié)器由兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和三塊偏振片組成，第一塊偏振片、第一塊透射式液 晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊偏振片、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和第三塊偏振片依次放 置，第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器的像素一一對準，調(diào) 節(jié)第一塊偏振片、第二塊偏振片、第三塊偏振片的偏振方向，使第二塊透射式液晶空間光調(diào) 節(jié)器、第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器分別工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式和位相調(diào)節(jié)為主模 式。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復振幅空間光調(diào) 節(jié)器由兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、兩塊半透半反鏡、兩塊反射鏡和二塊偏振片組成，第 一塊半透半反鏡、第二塊半透半反鏡和第一塊反射鏡、第一塊反射鏡按照邁克耳遜干涉器 方式放置，第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器分別放置在 邁克耳遜干涉器的兩臂，第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器與第二塊半透半反鏡的半透半反 面A1-A2成45度夾角，第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器與第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器 相對于第二塊半透半反鏡的半透半反面A1-A2呈鏡像對稱放置，使第一塊透射式液晶空間 光調(diào)節(jié)器、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器的像素一一對準，第一塊偏振片和第二塊偏振 片分別平行于第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器，第一塊 偏振片和第二塊偏振片分別位于邁克耳遜干涉器的進光口和出光口，選擇第一塊偏振片和 第二塊偏振片的偏振方向，使第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊透射式液晶空間光 調(diào)節(jié)器皆工作于位相調(diào)節(jié)為主模式。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復振幅空間光調(diào)節(jié)器由一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、一塊反射式液晶光柵、二塊偏振片和數(shù)字光學處理 系統(tǒng)組成，第一塊偏振片、透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊偏振片和反射式液晶光柵依次 放置，數(shù)字光學處理系統(tǒng)放置在反射式液晶光柵的后面，把一幅光學影像成像到反射式液 晶光柵的背面，該光學影像的像素與透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器的像素一一對準，調(diào)整第一 塊偏振片、第二塊偏振片的偏振方向，使透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和反射式液晶光柵分別 工作于位相調(diào)節(jié)為主模式和振幅調(diào)節(jié)為主模式，照明相干光從絕熱錐形光波導束的前端入 射，并從絕熱錐形光波導束的末端出射，然后經(jīng)耦合器投射到復振幅空間光調(diào)節(jié)器，經(jīng)復振 幅空間光調(diào)節(jié)器反射后再次經(jīng)耦合器耦合逆向進入絕熱錐形光波導束的末端。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復振幅空間光調(diào) 節(jié)器由一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、一塊反射式液晶光柵、二塊偏振片和數(shù)字光學處理 系統(tǒng)組成，第一塊偏振片、透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊偏振片和反射式液晶光柵依次 放置，數(shù)字光學處理系統(tǒng)放置在反射式液晶光柵的后面，把一幅光學影像成像到反射式液 晶光柵的背面，該光學影像的像素與透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器的像素一一對準，調(diào)整第一 塊偏振片、第二塊偏振片的偏振方向，使得透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和反射式液晶光柵分 別工作于位相調(diào)節(jié)為主模式和振幅調(diào)節(jié)為主模式，照明相干光從絕熱錐形光波導束的前端 入射，并從絕熱錐形光波導束的末端出射，經(jīng)耦合器投射到復振幅空間光調(diào)節(jié)器，經(jīng)復振幅 空間光調(diào)節(jié)器反射后再次經(jīng)耦合器耦合逆向進入絕熱錐形光波導束的末端。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復振幅空間光調(diào) 節(jié)器由一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、一塊反射式LCOS液晶空間光調(diào)制器、二塊偏振片和 數(shù)字光學處理系統(tǒng)組成，第一塊偏振片、透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器、第二塊偏振片和反射式 LCOS液晶空間光調(diào)制器依次放置，透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器的像素與反射式LCOS液晶空 間光調(diào)制器的像素與一一對準，調(diào)整第一塊偏振片、第二塊偏振片的偏振方向，使得透射式 液晶空間光調(diào)節(jié)器和反射式LCOS液晶空間光調(diào)制器分別工作于位相調(diào)節(jié)為主模式和振幅 調(diào)節(jié)為主模式，照明相干光從絕熱錐形光波導束的前端入射，并從絕熱錐形光波導束的末 端出射，然后經(jīng)耦合器投射到復振幅空間光調(diào)節(jié)器，經(jīng)復振幅空間光調(diào)節(jié)器反射后再次經(jīng) 耦合器耦合逆向進入絕熱錐形光波導束的末端。