1、-PAGE . z.專業： *： *： 日期： 地點： 玉泉教三209-211 實驗報告課程名稱：2011-2012光信息綜合實驗 指導教師：成績：_實驗名稱：液晶光閥用于光學圖像實時處理 實驗類型：綜合型 同組學生：一、實驗目的和要求二、實驗容和原理三、主要儀器設備、操作方法和實驗步驟四、實驗結果記錄、數據處理分析五、思考題六、實驗中遇到的問題，心得體會，意見和建議實驗目的和要求1、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現非相干光相干光圖像轉換和圖像反轉的工作原理和方法；3、掌握應用液晶光閥進展光學圖像實時相減和實時微分的方法，加深對光學圖像實時處理的理解。實驗容和原理1.

2、液晶特性 (1)液晶是一種有機高分子化合物，既有晶體的取向特性，又有液體的流動性。(2)當液晶分子有序排列時表現出光學各項異性：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。電場控制了雙折射效應的變化。(4)液晶光閥正是利用此特點而制成的器件。2.液晶光閥構造示意 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-光導層 4-擋光層 5-介質反射膜6-定向層 7-液

3、晶層 8-襯墊 E-低壓音頻電源 K-開關3.液晶光閥工作原理(1) 如液晶光閥構造圖所示，工作時將待處理的非相干圖像從右側成像在光電導層上，把它作為寫入光。讀出光束從左側入射，經起偏器使其偏振方向與液晶左側分子指向方向一致。經透明電極、液晶盒之后，在右側的介質反射膜處返回，再次穿過液晶層經偏振分光鏡后，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層上。控制液晶電光效應的實際電壓值就由光電導層與液晶層的實際阻抗之比來決定，即取決于光電導層上的光照情況。(3) 對寫入光圖像上的

4、暗區：光電導層上的光照很少，電阻很大，外電壓主要分配在光電導層上，而液晶層上電壓較小，缺乏以產生電光效應，從而未受到調制，輸出光束保持較小輸出；對寫入光圖像上的亮區：相應的光電導層阻抗小，電壓大局部落在液晶層相應像區上，由于混合場效應，使在該區域輸出光到達最大輸出。這樣，輸出光束的光強空間分布就按照寫入光的圖像的空間分布而受到調制，顯然，它實現了非相干-相干光圖像轉換功能。4.液晶光閥圖像轉換工作原理LampAL3LCLVPBSL2L1SLaLaHe-Ne激光器，L1擴束鏡，L2準直透鏡，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) 當液晶光閥

5、加上交流驅動電壓，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層上，光導層電阻根據圖像的強弱產生相應的電阻分布，同時，液晶層中的取向也產生相應的調制。(2) 氦氖激光器通過擴束準直后的平行激光束通過偏振分束棱鏡后經光閥反射，其偏振態發生變化，形成了與液晶取向相應的圖像。(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出相應的圖像，可在觀察屏上進展觀察。 (4) 如果各光路調整得好，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。 5.液晶光閥的工作曲線(1) 按照液晶光閥的工作原理，也可以從電學特性的角度考慮，將液晶層、介質高反膜、光阻隔層和光

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

7、，可以選取極大值、極小值處為圖像反轉實驗的工作點。6.光學圖像的實時微分、相減原理Lamp物1L3LCLVPBSL2L1La物2/4接收屏LaHe-Ne激光器，L1擴束鏡，L2準直透鏡，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與輸入光強不是單值對應的。(2) 利用液晶區域的這種非線性輸入輸出特性，可以實現圖像的微分處理，獲得圖像的實時邊緣增強，通過調整液晶光閥的驅動電壓、驅動頻率和入射偏振方向，能到達最正確的增強效果。(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，適當旋轉/4波片，兩圖像在輸出面疊

8、加的結果，可以得到一個強度正比于輸出圖像之差的處理圖像。該圖像重疊在強度恒定的背景上，于是獲得了圖像實時相減的結果。(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，當作相減處理時，也能得到圖像的輪廓，從而也可以獲取光學圖像的微分圖像。主要儀器設備、操作方法和實驗步驟本實驗選用的是大學生產的水平定向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-相干圖像轉換(1) 按原理圖布置調整好光路。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接收經系統后的讀出光圖象，觀察結果。(2)

9、使寫入光為零，光閥所加電壓頻率1KHz，將光閥的驅動電壓從0V增加到10V，在觀察屏處，用光電探測器同時測量光強值。對測量的數值進展處理，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和最大光強所對應的值處，將光閥的驅動頻率從0.5KHz增加到1.5KHz，得到不同條件下的曲線，進展比擬。(3) 根據獲得的液晶光閥的工作曲線，確定工作曲線上的光強的極大值對應的液晶光閥上的驅動電壓的頻率和幅值。把光閥上的驅動電壓設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。2.光學圖像的實時相減、微分(1) 按原理圖調整布置光路。設計制作待處理圖像，并置于光路中。(2) 仔細調

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/4波片，使圖象2的像為反轉像。翻開光路1，P3上的圖象重疊局部光強消失，接近于背景亮度。仔細調節照明輸入面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，并調節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。當這

