光尋址空間光調(diào)制器電尋址空間光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)浙大

1、-PAGE . z.專業(yè)： *： *： 日期： 地點(diǎn)： 玉泉教三209-211 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：2011-2012光信息綜合實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)教師：成績：_實(shí)驗(yàn)名稱：液晶光閥用于光學(xué)圖像實(shí)時處理 實(shí)驗(yàn)類型：綜合型 同組學(xué)生：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠖?shí)驗(yàn)容和原理三、主要儀器設(shè)備、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄、數(shù)據(jù)處理分析五、思考題六、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，心得體會，意見和建議實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、了解液晶光閥的工作原理和使用方法；2、掌握采用液晶光閥實(shí)現(xiàn)非相干光相干光圖像轉(zhuǎn)換和圖像反轉(zhuǎn)的工作原理和方法；3、掌握應(yīng)用液晶光閥進(jìn)展光學(xué)圖像實(shí)時相減和實(shí)時微分的方法，加深對光學(xué)圖像實(shí)時處理的理解。實(shí)驗(yàn)容和原理1.

2、液晶特性 (1)液晶是一種有機(jī)高分子化合物，既有晶體的取向特性，又有液體的流動性。(2)當(dāng)液晶分子有序排列時表現(xiàn)出光學(xué)各項(xiàng)異性：光矢量沿分子長軸方向時具有較大的非常光折射率ne；而垂直分子長軸方向位尋常光折射率no(針對p型液晶材料。(3)晶軸方向即為分子長軸方向。在組成液晶盒的兩玻璃間加一電壓，其中的液晶分子在電場作用下會沿著電場方向排列，即光軸方向沿電場方向偏轉(zhuǎn)。電場控制了雙折射效應(yīng)的變化。(4)液晶光閥正是利用此特點(diǎn)而制成的器件。2.液晶光閥構(gòu)造示意 E1815467623K2寫入光讀出光偏振分光鏡輸出光1-玻璃基片 2-透明電極 3-光導(dǎo)層 4-擋光層 5-介質(zhì)反射膜6-定向?qū)?7-液

3、晶層 8-襯墊 E-低壓音頻電源 K-開關(guān)3.液晶光閥工作原理(1) 如液晶光閥構(gòu)造圖所示，工作時將待處理的非相干圖像從右側(cè)成像在光電導(dǎo)層上，把它作為寫入光。讀出光束從左側(cè)入射，經(jīng)起偏器使其偏振方向與液晶左側(cè)分子指向方向一致。經(jīng)透明電極、液晶盒之后，在右側(cè)的介質(zhì)反射膜處返回，再次穿過液晶層經(jīng)偏振分光鏡后，通過一個透光軸方向與起偏器偏振方向垂直的檢偏器，成為輸出光束。(2) 由于光阻擋層和反射膜都很薄，交流阻抗很小，因而加在兩透明電極之間的外電壓主要落在液晶層和光電導(dǎo)層上?？刂埔壕щ姽庑?yīng)的實(shí)際電壓值就由光電導(dǎo)層與液晶層的實(shí)際阻抗之比來決定，即取決于光電導(dǎo)層上的光照情況。(3) 對寫入光圖像上的

4、暗區(qū)：光電導(dǎo)層上的光照很少，電阻很大，外電壓主要分配在光電導(dǎo)層上，而液晶層上電壓較小，缺乏以產(chǎn)生電光效應(yīng)，從而未受到調(diào)制，輸出光束保持較小輸出；對寫入光圖像上的亮區(qū)：相應(yīng)的光電導(dǎo)層阻抗小，電壓大局部落在液晶層相應(yīng)像區(qū)上，由于混合場效應(yīng)，使在該區(qū)域輸出光到達(dá)最大輸出。這樣，輸出光束的光強(qiáng)空間分布就按照寫入光的圖像的空間分布而受到調(diào)制，顯然，它實(shí)現(xiàn)了非相干-相干光圖像轉(zhuǎn)換功能。4.液晶光閥圖像轉(zhuǎn)換工作原理LampAL3LCLVPBSL2L1SLaLaHe-Ne激光器，L1擴(kuò)束鏡，L2準(zhǔn)直透鏡，PBS偏振分光棱鏡LCLV液晶光閥，L3成像透鏡，A圖象透明片，S觀測屏，Lamp鹵鎢燈(1) 當(dāng)液晶光閥

