初稿：基于空间光调制器的实验.docx

基于空间光调制器的光学实验摘要 随着光信息处理技术的发展，空间光调制器得到广泛的应用。空间光调制器能快速对光波的特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等）进行某种变换或调制。液晶空间光调制器是常见的空间光调制器。液晶可以十分方便地对光束进行调整，而且具有很多特性，如扭曲效应、电控双折射等,因此成为光信息处理系统中的关键器件。本文介绍以空间光调制器为核心器件的五大实验，分别是图像识别、计算全息术、激光模式转换、图像边缘增强和实现菲涅尔透镜。关键词 空间光调制器 图像识别 计算全息术 激光模式转换 图像边缘增强 快速实现平面菲涅尔透镜 Abstract With the development of the Optical information processing,the spatial light modulator is used generally.The spatial light modulator is able to transform or modulate the features of light wave(Phase,Amplitude,Light Intensity,frequency or polarization state of light,etc).Actually,the liquid crystal spatial light modulator is one of the most commonly used modulators.Liquid crystal can adjust light beam expediently and there are lots of characters,such as twist effect,Electrically Controlled Birefringence,etc,so it becomes the key to Optical information processing system.In the next,we are going to introduce five experiments which are the basis on the spatial light modulator,including image recognition technology,Computer-generated holography,the laser beam mode transforming,image edge enhancement and Fresnel zone plate. KEY WORDS Spatial light modulator,image recognition technology,Computer-generated holography,the laser beam mode transforming,image edge enhancement ,Fresnel zone plate 目录1.前言1.1 空间光调制器发展1.2 空间光调制器的功能1.3 空间光调制器结构 1.3.1 空间光调制器基本结构 1.3.2 空间光调制器寻址方式1.4 实验所使用的空间光调制器2. 基于空间光调制器的实验2.1 激光模式转换 2.1.1 实验原理 2.1.1.1 拉盖尔-高斯光束光场方程描述 2.1.1.2 利用软件生成平面光与拉盖尔-高斯光的干涉图形 2.1.2 激光模式转换实验 2.1.2.1光路扩束系统的实验实验装置图2.2 图像识别系统 2.2.1 实验原理 2.2.1.1 互相关定理 2.2.1.2 自相关定理 2.2.1.3联合变换相关器相关识别（JTC）的工作原理 2.2.2 图像识别实验 2.2.2.1 JTC实验系统的组成 2.2.2.2 JTC实验步骤 2.2.2.3 实验结果2.3 SLM制作菲涅尔透镜 2.3.1 实验原理 2.3.1.1 菲涅尔波带片的原理 1.前言1.1空间光调制器发展空间光调制器是由英文Spatial Light Modulator直接翻译过来，缩写为SLM。