基于空间光调制器的光信息处理基础实验
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第七章 空间光调制器PPT课件页数:115
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空间光调制器DMD多级谱复频成像的研究觹
了读 出 图像 的 亮 度 。作 为 一 个 应 用 实 例 ，利 用 Ｄ ＭＤ 空 间 光 调 制 器 及 多级 谱 复频 成 像 装 置构 建 了 一 个 合 成 全 息 图 的
拍 摄 系 统 ， 在 Ｄ Ｄ 上 输 入 数 十 幅 分 立 时 间 序 列 的数 字 图 Ｍ 像 ，采 用纵 向 面积 分 割 法 在 感 光版 上 记 录 系 列 的 子 全 息 图
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得 ［ Ｎ］状 态 的 反 射镜 看起 来 非 常 明 亮 ， ［ Ｆ ］状 态 的 Ｏ ＯＦ
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调 制 器 ．Ｄ ＭＤ 已在 多媒 体 投 影 显 示 及 高 清 晰度 电视 得 到 广 泛 的应 用 并 显 示 出 优 越 的光 学性 能 。 目前 利 用 Ｄ ＭＤ 作 为
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『存 入 一 个 二 进 制 数 字 “ ” 使 镜 片 倾 斜 一 ２ ，形 成 一 个 ｝ １ ０ ｌ。
１引 言
基于空间光调制器lcos-slm应用的常见算法
基于LCOS-SLM(空间光调制器)的常见算法应用包括:
1. 相位编码:
通过调制SLM的相位,可以实现光场的相位编码,应用于全息照相术、全息显示等。
典型算法包括GS算法、错误扩散等。
2. 波前修正:
使用SLM调制波前形状,可以补偿光学系统的像差。
典型算法有基于传感器的闭环校正和开环校正。
3. 模式生成:
通过SLM设计调制模式,可以生成特定光束模式,如拉格光、倾斜光束等。
算法包括基于计算机生成全息术的方法。
4. 光束整形:
调控SLM进行光束整形,获得所需的照射光强分布。
算法包括基于AHS迭代法和GS法的方法。
5. 全息显示:
SLM可实现全息数据的空间光调制,重建全息图像。
算法有一步法和两步法全息计算方法。
6. 全光学计算:
利用SLM进行光计算,实现矩阵乘法、图像处理等光学计算。
综上,SLM是光信息处理的核心设备,与不同算法配合可以实现多种光波调控与计算功能。
液晶空间光调制器光电特性研究报告心得体会
液晶空间光调制器光电特性研究报告心得体会液晶空间光调制器（LCD-SLM）是一种利用液晶材料的光电特性来调制和控制光信号的设备。
通过控制液晶材料中液晶分子的排列状态，可以实现对光的相位、振幅和偏振等特性的调制。
在这次光电特性研究中，我们对LCD-SLM的调制特性进行了详细的实验研究，并对实验结果进行了分析和总结。
首先，我们对LCD-SLM的高频响应特性进行了测试。
通过改变输入信号的频率，并测量输出信号的相位和幅值，我们可以得到LCD-SLM的频率响应曲线。
实验结果表明，LCD-SLM的响应频率范围较宽，且输出信号的相位和幅值能够随着输入信号频率的变化而变化。
这说明LCD-SLM可以实现对光信号的高频调制，具有良好的动态性能。
其次，我们对LCD-SLM的偏振特性进行了测试。
通过调节LCD-SLM的驱动电压和极化方向，我们可以改变液晶材料对光的偏振状态，从而实现对光信号偏振的调制。
实验结果表明，LCD-SLM能够实现对光信号的线性偏振和圆偏振的调制，并且在不同偏振状态下输出信号的相位和幅值也有所变化。
这说明LCD-SLM对光的偏振调制具有较好的性能和灵活性。
此外，我们还对LCD-SLM的工作温度特性进行了测试。
实验结果表明，在一定温度范围内，LCD-SLM的调制性能基本稳定。
然而，在超过一定温度范围后，液晶材料的分子排列状态会发生变化，导致LCD-SLM的调制性能下降。
因此，在实际应用中，需要控制好LCD-SLM的工作温度，以确保其性能的稳定和可靠。
通过这次光电特性研究，我对LCD-SLM的原理和特性有了更深入的了解。
