光寻址空间光调制器电寻址空间光调制器实验浙大

1、-PAGE . z.专业： *： *： 日期： 地点： 玉泉教三209-211 实验报告课程名称：2011-2012光信息综合实验 指导教师：成绩：_实验名称：液晶光阀用于光学图像实时处理 实验类型：综合型 同组学生：一、实验目的和要求二、实验容和原理三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤四、实验结果记录、数据处理分析五、思考题六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议实验目的和要求1、了解液晶光阀的工作原理和使用方法；2、掌握采用液晶光阀实现非相干光相干光图像转换和图像反转的工作原理和方法；3、掌握应用液晶光阀进展光学图像实时相减和实时微分的方法，加深对光学图像实时处理的理解。实验容和原理1.

2、液晶特性 (1)液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向特性，又有液体的流动性。(2)当液晶分子有序排列时表现出光学各项异性：光矢量沿分子长轴方向时具有较大的非常光折射率ne；而垂直分子长轴方向位寻常光折射率no(针对p型液晶材料。(3)晶轴方向即为分子长轴方向。在组成液晶盒的两玻璃间加一电压，其中的液晶分子在电场作用下会沿着电场方向排列，即光轴方向沿电场方向偏转。电场控制了双折射效应的变化。(4)液晶光阀正是利用此特点而制成的器件。2.液晶光阀构造示意 E1815467623K2写入光读出光偏振分光镜输出光1-玻璃基片 2-透明电极 3-光导层 4-挡光层 5-介质反射膜6-定向层 7-液

3、晶层 8-衬垫 E-低压音频电源 K-开关3.液晶光阀工作原理(1) 如液晶光阀构造图所示，工作时将待处理的非相干图像从右侧成像在光电导层上，把它作为写入光。读出光束从左侧入射，经起偏器使其偏振方向与液晶左侧分子指向方向一致。经透明电极、液晶盒之后，在右侧的介质反射膜处返回，再次穿过液晶层经偏振分光镜后，通过一个透光轴方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器，成为输出光束。(2) 由于光阻挡层和反射膜都很薄，交流阻抗很小，因而加在两透明电极之间的外电压主要落在液晶层和光电导层上。控制液晶电光效应的实际电压值就由光电导层与液晶层的实际阻抗之比来决定，即取决于光电导层上的光照情况。(3) 对写入光图像上的

4、暗区：光电导层上的光照很少，电阻很大，外电压主要分配在光电导层上，而液晶层上电压较小，缺乏以产生电光效应，从而未受到调制，输出光束保持较小输出；对写入光图像上的亮区：相应的光电导层阻抗小，电压大局部落在液晶层相应像区上，由于混合场效应，使在该区域输出光到达最大输出。这样，输出光束的光强空间分布就按照写入光的图像的空间分布而受到调制，显然，它实现了非相干-相干光图像转换功能。4.液晶光阀图像转换工作原理LampAL3LCLVPBSL2L1SLaLaHe-Ne激光器，L1扩束镜，L2准直透镜，PBS偏振分光棱镜LCLV液晶光阀，L3成像透镜，A图象透明片，S观测屏，Lamp卤钨灯(1) 当液晶光阀

5、加上交流驱动电压，成像透镜L3把非相干光照射的图像成像到液晶光阀的光导层上，光导层电阻根据图像的强弱产生相应的电阻分布，同时，液晶层中的取向也产生相应的调制。(2) 氦氖激光器通过扩束准直后的平行激光束通过偏振分束棱镜后经光阀反射，其偏振态发生变化，形成了与液晶取向相应的图像。(3) 接着再逆向通过偏振分光棱镜后，只有S光能反射出，因而其输出读出光也呈现出相应的图像，可在观察屏上进展观察。 (4) 如果各光路调整得好，可在观察屏上看到清晰的激光图像，与非相干光照射的图像相对应。 5.液晶光阀的工作曲线(1) 按照液晶光阀的工作原理，也可以从电学特性的角度考虑，将液晶层、介质高反膜、光阻隔层和光

