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基于空间光调制器的层析成像技术

刘洪顺 王喆 胡琪 孙家成 邓家春

刘洪顺, 王喆, 胡琪, 孙家成, 邓家春. 基于空间光调制器的层析成像技术[J]. 中国光学, 2019, 12(6): 1338-1347. doi: 10.3788/CO.20191206.1338
引用本文: 刘洪顺, 王喆, 胡琪, 孙家成, 邓家春. 基于空间光调制器的层析成像技术[J]. 中国光学, 2019, 12(6): 1338-1347. doi: 10.3788/CO.20191206.1338
LIU Hong-shun, WANG Zhe, HU Qi, SUN Jia-cheng, DENG Jia-chun. Tomography technology based on spatial light modulator[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1338-1347. doi: 10.3788/CO.20191206.1338
Citation: LIU Hong-shun, WANG Zhe, HU Qi, SUN Jia-cheng, DENG Jia-chun. Tomography technology based on spatial light modulator[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1338-1347. doi: 10.3788/CO.20191206.1338

基于空间光调制器的层析成像技术

doi: 10.3788/CO.20191206.1338
基金项目: 

国家自然科学基金青年科学基金 11604243

国家自然科学基金青年科学基金 11504268

国家自然科学基金青年科学基金 11204213

天津市自然科学基金青年基金 16JCQNJC01600

详细信息
    作者简介:

    刘洪顺(1991—), 男, 天津人, 硕士研究生, 主要从事信息光学与现代成像技术方面的研究。E-mail:tardistraveler@163.com

    王喆(1979—), 男, 天津人, 博士, 讲师, 主要从事非线性光学、衍射光学与现代成像技术等方面的研究。E-mail:snowleoperd@126.com

    邓家春(1967—), 男, 天津人, 博士, 教授, 硕士生导师, 主要从事光学层析成像机制和有机/无机半导体与光电技术研究。E-mail:dengjc1967@qq.com

  • 中图分类号: O438

Tomography technology based on spatial light modulator

Funds: 

National Natural Science Foundation of China(Youth Science Foundation) 11604243

National Natural Science Foundation of China(Youth Science Foundation) 11504268

National Natural Science Foundation of China(Youth Science Foundation) 11204213

Natural Science Fund Project of Tianjin(Youth Foundation) 16JCQNJC01600

More Information
  • 摘要: 以传统的干涉法全息技术为基础,本文提出了一种纯光学的三维显示全息技术。利用空间光调制器实现真实物体的物光波前重现,在不同平面上呈现物体的层析像。首先,利用波前传感器采集真实物体的波前信息。接着,运用单次快速傅立叶变换算法对光路中成像透镜的传递函数进行模拟,制成含有该物光经透镜后的波前信息,分别得到了实验所需的强度和相位灰度图片。然后,通过两台空间光调制器对入射平行光场进行调制,从而实现对物光经透镜后的光场进行波前重现。最后,根据透镜的成像原理,把CCD分别放置在物体前后两个成像面上即可得到层析的成像图。实验中分别在距离空间光调制器后298.5 mm和337.6 mm处观察所探测到的物体前后两个成像面的立体层析像。实验结果表明:在模拟透镜的焦距为150 mm、计算衍射距离为150 mm的情况下,前后两个成像面在xy轴方向上的横向放大率分别为(1.1,1.08)和(1.34,1.09),与利用透镜成像公式计算得到的横向放大率(1,1.2)相比,相对误差分别为(10.6%,8%)和(11.7%,8%)。角扩散度分别为2.95°和2.61°,其相对误差分别为2.6%和0.7%,低于5%,基本符合实验原理。实验结果证明了该方法的可行性,为后续开展的三维显示与新的全息技术提供了有效的技术支撑。
  • 图  1  菲涅耳衍射坐标示意图

    Figure  1.  Fresnel diffraction coordinate diagram

    图  2  透镜的相位变换作用示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of lens phase shift transformation

    图  3  字母“F”和“L”组成的立体物

    Figure  3.  A 3-D structure composed by letters "F" and "L"

    图  4  波前信息采集示意图

    Figure  4.  Schematic of wavefront information acquisition

    图  5  WFS波前信息采集数据图

    Figure  5.  Acquisition data map of WFS wavefront information

    图  6  含有物光波前信息的强度灰度图

    Figure  6.  Intensity grayscale image containing object wavefront information

    图  7  d1=150 mm处透镜后表面光场相位分布灰度图

    Figure  7.  Phase distribution gray image on the back surface of the lens at d1=150 mm

    图  8  SLM强度-相位复合调制的波前再现成像示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of wavefront reproduction imaging of SLM intensity-phase composite modulation

    图  9  现有SLM全息术实验效果的示意图

    Figure  9.  Schematic diagram of experimental results by existing SLM holography

    图  10  层析成像实验结果

    Figure  10.  Tomography experiment results

    图  11  角扩散度随像距变化图

    Figure  11.  Angular spread varies with image distance

    图  12  仿真成像实验结果

    Figure  12.  Simulation results

    表  1  WFS采集到的光强分布比例

    Table  1.   Distribution of light intensity captured by WFS

    x y
    WFS面元尺寸/mm 5.96 4.76
    F光强比例 35% 86%
    F尺寸/mm 2.09 4.11
    L光强比例 32% 72%
    L尺寸/mm 1.90 3.40
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    表  2  SLM实验中的重现物尺寸

    Table  2.   Reproduced image sizes in SLM experiment

    名称 x y
    SLM面元尺寸/mm 15.36 8.64
    实物F/mm 0.7 2.6
    实物L/mm 0.6 2.0
    仪器空间换算放大率 322:1 182:1
    实验F尺寸/mm 2.25 4.73
    实验L尺寸/mm 1.93 4.19
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    表  3  CCD采集的像尺寸及其计算参数

    Table  3.   Image sizes acquired by CCD and their calculation parameters

    x y
    面元尺寸/mm 8.5 6.8
    F光强比例 29% 75%
    F尺寸/mm 2.49 5.11
    L光强比例 30% 67%
    L尺寸/mm 2.59 4.58
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-08
  • 修回日期:  2019-03-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

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