LCD-SLM作为一种光电器件，在光通信、光计算和光存储等领域具有广泛的应用前景。
在未来的研究中，我希望能够进一步探索LCD-SLM的非线性特性，以及其在光学信号处理和光学成像等方面的应用潜力。
计算全息实验
计算全息除了其在工业和科学研究方面的应用价值，也是一个非常好的教学工具。要做好一个计算全息 图，既要熟悉衍射光学、光全息学等物理知识，还要了解抽样理论、快速傅里叶变换、调制技术和计算机 编程方面的知识。这些知识对于物理类和光电信息技术类专业的学生和研究人员都是不可缺少的。
§1 实验目的和内容
通过设计制作计算全息图、利用高分辨液晶空间光调制器(LCD)实时再现该计算全息图、观察再现结 果, 掌握计算全息图的编码原理, 加深对光全息原理, 光的干涉和衍射特性的认识。主要实验内容：（1）学 习采用不同的编码方法设计计算全息图；（2）对设计制作的计算全息图进行计算机模拟再现；（3）建立基 于液晶空间光调制器的计算全息光学再现光路；记录并分析计算全息图的光学再现结果。
（11）
利用（11）设计的计算全息图就称为修正离轴干涉型计算全息图。它的空间频谱如图 2（b）所示。显然， 记录同样带宽的物函数所需全息图的实际带宽和参考光的载频都大大减小。
共轭像
v 自相关项 原始像
共轭像
原始像
u
（a）
（b）
图 2 （a）普通离轴干涉计算全息图的空间频谱；（b）修正干涉计算全息图的空间频谱
3（b）所示是采用矩形通光孔径编码的计算全息图的一个抽样单元的示意图。图中，δx 和 δy 为抽样单元
的抽样间隔，Wδx 为开孔的宽度，Lmnδy 为开孔的高度，Pmnδx 为开孔中心到抽样单元中心的距离。我们 可以选取矩形孔的宽度参数 W 为定值，用高度参数 Lmn 和位置参数 Pmn 来分别编码光波场的振幅和位相。 设待记录光波场的归一化复振幅分布函数为：
m
=
−
M 2
n
=−
N 2
MN
为了减少运算时间，通常采用快速傅里叶变换（FFT）算法。计算结果一般为复数：
§1 实验目的和内容
通过设计制作计算全息图、利用高分辨液晶空间光调制器(LCD)实时再现该计算全息图、观察再现结 果, 掌握计算全息图的编码原理, 加深对光全息原理, 光的干涉和衍射特性的认识。主要实验内容：（1）学 习采用不同的编码方法设计计算全息图；（2）对设计制作的计算全息图进行计算机模拟再现；（3）建立基 于液晶空间光调制器的计算全息光学再现光路；记录并分析计算全息图的光学再现结果。
（11）
利用（11）设计的计算全息图就称为修正离轴干涉型计算全息图。它的空间频谱如图 2（b）所示。显然， 记录同样带宽的物函数所需全息图的实际带宽和参考光的载频都大大减小。
共轭像
v 自相关项 原始像
共轭像
原始像
u
（a）
（b）
图 2 （a）普通离轴干涉计算全息图的空间频谱；（b）修正干涉计算全息图的空间频谱
3（b）所示是采用矩形通光孔径编码的计算全息图的一个抽样单元的示意图。图中，δx 和 δy 为抽样单元
的抽样间隔，Wδx 为开孔的宽度，Lmnδy 为开孔的高度，Pmnδx 为开孔中心到抽样单元中心的距离。我们 可以选取矩形孔的宽度参数 W 为定值，用高度参数 Lmn 和位置参数 Pmn 来分别编码光波场的振幅和位相。 设待记录光波场的归一化复振幅分布函数为：
m
=
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=−
N 2
MN
为了减少运算时间，通常采用快速傅里叶变换（FFT）算法。计算结果一般为复数：
近代物理实验 液晶空间光调制器的振幅调制 实验报告
近代物理实验液晶空间光调制器的振幅调制实验报告在光通信、显微和望远等成像系统、自适应光学、光镊等许多应用领域中，都会涉及到光相位的调制，这时就需要用到一种新型的可编程光学仪器——空间光调制器。
空间光调制器是采用LCOS（LiquidCrystalOnSilicon,硅基液晶）芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。
LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。
对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制得就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。