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的耦合器由一個微 透鏡陣列和一個擋光板組成，微透鏡陣列一側(cè)緊貼復振幅空間光調(diào)節(jié)器放置，另一側(cè)的焦 面與絕熱錐形光波導束的末端端面重合，設(shè)計微透鏡陣列上每個微透鏡的焦距和通光口徑 使得經(jīng)微透鏡陣列上的每個微透鏡匯聚到絕熱錐形光波導束的末端端面上的光的入射角 小于絕熱錐形光波導束的末端的單模光波導的臨界入射角，擋光板緊貼絕熱錐形光波導束 的末端放置，擋光板上制作有透光孔陣列，擋光板上的透光孔與絕熱錐形光波導束的末端 的單模光波導的芯層一一對準，透光孔的直徑與絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯 層的直徑一致，微透鏡陣列上的微透鏡與復振幅空間光調(diào)節(jié)器上的像素一一對準，使復振 幅空間光調(diào)節(jié)器上每個像素發(fā)出的光經(jīng)微透鏡聚焦后，穿過擋光板上的透光孔，準確聚焦 到絕熱錐形光波導束末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的耦合器由一個光 學透鏡、一個復合微透鏡-微棱鏡陣列和一個擋光板組成，復合微透鏡-微棱鏡陣列上的每 個復合微透鏡-微棱鏡由一個二元光學元件或全息光學元件組成，每個復合微透鏡-微棱鏡的功能相當于一個微透鏡與一個微棱鏡的組合，復合微透鏡_微棱鏡陣列的像面與絕熱 錐形光波導束的末端端面重合，設(shè)計復合微透鏡_微棱鏡陣列上的每個復合微透鏡_微棱 鏡的焦距、通光口徑和棱鏡傾角使得經(jīng)復合微透鏡_微棱鏡陣列上的每個復合微透鏡_微 棱鏡匯聚到絕熱錐形光波導束的末端端面上的光的入射角小于絕熱錐形光波導束末端的 單模光波導的臨界入射角，擋光板緊貼絕熱錐形光波導束的末端放置，擋光板上制作有透 光孔陣列，擋光板上的透光孔與絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層一一對準，透 光孔的直徑與絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層的直徑一致，調(diào)節(jié)光學透鏡的位 置，使得復振幅空間光調(diào)節(jié)器位于光學透鏡的物面，而復合微透鏡_微棱鏡陣列的物面位 于光學透鏡的像面，復合微透鏡_微棱鏡陣列上的每個復合微透鏡_微棱鏡與復振幅空間 光調(diào)節(jié)器上的每個像素一一對準，使復振幅空間光調(diào)節(jié)器的每個像素發(fā)出的光經(jīng)復合微透 鏡-微棱鏡陣列上的每個復合微透鏡-微棱鏡聚焦后，穿過擋光板上的透光孔，匯聚到絕熱 錐形光波導束末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的包含一個透射式 光學鏡頭或反射式光學鏡頭，透射式光學鏡頭或反射式光學鏡頭的通光口徑大于絕熱錐形 光波導束的前端的直徑，并放置在絕熱錐形光波導束前端的前面，與絕熱錐形光波導束的 前端對準，使得透射式光學鏡頭或反射式光學鏡頭的光軸與絕熱錐形光波導束的中心軸重
I=I O所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的照明光學系統(tǒng)包 含一束輸入光纖，輸入光纖環(huán)繞固定在絕熱錐形光波導束的前端的外側(cè)面或前端的正面邊 緣處，用于把照明相干光耦合輸入絕熱錐形光波導束的前端。所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的絕熱錐形光波導 束盤成一定半徑的圈，控制圈的半徑使得從絕熱錐形光波導束末端入射的光線在每根單模 光波導里激發(fā)的高階模從絕熱錐形光波導束的側(cè)面泄露出去，同時保證絕熱錐形光波導束 末端的每根單模光波導里激發(fā)的基模從絕熱錐形光波導束的前端的正面透射出去。本說明書中所用術(shù)語說明(1)、絕熱錐形光波導束特指由許多單模光波導組成 的錐形光波導束，在錐形光波導束的前端這些單模光波導的芯層之間的橫向間隔很小，互 相耦合，然后逐步分開，直到在在錐形光波導束的末端，芯層彼此之間的耦合可以忽略，同 時上述錐形光波導束的錐角相對較小，即相鄰單模光波導芯層之間的橫向間隔緩慢增加， 使得光波在該錐形光波導束中傳播時不產(chǎn)生輻射模和由突變結(jié)構(gòu)引起的反射。(2)、復振 幅空間光調(diào)節(jié)器復振幅空間光調(diào)節(jié)器指能夠?qū)鈱W波前的振幅和位相進行獨立調(diào)節(jié)的器 件。單個常規(guī)空間光調(diào)節(jié)器，如基于TFT液晶板的空間光調(diào)節(jié)器，往往只能對光學波前的振 幅或位相進行調(diào)節(jié)，或者在對振幅進行調(diào)節(jié)時，關(guān)聯(lián)地引起位相變化，又或者在對位相進行 調(diào)節(jié)時，關(guān)聯(lián)地引起振幅變化，總之無法把光學波前的振幅和位相同時調(diào)節(jié)到預定值。只有 把兩個常規(guī)空間光調(diào)節(jié)器組合起來才能對光學波前的振幅和位相逐點同時進行互相獨立 的調(diào)節(jié)，本說明書把這種能夠同時進行振幅和位相獨立調(diào)節(jié)的組合式空間光調(diào)節(jié)器稱為復 振幅空間光調(diào)節(jié)器。發(fā)明原理發(fā)明(ZL200610124657. 4)對其提出的主動光學位相共軛方法的原理 進行了詳細介紹，其核心思想是借助特定光波導結(jié)構(gòu)把任意復雜的入射光波分解并引導到 彼此隔離的單模光波導中，從而在每一根彼此隔離的單模光波導中產(chǎn)生具有一定振幅和位相的基模光場，然后通過對照明光波的振幅和位相進行數(shù)字化調(diào)控，在這些單模光波導中 再重構(gòu)出與這些基模光場具有光學位相共軛關(guān)系的共軛光波，這些共軛光波沿同一光波導 結(jié)構(gòu)逆向傳播，即可合成再構(gòu)出與原始入射光波形狀一致的光波。上述特定光波導結(jié)構(gòu)的 作用一方面在于對入射光波進行模式分離，另一方面在于對逆向傳播的共軛光波進行合 成，因此在發(fā)明(ZL200610124657.4)中被稱為模式分離/合成轉(zhuǎn)換器。一個模式分離/合 成轉(zhuǎn)換器由許許多多單模光波導組成，這些單模光波導在前端橫向間隔很小，互相耦合，然 后逐步分開，直到在末端彼此之間的耦合可以忽略。從形狀結(jié)構(gòu)上看，一個模式分離/合成 轉(zhuǎn)換器相當于一個由許多單模光波導組成的錐形光波導束，同時它還應該是一個絕熱錐形 光波導束，因為從發(fā)明(ZL200610124657.4)中的理論推導可以看出，要實現(xiàn)準確光學位相 共軛，光波在錐形光波導束中傳播時不能激發(fā)輻射模，且反射可以忽略不計。一旦激發(fā)輻射 ?；虍a(chǎn)生反射，這些輻射?；蚍瓷涔鈺ё咭徊糠帜芰浚瑫r引起不同導模之間的光能重 新分配，導致再構(gòu)光學波前變形。也就是說適用于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器的錐形光波導束 必須采用絕熱設(shè)計，即錐角必須適當，單模光波導芯層之間的橫向間隔應該緩慢增加，以避 免產(chǎn)生輻射模和突變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反射。錐形光波導是一個常用專業(yè)術(shù)語，因此在本說明書 中把發(fā)明(ZL200610124657.4)中的模式分離/合成轉(zhuǎn)換器改稱為絕熱錐形光波導束。