5、加上交流驅(qū)動電壓，成像透鏡L3把非相干光照射的圖像成像到液晶光閥的光導(dǎo)層上，光導(dǎo)層電阻根據(jù)圖像的強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)的電阻分布，同時，液晶層中的取向也產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制。(2) 氦氖激光器通過擴(kuò)束準(zhǔn)直后的平行激光束通過偏振分束棱鏡后經(jīng)光閥反射，其偏振態(tài)發(fā)生變化，形成了與液晶取向相應(yīng)的圖像。(3) 接著再逆向通過偏振分光棱鏡后，只有S光能反射出，因而其輸出讀出光也呈現(xiàn)出相應(yīng)的圖像，可在觀察屏上進(jìn)展觀察。 (4) 如果各光路調(diào)整得好，可在觀察屏上看到清晰的激光圖像，與非相干光照射的圖像相對應(yīng)。 5.液晶光閥的工作曲線(1) 按照液晶光閥的工作原理，也可以從電學(xué)特性的角度考慮，將液晶層、介質(zhì)高反膜、光阻隔層和光

6、導(dǎo)層都相應(yīng)地看作電阻和電容的組合，從而得出結(jié)論：LCLV不能在直流狀態(tài)下工作，也不能在高頻狀態(tài)下工作，對于一個特定的光閥而言，存在一個最正確工作點(diǎn)。(2) 在上圖中，透鏡L4的焦面上放上光電接收器接收輸出光，實(shí)驗(yàn)說明，液晶光閥的讀出光與寫入光，即輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)有關(guān)，在一定的輸入光強(qiáng)圍，輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)呈線性關(guān)系。(3) 稱無寫入光時液晶光閥的輸出光強(qiáng)與液晶光閥上所加的驅(qū)動電壓的關(guān)系曲線為液晶光閥的工作曲線，該曲線存在多峰，輸出光強(qiáng)在驅(qū)動電壓取得*些值時出現(xiàn)極小值；而取另外一些值時，輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極大值。極小值處為正像工作點(diǎn)，極大值處為負(fù)像工作點(diǎn)，在做圖像反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時。為了使正負(fù)圖像比照度最好

7、，可以選取極大值、極小值處為圖像反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的工作點(diǎn)。6.光學(xué)圖像的實(shí)時微分、相減原理Lamp物1L3LCLVPBSL2L1La物2/4接收屏LaHe-Ne激光器，L1擴(kuò)束鏡，L2準(zhǔn)直透鏡，PBS偏振分光棱鏡LCLV液晶光閥，L3，A圖象透明片，S觀測屏，Lamp鹵鎢燈(1) 通常液晶光閥的讀出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)不是單值對應(yīng)的。(2) 利用液晶區(qū)域的這種非線性輸入輸出特性，可以實(shí)現(xiàn)圖像的微分處理，獲得圖像的實(shí)時邊緣增強(qiáng)，通過調(diào)整液晶光閥的驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率和入射偏振方向，能到達(dá)最正確的增強(qiáng)效果。(3) 右光路中放置有/4波片，兩圖像在輸出面上疊加時，相互間存在相位差，適當(dāng)旋轉(zhuǎn)/4波片，兩圖像在輸出面疊

8、加的結(jié)果，可以得到一個強(qiáng)度正比于輸出圖像之差的處理圖像。該圖像重疊在強(qiáng)度恒定的背景上，于是獲得了圖像實(shí)時相減的結(jié)果。(4) 如果物1和物2是兩個完全一樣的圖像，并且使兩路光的放大倍率稍有差異，這時輸出面上兩圖像大小不等，當(dāng)作相減處理時，也能得到圖像的輪廓，從而也可以獲取光學(xué)圖像的微分圖像。主要儀器設(shè)備、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)選用的是大學(xué)生產(chǎn)的水平定向45扭曲向列型液晶光閥，其分辨率為30線對/mm，以鹵鎢燈作為非相干光源。1.非相干-相干圖像轉(zhuǎn)換(1) 按原理圖布置調(diào)整好光路。在液晶光閥上加35V，1KHz的交流電壓。在A處放置圖象透明片，用CCD接收經(jīng)系統(tǒng)后的讀出光圖象，觀察結(jié)果。(2)

