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1、专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211 实验报告课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 成绩：_ _实验名称： 液晶光阀用于光学图像实时处理 实验类型：综合型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求二、实验内容和原理三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤四、实验结果记录、数据处理分析五、思考题六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议一、 实验目的和要求1、了解液晶光阀的工作原理和使用方法；2、掌握采用液晶光阀实现非相干光相干光图像转换和图像反转的工作原理和方法；3、掌握应用液晶光阀进行光学图像实时相减和实时微分的方法，加深对光学图像实时处理的理解。二、 实
2、验内容和原理1.液晶特性 (1) 液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向特性，又有液体的流动性。(2) 当液晶分子有序排列时表现出光学各项异性：光矢量沿分子长轴方向时具有较大的非常光折射率ne；而垂直分子长轴方向位寻常光折射率no(针对p型液晶材料）。(3) 晶轴方向即为分子长轴方向。在组成液晶盒的两玻璃间加一电压，其中的液晶分子在电场作用下会沿着电场方向排列，即光轴方向沿电场方向偏转。电场控制了双折射效应的变化。(4) 液晶光阀正是利用此特点而制成的器件。2.液晶光阀结构示意 E1815467623K2写入光读出光偏振分光镜输出光 1-玻璃基片 2-透明电极 3-光导层 4-挡光层 5-
3、介质反射膜 6-定向层 7-液晶层 8-衬垫 E-低压音频电源 K-开关3.液晶光阀工作原理(1) 如液晶光阀结构图所示，工作时将待处理的非相干图像从右侧成像在光电导层上，把它作为写入光。读出光束从左侧入射，经起偏器使其偏振方向与液晶左侧分子指向方向一致。经透明电极、液晶盒之后，在右侧的介质反射膜处返回，再次穿过液晶层经偏振分光镜后，通过一个透光轴方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器，成为输出光束。(2) 由于光阻挡层和反射膜都很薄，交流阻抗很小，因而加在两透明电极之间的外电压主要落在液晶层和光电导层上。控制液晶电光效应的实际电压值就由光电导层与液晶层的实际阻抗之比来决定，即取决于光电导层上的光照
4、情况。(3) 对写入光图像上的暗区：光电导层上的光照很少，电阻很大，外电压主要分配在光电导层上，而液晶层上电压较小，不足以产生电光效应，从而未受到调制，输出光束保持较小输出；对写入光图像上的亮区：相应的光电导层阻抗小，电压大部分落在液晶层相应像区上，由于混合场效应，使在该区域输出光达到最大输出。这样，输出光束的光强空间分布就按照写入光的图像的空间分布而受到调制，显然，它实现了非相干-相干光图像转换功能。4.液晶光阀图像转换工作原理LampAL3LCLVPBSL2L1SLaLaHe-Ne激光器，L1扩束镜，L2准直透镜，PBS偏振分光棱镜LCLV液晶光阀，L3成像透镜，A图象透明片，S观测屏，L
5、amp卤钨灯(1) 当液晶光阀加上交流驱动电压，成像透镜L3把非相干光照射的图像成像到液晶光阀的光导层上，光导层电阻根据图像的强弱产生相应的电阻分布，同时，液晶层中的取向也产生相应的调制。(2) 氦氖激光器通过扩束准直后的平行激光束通过偏振分束棱镜后经光阀反射，其偏振态发生变化，形成了与液晶取向相应的图像。(3) 接着再逆向通过偏振分光棱镜后，只有S光能反射出，因而其输出读出光也呈现出相应的图像，可在观察屏上进行观察。 (4) 如果各光路调整得好，可在观察屏上看到清晰的激光图像，与非相干光照射的图像相对应。 5.液晶光阀的工作曲线(1) 按照液晶光阀的工作原理，也可以从电学特性的角度考虑，将液
6、晶层、介质高反膜、光阻隔层和光导层都相应地看作电阻和电容的组合，从而得出结论：LCLV不能在直流状态下工作，也不能在高频状态下工作，对于一个特定的光阀而言，存在一个最佳工作点。(2) 在上图中，透镜L4的焦面上放上光电接收器接收输出光，实验表明，液晶光阀的读出光与写入光，即输出光强与输入光强有关，在一定的输入光强范围内，输出光强与输入光强呈线性关系。(3) 称无写入光时液晶光阀的输出光强与液晶光阀上所加的驱动电压的关系曲线为液晶光阀的工作曲线，该曲线存在多峰，输出光强在驱动电压取得某些值时出现极小值；而取另外一些值时，输出光强出现极大值。极小值处为正像工作点，极大值处为负像工作点，在做图像反转
7、实验时。为了使正负图像对比度最好，可以选取极大值、极小值处为图像反转实验的工作点。6.光学图像的实时微分、相减原理Lamp物1L3LCLVPBSL2L1La物2/4接收屏LaHe-Ne激光器，L1扩束镜， L2准直透镜，PBS偏振分光棱镜LCLV液晶光阀，L3，A图象透明片，S观测屏，Lamp卤钨灯(1) 通常液晶光阀的读出光强与输入光强不是单值对应的。(2) 利用液晶区域的这种非线性输入输出特性，可以实现图像的微分处理，获得图像的实时边缘增强，通过调整液晶光阀的驱动电压、驱动频率和入射偏振方向，能达到最佳的增强效果。(3) 右光路中放置有/4波片，两图像在输出面上叠加时，相互间存在相位差，适