从早期的铁电物质和扭曲向列液晶结构开始，到利用光电寻址。
滨松的中央研究所和固体事业部致力于空间光调制技术已有30多年的历史了。
其空间光调制器目前主要在高端市场中，以高线性度、高光利用率、高衍射效率等性能著称。
对于滨松空间光调制器LCOS本身的性质来说，它只改变光的相位，而不影响光的强度和偏振状态（振幅/光强的调制需要通过光路来实现）。
通过改变电压来改变液晶的排列方式，相位调制随着液晶的排列方式而变化。
通过CMOS背板和PC输出的DVI信号，液晶的排列是单像素可控的。
选择分辨率和像元大小LCOS是由像素阵列组成的，目前滨松可以提供两种分辨率：792×600，1272×1024；对于792×600分辨率的产品，还有两种像元大小可供选择：20μm，12.5μm。
不同的分辨率和像元大小以系列表示在产品型号的前半部分，如X10468-08，X10468指的就是该型号的产品分辨率为792×600，像元大小为20μm。
表中的“有效面积（Effecttiveareasize）”是指LCOS头上可以对光进行调制的液晶面的面积。
而用户在选型时，需要考虑该面积是否可以容纳下所需调制的光斑大小。
“填充因子（Fillfactor）”则是指单个像素有效面积占总面积的百分比，它在影响光利用率方面比较关键。
空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用
空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是信息光学领域中重要的一种设备，具有广泛的应用。
本文将介绍空间光调制器的工作原理，并阐述其在信息光学中的应用。
一、空间光调制器的工作原理空间光调制器是一种能够调整光波相位、振幅或偏振等参数的光电器件。
其基本构成包括光电转换器件和控制电路。
常见的空间光调制器有液晶空间光调制器（LC-SLM）和远红外空间光调制器（IR-SLM）等。
液晶空间光调制器利用液晶分子的旋转改变光波的偏振态，从而实现对光波的调制。
其结构包括透明电极、透明基底、液晶层等。
透明电极通过外加电压改变电场，从而改变液晶分子的旋转程度，进而改变波片的相位差。
远红外空间光调制器则是利用半导体材料的特性，通过改变电压来控制光波的相位、振幅等参数。
它在远红外波段（10μm-100μm）具有较好的响应特性，并被广泛应用于红外成像、光谱分析等领域。
二、空间光调制器在信息光学中的应用1. 相位调制空间光调制器可以通过改变光波的相位差来实现相位调制。
相位调制可用于全息成像、光学信息处理等领域。
例如，在数字全息术中，利用空间光调制器可以将三维物体信息编码到二维的全息图中，实现对物体的三维重建。
2. 模拟光学系统空间光调制器可用于模拟光学系统的构建。
通过控制空间光调制器的参数，如相位、振幅等，可以模拟各种光学元件的功能。
这对于系统性能分析、光学设计和优化等方面有着重要作用。
3. 光波前校正在自适应光学系统中，空间光调制器可以用于补偿光束的像差，提高图像的清晰度和分辨率。
通过改变光波的相位和振幅分布，空间光调制器可以实现对光场的调整，从而实现补偿效果。
4. 光通信与信息传输空间光调制器在光通信与信息传输中有广泛应用。
利用空间光调制器可以实现光信号的调制、解调和编码等功能。
同时，空间光调制器也可用于光纤通信中的信号调整、波前整形等。
5. 光学陷阱与操控空间光调制器还可用于构建光学陷阱。
空间光调制器实现相位调制的原理
空间光调制器的基本原理空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一种用于控制光波相位的装置。
它利用特殊的光学材料（如液晶、单晶硅等）和电调制技术，通过改变材料中的折射率或光的吸收特性来实现对光波相位的调制。
这样，可以对光波进行相位调制，并实现包括干涉、衍射、全息等光学功能。
空间光调制器通过改变光的相位，可以控制光波传输的方向、强度、波前形状等参数，广泛应用于光学通信、光学显示、光学信息处理、全息成像等领域。
空间光调制器主要有两种类型：液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，简称LC-SLM）和单晶硅空间光调制器（Silicon SpatialLight Modulator，简称Si-SLM）。
