光信息处理概要实用教案

1、光学光学(gungxu)(gungxu)信息处理的理论基础信息处理的理论基础 光学光学(gungxu)(gungxu)频谱分析系统和空间滤波频谱分析系统和空间滤波 相干光学相干光学(gungxu)(gungxu)信息处理信息处理 非相干光学非相干光学(gungxu)(gungxu)信息处理信息处理 白光信息处理白光信息处理光学信息处理的实际应用光学信息处理的实际应用 空间光调制器空间光调制器 光信息的采集光信息的采集(cij)(cij)和显示技术和显示技术 光信息传输技术光信息传输技术 光信息存储技术光信息存储技术 第1页/共43页第一页，共44页。5.1 5.1 概概 述述光波频率高，可允许

2、信号本身有很宽的带宽。光波是独立传播，两束或多束光可以在空间交叉而互不干扰。信息(xnx)(xnx)可以多通道并行或交叉传播。 光波以并行方式传递(chund)所载荷的信息。信息处理具有大容量、高速度的特点。第2页/共43页第二页，共44页。一一. .空间空间(kngjin)(kngjin)光调制器的基本结构光调制器的基本结构与分类与分类 p 空间光调制(tiozh)器：即 Spatial Light Modulator (SLM)，是一种对光波的空间分布进行调制(tiozh)的器件。相位振幅(zhnf)（强度）频率（波长）偏振态光波的特性 空间光调制器的输出光信号是随控制信号变化的空间和时间

3、的函数。即)(),(),(tytxTyxT)(),(tytxT 表示在时刻 t ，空间光调制器在（x，y）处的复数透过率。第3页/共43页第三页，共44页。p 空间光调制器结构的基本特点在于：它是由许多(xdu)基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。 每个单元都可以独立(dl)地接收光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质（相位、振幅、频率、偏振态），从而对通过它的光波进行空间调制。这些独立(dl)单元称为空间光调制器的像素。控制像素的光电信号称为：写入信号（光信号或电信号） 照明整个器件(qjin)(qjin)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

4、 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像素位置上去的过程称为。第4页/共43页第四页，共44页。 采用写入光实现采用写入光实现(shxin)的寻址过程，称为光寻址；采的寻址过程，称为光寻址；采用写入电信号实现用写入电信号实现(shxin)的寻址过程，称为电寻址。的寻址过程，称为电寻址。写入光写入光读出光读出光反射式光寻址反射式光寻址输出光输出光写入光写入光读出光读出光透射式光寻址透射式光寻址输出光输出光按照读出光工作方式的不同分为(fn wi) 反射式 或 透射式第5页/共43页第五页，共44页。写入电信号写入电信号读出光读出光透射透射(tu sh)式电寻

5、址式电寻址读出光读出光反射式电寻址反射式电寻址输出输出(shch)光光输出输出(shch)光光写入电信号写入电信号写入信号写入信号寻址方式寻址方式寻址速度寻址速度空间分辨率空间分辨率光寻址光寻址二维光强分布二维光强分布并行寻址并行寻址快快高高电寻址电寻址时间串行信号时间串行信号串行寻址串行寻址慢慢低低第6页/共43页第六页，共44页。p 空间(kngjin)光调制器的分类按照读出方式的不同分为： 反射式SLM 透射式SLM按照输入(shr)控制信号的方式： 光寻址(OA-SLM) 电寻址(EA-SLM)按照在系统中的位置区分： input-SLM processor-SLM output-SL

6、M按照工作原理的不同分为： 电光效应SLM 声光效应SLM 磁光效应SLM 光折变效应SLM 空间光调制器是光学信息处理系统与外界空间光调制器是光学信息处理系统与外界(wiji)(wiji)信息交换的界面或接口，是光学信息处理、光互连、光计信息交换的界面或接口，是光学信息处理、光互连、光计算及光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。算及光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。第7页/共43页第七页，共44页。p 空间光调制器的主要材料和物理(wl)效应空间光调制器空间光调制器物理效应物理效应选用材料选用材料1电光效应电光效应SLMKerr效应效应Pockels效应效应液晶、硝基苯、液晶、硝