一個依據(jù)上述原理實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置至少應該包括四個部分，即照明 光學系統(tǒng)、復振幅空間光調(diào)制器、耦合器和絕熱錐形光波導束。首先需要采用復振幅空間光 調(diào)制器對照明光的振幅和位相逐像素進行調(diào)節(jié)，其次需要把調(diào)制后的光波通過耦合器耦合 到絕熱錐形光波導束末端的彼此隔離的單模光波導中，從而在這些單模光波導中產(chǎn)生特定 振幅和位相的共軛光波，這些共軛光波逆向通過絕熱錐形光波導束，從而實現(xiàn)光學波前重 構(gòu)。發(fā)明(ZL200610124657.4)給出的實施方案很有限。本發(fā)明將給出更多的復振幅空間 光調(diào)節(jié)器實施方案，同時還將對耦合器的結(jié)構(gòu)和絕熱錐形光波導束的形狀進行完善，從而 抑制絕熱錐形光波導束中的輻射模，另外還將添加前置光學系統(tǒng)，進一步改善重構(gòu)光學波 前的質(zhì)量，并將改變照明光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以與所采用的復振幅空間光調(diào)節(jié)器相適應。下面 將對復振幅空間光調(diào)節(jié)器、耦合器、絕熱錐形光波導束、前置光學系統(tǒng)和照明光學系統(tǒng)的功 能結(jié)構(gòu)一一進行說明。一、復振幅空間光調(diào)節(jié)器復振幅空間光調(diào)制器的功能在于對照明光學系統(tǒng)發(fā)出 的相干光的振幅和位相逐像素進行調(diào)節(jié)。目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)各種透射式液晶顯示器，如 TFT-ST液晶顯示器，和反射式液晶顯示器，如LC0S(Liquid Cristal On Silicon)液晶顯示 器、液晶光柵等。這些液晶顯示器件在用作普通顯示器時，主要進行強度調(diào)節(jié)，即通過數(shù)字 調(diào)控每個像素的透過率或反射率，從而改變透過光或反射光的強度，顯示出二維圖像，此時 它們相當于強度調(diào)節(jié)型液晶空間光調(diào)節(jié)器。研究表明，對單塊TFT-ST、LC0S、液晶光柵，及 其他一些類型的液晶顯示器，也可通過調(diào)整其前后兩側(cè)的偏振片，使其工作在位相調(diào)節(jié)為 主模式，用于光學波前的位相調(diào)控，此時它們相當于位相調(diào)節(jié)型液晶空間光調(diào)節(jié)器。如果需 要同時調(diào)節(jié)輸入光波的振幅和位相，則需要把兩塊液晶空間光調(diào)節(jié)器以適當?shù)姆绞浇M合起 來，以實現(xiàn)振幅和位相的同時獨立調(diào)節(jié)。一種組合方法是使得照明光依次通過兩塊液晶空 間光調(diào)節(jié)器，這時總的復振幅調(diào)節(jié)量等于每塊液晶空間光調(diào)節(jié)器的復振幅調(diào)節(jié)量的乘積。 另外一種組合方法是把兩塊液晶空間光調(diào)節(jié)器分別放在邁克耳遜干涉器的兩個臂中，使得 照明光分別通過兩塊液晶空間光調(diào)節(jié)器，再合成在一起，此時總的復振幅調(diào)節(jié)量等于每塊液晶空間光調(diào)節(jié)器的復振幅調(diào)節(jié)量的矢量和。我們把這種組合在一起的能夠?qū)獠ǖ恼穹?和位相同時進行獨立調(diào)節(jié)的液晶空間光調(diào)節(jié)器稱之為復振幅空間光調(diào)節(jié)器。例如可以把兩 塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器串接在一起組成透射式復振幅空間光調(diào)節(jié)器，或者把一塊透射 式液晶空間光調(diào)節(jié)器與一塊反射式LCOS或液晶光柵液晶空間光調(diào)節(jié)器串接在一起組成反 射式復振幅空間光調(diào)節(jié)器，再或者把把兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器按照邁克耳遜干涉器 的方式組合在一起構(gòu)成復振幅空間光調(diào)節(jié)器，等等。二、耦合器耦合器的功能在于把經(jīng)過復振幅空間光調(diào)節(jié)器的每個像素調(diào)節(jié)后的 光波準確匯聚到絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層內(nèi)。當復振幅空間光調(diào)節(jié)器的 像素的空間排列周期與絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層的空間排列周期完全 相等時，可以直接用一個微透鏡陣列把復振幅空間光調(diào)節(jié)器的每個像素發(fā)出的光一一準確 地匯聚到絕熱錐形光波導束末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。為了避免激發(fā)高階輻射模， 應該設(shè)計微透鏡的焦距與通光口徑，使得匯聚到絕熱錐形光波導束末端的光波的入射角小 于單模光波導的臨界入射角。同時為了避免由于制造和裝配誤差的影響，可以在絕熱錐形 光波導束末端前增加一塊擋光板，擋光板上制作有透光孔，透光孔的直徑與絕熱錐形光波 導束末端的單模光波導的芯層直徑一致，且與單模光波導的芯層嚴格對準，這樣光波只能 匯聚進入單模光波導的芯層，無法進入包層，從而抑制了高階模的產(chǎn)生，以及由此引起的雜 散背景噪聲，提高了重構(gòu)光學波前的質(zhì)量。當復振幅空間光調(diào)節(jié)器的像素的空間排列周期 與絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層的空間排列周期不相等時，可以先用一個光 學透鏡把復振幅空間光調(diào)節(jié)器的每個像素成像到微透鏡陣列的每個微透鏡的物面，進一步 由這些微透鏡把光能成像匯聚到絕熱錐形光波導束末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。通過 光學透鏡可以實現(xiàn)復振幅空間光調(diào)節(jié)器的尺寸與絕熱錐形光波導束的末端的尺寸的匹配， 但也帶來一個問題，即通過光學透鏡成像后，到達像面，即到達微透鏡物面的光是傾斜的， 且傾角隨著像素位置而變化，從中心到邊沿，傾角逐步增大。為了矯正這種傾斜，可以在每 個微透鏡前面或后面增加一個微棱鏡。我們知道一束光經(jīng)過一個三棱鏡后，其傳播方向就 會改變，且棱角不同，傳播方向的改變量也不同。如果從中心到邊沿，微棱鏡取不同的棱角， 就可以補償上述傾角變化，使得經(jīng)微透鏡匯聚的光總是對稱地正入射到絕熱錐形光波導束 的末端，且小于末端的單模光波導的臨界入射角。上述組合微透鏡-微棱鏡可以采用二元 光學或全息光學方法設(shè)計制造，因為這兩種方法都可以把多個光學元件組合制作在一個單 一器件中，但從衍射效率考慮，采用二元光學元件更好一些。三、絕熱錐形光波導束絕熱錐形光波導束的功能分為兩個方面，一個方面是把復 雜入射光分解為許多單模光波導的基模，一方面是把單模光波導內(nèi)經(jīng)復振幅空間光調(diào)制產(chǎn) 生的共軛光波合成，重建出原始入射光。無論是分解還是合成，為了準確恢復出原始入射光 波，都要求錐形光波導束采用絕熱設(shè)計，避免產(chǎn)生高階輻射模和反射。