以下将分别介绍它们的工作原理。
液晶空间光调制器（LC-SLM）的工作原理液晶空间光调制器由液晶材料、玻璃基板、透明电极、控制电路等组成。
液晶材料是一种具有自发偏振性质的有机分子，可通过外加电场改变其取向，从而改变其光学性质。
液晶材料的取向状态可以分为平行（平面向列型）和垂直（逆锥型）两种。
液晶空间光调制器通常采用平行取向的液晶材料，使光波经过液晶层时，被液晶材料的分子沿着相同的方向旋转一定的角度，从而改变光波的相位。
液晶空间光调制器的原理可以分为两个步骤，即电场调制和光学调制。
1.电场调制液晶空间光调制器的玻璃基板上覆盖有透明电极，通过外加电压激发电场，使液晶材料的分子取向发生变化。
当液晶层中没有电场时，液晶分子呈现无序排列，电场激发后，液晶分子趋向于沿着电场方向旋转。
这种液晶分子的取向可以通过控制电场的大小、方向和施加时间来实现，从而实现对光波相位的调制。
2.光学调制当外加电场产生后，液晶材料的折射率发生改变。
当光波通过液晶层时，会受到液晶材料的折射率差异影响，从而引起相位的改变。
液晶空间光调制器通过控制电场，实现对光波相位的调制，具体来说，可以通过调整电场强度和方向来改变液晶层中的折射率分布，进而改变光波的相位分布。
初稿：基于空间光调制器的实验
基于空间光调制器的光学实验摘要随着光信息处理技术的发展，空间光调制器得到广泛的应用。
空间光调制器能快速对光波的特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等）进行某种变换或调制。
液晶空间光调制器是常见的空间光调制器。
液晶可以十分方便地对光束进行调整，而且具有很多特性，如扭曲效应、电控双折射等,因此成为光信息处理系统中的关键器件。
本文介绍以空间光调制器为核心器件的五大实验，分别是图像识别、计算全息术、激光模式转换、图像边缘增强和实现菲涅尔透镜。
关键词空间光调制器图像识别计算全息术激光模式转换图像边缘增强快速实现平面菲涅尔透镜Abstract With the development of the Optical information processing,the spatial lightmodulator is used generally.The spatial light modulator is able to transform or modulate the features of light wave(Phase,Amplitude,Light Intensity,frequency or polarization state of light,etc).Actually,the liquid crystal spatial light modulator is one of the most commonly used modulators.Liquid crystal can adjust light beam expediently and there are lots of characters,such as twist effect,Electrically Controlled Birefringence,etc,so it becomes the key to Optical information processing system.In the next,we are going to introduce five experiments which are the basis on the spatial light modulator,including image recognition technology,Computer-generated holography,the laser beam mode transforming,image edge enhancement and Fresnel zone plate.KEY WORDS Spatial light modulator,image recognition technology,Computer-generated holography,the laser beam mode transforming,image edge enhancement ,Fresnel zone plate目录1.