7、基苯、KDP2磁光效应磁光效应SLMFaraday效应效应Cotton效应效应YIG、GGG3声光效应声光效应SLM声光效应声光效应LiNbO3 、 LiTaO34光折变效应光折变效应SLM光折变效应光折变效应Bi12SiO20 、 BaTiO35电子跃迁吸收电子跃迁吸收SLM半导体光吸收半导体光吸收GaAs、InGaAs/InP6机械效应机械效应SLM材料宏观形变材料宏观形变多晶硅、铝膜多晶硅、铝膜7热效应热效应SLM材料温度特性材料温度特性热塑薄膜、液晶热塑薄膜、液晶8光致聚合物光致聚合物SLM光化学反应光化学反应聚醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯第8页/共43页第八页，共44页。p 常用常用(ch

8、n yn)(chn yn)的空间光调制器的空间光调制器电寻址空间电寻址空间(kngjin)光调制器光调制器薄膜晶体管液晶显示器（薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）磁光空间磁光空间(kngjin)光调制器（光调制器（ MOSLM ）数字微反射镜器件（数字微反射镜器件（ DMD ） 硅基底上的液晶空间硅基底上的液晶空间(kngjin)光调制器（光调制器（LCOS）量子阱空间量子阱空间(kngjin)光调制器（光调制器（ QWSLM ）光寻址空间光寻址空间(kngjin)光调制器光调制器铁电液晶空间铁电液晶空间(kngjin)光调制器（光调制器（ FLC-SLM ）液晶光阀（液晶光阀（ LCLV

9、 ） 、阴极射线管、阴极射线管-液晶光阀（液晶光阀（ CRT-LCLV ）微通道板空间微通道板空间(kngjin)光调制器（光调制器（ MSLM ）Pockels效应读出光调制器（效应读出光调制器（ PROM ）第9页/共43页第九页，共44页。二二. .空间空间(kngjin)(kngjin)光调制器的功能光调制器的功能p 输入输入(shr)器件器件p 将待处理信息转换为光信息处理系统要求的将待处理信息转换为光信息处理系统要求的输入输入(shr)形式。主要实现以下几种转换：形式。主要实现以下几种转换：电电-光转换光转换(zhunhun)串行串行-并行转换并行转换非相干光非相干光-相干光转换相

10、干光转换波长转换波长转换p 处理和运算功能器件处理和运算功能器件放大器放大器乘法器与算术运算乘法器与算术运算对比度反转对比度反转模拟数字转换模拟数字转换第10页/共43页第十页，共44页。三三. .空间空间(kngjin)(kngjin)光调制器的基本性能光调制器的基本性能参数参数1. 输入输入(shr)- 输出特性曲线输出特性曲线2. 灵敏度灵敏度特性特性(txng)曲线灵敏度曲线灵敏度指定值灵敏度指定值灵敏度阈值灵敏度阈值灵敏度输出光写入信号理想输出模拟输出IHILIt第11页/共43页第十一页，共44页。3. 对比度对比度minmax/outoutII)(log1010dBDR动态动态(

11、dngti)范围范围4. 灰阶数灰阶数TD10log5. 调制调制(tiozh)传递函数传递函数调制调制(tiozh)传递函数传递函数调制度定义为调制度定义为)/()(minmaxminmaxIIIIMwoMMMTF/第12页/共43页第十二页，共44页。6. 分辨率分辨率指通过器件指通过器件(qjin)后输出光所能分辨的最大空间频率后输出光所能分辨的最大空间频率7. 空间空间(kngjin)带宽积（带宽积（SBP）空间空间(kngjin)带宽积带宽积 分辨率平方工作面积分辨率平方工作面积8. 单幅信息容量单幅信息容量)(log2bitNSBPC N 为灰阶数为灰阶数 指当空间光调制器的所有像