6、导层都相应地看作电阻和电容的组合，从而得出结论：LCLV不能在直流状态下工作，也不能在高频状态下工作，对于一个特定的光阀而言，存在一个最正确工作点。(2) 在上图中，透镜L4的焦面上放上光电接收器接收输出光，实验说明，液晶光阀的读出光与写入光，即输出光强与输入光强有关，在一定的输入光强围，输出光强与输入光强呈线性关系。(3) 称无写入光时液晶光阀的输出光强与液晶光阀上所加的驱动电压的关系曲线为液晶光阀的工作曲线，该曲线存在多峰，输出光强在驱动电压取得*些值时出现极小值；而取另外一些值时，输出光强出现极大值。极小值处为正像工作点，极大值处为负像工作点，在做图像反转实验时。为了使正负图像比照度最好

7、，可以选取极大值、极小值处为图像反转实验的工作点。6.光学图像的实时微分、相减原理Lamp物1L3LCLVPBSL2L1La物2/4接收屏LaHe-Ne激光器，L1扩束镜，L2准直透镜，PBS偏振分光棱镜LCLV液晶光阀，L3，A图象透明片，S观测屏，Lamp卤钨灯(1) 通常液晶光阀的读出光强与输入光强不是单值对应的。(2) 利用液晶区域的这种非线性输入输出特性，可以实现图像的微分处理，获得图像的实时边缘增强，通过调整液晶光阀的驱动电压、驱动频率和入射偏振方向，能到达最正确的增强效果。(3) 右光路中放置有/4波片，两图像在输出面上叠加时，相互间存在相位差，适当旋转/4波片，两图像在输出面叠

8、加的结果，可以得到一个强度正比于输出图像之差的处理图像。该图像重叠在强度恒定的背景上，于是获得了图像实时相减的结果。(4) 如果物1和物2是两个完全一样的图像，并且使两路光的放大倍率稍有差异，这时输出面上两图像大小不等，当作相减处理时，也能得到图像的轮廓，从而也可以获取光学图像的微分图像。主要仪器设备、操作方法和实验步骤本实验选用的是大学生产的水平定向45扭曲向列型液晶光阀，其分辨率为30线对/mm，以卤钨灯作为非相干光源。1.非相干-相干图像转换(1) 按原理图布置调整好光路。在液晶光阀上加35V，1KHz的交流电压。在A处放置图象透明片，用CCD接收经系统后的读出光图象，观察结果。(2)

9、使写入光为零，光阀所加电压频率1KHz，将光阀的驱动电压从0V增加到10V，在观察屏处，用光电探测器同时测量光强值。对测量的数值进展处理，可以获得液晶光阀的工作曲线。接着，将电压分别固定在最小光强和最大光强所对应的值处，将光阀的驱动频率从0.5KHz增加到1.5KHz，得到不同条件下的曲线，进展比拟。(3) 根据获得的液晶光阀的工作曲线，确定工作曲线上的光强的极大值对应的液晶光阀上的驱动电压的频率和幅值。把光阀上的驱动电压设置为所获得的频率和幅值。写入一图象，则在观察屏上得到该图象的反转。2.光学图像的实时相减、微分(1) 按原理图调整布置光路。设计制作待处理图像，并置于光路中。(2) 仔细调

10、整光路，使两待处理图像在液晶光阀输出面上成像。(3) 图像相减处理：挡住光路2，观察输出面P3上图象1的像，这是一个在强度恒定的背景上的正像，挡住光路1，翻开光路2，观察P3上图象2的像。旋转/4波片，使图象2的像为反转像。翻开光路1，P3上的图象重叠局部光强消失，接近于背景亮度。仔细调节照明输入面P2的光源的亮度，使输出面P3上两图象重叠局部消失，及其亮度与背景亮度完全一致，这时，便得到了相减图象。(4) 图像微分处理：在输入面P2上改放与图象1完全一样的图象，并调节P2和透镜L2的位置，使P2上的图象在输入面P3上所成的像变得小些，小于P1上的图象在P3上所成的像，但两个像的中心重合。当这

