CN112071174A - 一种基于透射式空间光调制器的光学教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，包括激光器、扩束镜及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器上加载有仿真图形，所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束，所述准直光束入射进入所述透射式空间光调制器且入射所述透射式空间光调制器的准直光束可以照射整个所述空间光调制器靶面，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以控制输出光场，本发明提供的光学教学系统可根据实现的不同的功能需要在透射式空间光调制器前或后增加不同的光学元件，根据功能需要更改加载在透射式空间光调制器上的仿真图形，光束通过透射式空间光调制器进行了相应的调制，以满足不同的实验需求。
Description
技术领域
本发明涉及光学教学或者光电教研及演示技术领域，特别涉及一种基于透射式空间光调制器的光学教学系统。
背景技术
现代化的光学设备价格普遍比较贵，且集成度太高，不能有助于学生对光学原理的理解，完成的实验也比较单一，学校只能通过采购不同的设备来满足不同实验的需求，这也增加了学校的采购压力。
空间光调制器(SLM，spatial light modulator)是一种可以对光波的空间分布进行调制的器件。空间光调制器含有许多独立的单元，它们在空间上按一维或二维阵列排列，每一个单元都可以独立的接收电信号或光信号，并根据此信号改变自身的光学性质，从而改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为透射式和反射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM)。空间光调制器在现代光学领域中具有越来越重要的地位和价值，它是光学、光电混合系统进行光互连、光学相关、光计算、模式识别、光学控制、光学检测、图象处理、显示技术等中的基本构件和关键器件。
目前的光电实验室所用的实验设备比较老旧，很多都是多年未更换，随着科技的进步，现代化、数字化的设备如雨后春笋般显现，空间光调制器的单像素灵活可编程特性使得其应用非常广泛，但是应用于教学领域的情况并不多。透射式空间光调制器搭建的光学教学系统有其固有的优势：透射式光路，光路易搭建与调节。将透射式空间光调制器这一类现代化设备引入高校光电实验室，光学教学课堂、中学科技拓展实验室、学校展厅非常有必要。这也有助于培养适应新世纪需要的高素质人才。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种光路简单易于调节且集成度高的基于透射式空间光调制器的光学教学系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于透射式空间光调制器的光学教学系统，包括：激光器、扩束镜及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器上加载有仿真图形，其中：
所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束，所述准直光束入射进入所述透射式空间光调制器且入射所述透射式空间光调制器的准直光束可以照射整个所述空间光调制器靶面，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以控制输出光场。
在其中一些实施例中，当所述仿真图形为双缝图样时，所述光学教学系统还包括聚焦镜及设置于所述聚焦镜的后焦面上的图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以实时改变所述双缝图样的双缝间距及缝宽，并且对所述双缝图样的双缝进行平移和旋转，所述图像采集单元实时检测干涉条纹的变化。
在其中一些实施例中，当所述仿真图形为周期性的网格光栅时，所述光学教学系统还包括图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以实时改变所述周期性的网格光栅的缝宽和周期，所述图像采集单元实时采集到光栅的Talbot像。
在其中一些实施例中，当所述仿真图形为小孔或环形孔或狭缝时，所述光学教学系统还包括网格光栅、第一聚焦镜、第二聚焦镜及图像采集单元，所述空间光调制器位于所述第一聚焦镜的后焦面处，所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束依次经所述网格光栅及所述第一聚焦镜后进入所述透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以对所述网格光栅的频谱进行滤波处理，并经所述第二聚焦镜后被所述图像采集单元采集得到所述网格光栅经过滤波后的图像。
在其中一些实施例中，当所述仿真图形为字母或文字时，所述光学教学单元还包括第三聚焦镜、设置在所述第三聚焦镜后焦面的小孔、第四聚焦镜及位于所述第四聚焦镜焦平面的图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以产生不同的物光场并由所述图像采集单元采集。
在其中一些实施例中，当所述仿真图形为相息图时，所述光学教学系统还包括聚焦镜及设置于所述聚焦镜的后焦面上的图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以改变入射光的相位信息，所述图像采集单元采集到全息再现的结果。