12、素都受到写入信号的调制并保持稳定时，指当空间光调制器的所有像素都受到写入信号的调制并保持稳定时，输出光所能携带的最大信息容量。输出光所能携带的最大信息容量。第13页/共43页第十三页，共44页。9. 响应速度响应速度指写入信号作用指写入信号作用(zuyng)到器件直至输出光产生所需的时间到器件直至输出光产生所需的时间 当写入信号撤除当写入信号撤除(chch)后，被调制量减小到最大值的后，被调制量减小到最大值的 a 倍时倍时所需的时间。所需的时间。10. 帧频帧频(zhn pn)指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数11. 信息流量信息流量信息流

13、量信息流量 单幅信息容量单幅信息容量帧频帧频12. 存储（记忆）时间存储（记忆）时间第14页/共43页第十四页，共44页。5.2 5.2 液晶液晶(yjng)(yjng)光阀光阀一一. .液晶液晶(yjng)(yjng)的光电特性的光电特性1. 液晶液晶(yjng)结构结构 液晶是一种介于各向同性液体和各向异性晶体之间的物质状态。在一定温度范围内，它既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的热（热效应）、光（光学各向异性）、电（电光效应）、磁（磁光效应）等物理性质。按液晶分子排列的有序性区分，可分为三类：按液晶分子排列的有序性区分，可分为三类： 近晶相液晶向列相液晶胆甾相液晶第15页

14、/共43页第十五页，共44页。近晶相液晶(yjng) 近晶相液晶具有近晶相液晶具有(jyu)宏观宏观的电学各向异性和光学各向异的电学各向异性和光学各向异性。性。 近晶相液晶分子具有二维空间近晶相液晶分子具有二维空间(kngjin)的层状规则性排列，各层的层状规则性排列，各层间则有一维的顺向排列。间则有一维的顺向排列。 一般而言，近晶相液晶分子的黏度大，对电场的应答速度慢，较少应用于显示器，多用于光记忆材料方面。近晶相液晶第16页/共43页第十六页，共44页。向列相液晶(yjng)向 列 相 液 晶向 列 相 液 晶(yjng) 向列相液晶分子的排列比较杂乱向列相液晶分子的排列比较杂乱(zlun

15、)、不再分层，但分子取向、不再分层，但分子取向大体一致，因此具有一维空间的规大体一致，因此具有一维空间的规则排列。则排列。 向列相液晶的粘度小，应答速度向列相液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍应快，是最早被应用的液晶，普遍应用于液晶电视、用于液晶电视、 笔记本电脑以及各笔记本电脑以及各类型显示元件上。类型显示元件上。第17页/共43页第十七页，共44页。胆甾相液晶(yjng)胆甾相液晶胆甾相液晶(yjng) 胆甾相液晶分子的排列呈螺胆甾相液晶分子的排列呈螺旋平面层状排列，层与层之间旋平面层状排列，层与层之间相互平行，分子在各个层面上相互平行，分子在各个层面上为向列型，两相邻为向

16、列型，两相邻(xin ln)层面上的分子长轴方向依次转层面上的分子长轴方向依次转过一定角度。当两个平面上的过一定角度。当两个平面上的分子长轴方向相同时，这两个分子长轴方向相同时，这两个平面之间的距离称为一个螺距平面之间的距离称为一个螺距（pitch）。）。 胆甾相液晶液晶螺距的长度胆甾相液晶液晶螺距的长度会随着温度的不同而改变，因会随着温度的不同而改变，因此会产生对不同波长的选择性此会产生对不同波长的选择性反射，呈现不同的颜色变化，反射，呈现不同的颜色变化，常用于温度传感器。常用于温度传感器。第18页/共43页第十八页，共44页。 目前空间光调制器中应用最多的是向列相液晶，液晶分子取向可通过外