9、使寫入光為零，光閥所加電壓頻率1KHz，將光閥的驅(qū)動電壓從0V增加到10V，在觀察屏處，用光電探測器同時測量光強(qiáng)值。對測量的數(shù)值進(jìn)展處理，可以獲得液晶光閥的工作曲線。接著，將電壓分別固定在最小光強(qiáng)和最大光強(qiáng)所對應(yīng)的值處，將光閥的驅(qū)動頻率從0.5KHz增加到1.5KHz，得到不同條件下的曲線，進(jìn)展比擬。(3) 根據(jù)獲得的液晶光閥的工作曲線，確定工作曲線上的光強(qiáng)的極大值對應(yīng)的液晶光閥上的驅(qū)動電壓的頻率和幅值。把光閥上的驅(qū)動電壓設(shè)置為所獲得的頻率和幅值。寫入一圖象，則在觀察屏上得到該圖象的反轉(zhuǎn)。2.光學(xué)圖像的實(shí)時相減、微分(1) 按原理圖調(diào)整布置光路。設(shè)計(jì)制作待處理圖像，并置于光路中。(2) 仔細(xì)調(diào)

10、整光路，使兩待處理圖像在液晶光閥輸出面上成像。(3) 圖像相減處理：擋住光路2，觀察輸出面P3上圖象1的像，這是一個在強(qiáng)度恒定的背景上的正像，擋住光路1，翻開光路2，觀察P3上圖象2的像。旋轉(zhuǎn)/4波片，使圖象2的像為反轉(zhuǎn)像。翻開光路1，P3上的圖象重疊局部光強(qiáng)消失，接近于背景亮度。仔細(xì)調(diào)節(jié)照明輸入面P2的光源的亮度，使輸出面P3上兩圖象重疊局部消失，及其亮度與背景亮度完全一致，這時，便得到了相減圖象。(4) 圖像微分處理：在輸入面P2上改放與圖象1完全一樣的圖象，并調(diào)節(jié)P2和透鏡L2的位置，使P2上的圖象在輸入面P3上所成的像變得小些，小于P1上的圖象在P3上所成的像，但兩個像的中心重合。當(dāng)這

11、兩個圖象相減時，便得到輸入像的輪廓，即微分圖象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄、數(shù)據(jù)處理分析1.非相干 相干光圖像轉(zhuǎn)換2.光學(xué)圖像的實(shí)時相減、微分思考題1. 液晶光閥如何實(shí)現(xiàn)光調(diào)制？對液晶光閥的兩個玻璃基片的夾角有何要求？夾角太小時對實(shí)驗(yàn)有何影響？2. 設(shè)計(jì)一個用兩個液晶光閥實(shí)現(xiàn)兩圖實(shí)時相減的試驗(yàn)光路，并說明其工作原理。要得到理想的相減圖像，對液晶光閥有什么特殊的要求？實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，心得體會，意見和建議寫得好有加分專業(yè)： *： *： 日期： 地點(diǎn)：玉泉教三209-211室_實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 光信息綜合實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)教師： 成績：_ 實(shí)驗(yàn)名稱：基于電尋址液晶光閥的光信息綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)類型：綜合型 同組學(xué)生：

12、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠖?、?shí)驗(yàn)容和原理三、主要儀器設(shè)備、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄、數(shù)據(jù)處理分析五、思考題六、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，心得體會，意見和建議實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、加深對液晶的電光效應(yīng)的理解。2、掌握利用LCD 液晶光閥的響應(yīng)曲線進(jìn)展圖像反轉(zhuǎn)和圖像邊緣增強(qiáng)的工作原理及方法。3、了解全息原理和計(jì)算全息的特性并學(xué)會進(jìn)展全息圖的光學(xué)再現(xiàn)。4、掌握光學(xué)傅立葉變換的性質(zhì)及全息性質(zhì)。5、加深對卷積定理的理解和全息成像原理的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)容和原理1.液晶的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖1所示液晶光閥LCTV是利用液晶混合場效應(yīng)制成的一種透射式電尋址空間光調(diào)制器。它是一個由多層薄膜材料組成的夾層構(gòu)造。在兩片玻璃襯底1和8的