前言1.1 空间光调制器发展1.2 空间光调制器的功能1.3 空间光调制器结构1.3.1 空间光调制器基本结构1.3.2 空间光调制器寻址方式1.4 实验所使用的空间光调制器2.基于空间光调制器的实验2.1 激光模式转换2.1.1 实验原理2.1.1.1 拉盖尔-高斯光束光场方程描述2.1.1.2 利用软件生成平面光与拉盖尔-高斯光的干涉图形2.1.2 激光模式转换实验2.1.2.1光路扩束系统的实验实验装置图2.2 图像识别系统2.2.1 实验原理2.2.1.1 互相关定理2.2.1.2 自相关定理2.2.1.3联合变换相关器相关识别（JTC）的工作原理2.2.2 图像识别实验2.2.2.1 JTC实验系统的组成2.2.2.2 JTC实验步骤2.2.2.3 实验结果2.3 SLM制作菲涅尔透镜2.3.1 实验原理2.3.1.1 菲涅尔波带片的原理1.前言1.1空间光调制器发展空间光调制器是由英文Spatial Light Modulator直接翻译过来，缩写为SLM。
空间光调制器参数测量与创新应用实验实验讲义
空间光调制器参数测量与创新应用实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司所有不得翻印前言空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。
这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。
由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算等系统中构造单元或关键的器件。
空间光调制器是实时光学信息处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，很大程度上，空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。
空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM) 。
最常见的空间光调制器是液晶空间光调制器，应用光－光直接转换，效率高、能耗低、速度快、质量好。
可广泛应用到光计算、模式识别、信息处理、显示等领域，具有广阔的应用前景。
本实验是传统光信息处理实验与计算机等先进技术手段相结合的现代光学实验，旨在让学生了解空间光调制器的广泛应用和科研价值。
本实验注重学生对光信息处理中关键器件的理解，同时利用SLM解决实际科研与产业应用问题的能力，实验直观且有很强的指导性，可作为相关专业学生的研究型实验。
实验一SLM 液晶取向测量实验一、 实验目的1. 了解空间光调制器的基础知识。
2. 理解空间光调制器的透光原理。
3. 测量空间光调制器的前后表面液晶分子取向，计算液晶扭曲角。
二、 实验原理根据液晶分子的空间排列不同，可将液晶分为向列型、近晶型、胆甾型3类。
其中扭曲向列液晶 (Twisted Nematic Liquld Crystal ，TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一种各向异性的媒质，可以看作是同轴晶体，它的光轴与液晶分子的长轴平行。
TNLC 分子自然状态下扭曲排列，在电场作用下会沿电场方向倾斜，过程中对空间光的强度和相位都会产生调制。
振幅型空间光调制器的设计与实现
振幅型空间光调制器的设计与实现振幅型空间光调制器是一种高度可调节的光学元件，可以用于光学信息处理和显示等领域。
其优点在于具有可编程性、高分辨率和高刷新率等特点，因此受到了广泛的关注。
本文将介绍振幅型空间光调制器的设计与实现，并探讨其应用前景。
一、振幅型空间光调制器的原理与结构振幅型空间光调制器是一种基于液晶技术的光学器件，其基本原理是通过液晶分子的旋转来控制光的偏振方向，从而实现光的强度调节。
具体而言，液晶分子在电场的作用下会发生旋转，进而改变光的偏振方向，从而达到调制光强的目的。
振幅型空间光调制器通常由液晶层、偏振器、电极等部分组成。
其中，液晶层是关键组成部分，其结构与普通的液晶显示屏类似，由两块玻璃基板和夹在中间的液晶层构成。