17、界条件来控制。一种(y zhn)方法是通过电磁场控制，另一种(y zhn)是通过液晶表面处理方式控制。 对基片表面(biomin)处理，可使液晶分子平行于基片且分子长轴方向沿同一方向排列。基片基片向列相液晶第19页/共43页第十九页，共44页。2. 双折射效应双折射效应(xioyng) 方解石方解石双折射现象双折射现象 一束光入射到各向一束光入射到各向异性的介质后出现异性的介质后出现(chxin)(chxin)两两束折射光线的现象。束折射光线的现象。2Rs1R 液晶具有光学各向异性，沿分子(fnz)(fnz)长轴方向上的折射率不同于沿短轴方向上的折射率，因此光束在通过液晶时会出现双折射现象。第

18、20页/共43页第二十页，共44页。3. 扭曲扭曲(ni q)效应效应向列相液晶扭曲(ni q)形变示意图 由于液晶的扭曲(ni q)形变而使特定方向线偏振光的偏振方向旋转一个角度的现象，称为扭曲(ni q)效应。4. 混合场效应混合场效应 外加电场对于液晶分子的扭曲形变有显著影响，在中等强度电场作用下，液晶同时出现双折射效应和扭曲效应的现象，称为混合场效应。第21页/共43页第二十一页，共44页。V起偏器检偏器椭圆偏振透射光出射光非偏振入射光线偏振入射光混合场效应原理示意图混合场效应原理示意图（V Vc） 在外加电场作用下，入射的线偏振光通过液晶后，变成含有两个正交偏振方向的分量（o光和e光

19、）的椭圆偏振光。由于液晶分子的倾斜对于正、逆方向传播的光的非对称性，经反射后再次通过液晶盒的偏振光，可以有一部分通过检偏器，透过的光强与外加电压的大小(dxio)有关。液晶(yjng)盒第22页/共43页第二十二页，共44页。二二. .光学光学(gungxu)(gungxu)寻址液晶光阀寻址液晶光阀1. 液晶液晶(yjng)光阀的结构光阀的结构液晶透明电极写入光读出光/输出图像玻璃衬底玻璃衬底光电导层光阻挡层基片透明电极介质反射膜 V 这种液晶光阀的主要功能是实现图像的非相干(xinggn) - 相干(xinggn)转换。第23页/共43页第二十三页，共44页。液晶透明电极写入光读出光/输出图

20、像玻璃衬底玻璃衬底光电导层光阻挡层基片透明电极介质反射膜 V2. 液晶液晶(yjng)光阀的工作原理光阀的工作原理 对写入光图像上的暗区，光电导层上光照很少、交流阻抗很大，外电压主要分配到光电导层上，而液晶(yjng)层上电压较小，不足以产生有效的电光效应，仍保持45扭曲排列结构，则读出光在相应暗区像素上基本没有受到调制作用，输出光保持较小输出；对写入光图像上的亮区，光电导层阻抗较小，外电压大部分落在液晶(yjng)层上，由于混合场效应，使该区输出光达到最大输出。第24页/共43页第二十四页，共44页。 对于写入光图像上其他照度区域(qy)，输出光中相应像素的输出光强介于最大值与最小值之间，这

21、样输出光的光强空间分布就按照写入光图像的空间分布所调制。 结构紧凑、在室温(sh wn)下操作；驱动电压低、功耗小；造价低、性能稳定；写入图像灵敏度高、输出图像对比度高。优点优点(yudin)(yudin) 响应速度较慢；空间分辨率不够高，仅适用于一般的图像处理。缺点缺点 混合场效应液晶光阀是一种光学并行寻址器，主要功能是实现图像的非相干 - 相干转换。第25页/共43页第二十五页，共44页。三三. .电寻址液晶电寻址液晶(yjng)(yjng)光阀光阀TFT矩阵(j zhn)寻址等效电路数据线栅极源极漏极液晶扫描线单个像素电路图单个像素电路图1. 矩阵寻址液晶矩阵寻址液晶(yjng)光阀的结