13、里面是兩層氧化物制成的透明電極2和7。低壓電源E就接在透明電極上。液晶層5的兩邊是液晶分子取向膜層3和6，兩取向?qū)拥姆较蚧ハ啻怪保鸬揭壕Х肿佣ㄏ蚝捅Ｗo(hù)液晶層的作用。液晶層5的厚度由襯墊4和9的間隙決定，一般取d10 um, 很多情況下d僅為2 um。圖1.1 液晶光閥構(gòu)造示意圖控制液晶像素電光效應(yīng)的實(shí)際電壓值，是由液晶光閥驅(qū)動以60Hz的頻率矩陣式掃描兩邊的像元電極來決定的。裝 訂 線利用90o扭曲向列型液晶的液晶光閥與起偏器、檢偏器一起組成一個空間光調(diào)制器LC-SLM，如圖1.2所示。起偏器與檢偏器的偏振軸與*軸的夾角分別表示為和，由瓊斯矩陣算法可以得到輸出光束的光強(qiáng)透射率的表達(dá)式：圖1.

14、2 LC-SLM的構(gòu)造示意圖其中，。當(dāng)，或，時，有。當(dāng)時，有。當(dāng)時，有。因此改變起偏器和檢偏器的偏振軸和，我們就可以得到不同的電光效應(yīng)曲線。通過改變所加的電壓值，得到不同的輸出光強(qiáng)，就得到液晶的電光效應(yīng)曲線，即電壓和輸出光強(qiáng)的關(guān)系曲線。2. 計(jì)算全息光學(xué)實(shí)驗(yàn)全息術(shù)是利用光的干預(yù)和衍射原理，將物體發(fā)射的特定光波以干預(yù)條紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體象。由于記錄了物體的全部信息振幅和位相，因此稱為全息術(shù)或全息照相。全息照相分兩步：波前記錄和波前再現(xiàn)。波前記錄是將物體射出間接的光波與另一個光波參考光波相干預(yù)，用照相方法將干預(yù)條紋記錄下來，稱為全息圖或全息照片。全息圖具

15、有柵狀構(gòu)造。當(dāng)用原記錄時的參考光或其它適宜的光波照射全息圖時，光通過全息圖后發(fā)生衍射，其衍射光波與物體光波相似構(gòu)成物體的再現(xiàn)象。3. 傅立葉變換性質(zhì)及全息性質(zhì)的驗(yàn)證傅立葉透鏡將物面圖像進(jìn)展傅立葉變換，在透鏡的像面就能得到該圖像的頻譜。假設(shè)物面輸入的是全息圖，則經(jīng)傅立葉變換后能在像面看到再現(xiàn)像。伸縮定理：伸縮定理說明頻域中坐標(biāo)u的收縮，導(dǎo)致空域中坐標(biāo)*按同一比例展寬，同時振幅大小相應(yīng)的降低。反之，頻域中坐標(biāo)u的展寬，則導(dǎo)致空域中坐標(biāo)*按同一比例收縮，同時振幅的大小相應(yīng)的增加。用公式表示則為 旋轉(zhuǎn)定理：如果全息圖旋轉(zhuǎn)了0度，則其再現(xiàn)像也將旋轉(zhuǎn)0度。全息圖的互補(bǔ)定理：對全息圖進(jìn)展亮度反轉(zhuǎn)，全息圖中亮

16、度高的區(qū)域變成低亮度，而亮度低的區(qū)域變亮。觀察其再現(xiàn)像。全息裁減：全息圖的任何局部都能再現(xiàn)原圖的根本形狀。物體上任意點(diǎn)散射的光可抵達(dá)全息圖的每點(diǎn)或每個局部，與參考光相干預(yù)形成根本全息圖，也就是全息圖的每點(diǎn)或局部都記錄著來自所有物點(diǎn)的散射光。顯然物體全息圖每一個局部都能再現(xiàn)原來的像。實(shí)驗(yàn)中這一性質(zhì)可以得到很好的驗(yàn)證。卷積定理卷積定理是指兩個函數(shù)乘積的傅里葉變換，等于各自傅里葉變換的卷積。反之，兩個函數(shù)卷積的傅里葉變換，等于各自傅里葉變換的乘積。數(shù)學(xué)表示是和簡單的演示方法可以將兩個間距不同的正交光柵重疊在一起，表示兩個圖像相乘，用激光照射，在傅里葉變換透鏡的后焦面上看到它們的頻譜的卷積。主要儀器設(shè)

