液晶光阀

与写入光相对应的空间分布的图像。实现了图像的非相干-相干转换。 2 图像实时变换原理 2.1 图像的实时反转和微分的工作原理。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与驱动电压的 关系，即液晶光阀工作曲线。写入光强为 零时，测得的曲线对应完全不透光的部分， 即零透光率， 写入光强不为零时， 得到 100% 透光率曲线，把两曲线置于一幅图里，当 100%透光率较大时对应正像，反之对应负 像；正像向负像反转的点得到边缘增强的 微分像，反之得到边缘减弱的微分像。图 像质量与衬比度（最大光强与最小 图 3 图像实时变换原理示意图 光强的比值）有很大关系。原理图如图 3 所示。 2.2 图像的实时相减。图像实时相减的原理利用液晶光阀可以输出物体的负像，单光路如图所示，当液 晶光阀处于负像工作点时， 在观察屏可以看到“一”的负像， 读书光通过物一后在观察屏上看到“T”字像， 两幅图叠加就是二者的相减像。 2.3 傅里叶变换。由光波的衍射理论可知，在满足夫琅禾费衍射近似条件下，观察平面上的光场分布 正比于孔径平面上的透射光场分布的傅里叶变换。通常发生夫琅禾费衍射的距离很远，不便于观察，在孔 径后放透镜，借助于透镜的相位调制作用，在单色平面波的照明下，在透镜的后焦面上可以观察到孔径的 夫琅禾费衍射图样，也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的频谱面。 3 空间滤波 网格经竖直狭缝滤波后得到的频谱保留了水平方向上的全部信息，滤掉了竖直方向上的网格。 4 计算全息。 计算全息图包括了抽样、计算、编码、成图和再现的过程，抽样是指得到物体或波面在离散点上的值； 计算是指计算物光波在全息平面上的光场分布；编码是指把全息平面上的光波的复振幅分布编码成全息图 的透过率的变化；成图是指在计算机的控制下把全息图的透过率的变化在成图设备上制成图或者缩版提高 分辨率得到实用的全息图；再现是指采用光学模拟的方式再现计算全息图。
图 6 图像实时相减 从左到右依次是不放 “T” 时的 “一” 的正像-驱动电压 1.40V； 放“T”时的“一”的正像-驱动电压 0.83V；放“T”时的“一”的 负像与“T”像的相减-驱动电压 1.22V。 3 观察单缝、正交网格频谱图以及正交网格经单缝过滤后的频谱图 在写入电压为 5.0V 时， 调节单缝与物镜以及物镜与光阀的距离 使得黑屏上所成像清晰，所得频谱如图 7 所示；将单缝换成正交网 格，重复上述过程；在正交网格的白屏前面放上狭缝，就得到正交图 7 单缝频谱图 网格经竖直狭缝滤波后得到频谱。
写入电压5V 写入电压0V
8
图 5 图像的正像、负像以及边缘减弱
从左到右分别为：正像-驱动电压为 1.46V；负像-驱动电压为 1.20V；边缘减弱-驱动电压为 1.33V；由于 观察边缘增强的时候周围的光线太强，导致现象不明显，因此没有摄入该图像。 “T”与实“一”图像相减得到图像如图 6 所示：
Hale Waihona Puke Baidu
三、实验 1 搭光路
2 在衬比度最强的液晶光阀位置，测量写入光分别为 0 和 5V 时的液晶光阀的工作曲线 3 观察图像的实时变换，包括正像、负像、边缘增强、边缘减弱以及图像的实时相减，并 拍下相应的图像 4 把单缝放在物处，观察单缝的频谱，并观察正交网格的频谱，及正交网格经单缝过滤后 的频谱 5 对实验中已有的全息片进行再现
图 8 正交网格及其被单缝滤波后的频谱图
可见，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。 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：
五、 结论实验对驱动电压频率为 1.0KHz、 偏转角约为 45° 的液晶光阀的工作曲线进行了测量，并分别在驱动电压 为 1.20V 时得到了典型的负像； 在驱动电压为 1.33V 时得 到了典型的边缘减弱微分像；在驱动电压为 1.46V 时图 9 计算全息图像还原 得到了典型的正像；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。对于单缝频谱、正交 网格频谱及空间滤波的频谱观察也与理论预期相符。并用相同原理完成了全息图的再现。