近年来光信息处理这门学科正在快速发展，光信息处理在对信息处理过程中有处理速度快，可处理信息的流量大等一类的特点，因此传统的光调制器已不能满足光信息处理的研究需求。而空间光调制器能够实现快速的二维输入和传出传感器的功能，使其能够满足光信息处理的研究需求。目前光信息处理是一种以光学频谱分析为基础，通过傅里叶变换，利用空间光调制器对光信息进行处理的过程。目前空间光调制器是光学检测，图像处理，光计算等相关技术研究中的关键器件。空间光调制器在刚研发时主要是为光信息处理中提供各种滤波器件，随着技术的发展，空间光调制器逐步应用于投影机，投影电视机等家电产品当中。空间光调制器是光信息处理中不可或缺的关键器件，随着光信息处理和半导体技术越来越紧密地结合在一起，空间光调制器将更多地应用到电子领域中去，这将会更有力地推动空间光调制器的发展。随着液晶空间光调制器(LCSLM)生产技术的进步，液晶空间光调制器被广泛用于各种光学领域。SLM的种类繁多，但事实上时至今日，液晶SLM已经占据了SLM领域的主导地位。因为它可以对光束的振幅、强度、相位等等物理特性进行一维或者二维的空间调制。它主要通过液晶来作为光调制的材料，由于液晶材料的特殊光电效应，在外加电场的作用下，使得液晶分子的排列分别、位置、形状等都会发生改变，使得液晶的物理性质发生变化，最直观的就是光学性质发生改变，让其拥有透光和不透光两种状态，这样一来就能够实现光调制的效果。液晶SLM需要由多个集成控制电路组合而成，用电信号来控制液晶面板上每一个像素的状态。同时由于以液晶作为调制器的介质材料，这样的调制器具有低耗、低压的特点。我们还可以将SLM划分为，振幅型、相位型和混合型三种。振幅型指的是只对光的强度进行调制，同理，只对相位进行调制的称之为相位型。但通常在实际科研、实验、运用当中，其实振幅调制和相位调制是同事存在的，这也就是我们说的混合型。空间光调制器有采用多种不同的工作原理和材料，常用的有电光效应材料，磁光效应材料，声光效应，光折变效应，电吸收型材料和机械效应，热效应和非线性光学聚合物。其中液晶属于电光效应材料一类。1.2空间光调制器功能在光信息处理中，整个光信息处理系统可通过空间光调制器和外界交换信息，因此，空间光调制器是两者的信息交换接口。在系统中它既能成为输入器件，也能成为运算器件。目前光信息处理是一种以光学频谱分析为基础，通过傅里叶变换，利用空间光调制器对光信息进行处理的过程。空间光调制器是目前光学检测，图像处理，光计算等相关技术研究中的关键器件。SLM是指可以将信息量加载到一维的或者二维的光数据场上，从而能够更好地利用光的固有速度和并行性和互连的能力，另外在某些系统中作为最基本的组成元件或者主动元件，如实时光学信息处理、光学计算、光学神经网络等等系统。SLM能够在另一种空间光强分布的作用下，又或者是在随时间变化而变化的电驱动信号的控制下去改变该空间上的光分布的特性，比如相位、偏振态、振幅、光强、或者是波长等。因为空降光调制器能够实现由非相干光转换为相干光，所以它被广泛引用在数/光混合相关、自动模式识别以及机器人视觉系统等方面的光电实时接口、光逻辑运算、阈值开关、高速互连、数据格式化、输入存储、输出显示等。SLM是输入器件，其能够按照光学处理系统所要求的输入来转换信息：电-光转换和串行-并行转换，非相干光-相干光转换，波长转换等。一个随时间变化的串行电信号（例如计算机输出的图像信号）输入到一个光学处理系统中去，往往需要做两方面的转换：一是将串行输入方式转换成并行方式，即转换成在空间上排列成一维或二维阵列的形式；二是将电信号转换成光信号。电寻址SLM可以同时完成这两种转换。例如用一束光强均匀的光波作为写入光，串行的图像电信号作为写入信号，并用它控制SLM上相应的各个像素的透过率或反射率，于是一个图像的空间分布将以输出光的光强显示出，传到光学系统中去处理。 1.3空间光调制器结构 1.3.1 空间光调制器基本结构空间光调制器结构的基本特点在于，它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。这些小单元可以独立地接收光学或点学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”（Pixel），把控制像素的光电信号称为“写入光”或“写入（电）信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。