11、两个图象相减时，便得到输入像的轮廓，即微分图象。实验结果记录、数据处理分析1.非相干 相干光图像转换2.光学图像的实时相减、微分思考题1. 液晶光阀如何实现光调制？对液晶光阀的两个玻璃基片的夹角有何要求？夹角太小时对实验有何影响？2. 设计一个用两个液晶光阀实现两图实时相减的试验光路，并说明其工作原理。要得到理想的相减图像，对液晶光阀有什么特殊的要求？实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议写得好有加分专业： *： *： 日期： 地点：玉泉教三209-211室_实验报告课程名称： 光信息综合实验 指导教师： 成绩：_ 实验名称：基于电寻址液晶光阀的光信息综合实验系统 实验类型：综合型 同组学生：

12、一、实验目的和要求二、实验容和原理三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤四、实验结果记录、数据处理分析五、思考题六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议实验目的和要求1、加深对液晶的电光效应的理解。2、掌握利用LCD 液晶光阀的响应曲线进展图像反转和图像边缘增强的工作原理及方法。3、了解全息原理和计算全息的特性并学会进展全息图的光学再现。4、掌握光学傅立叶变换的性质及全息性质。5、加深对卷积定理的理解和全息成像原理的认识。实验容和原理1.液晶的电光效应实验图1所示液晶光阀LCTV是利用液晶混合场效应制成的一种透射式电寻址空间光调制器。它是一个由多层薄膜材料组成的夹层构造。在两片玻璃衬底1和8的

13、里面是两层氧化物制成的透明电极2和7。低压电源E就接在透明电极上。液晶层5的两边是液晶分子取向膜层3和6，两取向层的方向互相垂直，起到液晶分子定向和保护液晶层的作用。液晶层5的厚度由衬垫4和9的间隙决定，一般取d10 um, 很多情况下d仅为2 um。图1.1 液晶光阀构造示意图控制液晶像素电光效应的实际电压值，是由液晶光阀驱动以60Hz的频率矩阵式扫描两边的像元电极来决定的。装 订 线利用90o扭曲向列型液晶的液晶光阀与起偏器、检偏器一起组成一个空间光调制器LC-SLM，如图1.2所示。起偏器与检偏器的偏振轴与*轴的夹角分别表示为和，由琼斯矩阵算法可以得到输出光束的光强透射率的表达式：图1.

14、2 LC-SLM的构造示意图其中，。当，或，时，有。当时，有。当时，有。因此改变起偏器和检偏器的偏振轴和，我们就可以得到不同的电光效应曲线。通过改变所加的电压值，得到不同的输出光强，就得到液晶的电光效应曲线，即电压和输出光强的关系曲线。2. 计算全息光学实验全息术是利用光的干预和衍射原理，将物体发射的特定光波以干预条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息振幅和位相，因此称为全息术或全息照相。全息照相分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将物体射出间接的光波与另一个光波参考光波相干预，用照相方法将干预条纹记录下来，称为全息图或全息照片。全息图具

15、有栅状构造。当用原记录时的参考光或其它适宜的光波照射全息图时，光通过全息图后发生衍射，其衍射光波与物体光波相似构成物体的再现象。3. 傅立叶变换性质及全息性质的验证傅立叶透镜将物面图像进展傅立叶变换，在透镜的像面就能得到该图像的频谱。假设物面输入的是全息图，则经傅立叶变换后能在像面看到再现像。伸缩定理：伸缩定理说明频域中坐标u的收缩，导致空域中坐标*按同一比例展宽，同时振幅大小相应的降低。反之，频域中坐标u的展宽，则导致空域中坐标*按同一比例收缩，同时振幅的大小相应的增加。用公式表示则为 旋转定理：如果全息图旋转了0度，则其再现像也将旋转0度。全息图的互补定理：对全息图进展亮度反转，全息图中亮