但即使對于一個合理 設(shè)計的絕熱錐形光波導束，在使用過程中，由于其他部件裝配對準誤差，或外來雜散光等因 素，光線可能并不是全部從芯層入射或者入射角超過單模光波導的臨界入射角，在這些情 況下都會激發(fā)高階模，這些高階模會形成雜散波，影響再構(gòu)光波的質(zhì)量。為了消除這些高階 模，可以把絕熱錐形光波導束盤成圈，但圈的半徑要合適，一方面要保證能夠把高階模提前 從絕熱錐形光波導束的側(cè)面泄露出去，不讓它們從絕熱錐形光波導束的前端出射，產(chǎn)生背 景噪聲，另一方面又要保證基模不會發(fā)生泄露，繼續(xù)沿光波導傳播，直至從絕熱錐形光波導的前端正面發(fā)射出去，實現(xiàn)準確光學波前重構(gòu)。四、前置光學系統(tǒng)前置光學系統(tǒng)的功能在于進一步提升整個裝置的光學性能?；?于光學位相共軛原理的成像裝置不存在普通光學系統(tǒng)的像差，其分辨率取決于衍射分辨極 限。如果在絕熱錐形光波導束的前端放置一個光學系統(tǒng)，例如光學透鏡或反射鏡，可以增加 入瞳直徑，從而提高整個裝置的衍射分辨率。另外通過該前置光學系統(tǒng)還可以放大在絕熱 錐形光波導束的前端生成的三維立體像，為了獲得足夠大的立體圖像尺寸，前置光學系統(tǒng) 可以采用多個鏡片，通過多級放大獲得足夠大的放大倍率。為了補償前置光學系統(tǒng)的像差， 在用絕熱錐形光波導束對入射光進行分解時，前置光學系統(tǒng)也必須安裝到位，這樣在絕熱 錐形光波導束末端的單模光波導的芯層內(nèi)分解得到的基模就包含了前置光學系統(tǒng)的像差 影響，當通過共軛方法進行重建時，前置光學系統(tǒng)的像差就會自動消除。五、照明光學系統(tǒng)照明光學系統(tǒng)的功能在于提供滿足系統(tǒng)要求的相干性好的激 光束。當采用透射式復振幅空間光調(diào)制器時，照明光學系統(tǒng)只需把激光擴束后形成均勻平 行激光束，并垂直照明透射式復振幅空間光調(diào)制器即可。當采用反射式復振幅空間光調(diào)制 器時，照明光學系統(tǒng)需要把激光從絕熱錐形光波導束的前端導入。一種導入方式是采用傾 斜入射把激光輸入絕熱錐形光波導束的前端，這樣可以避免照明光學系統(tǒng)遮擋從絕熱錐形 光波導束前端出射的再構(gòu)光波。另一種導入方式是通過光纖把照明激光耦合導入絕熱錐形 光波導束的前端，這些光纖可環(huán)繞固定在絕熱錐形光波導束前端外側(cè)或前端正面邊緣，而 光纖的另一端還可粘接成一束，并把端面光學拋光，便于輸入激光。與發(fā)明(ZL200610124657.4)相比，本發(fā)明通過引入上述復振幅空間光調(diào)節(jié)器提 供了更多實施方案，通過優(yōu)化耦合器的結(jié)構(gòu)使得經(jīng)復振幅空間光調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的光準確匯 聚到絕熱錐形光波導束末端的單模光波導芯層內(nèi)，有效抑制了高階輻射模的產(chǎn)生，同時通 過改變絕熱錐形光波導束的形狀，進一步降低了高階輻射模影響，另外還通過引入前置光 學系統(tǒng)進一步提高了重構(gòu)光學波前的質(zhì)量，增加了三維像的尺寸。


圖1給出了采用兩個串接的透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器時實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛 的裝置的實施例示意圖。圖2給出了采用復合微透鏡_微棱鏡陣列作為耦合器時實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的 裝置的實施例示意圖。圖3給出了采用兩個按照麥克耳遜干涉器方式放置的透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器 時實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的實施例示意圖。圖4給出了采用一個透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和一個反射式液晶光柵時實現(xiàn)數(shù) 字光學位相共軛的裝置的實施例示意圖。圖5給出了采用一個透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和一個反射式LCOS空間光調(diào)制器 時實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的實施例示意圖。圖6給出了一個具有額外照明光輸入光波導時絕熱錐形光波導束的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式圖1給出了采用兩個串接的透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器組成復合空間光調(diào)節(jié)器，所搭建的實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1可以看出，它主要由照明光學 系統(tǒng)1、復振幅空間光調(diào)節(jié)器2、耦合器3和絕熱錐形光波導束4組成，從右至左，照明光源 1、復振幅空間光調(diào)節(jié)器2、耦合器3和絕熱錐形光波導束4依次放置，它們相互對準，這樣 使得從照明光學系統(tǒng)1發(fā)出的平行激光束均勻照明透射式復振幅空間光調(diào)節(jié)器2，被復振 幅空間光調(diào)節(jié)器2進行適當振幅和位相調(diào)節(jié)后，再經(jīng)耦合器3耦合進入絕熱錐形光波導束 4末端，并把光能匯聚在絕熱錐形光波導束4末端的每個單模光波導芯層內(nèi)，產(chǎn)生具有特定 振幅和位相的共軛光波。在圖1的裝置中還包括一個透射式光學鏡頭5，其作用在于增加系統(tǒng)的入瞳口徑， 從而提高系統(tǒng)的成像分辨率，因此它的通光口徑遠大于絕熱錐形光波導束4前端的直徑。 它放置在絕熱錐形光波導束4前端的前面，與絕熱錐形光波導束4的前端對準，使得透射式 光學鏡頭5的光軸與絕熱錐形光波導束4的中心軸重合。透射式光學鏡頭5的作用還在于 對立體像進行放大。由于絕熱錐形光波導束4前端的直徑很小，往往小于1mm，因此在絕熱 錐形光波導束4前端重建的三維立體像的尺寸也非常小，可能需要放大幾百，甚至幾千倍， 為了獲得如此大的放大率，可采用多片光學鏡頭進行多級放大。在圖1中絕熱錐形光波導束4由許多單模光波導16組成(圖中未明確畫出光波 導包層結(jié)構(gòu))，從絕熱錐形光波導束4的左側(cè)前端至右側(cè)末端，相鄰兩根光波導的芯層之間 的間隔逐步增大，彼此之間的光學耦合逐步減弱至可以忽略不計，同時由于絕熱錐形光波 導束4的錐角相對較小，其結(jié)構(gòu)參數(shù)使得光波在絕熱錐形光波導束4中傳播時所產(chǎn)生輻射 模和由突變結(jié)構(gòu)引起的反射可忽略不計，滿足光路可逆性傳播要求，可以基于光路可逆性 原理實現(xiàn)光學波前重構(gòu)和三維成像。例如在需要進行離散三維成像時，在標定階段我們可 把一個真實三維像素放置在圖1中光學透鏡5的前面，由該三維像素發(fā)出的光經(jīng)光學透鏡 5匯聚進入絕熱錐形光波導束4的前端，這些光傳播到絕熱錐形光波導束4的末端時，在彼 此隔離的單模光波導芯層內(nèi)會產(chǎn)生特定振幅和位相的基模光場，我們可以引入?yún)⒖脊獍衙?根單模光波導里的基模光場的振幅和位相測量記錄下來。