1.3.2 空间光调制器寻址方式读出光应该能照明SLM的所有像素，并能接收写入光或写入电信号传递给它的信息，经调制或变换转换成输出光。按读出光工作方式分，可有透射式如图1.3.2(a)、(c)所示或反射式如图1.3.2(b)、(d)所示。而写入光或写入(电)信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应的像素位置上去的过程称为“寻址”。如果采用写入光实现控制调制器像素这一过程，称为光寻址，如果采用写入（电）信号实现这一过程，称为电寻址。本论文采用写入电信号的方法，称为电寻址。；而电寻址的话，则是由多个独立的元素或者是像素组成的，主要应用与光/电实时接口器件；对于光寻址来说，比较多的是由模拟的非像素单元构成的，主要用于光/光转换的器件。因此，SLM也可以分为模拟和数字两个种类。采用电寻址时，因为电信号是一个时间序列，原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去，所以电寻址是一种串行寻址方式。实现电寻址有多种形式。例如，在SLM的表面设置两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法使写入电信号作用到相应的像素上去，完成寻址。再如，利用电荷耦合器（CCD）和一个附加的电荷转移机构，把写入电信号转换成调制器上的电压分布来完成寻址。电寻址与光寻址相比有一些弱点，由于串行方式，使它的信息处理速度降低；由于电极几个尺寸和透过率的限制，其分辨率和填充系数（像素的有效通光面积和像素的总面积之比）都有所降低。但目前它是光学信息处理与现代电子技术、特别是计算机-多媒体技术相结合，构成光电混合系统的有效方式，已得到广泛的应用。光寻址的SLM其空间分辨率一般要比电寻址的高，另外其最明显的优点是速度快的并行寻址方式。使用时将调制信号输入进SLM的同时，便能在一刹那完成调制。其虽然有高的并行度，但这并不是意味着响应的速度快。所以当前高响应速度依然是光寻址SLM的重要研究课题。 图1.3.1 SLM寻址方式示意图1空间光调制器有按读出光的读出方式和按输入信号的方式两种不同的分类。按读出光的读出方式可分为反射型和透射型，按输入控制信号的方式可分为光寻址和电寻址。1.4 实验所使用的空间光调制器 将图样加载到SLM上，实验使用的是大恒光电生产的电寻址SLM，以下是它的一些参数，具体参数如表 1.4.1所示。名称电寻址空间光调制器型号GCI-770102像素1024768信号频率85Hz电源电压AC220V外形寸口16481305数据接口VGA液晶类型Sony TFT-LCD 透射式液晶显示速度60Hz像元间距26um像面尺寸1.3 英寸对比度1000:1（633nm）透过率23%光谱范围400nm-700nm数据位数8 位表1.4.1 空间光调制器参数 2.1激光模式转换2.1.1实验原理2.1.1.1 拉盖尔-高斯光束光场方程描述拉盖尔一高斯光束是圆柱对称稳定腔中的振荡模式，它的方程是柱坐标系统下波动方程的解。拉盖尔一高斯函数是一组正交完备函数，沿Z轴向传输的拉盖尔-高斯光束的横向电场表达式为5 （4-1）其中是瑞利（Rayleigh）长度，是沿传播方向上处的腰斑半径，是函数的归一化常数，是波数，是缔合的Laguerre多项式，为径向模数,沿半径方向有个节线圆,表示沿半径方向有个暗环。为角向模数(即涡旋相位的拓扑荷数)，沿辐角方向有根节线，表示沿着圆周一圈相位变化是的整数倍，是Gouy位相。说明拉盖尔-高斯光束是有轨道角动量的，每个光子的角动量为。2.1.1.2利用软件生成平面光与拉盖尔-高斯光的干涉图形一般涡旋光场的表达式为： （4-2）其中为光场振幅。理想平面波的电场表达式为 （4-3）其中，为光场振幅，为平面光与涡旋光束的夹角。涡旋光束与平面波的干涉光强表达式为 （4-4）对(4-4)式进行计算机模拟就可以得到干涉条纹的分布图案，由于涡旋光束的波前相位周期性的变化，当平面光与涡旋光干涉时，形成的干涉条纹中含有位错结构，所以把这些干涉条纹称为位错条纹，阶数不同的涡旋光束与平面光干涉生成的条纹具有不同的位错结构，当平面光透过存在位错的位置时就能够生成涡旋光束6。