电极部分则用于对液晶层的电场进行控制，以达到调制光强的目的。
偏振器则用于控制入射光的偏振方向，防止退偏振效应的发生。
二、振幅型空间光调制器的设计与实现1.液晶层的制备液晶层是振幅型空间光调制器的关键组成部分，其质量对器件的性能有着至关重要的影响。
目前，液晶层的制备主要采用离子束刻蚀法和平面蒸发法等，其中以离子束刻蚀法最为常见。
具体而言，离子束刻蚀法将液晶层沉积在基板上，然后通过离子束蚀刻的方式在其上加工进一步的结构，以实现对液晶分子的控制。
2.电极的设计与制备电极是振幅型空间光调制器的重要组成部分，其作用是通过电场控制液晶分子的旋转，实现光的强度调节。
电极可以采用金属薄膜沉积方法或者蚀刻加工方法进行制备。
其中，金属薄膜沉积法是一种较为常见的方法，具体步骤为：将金属薄膜沉积在基板上，然后通过光刻和蚀刻的方式制得细小的电极，并用导线连接到控制电路中。
3.偏振器的选取与安装偏振器是振幅型空间光调制器中的必要组成部分，其作用是控制入射光的偏振方向，防止退偏振效应的发生。
目前，高性能的偏振器一般采用偏振片和波片的组合结构。
偏振片用于选择入射光的偏振方向，波片则用于将非线性偏振分量转变为线性偏振分量，从而避免光的退偏振现象的发生。
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图 10 保留 0 级、+/- 1 级光点的滤波过程
而随着逐渐增大狭缝，高频信息得以通过，最终在像平面上观察到的像跟光栅基本相同，如图 11 所示。在这一过程中，像平面观察的图案表现为可分辨的条纹数增加（条纹间距减小） ，分辨率 增高，图案的细节趋于完整。
制器，仔细观察傅氏面 P2 的频谱样式，记录与一维实物光栅频谱的异同。 iii. 同样在傅氏面 P2 上放置可调狭缝，狭缝的刀口方向要与竖直方向的频谱平行。调节狭缝的
宽度，观察狭缝像的变化。注意不要让狭缝闭合，损坏刀口。 iv. 换成可变圆孔光阑，将 x 方向和 y 方向的频谱滤掉，观察并记录变化的情况。
实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
实验人：朱思锦合作人：方格
（中山大学理工学院 微电子 2013 级 学号 12341085）
实验日期：2015 年 6 月 12 号 室温：22℃
地点：基础物理实验室 湿度：65%
B 基于空间光调制器的光信息处理基础实验
图 1 阿贝成像原理
2) 光信息处理基本光路（4f 系统）
由于任何彩色图像都可以看成是三种颜色的单色图像的合成，因此可用单色光来说明光学信息 处理的一些基本概念。图 2 为一种经典的三透镜光学信息处理的光路图。由于光线经过透镜之后相 当于进行了一次傅立叶变换，所以如图 2 所示，激光光源发出的光线经准直透镜 Lc 之后变成相干的 平行光均匀照射 P1 平面上的待处理图像 （透明图片、 光栅、 或网格状文字等） 。 若假设用函数 g ( x, y) 表示通过 P1 之后光线的振幅，则光线经透镜 L1 后将聚焦在平面 P2 完成第一次傅立叶变换，称 P2 平 面为傅氏面。P2 处光线的振幅可表示为 （1） 其中， 是平均波长， F1 是变换透镜 L1 的焦距，而 （2） 具有与频率相同的量刚， 即为空间频谱分量， 相应地将 G( f x , f y ) 称为输入图像的空间频谱。 由式 （2） 可见，傅氏面上衍射角越大（即x、y 值越大）的位置对应的空间频率越高。
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实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
变换，将 G( x, y) 还原到空间分布 g ( x, y) 。 阿贝尔成像理论不仅用于傅里叶变换阐述了显微镜成像的机理，更重要的是首次引入了频谱的 概念，启发人们用改造频谱的手段来改造信息。如果在频谱面上设置各种空间滤波器，滤去频谱中 的某些空间频率成分，将会使像发生变化。空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各种空间滤波 器，去掉（或通过）某些空间频率或改变他们的振幅和相位，使二维物体的像按照要求得到改善。