在三維顯示階段，依據(jù)光學共軛 原理，借助復振幅空間光調(diào)節(jié)器2可在彼此隔離的單模光波導芯層內(nèi)會重建上述具有特定 振幅和位相的基模光場的共軛光場，由于光路的可逆性，這些共軛光場會逆向傳播，恢復出 原始三維像素，而許許多多類似離散三維像素就可組成一幅立體圖像17。在圖1中，復振幅空間光調(diào)節(jié)器2由兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器9、10和三片偏 振片11、12、13組成，從右至左，第一塊偏振片13、第一塊透射式液晶板10、第二塊偏振片 12、第二塊透射式液晶板9和第三塊偏振片11依次緊貼放置，兩塊透射式液晶板9、10的像 素一一對準，調(diào)節(jié)三塊偏振片11、12、13的偏振方向，例如讓第一塊偏振片13和第二塊偏 振片12的偏振方向互成90度，而第二塊偏振片12和第三塊偏振片11的偏振方向互成45 度，從而使得第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器10工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式，而第二塊透射 式液晶空間光調(diào)節(jié)器9工作于位相調(diào)節(jié)為主模式(注意對不同型號液晶空間光調(diào)節(jié)器可能 需要采用不同的偏振角度)，這樣就可對入射照明相干光的振幅和位相同時進行準確控制。 由于照明光相繼通過兩塊液晶空間光調(diào)節(jié)器，總的復振幅調(diào)節(jié)量是兩塊液晶空間光調(diào)節(jié)器 的復振幅調(diào)節(jié)量的乘積，因此到底哪塊液晶空間光調(diào)節(jié)器進行振幅調(diào)節(jié)，哪塊液晶空間光 調(diào)節(jié)器進行位相調(diào)節(jié)，其順序無關(guān)緊要。另外如果照明相干激光為偏振光，可以調(diào)整其偏轉(zhuǎn) 方向，使之與第一塊偏振片13的偏振方向一致，這樣第一塊偏振片13就可省略，簡化結(jié)構(gòu)。
在圖1中，耦合器3由一個微透鏡陣列14和一個擋光板15組成，微透鏡陣列14 右側(cè)緊貼復振幅空間光調(diào)節(jié)器2放置，而左側(cè)的焦面與絕熱錐形光波導束4的末端端面重 合，微透鏡陣列14上每個微透鏡的焦距和通光口徑經(jīng)過合理設(shè)計，可以保證經(jīng)微透鏡陣列 14上的每個微透鏡匯聚到絕熱錐形光波導束4末端端面上的光的入射角小于絕熱錐形光 波導束4末端的單模光波導的臨界入射角。擋光板15緊貼絕熱錐形光波導束4的末端放 置，擋光板15上制作有透光孔陣列，擋光板15上的透光孔與絕熱錐形光波導束4末端的單 模光波導的芯層一一對準，透光孔的直徑與絕熱錐形光波導束4末端單模光波導的芯層的 直徑一致，微透鏡陣列14上的微透鏡與復振幅空間光調(diào)節(jié)器2上的像素一一對準，這樣使 得復振幅空間光調(diào)節(jié)器2上每個像素發(fā)出的光經(jīng)微透鏡聚焦后，穿過擋光板15上的透光 孔，準確聚焦到絕熱錐形光波導束4末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。采用擋光板15的目的是為了避免由于加工和裝配誤差導致光能匯聚到單模光波 導的芯層外面，激發(fā)高階輻射模，形成背景噪聲，引起重建光波的畸變。但即使采用了擋光 板也不能絕對保證不會激發(fā)高階輻射模，為了最大限度地抑制高階輻射模，可以把絕熱錐 形光波導束4盤成一定半徑的圈，控制圈的半徑使得絕熱錐形光波導束4末端的每根單模 光波導里激發(fā)的高階模從絕熱錐形光波導束4的側(cè)面提前泄露出去，同時保證絕熱錐形光 波導束4末端的每根單模光波導里激發(fā)的基模不受影響，繼續(xù)沿絕熱錐形光波導束4逆向 傳播，并從前端的正面透射出去。當空間光調(diào)節(jié)器的像素和絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層具有同樣 的空間排列結(jié)構(gòu)時，采用圖1所示耦合器可以方便地把經(jīng)過空間光調(diào)節(jié)器的每個像素調(diào)節(jié) 后的光波一一聚焦耦合到絕熱錐形光波導束末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。而當空間光 調(diào)節(jié)器的像素和絕熱錐形光波導束末端的單模光波導的芯層具有不同的空間排列結(jié)構(gòu)時， 可以采用一個光學透鏡對空間光調(diào)節(jié)器的尺寸進行變換，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 在圖2中，耦合器3由一個光學透鏡19、一個復合微透鏡_微棱鏡陣列18和一個擋 光板15組成，復合微透鏡-微棱鏡陣列18上的每個復合微透鏡-微棱鏡由一個二元光學元 件或全息光學元件組成，其功能相當于一個微透鏡與一個微棱鏡的組合。復合微透鏡-微 棱鏡陣列14的像面與絕熱錐形光波導束4的末端端面重合，通過合理設(shè)計復合微透鏡_微 棱鏡陣列14上的每個復合微透鏡_微棱鏡的焦距、通光口徑和棱鏡傾角，可以保證經(jīng)復合 微透鏡_微棱鏡陣列14上的每個復合微透鏡_微棱鏡匯聚到絕熱錐形光波導束4末端端 面上的光的入射角小于絕熱錐形光波導束4末端的單模光波導的臨界入射角。擋光板15 緊貼絕熱錐形光波導束4的末端放置，擋光板15上制作有透光孔陣列，擋光板15上的透光 孔與絕熱錐形光波導束4末端的單模光波導的芯層一一對準，透光孔的直徑與絕熱錐形光 波導束4的末端的單模光波導的芯層的直徑一致。合理選擇光學透鏡19的焦距和位置，可 以保證復振幅空間光調(diào)節(jié)器2位于光學透鏡19的物面，而復合微透鏡-微棱鏡陣列18的 物面位于光學透鏡19的像面，且復合微透鏡_微棱鏡陣列18上的每個復合微透鏡_微棱 鏡與復振幅空間光調(diào)節(jié)器2上的每個像素一一對準，使得復振幅空間光調(diào)節(jié)器2的每個像 素發(fā)出的光經(jīng)復合微透鏡_微棱鏡陣列18上的每個復合微透鏡_微棱鏡聚焦后，穿過擋光 板15上的透光孔，匯聚到絕熱錐形光波導束4末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。
在圖2中，由于采用光學透鏡19把復振幅空間光調(diào)節(jié)器2成像到復合微透鏡-微 棱鏡陣列18的物面，到達復合微透鏡-微棱鏡陣列18的表面的光線的入射角從整個復合微透鏡-微棱鏡陣列18的中心到邊緣是逐步變化的，在中心接近垂直入射，而在邊緣傾角 較大，此時需要設(shè)計復合微透鏡-微棱鏡陣列18上的每個復合微透鏡-微棱鏡的結(jié)構(gòu)參 數(shù)，相當于使得每個復合微透鏡-微棱鏡中的微棱鏡的傾角發(fā)生改變，來矯正補償?shù)竭_復 合微透鏡陣列18表面的光線的入射角的變化，使得復振幅空間光調(diào)節(jié)器2的每個像素發(fā)出 的光，無論從中心區(qū)域的像素還是邊緣區(qū)域的像素發(fā)出的光，經(jīng)復合微透鏡-微棱鏡陣列 18聚焦后，都能穿過擋光板15上的透光孔，準確聚焦到絕熱錐形光波導束4的末端的每個 單模光波導的芯層內(nèi)，且入射角小于單模光波導的臨界入射角。