在其中一些实施例中，所述图像采集单元为高分辨率CCD或功率计或观察屏。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，包括激光器、扩束镜及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器上加载有仿真图形，所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束，所述准直光束入射进入所述透射式空间光调制器且入射所述透射式空间光调制器的准直光束可以照射整个所述空间光调制器靶面，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以控制输出光场，本发明提供的光学教学系统可根据实现的不同的功能需要在透射式空间光调制器前或后增加不同的光学元件，根据功能需要更改加载在透射式空间光调制器上的仿真图形，光束通过透射式空间光调制器进行了相应的调制，以满足不同的实验需求。
本发明提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，光路结构简单，易于搭建，可完成多个传统光学实验，并根据需求更换核心光学元件较传统光学教学系统更加的现代化与便捷，集成度高，应用广泛，既可用于实验室开拓性实验，也通过设计结构，适用于进行课堂教学演示，解决了实验现象不明显，不易观察，更换光学元件成本高、复杂的问题。
此外，该光学教学系统完成的实验涉及的课程包括：物理光学、信息光学、光学、大学物理、高等光学等光学课程，也适用于教师根据光学教学内容自行设计实验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图。
图2为本发明实施例2提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图。
图3为本发明实施例3提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图。
图4为本发明实施例4提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图。
图5为本发明实施例5提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图。
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进行清楚、完整地描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，包括：激光器、扩束镜及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器上加载有仿真图形。
具体地，激光器用来产生系统所需的激光，优选为532nm，80mW的固体激光器。
具体地，扩束镜用来将激光器出来的光进行扩束，使得入射激光可以照射整个空间光调制器靶面。
进一步地，透射式空间光调制器的驱动方式为电寻址多晶硅薄膜晶体管(TFT，Thin Film Transistor)，也称为TFT-LCD空间光调制器。空间光调制器由许多液晶晶胞组成，这些晶胞在空间上呈一维或二维分布，每个晶胞独立接受电信号的控制。空间光调制器中液晶和控制电信号的不透光的电极(行电极和列电极)组成了一个类似于一个正交光栅的结构。透射式空间光调制器的液晶屏是由上下两个可以导电的玻璃片制成的，其厚度只有几个微米，内充有正向液晶。液晶盒的两玻璃基板外侧贴有线偏振器，内侧镀有导电薄膜及取向层，而这个取向层是覆盖在导电薄膜上，通过摩擦，在其表面形成许多方向一致的细微沟槽来对液晶进行取向的。由于液晶盒的两玻璃基板外侧贴有线偏振器，使得起偏器的偏振方向与该基片上的摩擦方向一致或者垂直，检偏器与起偏器的偏振方向相互平行或垂直，这样就构成了简单的扭曲向列液晶显示屏。
进一步地，本发明提供的空间光调制器采用扭曲角约为90°的扭曲向列液晶作为工作介质，具有单像素调节光的相位和振幅的功能。
进一步地，仿真图形包括狭缝、光栅、菲涅尔波带片、全息图等，可以模拟不同的输出光场，实现杨氏双缝干涉、夫琅禾费衍射、4f空间频率滤波系统、卷积定理的光学模拟等。
可以理解，本发明提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统结构测量，在上述结构基础上，根据需求的不同加载不同的仿真图像，可以实现包括但不限于下述功能：结构测量、振幅调制、偏振态的调制、实时图像变换、Talbot影像、像素大小的测量、空间滤波器、空间滤波实验、成像与投影、杨氏双缝干涉、夫琅禾费衍射、菲涅尔衍射、透镜的光学变换性质、具有孔径光阑的单透镜成像、阿贝二次成像、阿贝-波特实验、4f空间频率滤波系统、卷积定理的光学模拟、双缝干涉法研究SLM的相位调制特性、数字全息再现、菲涅尔透镜、中空光束、光束变换(平面波、球面波、柱面波)、色散、旋光及晶体的电光效应。
上述基于透射式空间光调制器的光学教学系统的工作方式如下：
所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束，所述准直光束入射进入所述透射式空间光调制器且入射所述透射式空间光调制器的准直光束可以照射整个所述空间光调制器靶面，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以控制输出光场。