图 9 0、+\- 1 级光点通过观察到的像 运用阿贝尔成像原理解释，正负一级的光点包含了基频的信息，所以在像平面上可以观察到光 栅的像，但由于缺少+\- 2 级、+\- 3 级等的高频信息，所以这个像与一维光栅仍有一定差异，是余 弦振幅光栅，示意图如图 10。
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实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
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实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
图 8 频谱面观察到的衍射图样 在傅氏面安装可调狭缝并竖直放置狭缝后（限制水平方向通过的光波） ，减小狭缝宽度，刚好使 0 级光点通过，用 CCD 在像平面上拍摄并观察，可知像面上是一个照度基本均匀，没有条纹的图案， 这是因为 0 级光点处汇聚的是类似“直流量”的分量，在像平面上反映为一个均匀的光照，所以用 CCD 观察没有光栅的图案。 增大狭缝宽度，使 0 级和正负一级光点通过，开始观察到有条纹出现，如图 9 所示。
图 7 狭缝滤波器及放置方法
三、 结果与分析
1. 验证阿贝尔成像原理
如图 4 所示光路图，卡纸所在的平面 P2 即为傅氏面（频谱面） ，用 CCD 放置于傅氏面拍摄结果 如图 8，可观察到横向排列的亮度不同的点阵，即为光栅的夫琅和费衍射图。光轴上一点是 0 级衍 射，其他依次为±1，±2„„级衍射。从傅里叶光学来看，这些光点正好相应于光栅的各傅里叶分 量。0 级为“直流”分量，这分量在像平面上产生一个均匀的照度。±l 级称为基频分量，这两分量 产生一个相当于空间频率为 f0 余弦光栅的像。±2 级称为倍频分量，在像平面上产生一个空间频率 为 2f0 的余弦光栅像，其他依次类推。
摘要：采用空间光调制器作为输入物体，完成一维光栅、正交光栅、低通高通滤波等的 空间滤波和方向滤波实验，验证阿贝成像原理，了解傅里叶光学基本原理的物理意义， 学习光学信息处理的基本概念和知识。 关键词：空间光调制器 傅里叶光学 光信息处理
一、
引言
当今信息处理技术的核心是利用以计算机为代表的电子设备处理随时间序列变化的一维信号。
3. 实验步骤及操作
1) 验证阿贝成像定理 A.以光栅片为物搭建光路
i. 按图 4 搭建 4f 系统光路， 傅里叶透镜 L3 用 f=150mm 凸透镜。 物面 P1 放置透射光栅 （即 一维光栅） ， 将一张白色卡纸安装在干版架上， 在 L3 的后焦面附近沿光轴缓慢移动直至出现 清晰的光点，卡纸所在的位置就是傅氏面 P2。观察傅氏面 P2 的频谱样式，并用 CCD 记录 衍射光点的分布图。 将可调狭缝调至很小后安装在二维（XZ 方向）底座上，并处于傅氏面 P2 处。调节底 座位置和狭缝宽度的大小使 0 级光点刚好通过狭缝，档去 0 级以外的各光点，观察 P 平面 上的图形，检查是否有干涉条纹。 增大狭缝宽度，使 0 级和±1 级光点通过，观察 P 平面上所成的像。再逐渐增大狭缝 宽度直至完全拿开狭缝，逐次让更高级次的光点通过，分别观察并记录成像的特点及条纹 间距，用阿贝成像原理进行解释。
图 3 以光栅为物时的单透镜光信息处理
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实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
2. 实验设备及其相关参数
光学平台及附件：凸透镜(焦距分别 50mm、70mm、150mm)，宽度可调狭缝，白屏，可变圆孔光 阑，空间滤波器（高通、低通、带通） ，一维光栅片，白屏。 液晶空间光调制器：分辨率 1280×1024，像素大小 26μ m×26μ m。 光纤耦合激光器：650nm，P >2mW，单模光纤，芯径 4μ m。 CCD 相机参数: 分辨率 1280×1024，像素大小 5.2μ m×5.2μ m。 实验测控用计算机。
图 6 网格图案及高、低通滤波器
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实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