17、備、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟液晶的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)激光器提供入射光，LCD液晶光閥由驅(qū)動電路驅(qū)動，并與計(jì)算機(jī)相連，光探測器采用硅光電池以探測透過液晶的光強(qiáng)。按照光路調(diào)整步驟局部的說明調(diào)好光路。檢查系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，運(yùn)行軟件CGH.e*e, 軟件操作見軟件使用說明。保持室環(huán)境光較暗。擋掉進(jìn)入光探測器的激光，讀取光探測器讀數(shù)，此時反響環(huán)境光強(qiáng)度，在下面數(shù)據(jù)處理過程中均需先減去該數(shù)值。如果環(huán)境足夠暗，該讀數(shù)為0。點(diǎn)擊程序界面電光效應(yīng)菜單，輸入不同的電壓值V，間隔取0.5V或者更小，讀取光探測器讀數(shù)，記錄下相應(yīng)的光強(qiáng)，填入數(shù)據(jù)記錄表格。調(diào)好光路后，不旋轉(zhuǎn)檢偏器，直接測量一組數(shù)據(jù)。全屏顯示圖片庫中的white.b

18、mp圖，旋轉(zhuǎn)檢偏器使得透過光強(qiáng)最小注意不可能完全消除，即實(shí)現(xiàn)了圖像反轉(zhuǎn)，測量此時的電光效應(yīng)曲線。全屏顯示圖片庫中black_gray_white. Jpg圖，旋轉(zhuǎn)檢偏器，使得灰度局部到達(dá)最亮，而黑白局部亮度時機(jī)一樣，此時即實(shí)現(xiàn)了邊緣增強(qiáng)，測量此時的電光效應(yīng)曲線。比擬三條曲線的異同。 2. 計(jì)算全息光學(xué)實(shí)驗(yàn)透射型電尋址液晶光閥與計(jì)算機(jī)視頻輸出聯(lián)接，承受其調(diào)制信號。計(jì)算機(jī)輸出全息圖的電信號到液晶光閥上，由驅(qū)動電路驅(qū)動的LCD根據(jù)尋址電信號改變其每一個液晶像素的透過率，從而把電信號轉(zhuǎn)換成空間的光強(qiáng)分布。激光器出射的光束經(jīng)由顯微物鏡擴(kuò)束、小孔濾波和準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直也可以不準(zhǔn)直后，激光束照射記錄著全息條紋的

19、液晶光閥，全息條紋將入射的激光向特定的方向衍射，衍射光線經(jīng)過傅里葉變換透鏡會聚形成物體的像。根據(jù)光路調(diào)整步驟說明調(diào)好光路。連接CCD和其顯示終端并調(diào)整使攝像頭正常工作。檢查系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，運(yùn)行軟件CGH.e*e，軟件操作見軟件使用說明。程序界面上選擇翻開按鈕，從原圖文件夾中選擇一原圖。為便于觀察，最好選擇由簡單的幾何線條構(gòu)成的圖片。點(diǎn)擊全息變換，選擇實(shí)部編碼Re、虛部編碼(Im)、位相編碼(Ph)中的一種，用計(jì)算全息程序生成全息圖。選擇全屏顯示。移動接收屏直至觀察到清晰的再現(xiàn)像，或者利用CCD接收此時的再現(xiàn)像。選擇其他編碼方式，觀察不同編碼方式下的全息圖和再現(xiàn)像。重復(fù)步驟48，選擇其他圖片進(jìn)展實(shí)驗(yàn)。在程序中翻開一幅全息圖，選擇按鈕Am，可以觀察到計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)象。3. 傅立葉變換性質(zhì)及全息性質(zhì)的驗(yàn)證根據(jù)光路調(diào)整步驟調(diào)好光路。連接CCD和其顯示終端并調(diào)整使攝像頭正常工作，注意旋下CCD的鏡頭局部。檢查系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，運(yùn)行軟件CGH.e*e，軟件操作見軟件使用說明。程序界面上選擇翻開按鈕，從原圖文件夾中選擇一原圖。任選一種編碼方式除Am之外進(jìn)展傅立葉