8、当旋转/4波片，两图像在输出面叠加的结果，可以得到一个强度正比于输出图像之差的处理图像。该图像重叠在强度恒定的背景上，于是获得了图像实时相减的结果。(4) 如果物1和物2是两个完全相同的图像，并且使两路光的放大倍率稍有差别，这时输出面上两图像大小不等，当作相减处理时，也能得到图像的轮廓，从而也可以获取光学图像的微分图像。三、 主要仪器设备、操作方法和实验步骤本实验选用的是浙江大学生产的水平定向45扭曲向列型液晶光阀，其分辨率为30线对/mm，以卤钨灯作为非相干光源。1.非相干-相干图像转换(1) 按原理图布置调整好光路。在液晶光阀上加35V，1KHz的交流电压。在A处放置图象透明片，用CCD接
9、收经系统后的读出光图象，观察结果。(2) 使写入光为零，光阀所加电压频率1KHz，将光阀的驱动电压从0V增加到10V，在观察屏处，用光电探测器同时测量光强值。对测量的数值进行处理，可以获得液晶光阀的工作曲线。接着，将电压分别固定在最小光强和最大光强所对应的值处，将光阀的驱动频率从0.5KHz增加到1.5KHz，得到不同条件下的曲线，进行比较。(3) 根据获得的液晶光阀的工作曲线，确定工作曲线上的光强的极大值对应的液晶光阀上的驱动电压的频率和幅值。把光阀上的驱动电压设置为所获得的频率和幅值。写入一图象，则在观察屏上得到该图象的反转。2.光学图像的实时相减、微分(1) 按原理图调整布置光路。设计制
10、作待处理图像，并置于光路中。(2) 仔细调整光路，使两待处理图像在液晶光阀输出面上成像。(3) 图像相减处理：挡住光路2，观察输出面P3上图象1的像，这是一个在强度恒定的背景上的正像，挡住光路1，打开光路2，观察P3上图象2的像。旋转/4波片，使图象2的像为反转像。打开光路1，P3上的图象重叠部分光强消失，接近于背景亮度。仔细调节照明输入面P2的光源的亮度，使输出面P3上两图象重叠部分消失，及其亮度与背景亮度完全一致，这时，便得到了相减图象。(4) 图像微分处理：在输入面P2上改放与图象1完全相同的图象，并调节P2和透镜L2的位置，使P2上的图象在输入面P3上所成的像变得小些，小于P1上的图象
11、在P3上所成的像，但两个像的中心重合。当这两个图象相减时，便得到输入像的轮廓，即微分图象。四、 实验结果记录、数据处理分析1.非相干 相干光图像转换 2.光学图像的实时相减、微分 五、 思考题1. 液晶光阀如何实现光调制？对液晶光阀的两个玻璃基片的夹角有何要求？夹角太小时对实验有何影响？2. 设计一个用两个液晶光阀实现两图实时相减的试验光路，并说明其工作原理。要得到理想的相减图像，对液晶光阀有什么特殊的要求？六、 实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议（写得好有加分） 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点：玉泉教三209-211室_ 实验报告课程名称： 光信息综合实验 指导老师： 成绩：_ 实
12、验名称：基于电寻址液晶光阀的光信息综合实验系统 实验类型：综合型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求二、实验内容和原理三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤四、实验结果记录、数据处理分析五、思考题六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议一、 实验目的和要求1、加深对液晶的电光效应的理解。2、掌握利用LCD 液晶光阀的响应曲线进行图像反转和图像边缘增强的工作原理及方法。3、了解全息原理和计算全息的特性并学会进行全息图的光学再现。4、掌握光学傅立叶变换的性质及全息性质。5、加深对卷积定理的理解和全息成像原理的认识。二、 实验内容和原理1. 液晶的电光效应实验图1所示液晶光阀（LCTV）是利用液晶混
13、合场效应制成的一种透射式电寻址空间光调制器。它是一个由多层薄膜材料组成的夹层结构。在两片玻璃衬底1和8的里面是两层氧化物制成的透明电极2和7。低压电源E就接在透明电极上。液晶层5的两边是液晶分子取向膜层3和6，两取向层的方向互相垂直，起到液晶分子定向和保护液晶层的作用。液晶层5的厚度由衬垫4和9的间隙决定，一般取d10 um, 很多情况下d仅为2 um。图1.1 液晶光阀结构示意图控制液晶像素电光效应的实际电压值，是由液晶光阀驱动以60Hz的频率矩阵式扫描两边的像元电极来决定的。装 订 线利用90o扭曲向列型液晶的液晶光阀与起偏器、检偏器一起组成一个空间光调制器（LC-SLM），如图1.2所示
14、。起偏器与检偏器的偏振轴与x轴的夹角分别表示为和，由琼斯矩阵算法可以得到输出光束的光强透射率的表达式：图1.2 LC-SLM的结构示意图其中，。当，或，时，有。当时，有。当时，有。因此改变起偏器和检偏器的偏振轴和，我们就可以得到不同的电光效应曲线。通过改变所加的电压值，得到不同的输出光强，就得到液晶的电光效应曲线，即电压和输出光强的关系曲线。2. 计算全息光学实验全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息（振幅和位相），因此称为全息术或全息照相。全息照相分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将物体射出（间接）的光波与另一个光波参考光波相干涉，用照相方法将干涉条纹记录下来，称为全息图或全息照片。全息图具有栅状结构。当用原记录时的参考光或其它合适的光波照射全息图时，光通过全息图后发生衍射，其衍射光波与物体光波相似构成物体的再现象。3. 傅立叶变换性质及全息性质的验证傅立叶透镜将物面图像进行傅立叶