16、度高的区域变成低亮度，而亮度低的区域变亮。观察其再现像。全息裁减：全息图的任何局部都能再现原图的根本形状。物体上任意点散射的光可抵达全息图的每点或每个局部，与参考光相干预形成根本全息图，也就是全息图的每点或局部都记录着来自所有物点的散射光。显然物体全息图每一个局部都能再现原来的像。实验中这一性质可以得到很好的验证。卷积定理卷积定理是指两个函数乘积的傅里叶变换，等于各自傅里叶变换的卷积。反之，两个函数卷积的傅里叶变换，等于各自傅里叶变换的乘积。数学表示是和简单的演示方法可以将两个间距不同的正交光栅重叠在一起，表示两个图像相乘，用激光照射，在傅里叶变换透镜的后焦面上看到它们的频谱的卷积。主要仪器设

17、备、操作方法和实验步骤液晶的电光效应实验激光器提供入射光，LCD液晶光阀由驱动电路驱动，并与计算机相连，光探测器采用硅光电池以探测透过液晶的光强。按照光路调整步骤局部的说明调好光路。检查系统是否运行正常，运行软件CGH.e*e, 软件操作见软件使用说明。保持室环境光较暗。挡掉进入光探测器的激光，读取光探测器读数，此时反响环境光强度，在下面数据处理过程中均需先减去该数值。如果环境足够暗，该读数为0。点击程序界面电光效应菜单，输入不同的电压值V，间隔取0.5V或者更小，读取光探测器读数，记录下相应的光强，填入数据记录表格。调好光路后，不旋转检偏器，直接测量一组数据。全屏显示图片库中的white.b

18、mp图，旋转检偏器使得透过光强最小注意不可能完全消除，即实现了图像反转，测量此时的电光效应曲线。全屏显示图片库中black_gray_white. Jpg图，旋转检偏器，使得灰度局部到达最亮，而黑白局部亮度时机一样，此时即实现了边缘增强，测量此时的电光效应曲线。比拟三条曲线的异同。 2. 计算全息光学实验透射型电寻址液晶光阀与计算机视频输出联接，承受其调制信号。计算机输出全息图的电信号到液晶光阀上，由驱动电路驱动的LCD根据寻址电信号改变其每一个液晶像素的透过率，从而把电信号转换成空间的光强分布。激光器出射的光束经由显微物镜扩束、小孔滤波和准直透镜准直也可以不准直后，激光束照射记录着全息条纹的

19、液晶光阀，全息条纹将入射的激光向特定的方向衍射，衍射光线经过傅里叶变换透镜会聚形成物体的像。根据光路调整步骤说明调好光路。连接CCD和其显示终端并调整使摄像头正常工作。检查系统是否运行正常，运行软件CGH.e*e，软件操作见软件使用说明。程序界面上选择翻开按钮，从原图文件夹中选择一原图。为便于观察，最好选择由简单的几何线条构成的图片。点击全息变换，选择实部编码Re、虚部编码(Im)、位相编码(Ph)中的一种，用计算全息程序生成全息图。选择全屏显示。移动接收屏直至观察到清晰的再现像，或者利用CCD接收此时的再现像。选择其他编码方式，观察不同编码方式下的全息图和再现像。重复步骤48，选择其他图片进展实验。在程序中翻开一幅全息图，选择按钮Am，可以观察到计算机模拟再现象。3. 傅立叶变换性质及全息性质的验证根据光路调整步骤调好光路。连接CCD和其显示终端并调整使摄像头正常工作，注意旋下CCD的镜头局部。检查系统是否运行正常，运行软件CGH.e*e，软件操作见软件使用说明。程序界面上选择翻开按钮，从原图文件夹中选择一原图。任选一种编码方式除Am之外进展傅立叶