22、构光阀的结构 电寻址的空间光调制器多采用矩阵寻址的方案。通常在一块玻璃板上，形成互相绝缘的行电极和列电极，在它们的交点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体管（TFT）。TFT的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像素。在另一块玻璃板的表面，所有像素共用一个电极，两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶。第26页/共43页第二十六页，共44页。2. 矩阵矩阵(j zhn)寻址液晶光阀的工作原理寻址液晶光阀的工作原理 当某一像素的行、列电极当某一像素的行、列电极(dinj)同时加上电信号时，同时加上电信号时，TFT型型场效应管接通，该像素透光。场效应管接通，该像素透光。 顺序选通各行电极顺序选

23、通各行电极(dinj)，并同，并同步地选通列电极步地选通列电极(dinj)，就可以控制各像素的明暗，电压的大，就可以控制各像素的明暗，电压的大小可控制灰阶。小可控制灰阶。行电极行电极列电极列电极全彩色薄膜晶体管液晶显示器第27页/共43页第二十七页，共44页。 照射空间(kngjin)光调制器的光波的透过率在每一个像素局部受到电信号的调制，称为矩阵寻址。 液晶光阀是一种比较成熟的空间光调制器，具有多种用途。在光学液晶光阀是一种比较成熟的空间光调制器，具有多种用途。在光学信息处理系统中：信息处理系统中：可作为图像输入、波长变换、串行电信号与并行电信号（或图像）变换可作为图像输入、波长变换、串行电

24、信号与并行电信号（或图像）变换器，以及输入寻址器；器，以及输入寻址器；可用于实时变化的光互连、并行的光学逻辑运算、光学数字运算、光学可用于实时变化的光互连、并行的光学逻辑运算、光学数字运算、光学矩阵运算等有关矩阵运算等有关(yugun)数学运算；数学运算；可用于图像处理，如边缘增强、图像相减、光学相关和实时图像识别等。可用于图像处理，如边缘增强、图像相减、光学相关和实时图像识别等。第28页/共43页第二十八页，共44页。5.3 5.3 Pockels 读出光调制器读出光调制器 泡克尔斯读出光调制器（简称PROM）是利用BSO等晶体的光电导特性(txng)和线性电光效应制成的光寻址空间光调制器。

25、一一.PROM.PROM的结构的结构(jigu)(jigu)IrIoIw绝缘层双色介质反射层（对蓝光透明，对红光反射）透明电极BSO反射式反射式PROMPROM的结构示意图的结构示意图第29页/共43页第二十九页，共44页。二二.PROM.PROM的基本的基本(jbn)(jbn)工作原理工作原理1. 擦除与激发擦除与激发(jf)V0+-V0+-+-V0V0VVV0 xVPROMPROM的工作过程（擦除与激发）示意图的工作过程（擦除与激发）示意图加电压光照短路擦除+-O第30页/共43页第三十页，共44页。2. 写入写入绝缘层双色介质反射层透明电极BSOIrIoIw（蓝光蓝光） 将载有输入图像信

26、息的蓝光作为写入光，它将成像在BSO晶片的右表面上。在图像的亮区，由于光电导效应产生电子-空穴对，电子在内电场作用下向BSO 的左侧表面迁移，正、负电荷分离后形成的附加电场将抵消一部分内电场，使这些区域的电压降减小； 在图像的暗区，由于电子-空穴对很少，电压降变化(binhu)较小，甚至基本保持V0不变。这样原来图像的空间光强分布，经BSO 的光电导效应转换为空间电压分布，即把图像信息“写入”了PROM。第31页/共43页第三十一页，共44页。 电压 V 与曝光(bo gung)量 E 成指数关系，即kEeVV0 BSO上暗区压降大，亮区压降迅速(xn s)减小。3. 读出读出 将红光作为读出