圖3給出了采用兩個按照麥克耳遜干涉器方式放置的透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器 組成復合空間光調(diào)節(jié)器，所搭建的實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖3中， 復振幅空間光調(diào)節(jié)器2由兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25、兩塊半透半反鏡20、21、兩 塊反射鏡22、23和二塊偏振片26、27組成。兩塊半透半反鏡20、21和兩塊反射鏡22、23按 照邁克耳遜干涉器方式放置，兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25分別放置在邁克耳遜干 涉器的兩臂中，第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器24與第二塊半透半反鏡21的半透半反面 A1-A2成45度夾角，第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器25與第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié) 器24相對于第二塊半透半反鏡21的半透半反面A1-A2呈鏡像對稱放置，使得兩塊透射式 液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25的像素一一對準，兩塊偏振片26、27分別平行于二塊透射式液晶 空間光調(diào)節(jié)器24、25，第一塊偏振片26放置在邁克耳遜干涉器的進光口，第二塊偏振片27 放置在邁克耳遜干涉器的出光口，第一塊偏振片26與第二塊偏振片27的偏振方向互成45 度(注意對不同型號液晶空間光調(diào)節(jié)器可能需要采用不同的偏振角度)，使得兩塊透射式 液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25皆工作于位相調(diào)節(jié)為主模式。照明相干光源1發(fā)出的相干平行光 波首先穿過第一塊偏振片26，變成線性偏振光，接著被第一塊半透半反鏡20分成兩束光， 這兩束光分別被兩塊反射鏡22、23反射，垂直穿過兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25，再 穿過第二塊半透半反鏡21和第二塊偏振片27后，通過耦合器3耦合進入絕熱錐形光波導 束4的末端。由于兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25互成鏡像關(guān)系，且都位于光學透鏡 19的物面，經(jīng)兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器24、25進行位相調(diào)制后的光波被成像到復合微 透鏡陣列18的物面，進一步被復合微透鏡陣列成像匯聚到絕熱錐形光波導束4末端的每根 單模光波導的芯層內(nèi)，通過相干疊加產(chǎn)生特定位相和振幅的共軛光波。在圖3中，還包括一個反射式聚光鏡28，其作用在于增加系統(tǒng)的入瞳口徑，提高系 統(tǒng)的成像分辨率，它固定放置在絕熱錐形光波導束4的前端，并與前端對準，使得反射式聚 光鏡28的光軸與絕熱錐形光波導束4的光軸重合。圖4給出了采用一個透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和一個液晶光柵組成復合空間光 調(diào)節(jié)器，所搭建的實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖4中，復振幅空間光調(diào) 節(jié)器2由一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29、一塊反射式液晶光柵30和二塊偏振片31、32和 數(shù)字光學處理系統(tǒng)33組成。從左至右，第一塊偏振片31、透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29、第 二塊偏振片32和反射式液晶光柵30依次緊貼放置。數(shù)字光學處理系統(tǒng)(Digital Light Processing, DLP) 33放置在反射式液晶光柵30的后面，把一幅光學影像成像到反射式液晶 光柵30的背面，該光學影像的像素與透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29的像素一一對準，兩塊偏 振片31、32的偏振方向互成45度(注意對不同型號液晶空間光調(diào)節(jié)器可能需要采用不同 的偏振角度)，使得透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29工作于位相調(diào)節(jié)為主模式，而反射式液晶光柵30工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式。當然也可以反過來使得透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29工 作于振幅調(diào)節(jié)為主模式，而反射式液晶光柵30工作于位相調(diào)節(jié)為主模式。值得指出的是當 光波來回兩次穿過透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29，它對光波的位相或振幅增加一倍，利用這 一特性可顯著提高位相或振幅的調(diào)節(jié)范圍。由于液晶光柵30不透光，波長為λ的相干照 明光從絕熱錐形光波導束4的前端傾斜入射，并從絕熱錐形光波導束4的末端出射，然后經(jīng) 耦合器3投射到復振幅空間光調(diào)節(jié)器2，經(jīng)復振幅空間光調(diào)節(jié)器2進行振幅和位相調(diào)節(jié)后反 射回來，再次經(jīng)耦合器3耦合逆向進入絕熱錐形光波導束4的末端，在絕熱錐形光波導束4 末端的每根單模光波導的芯層內(nèi)產(chǎn)生特定位相和振幅的共軛光波。在圖4中液晶光柵30主要由光敏層和液晶層組成，它們中間是擋光層和多層介質(zhì) 反射膜，驅(qū)動電壓通過光敏層施加到液晶層兩側(cè)。當光學影像從背面投射到光敏層時，光敏 層的電阻發(fā)生變化，這樣施加到液晶層兩側(cè)的電壓也發(fā)生改變，從正面入射到液晶層的光 經(jīng)反射層反射后，再次穿過液晶層，其位相和振幅也隨著光學影像亮度的改變而改變。在 液晶光柵中液晶層本身是一個整體，沒有在結(jié)構(gòu)上被制作成一個個獨立的像素，但投射到 光敏層的光學影像由一系列像素組成，這樣在每個像素處的液晶所接受到的電壓也是不同 的，相當于說液晶層被劃分為一個個獨立的像素，每個像素的大小等于光學影像的每個像 素的大小，這些像素與透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器29的像素應該一一對準。在圖4中數(shù)字光 學處理系統(tǒng)33由光源34、數(shù)字微鏡(DigitalMicro-mirror Device) 35和光學透鏡36組 成，光源34發(fā)出的光經(jīng)數(shù)字微鏡35的反射形成具有特定亮度分布的光學影像，再經(jīng)光學透 鏡36成像到液晶光柵30的背面。