11、兩個圖象相減時，便得到輸入像的輪廓，即微分圖象。實驗結果記錄、數據處理分析1.非相干 相干光圖像轉換2.光學圖像的實時相減、微分思考題1. 液晶光閥如何實現光調制？對液晶光閥的兩個玻璃基片的夾角有何要求？夾角太小時對實驗有何影響？2. 設計一個用兩個液晶光閥實現兩圖實時相減的試驗光路，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？實驗中遇到的問題，心得體會，意見和建議寫得好有加分專業： *： *： 日期： 地點：玉泉教三209-211室_實驗報告課程名稱： 光信息綜合實驗 指導教師： 成績：_ 實驗名稱：基于電尋址液晶光閥的光信息綜合實驗系統 實驗類型：綜合型 同組學生：

12、一、實驗目的和要求二、實驗容和原理三、主要儀器設備、操作方法和實驗步驟四、實驗結果記錄、數據處理分析五、思考題六、實驗中遇到的問題，心得體會，意見和建議實驗目的和要求1、加深對液晶的電光效應的理解。2、掌握利用LCD 液晶光閥的響應曲線進展圖像反轉和圖像邊緣增強的工作原理及方法。3、了解全息原理和計算全息的特性并學會進展全息圖的光學再現。4、掌握光學傅立葉變換的性質及全息性質。5、加深對卷積定理的理解和全息成像原理的認識。實驗容和原理1.液晶的電光效應實驗圖1所示液晶光閥LCTV是利用液晶混合場效應制成的一種透射式電尋址空間光調制器。它是一個由多層薄膜材料組成的夾層構造。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6，兩取向層的方向互相垂直，起到液晶分子定向和保護液晶層的作用。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 液晶光閥構造示意圖控制液晶像素電光效應的實際電壓值，是由液晶光閥驅動以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透射率的表達式：圖1.

14、2 LC-SLM的構造示意圖其中，。當，或，時，有。當時，有。當時，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曲線。通過改變所加的電壓值，得到不同的輸出光強，就得到液晶的電光效應曲線，即電壓和輸出光強的關系曲線。2. 計算全息光學實驗全息術是利用光的干預和衍射原理，將物體發射的特定光波以干預條紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現，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，因此稱為全息術或全息照相。全息照相分兩步：波前記錄和波前再現。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，用照相方法將干預條紋記錄下來，稱為全息圖或全息照片。全息圖具

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

16、度高的區域變成低亮度，而亮度低的區域變亮。觀察其再現像。全息裁減：全息圖的任何局部都能再現原圖的根本形狀。物體上任意點散射的光可抵達全息圖的每點或每個局部，與參考光相干預形成根本全息圖，也就是全息圖的每點或局部都記錄著來自所有物點的散射光。顯然物體全息圖每一個局部都能再現原來的像。實驗中這一性質可以得到很好的驗證。卷積定理卷積定理是指兩個函數乘積的傅里葉變換，等于各自傅里葉變換的卷積。反之，兩個函數卷積的傅里葉變換，等于各自傅里葉變換的乘積。數學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

17、備、操作方法和實驗步驟液晶的電光效應實驗激光器提供入射光，LCD液晶光閥由驅動電路驅動，并與計算機相連，光探測器采用硅光電池以探測透過液晶的光強。按照光路調整步驟局部的說明調好光路。檢查系統是否運行正常，運行軟件CGH.e*e, 軟件操作見軟件使用說明。保持室環境光較暗。擋掉進入光探測器的激光，讀取光探測器讀數，此時反響環境光強度，在下面數據處理過程中均需先減去該數值。如果環境足夠暗，該讀數為0。點擊程序界面電光效應菜單，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，記錄下相應的光強，填入數據記錄表格。調好光路后，不旋轉檢偏器，直接測量一組數據。全屏顯示圖片庫中的white.b

18、mp圖，旋轉檢偏器使得透過光強最小注意不可能完全消除，即實現了圖像反轉，測量此時的電光效應曲線。全屏顯示圖片庫中black_gray_white. Jpg圖，旋轉檢偏器，使得灰度局部到達最亮，而黑白局部亮度時機一樣，此時即實現了邊緣增強，測量此時的電光效應曲線。比擬三條曲線的異同。 2. 計算全息光學實驗透射型電尋址液晶光閥與計算機視頻輸出聯接，承受其調制信號。計算機輸出全息圖的電信號到液晶光閥上，由驅動電路驅動的LCD根據尋址電信號改變其每一個液晶像素的透過率，從而把電信號轉換成空間的光強分布。激光器出射的光束經由顯微物鏡擴束、小孔濾波和準直透鏡準直也可以不準直后，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，衍射光線經過傅里葉變換透鏡會聚形成物體的像。根據光路調整步驟說明調好光路。連接CCD和其顯示終端并調整使攝像頭正常工作。檢查系統是否運行正常，運行軟件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成的圖片。點擊全息變換，選擇實部編碼Re、虛部編碼(Im)、位相編碼(Ph)中的一種，用計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像，或者利用CCD接收此時的再現像。選擇其他編碼方式，觀察不同編碼方式下的全息圖和再現像。重復步驟48，選擇其他圖片進展實驗。在程序中翻開一幅全息圖，選擇按鈕Am，可以觀察到計算機模擬再現象。3. 傅立葉變換性質及全息性質的驗證根據光路調整步驟調好光路。連接CCD和其顯示終端并調整使攝像頭正常工作，注意旋下CCD的鏡頭局部。檢查系統是否運行正常，運行軟件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之外進展傅立葉