液晶光阀图像变换实验日期：2014.3.20 指导老师：王海燕摘要：本实验测量了液晶光阀分别在写入光电压0V、5V时的工作曲线，确定出液晶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，并在电压范围内观察四种图样，利用图像实时变换的反转得到实时相减。
用液晶光阀观察了单缝的频谱，空间滤波，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、计算全息一、引言空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件，液晶光阀是利用液晶对光的调制特性而制作的一种光寻址空间光调制器。
它是开展信息与激光技术领域科研工作的高新技术光电子器件之一，被广泛地应用于光信息处理、光学互联及光计算、图像波长变换、光信息贮存、图像的假彩色编码、文字与图像的相关识别、计算机终端、光模拟军事训练、机器人视觉等领域。
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，L 3是成像物镜，L 4是傅里叶变换透镜,PBS是偏振分光镜）.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%透图1 液晶光阀结构示意图图2 实验光路图过率的工作曲线。
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)傅里叶变换由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。
因此也将透镜的后焦面称为傅里叶变换频谱面。
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(,)x y F f f ，(,)x y H f f ，(,)x y G f f ，其中(,)f x y 为输入信号，且有(,)(,)(,)x y x y x y G f f F f f H f f ，(,)x y H f f 使输入信号的频谱转换为(,)x y G f f ，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。
(,)x y H f f 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1、实验装置：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。
2、实验内容按照等高共轴原则调好实验光路，分别在写入电压为0和5V下测量工作曲线，即输出光强随驱动电压变化的曲线。
找出正像、负像、边缘增强和边缘减弱的大致电压范围，拍摄对应图像。
根据正像、负像的特点，对图案进行实时相减。
观察单缝的频谱。
对全息片进行再现。
四、实验结果及分析讨论写入电压为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。
曲线如图3。
图3 液晶光阀的工作曲线由正负像输出的原理可知，在驱动电压0.2-1.12V、1.8-2.25V、2.83V以上时出现正像，1.12-1.8V、2.25-2.83V出现负像，在1.12V与2.25V时出现边缘增强，1.8V、2.83V 时出现边缘减弱。
(c) 负像 1.78V (d) 边缘减弱 1.90V图4 实拍各类型图像2. 图像的实时相减 在写入电压为5.0V 的情况下，调节驱动电压为1.91V 时，得到图像的时时相减图像图 5 图像的实时相减 产生图像的原理基于液晶光阀可以输出物体的负像，“T ”图样呈正像，而“一”图像呈现负像，实时图像实时相减，得到“|”。
4.观察单缝频谱图调节单缝（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图7所示：(a) 正像 3.11V (b) 边缘增强 2.14V图6 单缝的频谱图7网格的频谱1、狭缝的傅里叶变换设狭缝的宽度为a,长度为d,当d ≫a 时，可以将狭缝看成无限长，若狭缝被垂直入射的单色平面波（单位强度）照射，则得到一维函数形式的狭缝的振幅为1,/2(,)(/)0,x a E x y rect x a else⎧<⎪==⎨⎪⎩ 它的傅里叶变换为{}(,)()sin ()y x F E x y a f c af δ=计算得到的狭缝频谱，等同于单缝的夫琅禾费衍射图像。
2、正交网格的频谱{}222(,)(,)1{sin ()sin ()sin ()sin ()sin [()]1sin ()sin ()sin [()]x y x y y x T x y F t x y a L a c Lf c Lf c Lf c c L f d d da c Lf c c L f d d==+-+- 由上面公式计算得到的频谱图与实验测得的频谱图相似。
3、正交网格经竖直狭缝滤波后得到频谱如图8。
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。
图8 滤波后图像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9所示：图9 全息片再现频谱图五、结论通过测量液晶光阀的工作曲线，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，并观察了在不同驱动电压下对物所成的四种典型的图像，且其分别所处的电压值与对工作曲线分析所得电压值基本相当。
边缘增强现象不明显，可能是初始关闭状态为完全关上。
观察了图像的实时相减，再现了计算全息片，效果较好。
由此可知，液晶光阀确可利用液晶对光的调制特性而形成具有实时功能的空间光调制器。
六、参考文献:《近代物理实验》，熊俊主编，北师大出版社。