圖5給出了采用一個透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器和一個反射式LCOS空間光調(diào)制器 組成復合空間光調(diào)節(jié)器，所搭建的實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5中的 裝置與圖4中的裝置都采用了反射式液晶空間光調(diào)制器，唯一不同的是圖5中的裝置用一 塊LCOS空間光調(diào)制器37代替了圖4中的液晶光柵30。由于LCOS空間光調(diào)制器自身可逐 像素尋址驅(qū)動，因此圖4中液晶光柵30背面的數(shù)字光學處理系統(tǒng)33可以省略，從而進一步 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在圖4和圖5中，波長為λ的相干照明光直接入射到絕熱錐形光波導束4的前 端，為了不遮擋從絕熱錐形光波導束4的前端出射的再構(gòu)光波，照明光以較大的角度傾斜 入射。采用這種照明方式的好處是結(jié)構(gòu)簡單，相干照明光也不一定需要是平行光，其缺點是 在照明光穿過絕熱錐形光波導束4后，從末端每根單模光波導芯層出射的光波的振幅和位 相都不相同，而且可能起伏較大，需要預先測量標定。圖6給出了另外一種把相干照明光導入絕熱錐形光波導束4的前端的方法。在圖 5中相干照明光學系統(tǒng)1包含一個由許多輸入光纖38組成的光纖束，輸入光纖38環(huán)繞固定 在絕熱錐形光波導束4的前端的外側(cè)，把波長為λ的相干照明光耦合輸入到絕熱錐形光波 導束4的前端。
權(quán)利要求
一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于它由照明光學系統(tǒng)(1)、復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)、耦合器(3)和絕熱錐形光波導束(4)組成，照明光學系統(tǒng)(1)、復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)、耦合器(3)和絕熱錐形光波導束(4)依次放置，且相互對準，使得照明光學系統(tǒng)(1)發(fā)出的相干光波均勻照明復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)，被復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)進行振幅和位相調(diào)節(jié)后再經(jīng)耦合器(3)耦合進入絕熱錐形光波導束(4)的末端，并把光能匯聚在絕熱錐形光波導束(4)末端的每個單模光波導芯層內(nèi)，產(chǎn)生位相共軛光波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復 振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)由兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(9、10)和三塊偏振片(11、12、13) 組成，第一塊偏振片(13)、第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(10)、第二塊偏振片(12)、第二 塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(9)和第三塊偏振片(11)依次放置，第二塊透射式液晶空間 光調(diào)節(jié)器(9)、第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(10)的像素一一對準，調(diào)節(jié)第一塊偏振片 (11)、第二塊偏振片(12)、第三塊偏振片(13)的偏振方向，使第二塊透射式液晶空間光調(diào) 節(jié)器(9)、第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(10)分別工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式和位相調(diào)節(jié) 為主模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復 振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)由兩塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(24、25)、兩塊半透半反鏡(20、 21)、兩塊反射鏡(22、23)和二塊偏振片(26、27)組成，第一塊半透半反鏡(20)、第二塊半透 半反鏡(21)和第一塊反射鏡(22)、第一塊反射鏡(23)按照邁克耳遜干涉器方式放置，第 一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(24)、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(25)分別放置在邁 克耳遜干涉器的兩臂，第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(24)與第二塊半透半反鏡(21)的 半透半反面(A1-A2)成45度夾角，第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(25)與第一塊透射式 液晶空間光調(diào)節(jié)器(24)相對于第二塊半透半反鏡(21)的半透半反面(A1-A2)呈鏡像對稱 放置，使第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(24)、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(25)的像 素一一對準，第一塊偏振片(26)和第二塊偏振片(27)分別平行于第一塊透射式液晶空間 光調(diào)節(jié)器(24)、第二塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(25)，第一塊偏振片(26)和第二塊偏振片 (27)分別位于邁克耳遜干涉器的進光口和出光口，選擇第一塊偏振片(26)和第二塊偏振 片(27)的偏振方向，使第一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(24)、第二塊透射式液晶空間光調(diào) 節(jié)器(25)皆工作于位相調(diào)節(jié)為主模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復 振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)由一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(29)、一塊反射式液晶光柵(30)、 二塊偏振片(31、32)和數(shù)字光學處理系統(tǒng)(33)組成，第一塊偏振片(31)、透射式液晶空間 光調(diào)節(jié)器(29)、第二塊偏振片(32)和反射式液晶光柵(30)依次放置，數(shù)字光學處理系統(tǒng) (33)放置在反射式液晶光柵(30)的后面，把一幅光學影像成像到反射式液晶光柵(30)的 背面，該光學影像的像素與透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(29)的像素一一對準，調(diào)整第一塊偏 振片(31)、第二塊偏振片(32)的偏振方向，使得透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(29)和反射式液 