液晶光阀实验报告

液晶光阀实验报告摘要：本实验在驱动电源频率为1.0KHz，偏转角约为45°下测量了向列相液晶的工作曲线，确定出液晶作为光阀进行图像变换出现正像、负像、边缘增强、边缘减弱时对应的驱动电压，从而进行图像的变换，并观察到了四种典型变换。再利用图像实时变换的负像原理得到了图像实时相减图。用液晶光阀观察了单缝的频谱，空间滤波，并利用光学模拟的方法再现了计算全息图。关键词：液晶光阀、图像实时变换、空间滤波、计算全息引言：在现代信息处理技术中光电混合处理系统具有重要的地位。信息的传递和处理常常需要对信号进行调制，空间光调制器是光电混合处理系统的关键器件之一。液晶光阀就是利用液晶对光的调制特性而制作的一种具有实时功能的空间光调制器。它可以广泛地应用于光计算、模式识别、信息处理、显示等现代高新技术领域，前景广阔。由于液晶光阀写入光和读出光互相独立，可以方便地把非相干光转换为相干光。因此在相干光实时处理系统中，液晶光阀是必不可少的器件。同时液晶光阀还可以增大读出光的能量，实现弱图像的能量放大，因此它也被广泛地应用于大屏幕、高亮度的投影显示中。本实验的目的是使同学们了解液晶光阀的工作原理，理解图像反转、衍射、成像等现象，掌握利用液晶光阀实现非相干光和相干光图像转换的方法，了解基本的计算全息的知识。原理：液晶光阀的工作原理正性扭曲——向列相液晶盒液晶的分子轴在外场的作用下将有一定的取向。因此，可以通过控制电场来控制液晶分子的取向，从而控制液晶对光的透过特性。本实验采用正性扭曲一一向列相液晶盒，各分子的长轴方向都平行于基片表面，但两基片上的分子长轴方向有一定的夹角。其中，液晶盒基片经过了表面取向处理，使得盒内液晶分子在分子相互作用力的影响下，两基片间的分子长轴将逐渐从一个基片处的方向“均匀”地过渡到另一个基片处的方向，形成均匀的扭曲排列，且基片间的分子长轴都平行于基片表面。混合场效应液晶光阀是利用液晶的混合场效应来实现对读出光的调制的。混合场效应是扭曲-向列