根据干涉之后的光强分布所制作的光栅是具有位错结构的光栅，因为位错图形形如叉形，所以又称为叉形光栅。如果目标光束中含有相位奇点，相位奇点处的干涉条纹将会出现错位，条纹会分叉。反之，存在位错的地方表明该处是相位奇点，如图 2.1.1.1，(a)为角向模数时的干涉条纹，（b）角向模数时的干涉条纹（c）为角向模数时的干涉条纹，（d）为角向模数时的干涉条纹。在时，一条暗条纹分成了两条暗条纹，时一条暗条纹分成了三条暗条纹。可见分叉的条纹数目与有关。另外角向模数的正负也会影响干涉条纹的叉形方向。所以可以同过干涉图中分叉的条纹数目，分叉方向判断角向模数。 a)+1阶叉形光栅 b)+2阶叉形光栅 c)-1阶叉形光栅 d)-2阶叉形光栅图2.1.1.1 (a)+1阶叉形光栅(b)+2阶叉形光栅(c) -1阶叉形光栅(d) -2阶叉形光栅用mathematica软件，编写拉盖尔高斯光的电场表达式，取束腰半径=0.0005m，=632.8nm。通过改变径向模数和角向模数生成不同阶数的拉盖尔高斯光束，径向模数拉盖尔高斯光束又称为面包圈（Doughnut）型空心光束，图 2.1.1.2分别是光强分布图。可以看到径向模数时，角向模数越大光斑空心部分越大。径向模数则影响光斑中暗环的数目。暗环数目等于径向模数 7。 a) b) c) d) e) f) g) h)图 2.1.1.2 a至h分别为是光强分布图编写平面光与拉盖尔高斯光相干涉的光场表达式，模拟函数中平面光与拉盖尔高斯光的夹角为选为20，模拟中发现两光束的夹角不同，对模拟出来的干涉图形的条纹形状和大小有明显的影响。当夹角为20时，得到的干涉图形的形状和条纹大小比较合适，所以选用夹角为20。编写完公式后，用Table函数生成大小为1024768的矩阵，取变量间隔0.000026m，用ListContourPlot函数画出不同阶数的干涉图（ListContourPlot函数默认情况下产生灰度输出，数值越大显示颜色越浅。），再用Export函数输出干涉图的数据矩阵，最后用matlab对生成的矩阵进行二值化处理，得到具有各阶叉形光栅的干涉图。 a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l）图 2.1.1.3各阶叉形光栅图2.1.2激光模式转换实验2.1.2.1光路扩束系统的实验实验装置图He-Ne激光器扩束系统CCD衰减器透镜空间光调制器光阑偏振片偏振片F 图 2.1.2.1 有扩束系统的实验装置图实验步骤：按图布置实验光路，首先调制激He-Ne激光器水平，前后移动白屏观察光斑在白屏上的位置，当光斑位置不变时，He-Ne激光器已水平放置。再放置透镜（透镜的焦距为30cm），调节透镜高度，让激光大致穿过透镜中心，光斑在白屏上的位置与不放透镜时的位置一致，再观察透镜反射在激光器上的衍射光斑是否与出射光孔重合，微调透镜俯仰旋钮，左右旋钮，反射的衍射光斑与出射光孔重合时，透镜视为调节好。在透镜前焦平面的位置放置空间光调制器，调节空间光调制器高度，让激光透过液晶屏幕中心。在空间光调制器前后各放置一个偏振片，目的是调节透过空间光调制器的光强。在空间光调制器与第二个偏振片中间放置一个光阑，目的是阻挡由于光栅衍射产生的衍射光斑。由于CCD检测的光强极限太小，所以要在CCD前放置衰减器，减少光强，使观察到的激光光强不至于饱和。由于所用空间光调制器的分辨率为1024*768，所以输入信号的电脑的屏幕分辨率也设为1024*768，电脑屏幕上的像点即空间光调制器上的像点，将全黑的图片全屏显示，即空间光调制器只是一个衰减器，调整偏振片和衰减器，使CCD上显示光斑的杂散光最少，形状最好。保存记录为原始光斑图像。将全息图载入空间光调制器，调整屏幕是全息图大小，即空间光调制器上叉形光栅的大小改变 。合适调整全息图大小，使在CCD上能看到0级，+1级，-1级光斑。调整衰减器，调整光强大小至正负一阶光斑中刚好出现白斑，保存图像。有扩束系统实验得到的数据图 a)原始光斑 b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l)图 2.1.2.2各阶拉盖尔-高斯光束光场分布图 2.2图像识别系统2.2.1实验原理2.2.1.1互相关定理，则有：（2-8）（2-9）本文将公式（2-8）和公式（2-9）中的称为函数和函数的联合功率谱。