液晶光阀图像变换
赵海燕 实验时间：2015 年 4 月 23 日上下午午 1 点至 6 点
摘要本实验在驱动电源频率为 1.0KHz 下测量了向列相液晶的工作曲线，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、边缘减弱时对应的的图像以及相应的驱动电压范围，从而进行图像的变换， 并得到了两幅图相减的图像；然后用液晶光阀观察了网格的频谱，并用狭缝进行空间滤波后的频谱；最后 用光学模拟的方法再现了计算全息图。通过本实验，我们将进一步了解液晶光阀及其应用。
六、参考文献 [1]熊俊.近代物理实验.北京师范大学出版社.北京.2007 年 8 月第一次印刷
1.2 混合场效应。混 合场效应是扭曲 -向列相 效应和电控双折射效应 的结合。偏振分光镜 PBS 的斜面透射光的 P 分量， 反射 S 分量，无外场时， P 分量透过液晶盒不产生 双折射效应，透过液晶盒、图 1 有无电场时液晶内部分子展曲排列 被反射镜反射、再次透过液晶盒后被 PBS 完全透射，使得输出光信号为零，器件处于“关闭”状态；加上 外场后，液晶盒的分子取向改变，离基片越远垂直的程度越高，使得 P 分量的光透过液晶盒后半部分时后 产生双折射效应，产生具有相位差的两束寻常光和非寻常光，使得 P 分量经过“透过液晶盒、被反射镜反 射、再次透过液晶盒后”的过程后变成了椭圆偏振光，于是经过 PBS 以后，部分光透射，部分光反射，输 出光处有信号输出，即器件处于“开启”状态。液晶分子的长轴方向与基片平面的夹角为预倾角，长轴在 左侧基片上的投影与基片上的分子长轴分子方向的投影是扭曲角，预倾角和扭曲角随着液晶至左侧基片的 距离的变化曲线如图 1 所示，外电场增大使得液晶中间垂直基片的的分子厚度增大。外电场很小的时候， 场强越大，双折射的影响越大，从而输出光越强，由于原有的扭曲-向列相仍起主要作用，双折射效应比较 小， 所以输出光强随外电场的增大相当缓慢； 当外电场超过临界值后，由于垂直基片的液 晶分子加厚，液晶盒右侧按 45°扭曲角取向 的分子层便相应的减弱，使得双折射效应减 弱，输出光强反而随外电场的增强而减弱， 因而要实现线性光强调制，所施加的外电场 应该在略小于临界电场强度一个范围内变化。 1.3 CdS 液晶光阀。本实验所用的反射 式液晶光阀如图 2 所示，写入光和读出光都 不可以透过反射镜，但是写入光的量区导致 光导层的电阻减小，暗区导致电阻增大，相 应的使得液晶的电压降变大和变小，使得液 晶内部形成与电压降对应的空间液晶分子长 图 2CdS 液晶光阀原理图 轴分布，于是产生对应的相位空间分布，即 PBS 的输出光也形成了
关键词液晶、工作曲线、相减、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、原理 1 液晶光阀的工作原理 1.1 正性扭曲-向列相液晶盒。液晶既有晶体的取向性，又具有液体的流动性，分子有序排列时体现光 学各向异性，光矢量沿分子长轴方向具有较大的非常光折射率������������ ，垂直时具有寻常光折射率������������ 。本实验采 用的正性向列相液晶分子长轴方向大体一致，但分子位置杂乱，不分层排列，在外电场下分子取向趋于电 场。薄层液晶注入镀膜的玻璃基片中，无电场下盒内的液晶分子按扭曲 45°均匀排列。
四、实验结果分析与讨论 1 在两种写入电压下测量液晶光阀的工作曲线
液晶工作曲线 1 0.8 输出光强(mw) 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 驱动电压(0.001V)
图 4 液晶工作曲线 经测量得到液晶光阀分别在写入电压为 0.0V 和 5.0V 时的工作曲线如图 4 所示， 由工作曲线分析可知： 液晶光阀在驱动电压在 0.32V~0.96V、 1.53V~2.17V 和 2.68V~6V 范围内，得到物体正像；在驱动电压为 0.96V~1.53V 和 2.17V~2.68V 范围内，得到负像；在驱动电压为为 0.96V、2.17V 时得到边缘增强的微分像； 在驱动电压为 1.53V、2.68V 时得到边缘减弱的微分像。 2 观察图像的实时变换以及实时相减图像 实验中调节驱动电压，在写入电压为 5.0V 的情况下依次得到图像的正像、负像、边缘增强以及边缘减 弱图像如图 5 所示。