液晶光阀图像变换
学号：201011141054 姓名：牟蓉 实验日期：2013.4.25 指导老师：王海燕
摘要
本实验在驱动电源频率为1.0KHz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；然后用液晶光阀观察了网格的频谱，空间滤波，且用光学模拟的方法再现了计算全息图。通过本实验，我们将进一步了解液晶光阀及其应用。 关键词
液晶光阀、图像实时变换、空间滤波、计算全息
一 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。
二 实验原理
1.液晶光阀的工作原理
（1） 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——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， （2）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。 （2） 液晶光阀
本实验选用的反射式交流Cds液晶光阀，其结构如图1所示。由于光阻挡层、介质镜、隔绝
层等都很薄，交流电阻很小，因此外电压主要落在光导体和向列液晶上。在写入图像的暗区，光导层的电阻很大，外电压主要降在光导层上，液晶层上的电压降很小，不足以产生明显的电光效应，扭曲效应仍是主要的，反射光强近似为零。在写入图像的亮区，光导层的电阻变小，电压降变小，液晶层上的电压降变大，从而引起电光效应，输出光成为椭圆偏振光，液晶由
图1 液晶光阀结构示意图
像，实现了图像的非相干－相干转换。 2.图像实时变换原理
（1） 图像实时反转和微分的工作原理
以白光源作为写入光源，激光器输出为读出光源，在傅立叶变换透镜的焦点处放置光电探测器来接收输出光，用激光功率计读出输出光的光强。固定液晶光阀的驱动频率、偏转角和写入光强，调节液晶光阀的驱动电压，测量读出光的输出光强，就可以得到液晶光阀的输出光强和驱动电压的关系，我们把这种关系的曲线称为液晶光阀的工作曲线。实验光路图如图2所示（其中，是激光扩束准直系统, 分光镜）
当写入光强为零时，所测得的工作曲线对应0透过率；当写入光强不为零时，得到100
是成像物镜，
是傅里叶变换透镜,PBS是偏振
此产生双折射，改变了读出光的偏振态， 从而得到一副与写入图像相应的读出图
透过率的工作曲线。将0透过率和100透过率的工作曲线置于同一幅图中比较，可清楚地看到出现正负图像的原理：在某电压范围内，100透过率的输出光强较强，而0透过率的输出光强较弱。那么，在这电压范围内应输出物体的实像；反之，则 应输出物体的负像；在正像向负像反转的
图2 实验光路图
驱动电压处，应得到边缘增强的微分像；在负像向正像发生反转的驱动电压处，应得到边缘减弱的微分像。 （2）图像实时相减
两图像经过实时想减后可以突出二者的差别。实现图像实时相减的原理基于液晶光阀可以输出物体的负像。例如：例如：读出光通过物“T”字后，在观察屏上呈“T”字像，当液晶光阀在负像工作点时，写入光通过物“一”字后，在观察屏上可以观察到“一”字的负像。两幅图像在观察屏上的合成图像是二者的相减像。 (3)傅里叶变换
光波的衍射理论可知，在满足夫琅和费近似条件下，观察平面上的光场分布正比于孔径平面上透射光场分布的傅里叶变换。通常发生夫琅和费衍射的距离很远，不便于观察。如在孔径后放置一透镜，则借助透镜的相位调制作用，在单色平面波照明下，在透镜的后焦面上可以观察到孔径的夫琅和费衍射图样，也就是孔径的傅里叶变换频谱。 3.空间滤波
设空域的三个函数f(x,y),h(x,y),g(x,h)的傅里叶变换分别为
F(fx,fy),H(fx,fy),G(fx,fy)，其中
f(x,为输入信号，且有yG(fx,fy)?F(fx,fy)H(fx,fy)，H(fx,fy)使输入信号的频谱转换为G(fx,fy)，这种改
变频谱成分的操作称为空间频率滤波，简称空间滤波。H(fx,fy)称为空间滤波器。 4.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。
三 实验装置及内容
（一）实验装置
实验中所用的仪器和光学元件有：He-Ne激光器，激光电源、激光功率计、光电探测器、液晶光阀、扩束透镜、准直透镜（f=300mm）、光阑、成像物镜(f=50mm)、偏振分光镜（PBS）、傅氏透镜(f=300mm))、照明白光源（额定电压为12V）、系统控制器、CCD摄像头及显示器、数字存储示波器、观察屏、数码相机、直流稳压电源、可变狭缝、物体透明片、计算全息透明片、正交网格透明片。 （二）实验方法
调整光路中，应使各光学器件等高共轴。是激光通过扩束镜盒准直镜后出射的光斑尽量照满偏振分光棱镜PBS。调节写入光光源和成像物镜，使写入光斑尽量均匀分布且与读出光斑重合。
（三）实验内容
本实验的实验光路图，如图3所示。按照等高共轴原则调好实验光路，进行了以下的一些实验操作。
1．测试液晶光阀的工作曲线。
在没有任何物体的情况下，测试液晶光阀的工作曲线，即输出光强随驱动电压变化的曲线。固定驱动频率f=1.0kHz，分别在写入电压为0和5V下测量工作曲线。 2.观察图像的实时反转和微分
从零点开始逐渐加大驱动电压，在观察屏上可以看到T字的正像、负像、边缘增强和边缘减弱图像，用相机拍摄下不同的图像，同时记录下呈现不同的图像时的驱动电压。 3.观察图像的实时相减。
根据正像、反像的特点，可以对图案进行相减的操作。用到的是“T”型及“一”型物体。 4.观察正交网格的频谱
5.观察全息，对全息片进行再现。
四 实验结果及分析讨论
实验中，写入电压为0V和5.0V时，测量液晶光阀输出光强随驱动电压的数据如附表所示。将测得的数据，在同一P-V图上描绘出来，可以得到两条曲线。具体曲线如图3所示
图3 实验测得的液晶光阀的工作曲线
根据正负图像出现的原理：在某电压范围内，100%透光率（即有光时）的输出光比较强，而0透光率（即无光时）的输出光比较弱，那么，在这个电压范围内输出物体的正像；反之，输出负像。我们从图中得出如下结论：出现正像的电压范围大致为：0~1.2V、1.7~2.2V、2.7~4.6V；出现负像的电压范围为：1.2~1.7、2.2~2.7V、4.6V之后。在电压1.2V、2.2V、4.6V附近出现边缘增强。在电压1.7V、2.7V附近出现边缘减弱。 2.图像的实时反转和微分
驱动电压由零逐渐增强，在观察屏上依次可以看到T字的正像、边缘增强、负像和边缘减弱的图像，其具体图形如下
图4 正像 3.10V
图5 边缘增强 2.20V