因此，WienerKhinchin定理说明，两个函数的JPS与其互相关输出构成傅里叶变换对。62.2.1.2自相关定理（2-10）称为的能谱密度。同样，此定理表明：一个函数的JPS与其自相关2者也是构成傅里叶变换对。7由WK定理可以得知，相关运算是通过在频域变换处理来实现。对公式的运算过程进行分析，相关运算进行了正反2次FT和1次乘积运算，刚映入眼帘会觉得相关运算很复杂。然而事实并非如此。因为利用FT的各种性质，常常可以使FT-1、卷积等比在空域上处理远远方便得多相关识别的实现即是以WK定理为基础，在频域上作处理并与频-空转换来实现的。2.2.1.3联合变换相关器相关识别（JTC）的工作原理光学JTC的原理图如图:yxg(x,y)FTLffS(u,v)90f(x,y)图2.2.1.1 联合功率谱转换及记录过程原理图vup2p1S(u,v)90FTLd0fo(,)90图2.2.1.2联合功率谱的相关读出原理图JTC的第一步为联合复振幅谱转换为JPS的过程，并且对JPS进行记录。图2.2.1.1中，左边平面输入一个于中心位为，具有实的透过率函数为的物像。然后在平面另一侧放置另外一个透过率的参照物，视其中心为。两个物像用同一平行相干的激光束照明，受过FTL后进行FT运算。FTL的后焦面处放至平方律记录器如CCD或菲林，记录下和的联合频谱，其复振幅分布为: （2-20）式中F(u,v)、G(u,v)分别由f(x,y)、g(x,y)的经过FT运算后得到。当用CCD或Flim可以记录到谱面上的联合功率谱图样，用以下式子表示： （2-21）当时，(即输入的两个像完全相同时)，公式（2-21）式化作：（2-22）从公式（2-22）可以看到，相同物像的联合功率谱实质上为杨氏干涉条纹。JTC的第二步是读出JPS的相关分布。如图 2.2.1.2的通过FTL对联合功率谱进行FT运算，在输出平面(FTL的后焦面)来获得最终的相关读出。图 2.2.1.2中P2最终读出的相关强度分布表达式为：（2-23）其中：（2-24）式中和这2项分别是和的自相关函数，会在输出平面中心附近，重叠形成衍射图的0级，并不是需要检测这些处相关信号。而我们需要检测的相关输出是和这两个为和的互相关项。在输出平面上沿着相同图形的空间对称轴分别与0级项分离2a的距离。当相关输出呈现出2个十分突出的相关峰时就表明和是完全一致的。当和一致时，JPS为杨氏干涉条纹，从物理光学的观点来看，经过FT后必然会出现一对分离的1级亮斑和位于中心的0级亮斑。12如果和部分相同(例如同偏旁的中文字)，相关峰会随着相似程度的降低而逐渐暗淡和弥散。如果和没有任何相似性时，相关输出将不会有尖峰。因而和的相关程度的评价指标和成功识别检测相同目标的标志，可以通过判别相关峰及其锐度来说明。2.2.2图像识别实验2.2.2.1 JTC实验系统的组成对于JTC光电相关处理器，一般包括图像输入部分，图像获取部分，光学相关处理部分，输出信息探测接收部分，微机处理5个部分组成的。如下图所示， 探测接收相关处理图像输入图像获取微机处理 图2.2.2.1相关处理器的构成图（1） 图像获取部分：主要是指纹采集器，计算机搜集的图片库。（2） 图像输入部分：可以是液晶光阀，计算机预处理的图像，玻璃刻字板。（3） 相关处理部分：主要是傅里叶透镜和空间光调制器。（4） 图像探测部分：光电检测器件(如CCD、CMOS等)组成。（5） 微机处理部分：计算机，图像采集卡等设备。2.2.2.2 JTC实验步骤光学的实验光路如下图图 2.2.2.2 JTC实验光路图首先是物像的输入，必需要用SLM作图像输入才会实现用PC输入任意电子图片的实际功能，所以要在光路上下手。光路中M-Z干涉光路搭建精度要求比较高，所以实际影响会比较大且不好调整和把握。通到研究最原始的原理图，最终决定用1个SLM显示2个物像，这样只要平行准直光调好，两物像光就是能十分完美的干涉光。1、2问题便可一同解决。既然物像已经可以干涉，那问题3便只需要经过一个FTL后，在其焦距位置用CCD就能得到物像的联合功率谱。这样，便把M-Z光路去掉了，光路已经大为简化了