27、光，由左侧射入PROM ，并分解为相互垂直的两个线偏振分量。由于(yuy)BSO晶片的双折射，它们在晶片中的相位延迟不同，经双色反射层反射后，它们再次通过BSO晶片，且相位延迟的差异加倍，最后由左方射出，形成输出光；输出光波面各处的偏振态受到按写入图像形成的电场（电压）分布的调制。第32页/共43页第三十二页，共44页。PROMPROM的工作的工作(gngzu)(gngzu)过程过程 对于理想的PROM 器件，在写入图像的暗区，读出光两次经过(jnggu) BSO晶片获得最大的光强透过率；在写入图像的亮区，读出光的透过率很低，因此PROM 输出的是对比反转图像。BSO晶片外电场外电场内电场(d

28、in chng)BSO的擦除和激发光电导效应光电导效应空间电场（电压）分布线性电光效应线性电光效应光强分布第33页/共43页第三十三页，共44页。5.4 5.4 微通道微通道(tngdo)(tngdo)板空间光调制器板空间光调制器 微通道板空间光调制器（简称MSLM）是通过写入端的微通道板实现对写入图像的增益，利用纵向电光(dingung)效应对读出光进行调制的空间光调制器。一一.MSLM.MSLM的结构的结构(jigu)(jigu)1. 光电阴极光电阴极光电阴极的作用是将光学图像转换成电图像。2. 微通道板微通道板微通道板由半导体微孔玻璃构成的阵列，具有电子倍增功能。3. 栅极栅极栅极是一种

29、网格状电极，作用是对由微通道板射出的电子加速。第34页/共43页第三十四页，共44页。IrIoIw透明(tumng)电极真空室窗口(chungku)真空室窗口(chungku)光电阴极微微通通道道板板接地电极栅极真空隙介质膜反射镜电电光光晶晶体体板板透明电极真空室微通道板空间光调制器结构图微通道板空间光调制器结构图第35页/共43页第三十五页，共44页。二二.MSLM.MSLM的工作的工作(gngzu)(gngzu)过程过程相干(xinggn) / 非相干(xinggn)光图像（写入光）光电转换光电转换(zhunhun)光电子图像微通道板增强、栅极加速微通道板增强、栅极加速电荷图像电光晶体板空

30、间调制、检偏器电光晶体板空间调制、检偏器相干光图像（振幅 / 强度调制）第36页/共43页第三十六页，共44页。三三.MSLM.MSLM器件器件(qjin)(qjin)的特点的特点1. 输入输出可具有很宽的光谱输入输出可具有很宽的光谱(gungp)响响应范围；应范围；2. 可在弱光下工作，记录强度仅为可在弱光下工作，记录强度仅为 的可见光图像；的可见光图像；214W/cm103. 选择高阻的电光调制材料选择高阻的电光调制材料(cilio)和介质膜，可使器件具有很和介质膜，可使器件具有很长的存储时间。长的存储时间。4. 二次电子发射特性使二次电子发射特性使 MSLM 具有灵活的信息处理能力。具有灵活的信息处理能力。第37页/共43页第三十七页，共44页。5.5 5.5 磁光空间磁光空间(kngjin)(kngjin)光调制器光调制器 磁光空间光调制器（简称MOSLM）是利用法拉第旋光效应对读出光进行(jnxng)调制的电寻址空间光调制器。一一.MOSLM.MOSLM的结构的结构(jigu)(jigu)MOSLM 像素结构示意图像素结构示意图MOSLM 器件结构侧视图器件结构侧视图第38页/共43页第三十八页，共44页。二二.MOSLM.MOSLM的工作的工作(gngzu)(gngzu)原理原理1. 写入信息写入信息(xnx)的