[发明专利]一种实现数字光学位相共轭的装置

说明书

技术领域

本发明属于光学成像和光学波前重构领域，更具体地涉及一种实现数字光学位相共轭的装置，特别适用于具有衍射极限质量的复杂光学波前动态再构，三维显示与测量、虚拟现实、计算机人机交换、机器人视觉等领域。

背景技术

光是一种电磁波，从不同光源或物体发出的光波其光学波前具有不同的形状。例如点光源发出的光波，其光学波前为球面，对于平行光束，其光学波前为平面。而对于一个复杂的真实物体，从其表面反射或发出的光学波前，其结构是非常复杂的。通过对光学波前的调控或重建，我们可以改变光束传播方向，改善光束质量，重现物体三维形貌等等。采用传统的光学方法与装置，如光学透镜、全息技术等，可以静态地实现光学波前的调控或重建。但在很多领域，如三维立体电视、光通信网络中的光交换等，需要实现快速动态光学波前调控或重建。近几十年来，随着集成电路和液晶显示等技术的发展，可以对光学波前的振幅与位相进行逐点调节的空间光调制器，其分辨率已达到10微米量级，尽管如此，与亚微米可见光波长相比，这一分辨率还是差得太远。采用传统光学原理，例如全息技术，很难用现有空间光调制器实现复杂光学波前的接近衍射极限的高质量数字动态再构。

本发明人的前一项发明“主动光学位相共轭方法及装置(专利号：ZL200610124657.4)”提出了一种新的光学波前动态再构方法，其基本原理基于光路的可逆性。从光学波前的数学表达式可以看出，对波前形状相同而传播方向相反的两个光波，它们的复振幅具有共轭关系。反过来说，如果某一光学波前的复振幅与另一光学波前的复振幅具有共轭关系，那么，该光波就会沿后一光波的同样路径逆向传播。对简单光波，即对平行光束以及单模光波导里的基模光波，只需简单反射就可使光路逆转，再加上适当的位相调节就可实现严格的光学位相共轭。为了实现对复杂光学波前的再构，上述发明首先把入射光波分解并逐步引导到一系列彼此互相隔离的单模光波导，然后在这些彼此隔离的单模光波导中再构出与输入光波共轭的光波，这些共轭光波逆向通过同一光波导结构，就可重建出与原始光学波前形状相同，但方向相反的共轭光波。

基于光路可逆性的光学位相共轭方法其关键是构造出与入射光波具有位相共轭关系的光波。传统光学位相共轭技术借助光学非线性效应产生入射波的位相共轭光波，它只能恢复出原始输入光波，但不能新创造出一个任意结构的光学波前，光学波前的再构过程和再构结果被动地依赖于非线性光学介质和原始输入光波。而发明(ZL200610124657.4)提出的方法可以通过数字化控制主动再构出任意结构的光学波前，为了与依赖于非线性效应的传统光学位相共轭方法相区别，发明(ZL200610124657.4)提出的方法在说明书中自称为主动光学位相共轭方法。实际上上述主动光学位相共轭方法还有一个更显著的特征，那就是其控制过程是数字化的。为了更符合行业习惯，参照已经流行很久的“数字全息技术”这一术语，在本发明中将把主动光学位相共轭方法改称为数字光学位相共轭方法。实际上数字控制过程本身就是一个主动过程，因此“数字光学位相共轭方法”这一名称比“主动光学位相共轭方法”具有更广泛的含义，在现代数字化时代更易被人接收。

发明(ZL200610124657.4)尽管提出了一种可以数字化控制的光学波前再构方法与装置，但只提出了少数几种具体实施方案，本发明将对发明(ZL200610124657.4)进行完善，补充更多的振幅位相调控装置的结构，同时进一步改进光路结构以提升系统性能，改进再构光波的质量，降低噪音。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种实现数字光学位相共轭的装置，提供了更多复振幅空间光调节器实施方案，通过优化耦合器的结构使得经复振幅空间光调节器调节后的光准确汇聚到绝热锥形光波导束末端的单模光波导芯层内，有效抑制了高阶辐射模的产生，同时通过改变绝热锥形光波导束的形状，进一步降低了高阶辐射模影响，另外还通过引入前置光学系统进一步提高了重构光学波前的质量，增加了三维像的尺寸。

为达到上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种实现数字光学位相共轭的装置，其特征在于：它由照明光学系统、复振幅空间光调节器、耦合器和绝热锥形光波导束组成，照明光学系统、复振幅空间光调节器、耦合器和绝热锥形光波导束依次放置，且相互对准，使得照明光学系统发出的相干光波均匀照明复振幅空间光调节器，被复振幅空间光调节器进行振幅和位相调节后再经耦合器耦合进入绝热锥形光波导束的末端，并把光能汇聚在绝热锥形光波导束末端的每个单模光波导芯层内，产生位相共轭光波。