3) 方向滤波
i. 光路同实验内容 3，在空间光调制器上加载二维正交光栅（“阿贝成像与空间滤波”文件 夹下“128T×96T 二维光栅”或“64T×48T 二维光栅”）。可在傅氏面上观察到衍射光的二维 点阵，即正交光栅的傅里叶空间频谱，而在像平面 P 上可看到正交光栅的像。 ii. 将可调狭缝放在傅氏面上，狭缝处于竖直方向，如图 7（a）所示。调节狭缝的大小，使只 有中间一列衍射光斑通过狭缝，观察像平面的成像效果并加以解释。将狭缝绕光轴旋转，分别 置于水平、沿 45°和沿 135°，放置方法分别如图 7（b）（c）（d）所示。图中白线即狭缝刀 口的位置,观察各种情况下的成像，利用 CCD 拍摄图测量横（或竖条纹）和斜条纹的间距，计算 横、斜条纹间距的比值，并解释现象。
二、 实验方法和装置
1. 理论背景 1) 阿贝成像原理
阿贝尔研究显微镜成像问题时，提出了一种不同于几何光学的新观点，他将被观测物看成是不 同空间频率信息的集合，相干成像过程分两步完成，如图 1 所示。第一步是入射光场经物平面 P1 发 生夫琅禾费衍射，在透镜 L 的后焦面 P1（即频谱面）上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频” 作用。第二步是代表不同空间频率的各光束作为新的次波源发生次波，在像面 P3 上互相叠加，形成 物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。第一 步是把物面光场的空间分布 g ( x, y) 变为频谱面(P2)上的空间频率分布 G( x, y) 。第二步再做一次逆
图 5 以空间光调制器为物时的光信息处理光路图
2) 低通滤波和高通滤波
i. 将空间光调制器的图案换成图 5(a)所示的网格光图案。在像平面 P 上观察像的构成。图的 像素可用周期性空间函数表示，其频谱是有规律排列的分立点阵；而图的外形是非周期性的低 频信号，其频谱是连续的。 ii. iii. 用干版架夹紧如图 5（b）所示的低通滤波器，放在傅氏面上，让低级光点通过，观察像的 用干版架夹紧如图 5（c）所示的高通滤波器（此物是玻璃，请小心操作） ，放在傅氏面上， 构成，并用 CCD 记录。 挡住低级光点，让高频信号通过，再观察像的构成，用 CCD 记录。
光线经透镜L2再进行一次傅立叶变换后成像在P3平面上，输出图像的振幅可表示为 （3） 其中 F1 为透镜 L1 的焦距。如果在P2平面处放一块透过率为 H ( f x , f y ) 的滤波片，式（3）右边积
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实验 3.5 基于空间光调制器的光学实验
分号中的振幅分布函数 G( f x , f y ) 将变为， （4） 从而输出图像 r (u, v) 也将发生相应的改变，这种通过改变空间频谱来影响输出图像的方法就称 为空间滤波。只要在傅氏面上引入各种不同形式的空间滤波片，就可实现图像信息的高通、低通、 带通等滤波处理，以改善图像的质量。改用其它形式的一些光路，还可以实现图像的加减、乘除、 卷积等运算。例如，一张放置了较长时间的照相底片上有一些斑点，这时只需在傅氏面上放置一小 孔光栏作为低通空间滤波器，就可将这些斑点去除得到具有良好相质的照片。又例如，将不同时间 拍摄的两张港口的图像相减，输出的图像就只显示出这段时间内已离开港口及已停靠港口的船只， 其它的港口建筑等没有变化的物体就不会显示出来。
图 2 三透镜光学信息处理系统光路图
3) 单透镜光信息处理
为更好地理解空间滤波的概念， 可采用如图 3 所示的简化光路。 假设用一维光栅作为输入图像。 设光栅狭缝沿 x 方向放置，为了在平面 P 上呈现清晰的输出图象，光栅位置可在透镜的焦距附近微 调。平行单色光通过光栅后将产生衍射，其中 0 级光的衍射角为零，空间频率为零；级别越高，衍 射角越大， 空间频率越高。 在傅氏面处放置一宽度可调的狭缝， 则可以通过单缝位置和缝宽的调节， 有选择性地使某一级别的衍射光通过，从而通过 P 平面上输出条纹的宽度、清晰程度和强度半定量 地研究空间滤波器对光信息处理结 4 以光栅为物时的光信息处理光路图