液晶光阀

液晶光阀

王舒涵 201311141005

日期：2016年3月31日指导教师：王引书

【摘要】

本实验利用激光器、透镜、PBS、正性扭曲-向列相液晶、光电池、功率计、白光源等光学仪器在驱动电源频率为1.0KHz下测量了正性扭曲-向列相液晶写入电压分别为0V和5V时的工作曲线，找出液晶作为光阀进行图像分别变换出现正像、负像、边缘增强、边缘减弱时的图像，并且进行了图像的实时相减；然后利用傅里叶透镜观进行了对网格的空间滤波，分别滤掉了竖直和水平方向的网格。

【关键词】

液晶光阀，实时相减，傅里叶变换，空间滤波

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，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，被广泛地应用于光学信息处理、光学互连及光计算、图像波长变换、光信息贮存、非相干光与相干光图像转换、图像的假彩色编码、文字与图像的相关识别、大屏幕投影显示、计算机终端显示、光模拟军事训练、机器人视觉领域。

实验中我们将了解液晶光阀的工作原理，理解图像反转、微分、相减、傅里叶变换和空间滤波的原理，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：

1.1正性扭曲——向列相液晶盒：

液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向性，又有液体的流动性。本实验使用的是正性向列相液晶，外场的作用下分子取向将沿电场方向排列，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。实验中，液晶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，

1.2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。

（1）关闭：无外电场，输出光为零

（2）开启：入射光的强弱对液晶两端的电压产生影响，液晶两端的电压大小决定了其内部的均匀结构，因此当读出光入射时会产生输出光。

1.3 CdS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。

图1 液晶光阀结构示意图

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

2.1图像实时反转和微分的工作原理：

本实验的光路图如图2所示。

图2 实验光路图

以白光源作为写入光源，He-Ne激光器输出的激光为读出光源，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。

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。

2.2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。

2.3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，也称为孔径的傅里叶变换频谱。

3、空间滤波

f x y h x y

g x h的傅里叶变换分别为

设空域中的三个函数(,),(,),(,)

(,),(,),(,)x y x y x y F f f H f f 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。

（四）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步骤为：抽样，计算，编码，成图，再现。计算全息的种类有很多，如傅里叶变换全息中的罗曼型和李奇型。

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、实验仪器

本实验使用了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，光阑，成像物镜，偏振分光镜（PBS ），傅氏透镜，照明白光源系统控制器，CCD 摄像头及显示器，数字储存示波器，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，正交网络透明片等器材

本实验光路图如图2所示（以上已给出）。

四、实验过程：

1、测量液晶光阀的工作曲线

实验中，设置驱动频率为1kHz 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表1所示。

写入光电压为5V 写入光电压为0V

驱动电压(v) 输出光强（uw ） 驱动电压(v) 输出光强（uw ）

0 0.001 0 0.002 0.42 0.002 0.32 0.002 0.65 0.007 0.61 0.005 0.81 0.017 0.74 0.011 1.04 0.039 0.93 0.026 1.15 0.051 1 0.034 1.27 0.058 1.22 0.054 1.4 0.056 1.4 0.056 1.56 0.035 1.51 0.045 1.69 0.016 1.64 0.023 1.78

0.006

1.73

0.012