可以理解，本发明提供的光学教学系统可根据实现的不同的功能需要在透射式空间光调制器前或后增加不同的光学元件，根据功能需要更改加载在透射式空间光调制器上的仿真图形，光束通过透射式空间光调制器进行了相应的调制，以满足不同的实验需求。
以下结合具体实施例详细说明上述技术方案。
实施例1-杨氏双缝干涉
请参阅图1，为本发明实施例提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图，包括：激光器110、扩束镜120、透射式空间光调制器130、聚焦镜140及设置于所述聚焦镜140的后焦面上的图像采集单元150。
具体地，聚焦镜140用来对光场进行傅里叶变换，f＝80mm。
进一步地，图像采集单元150为高分辨率CCD或功率计或观察屏，用来对最终结果进行采集和分析。
在本实施例中，所述仿真图形为双缝图样，该光学教学系统工作方式如下：
所述透射式空间光调制器130对入射的准直光束进行调制以实时改变所述双缝图样的双缝间距及缝宽，并且对所述双缝图样的双缝进行平移和旋转，所述图像采集单元150实时检测干涉条纹的变化。
可以理解，本实施例1提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，透射式空间光调制器130加载有双缝图样，可以实现双缝干涉，通过改变双缝间距，缝宽，双缝进行平移，旋转，直观的观测间距、缝宽等参量改变对干涉图样的影响，帮助理解杨氏双缝干涉的原理，进而利用杨氏双缝干涉完成波长的测量，薄膜厚度和折射率的测量，微小长度该变量的测量，较传统双缝干涉的实现方法更加灵活，无需更换不同的双缝及其他光学元件，结构更加简单。
实施例2-Talbot影像
请参阅图2，为本发明实施例提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图，包括：激光器210、扩束镜220、透射式空间光调制器230及图像采集单元240。
具体地，图像采集单元240为高分辨率CCD或功率计或观察屏，用来对最终结果进行采集和分析。
在本实施例中，当所述仿真图形为周期性的网格光栅时，该光学教学系统工作方式如下：
所述透射式空间光调制器230对入射的准直光束进行调制以实时改变所述周期性的网格光栅的缝宽和周期，所述图像采集单元240实时采集到光栅的Talbot像。
可以理解，当透射式空间光调制器230加载周期性的网格光栅时，光栅的缝宽和周期可以任意改变，随着图像采集单元240位置的改变，可以分别采集到该光栅的清晰Talbot像，对比度刚好相反的Talbot像以及周期变为一半且对比度降低的Talbot子像，进而利用Talbot进行光栅测量，人眼波前像差测量，光学无损检测等。
实施例3-阿贝-波特实验
请参阅图3，为本发明实施例提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图，包括激光器310、扩束镜320、透射式空间光调制器330、网格光栅340、第一聚焦镜350、第二聚焦镜360及图像采集单元370，所述空间光调制器330位于所述第一聚焦镜350的后焦面处。
具体地，第一聚焦镜350、第二聚焦镜360用来对光场进行傅里叶变换，f＝80mm。
具体地，网格光栅340的线宽为100/mm，输出光场通过所述网格光栅340后发生了二维光栅衍射。
进一步地，图像采集单元370为高分辨率CCD或功率计或观察屏，用来对最终结果进行采集和分析。
在本实施例中，当所述仿真图形为为小孔或环形孔或狭缝时，该光学教学系统工作方式如下：
所述激光器310出射的激光光束经所述扩束镜320扩束后形成准直光束依次经所述网格光栅340及所述第一聚焦镜350后进入所述透射式空间光调制器330，所述透射式空间光调制器330对入射的准直光束进行调制以对所述网格光栅340的频谱进行滤波处理，并经所述第二聚焦镜360后被所述图像采集单元370采集得到所述网格光栅340经过滤波后的图像。
可以理解，通过给透射式空间光调制器330加载小孔，环形孔，狭缝，可以实现对网格光栅340频谱的滤波处理，通过图像采集单元370可以采集到网格光栅经过不同滤波器后的图像。
在本实施例中，透射式空间光调制器330的作用是可变滤波器，可以实现低通滤波器、高通滤波器、环形滤波器、水平狭缝滤波、垂直狭缝滤波窗，从而利用空间滤波消除图片划痕或网格，消除高频噪声，提高图像对比度，进行假彩色编码。
实施例4-成像与投影
请参阅图4，为本发明实施例提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图，包括激光器410、扩束镜420、透射式空间光调制器430、第三聚焦镜440、设置在所述第三聚焦镜440后焦面的小孔450、第四聚焦镜460及位于所述第四聚焦镜460焦平面的图像采集单元470。
具体地，第三聚焦镜440、第四聚焦镜460用来对光场进行傅里叶变换，f＝80mm。
具体地，小孔450的直径为0.5mm，用来对输出光场的频谱面进行小孔滤波。
进一步地，图像采集单元470为高分辨率CCD或功率计或观察屏，用来对最终结果进行采集和分析。
在本实施例中，当所述仿真图形为字母或文字时，该光学教学系统工作方式如下：
所述透射式空间光调制器430对入射的准直光束进行调制以产生不同的物光场并由所述图像采集单元470采集。