相效应和电控双折射效应的结合。利用扭曲-向列相排列使液晶光阀处于“关闭”状态，利用外场的电控双折射效应获得光阀的“开启”状态。液晶光阀实验采用的是反射式交流CdS液晶光阀，其结构如图1所，由于光阻挡层、介质镜、隔绝层等都很薄，交流电阻很小，因此交流电阻主要落在光导体和向列液晶上。对于有写入光的部分，光导体电阻很小，因此电压主要加在液晶层上，则此时输出光为椭圆偏振光；而对于没有写入光的部分，光导体电阻很大，液晶层上电阻很小，液晶层里分子长轴取向没有突图1液晶光阀结构示意图§则对于有写入光勺部分，坂璃变，因此输出光仍为p光。从而，当反射的部分，光导体电阻很小，因此电压主要加在液晶层上，则此时输出光为椭圆偏振光；而对于没有写入光的部分，光导体电阻很大，液晶层上电阻很小，液晶层里分子长轴取向没有突图1液晶光阀结构示意图§则对于有写入光勺部分，坂璃变，因此输出光仍为p光。从而，当反射有光被反射，即有输出光，而对于没有写.VX*；**^PBs时，图像实时变换原理，则没有光被反射，即没有输出光。光皿挡层间隔垫层(1)图像实时反转和微分的工作原理波晶光阀的截面图(1)图像实时反转和微分的工作原理波晶光阀的截面图图2实验光路示意图图2实验光路示意图L1和L2构成激光扩束准直系统，L3是成像物镜，L4是傅里叶变换透镜液晶光阀的输出光强与多种因素有关，因此需先测出液晶光阀的工作曲线，由工作曲线，可以看出在不同驱动电压下，在写入光电压不同时，其输出光强是不同的，进而确定液晶光阀处于成正像、负像、边缘增强、边缘减弱等不同工作状态下的驱动电压。实验中测量工作曲线光路如图2所示：图像质量与图像的衬比度C(C1 /1.)有很大很大关系。因此在实验中要想得到更清晰地图像，需要调节光路使得最大输出光强与最小光强之比最大。(2)图像的实时相减两幅图像通过相减以后可以突出两者的差别。实现图像实时相减的基本原理基于液晶光阀可以输出物体的负像。(3)傅里叶变换由光波的衍射理论可知，在满足琅和费近似条件下，观察平面上的光场分布正比于也径平面上透射光场分布的傅里叶变换。通常发生琅和费衍射的距离很远，可以在孔径后放置一透镜，在透镜的后焦面上可以观察到也径的夫琅和费衍射图样，也是也孔径的傅里叶变换频谱，因此也将透镜的后焦面称为傅里叶变换频谱面。这样，即可以用傅里叶变换来分析光波的衍射问题。空间滤波设空域的三个函数f3,y),h(x,y),g(x,h)的傅里叶变换分别为设空域的三个函数F(f,f),H(f,f),G(f,f)，其中f(x,y)为输入信号，且有xy xy xyG(f,f)F(f,f)H(f,f)，H(f,f)使输入信号的频谱转换为G(f,f)，这种改xy xy xy xy xy变频谱成分的操作称为空间频率滤波，简称空间滤波。H(f,f?称为空间滤波器。计算全息计算全息就是计算机制全息图。计算全息图的制作和再现过程主要分为：抽样，计算，编码，成图，再现。再现，即采用光学模拟方法再现计算全息图。实验中是对已有的全息片进行再现，由于编码时被记录的是物波函数的傅里叶变换，所以观察时要在傅里叶变换频谱面是观察全息片所成的频谱图。如图2,在物处放上全息片，把CCD置于光电池处，即可观察到全息片记录的像。实验：一、 实验仪器He-Ne激光器、激光电源、激光功率计、光电探测器、液晶光阀、扩束镜、准直透镜、光阑、成像物镜、偏振分光镜(PSD)、傅氏透镜、照明白光源、系统控制器、CCD摄像头及显示器、观察屏、直流稳压电源、可变狭缝、物体透明片、正交网格透明片，计算全息透明片。二、 实验内容A、 按如图2所示，搭好光路。B、 在驱动电压为1.0KHZ，偏转角近似为45°(即无写入光源时，输出光最弱)的情况下，分别在写入电压为0.0V和9.0V时，改变光阀的驱动电压，测量光阀的工作曲线，并大致确定四种情况下的驱动电压范围。C、 观察图像的实时变换，包括正像、负像、边缘增强、边缘减弱以及图像的实时相减，并拍下相应的图像。D、 把单缝放在物处，观察单缝的频谱，并观察正交网格的频谱，及正交网格经单缝过滤后的频谱。E、 对实验中已有的全息片进行再现。实验结果与分析：1、在两种写入电压下测量液晶光阀的工作曲线驱动电压(V)图3液晶光阀工作曲线经测量得到液晶光阀分别在写入电压为0.0V和9.0V时的工作曲线如图3所示。由工作曲线分析可知：液晶光阀在驱动电压在0.5V~1.2V、1.7V~2.2V和大于2.73V的范围内，得到物体正像；在驱动电压为1.2V~1.7V和2.2V~2.73V范围内，得到负像；在驱动电压为为1.2V、2.2V时得到边缘增强的微分像；在驱动电压为1.7V、2.73V时得到边缘减弱的微分像。2、观察图像的实时变换以及实时相减图像在写入电压为9.0V的情况下，调节驱动电压，得到图像的正像、负像、边缘增强以及边缘减弱图像如图4所示。

图4图像实时变换从左到右分别为：边缘增强-驱动电压为2.20V；负像-驱动电压为2.56V；边缘减弱-驱动电压为2.73V；正像-驱动电压为3.10V。实验中在写入电压为9.0V的情况下，调节驱动电压为1.45V时，得到图像的实时相减如图5所示。图5图像的实时相减3、观察单缝、正交网格频谱图，以及正交网格经过单缝过滤后的频谱图在写入电压为9.0V时，调节驱动电压为2.99V，调节单缝（正交网格）与物镜以及物镜与光阀的距离使得所成像清晰。通过CCD摄像头得到单缝（正交网格）的频谱图如图6所示：

图6单缝与正交网格频谱正交网格经竖直狭缝滤波后得到频谱如图7所示：图7单缝滤波的网格频谱图可见，正交网格经竖直狭缝滤波后，能把竖直方向的频谱滤掉，只剩下水平方向的频谱。4、已有全息片的再现对实验已有全息片再现得到频谱图如图8所示:

图8全息再现结论：实验对驱动电压频率为1.0KHz、偏转角约为45°的液晶光阀的工作曲线进行了测量，并分别在驱动电压为2.20V时得到了