晶光柵(30)分別工作于位相調(diào)節(jié)為主模式和振幅調(diào)節(jié)為主模式，照明相干光從絕熱錐形 光波導束(4)的前端入射，并從絕熱錐形光波導束(4)的末端出射，經(jīng)耦合器(3)投射到復 振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)，經(jīng)復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)反射后再次經(jīng)耦合器(3)耦合逆向進入 絕熱錐形光波導束(4)的末端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的復 振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)由一塊透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(29)、一塊反射式LC0S液晶空間 光調(diào)制器(37)、二塊偏振片(31、32)和數(shù)字光學處理系統(tǒng)(33)組成，第一塊偏振片(31)、 透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(29)、第二塊偏振片(32)和反射式LC0S液晶空間光調(diào)制器(37) 依次放置，透射式液晶空間光調(diào)節(jié)器(29)的像素與反射式LC0S液晶空間光調(diào)制器(37)的 像素與一一對準，調(diào)整第一塊偏振片(31)、第二塊偏振片(32)的偏振方向，使得透射式液 晶空間光調(diào)節(jié)器(29)和反射式LC0S液晶空間光調(diào)制器(37)分別工作于位相調(diào)節(jié)為主模 式和振幅調(diào)節(jié)為主模式，照明相干光從絕熱錐形光波導束(4)的前端入射，并從絕熱錐形 光波導束⑷的末端出射，然后經(jīng)耦合器⑶投射到復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)，經(jīng)復振幅空 間光調(diào)節(jié)器(2)反射后再次經(jīng)耦合器(3)耦合逆向進入絕熱錐形光波導束(4)的末端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的耦 合器(3)由一個微透鏡陣列(14)和一個擋光板(15)組成，微透鏡陣列(14) 一側(cè)緊貼復振 幅空間光調(diào)節(jié)器(2)放置，另一側(cè)的焦面與絕熱錐形光波導束(4)的末端端面重合，設(shè)計微 透鏡陣列(14)上每個微透鏡的焦距和通光口徑使得經(jīng)微透鏡陣列(14)上的每個微透鏡匯 聚到絕熱錐形光波導束(4)的末端端面上的光的入射角小于絕熱錐形光波導束(4)的末端 的單模光波導的臨界入射角，擋光板(15)緊貼絕熱錐形光波導束(4)的末端放置，擋光板 (15)上制作有透光孔陣列，擋光板(15)上的透光孔與絕熱錐形光波導束(4)的末端的單模 光波導的芯層一一對準，透光孔的直徑與絕熱錐形光波導束(4)末端的單模光波導的芯層 的直徑一致，微透鏡陣列(14)上的微透鏡與復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)上的像素一一對準， 使復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)上每個像素發(fā)出的光經(jīng)微透鏡聚焦后，穿過擋光板(15)上的透 光孔，準確聚焦到絕熱錐形光波導束(4)末端的每個單模光波導的芯層內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的耦 合器⑶由一個光學透鏡(19)、一個復合微透鏡-微棱鏡陣列(18)和一個擋光板(15)組 成，復合微透鏡-微棱鏡陣列(18)上的每個復合微透鏡-微棱鏡由一個二元光學元件或 全息光學元件組成，每個復合微透鏡_微棱鏡的功能相當于一個微透鏡與一個微棱鏡的組 合，復合微透鏡-微棱鏡陣列(14)的像面與絕熱錐形光波導束(4)的末端端面重合，設(shè)計 復合微透鏡-微棱鏡陣列(14)上的每個復合微透鏡_微棱鏡的焦距、通光口徑和棱鏡傾角 使得經(jīng)復合微透鏡-微棱鏡陣列(14)上的每個復合微透鏡_微棱鏡匯聚到絕熱錐形光波 導束(4)的末端端面上的光的入射角小于絕熱錐形光波導束(4)末端的單模光波導的臨界 入射角，擋光板(15)緊貼絕熱錐形光波導束(4)的末端放置，擋光板(15)上制作有透光 孔陣列，擋光板(15)上的透光孔與絕熱錐形光波導束(4)末端的單模光波導的芯層一一對 準，透光孔的直徑與絕熱錐形光波導束(4)末端的單模光波導的芯層的直徑一致，調(diào)節(jié)光 學透鏡(19)的位置，使得復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)位于光學透鏡(19)的物面，而復合微透 鏡-微棱鏡陣列(18)的物面位于光學透鏡(19)的像面，復合微透鏡-微棱鏡陣列(18)上 的每個復合微透鏡-微棱鏡與復振幅空間光調(diào)節(jié)器(2)上的每個像素一一對準，使復振幅 空間光調(diào)節(jié)器(2)的每個像素發(fā)出的光經(jīng)復合微透鏡-微棱鏡陣列(18)上的每個復合微 透鏡-微棱鏡聚焦后，穿過擋光板(15)上的透光孔，匯聚到絕熱錐形光波導束(4)末端的 每個單模光波導的芯層內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的照明光學系統(tǒng)(1)包含一束輸入光纖(38)，輸入光纖(38)環(huán)繞固定在絕熱錐形光波導束(4) 的前端的外側(cè)面或前端的正面邊緣處，用于把照明相干光耦合輸入絕熱錐形光波導束(4) 的前端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，其特征在于所述的絕 熱錐形光波導束(4)盤成一定半徑的圈，控制圈的半徑使得從絕熱錐形光波導束(4)末端 入射的光線在每根單模光波導里激發(fā)的高階模從絕熱錐形光波導束(4)的側(cè)面泄露出去， 同時保證絕熱錐形光波導束(4)末端的每根單模光波導里激發(fā)的基模從絕熱錐形光波導 束(4)的前端的正面透射出去。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)數(shù)字光學位相共軛的裝置，它由照明光學系統(tǒng)、復振幅空間光調(diào)節(jié)器、耦合器和絕熱錐形光波導束組成，照明光學系統(tǒng)、復振幅空間光調(diào)節(jié)器、耦合器和絕熱錐形光波導束依次放置，且相互對準，使得照明光學系統(tǒng)發(fā)出的相干光波均勻照明復振幅空間光調(diào)節(jié)器，被復振幅空間光調(diào)節(jié)器進行振幅和位相調(diào)節(jié)后再經(jīng)耦合器耦合進入絕熱錐形光波導束的末端，并把光能匯聚在絕熱錐形光波導束末端的每個單模光波導芯層內(nèi)，產(chǎn)生位相共軛光波。有效抑制了高階輻射模的產(chǎn)生，同時通過改變絕熱錐形光波導束的形狀，進一步降低了高階輻射模影響。
文檔編號G02B6/32GK101881860SQ20101019048
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者李志揚 申請人:李志揚