可以理解，在透射式空间光调制器430后距离80mm的位置放置第三聚焦镜440，在第三聚焦镜440后焦面放置小孔450，使得只有0级光恰好通过，在第三聚焦镜440后80mm放置第四聚焦镜460，图像采集单元470的成像面处于聚焦镜焦平面；通过给透射式空间光调制器430加载任意需要成像的字母或文字等图像，产生不同的物光场，通过该系统可以大大提高成像的对比度，清晰度，进而进一步可将该系统应用于成像领域或线性光学信息处理。
实施例5-计算全息
请参阅图5，为本发明实施例提供的基于透射式空间光调制器的光学教学系统的结构示意图，包括激光器510、扩束镜520、透射式空间光调制器530、聚焦镜540及设置于所述聚焦镜540的后焦面上的图像采集单元550。
具体地，聚焦镜540用来对光场进行傅里叶变换，f＝80mm。
进一步地，图像采集单元550为高分辨率CCD或功率计或观察屏，用来对最终结果进行采集和分析。
在本实施例中，当所述仿真图形为相息图时，该光学教学系统工作方式如下：
所述透射式空间光调制器530对入射的准直光束进行调制以改变入射光的相位信息，所述图像采集单元550采集到全息再现的结果。
本系统无需传统全息所需的全息干板，需再现的图像可以是仿真图像，也可以是相机拍摄的图像，对全息光路也没有很高的要求，改变了传统实现全息再现的方式，使得全息更好，更方便，更快速的实现。
上述实施例1-5给出了当透射式空间光调制器加载的仿生图形为双缝图样、周期性的网格光栅、小孔或环形孔或狭缝、字母或文字及相息图时对应的光路示意图，而实际中并不局限于上述光路结构，在实际中可根据需求加载不同的仿生图形，并更换核心光学元件较传统光学教学系统更加的现代化与便捷，集成度高，应用广泛既可用于实验室开拓性实验，也通过设计结构，适用于进行课堂教学演示，解决了实验现象不明显，不易观察，更换光学元件成本高、复杂的问题。
此外，该光学教学系统完成的实验涉及的课程包括：物理光学、信息光学、光学、大学物理、高等光学等光学课程，也适用于教师根据光学教学内容自行设计实验。
当然本发明的基于透射式空间光调制器的光学教学系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，包括：激光器、扩束镜及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器上加载有仿真图形，其中：
所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束，所述准直光束入射进入所述透射式空间光调制器且入射所述透射式空间光调制器的准直光束可以照射整个所述空间光调制器靶面，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以控制输出光场。
2.如权利要求1所述的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，当所述仿真图形为双缝图样时，所述光学教学系统还包括聚焦镜及设置于所述聚焦镜的后焦面上的图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以实时改变所述双缝图样的双缝间距及缝宽，并且对所述双缝图样的双缝进行平移和旋转，所述图像采集单元实时检测干涉条纹的变化。
3.如权利要求1所述的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，当所述仿真图形为周期性的网格光栅时，所述光学教学系统还包括图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以实时改变所述周期性的网格光栅的缝宽和周期，所述图像采集单元实时采集到光栅的Talbot像。
4.如权利要求1所述的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，当所述仿真图形为小孔或环形孔或狭缝时，所述光学教学系统还包括网格光栅、第一聚焦镜、第二聚焦镜及图像采集单元，所述空间光调制器位于所述第一聚焦镜的后焦面处，所述激光器出射的激光光束经所述扩束镜扩束后形成准直光束依次经所述网格光栅及所述第一聚焦镜后进入所述透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以对所述网格光栅的频谱进行滤波处理，并经所述第二聚焦镜后被所述图像采集单元采集得到所述网格光栅经过滤波后的图像。
5.如权利要求1所述的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，当所述仿真图形为字母或文字时，所述光学教学单元还包括第三聚焦镜、设置在所述第三聚焦镜后焦面的小孔、第四聚焦镜及位于所述第四聚焦镜焦平面的图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以产生不同的物光场并由所述图像采集单元采集。
6.如权利要求1所述的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，当所述仿真图形为相息图时，所述光学教学系统还包括聚焦镜及设置于所述聚焦镜的后焦面上的图像采集单元，所述透射式空间光调制器对入射的准直光束进行调制以改变入射光的相位信息，所述图像采集单元采集到全息再现的结果。
7.如权利要求2或3或4或5或6所述的基于透射式空间光调制器的光学教学系统，其特征在于，所述图像采集单元为高分辨率CCD或功率计或观察屏。
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