第6章空间光调制器
基于液晶空间光调制器相位调制的波面转换
?激光元件与器件? 基于液晶空间光调制器相位调制的波面转换 范君柳1,冯秀舟2,方建兴2,朱爱敏1 1.苏州科技学院数理学院物理实验中心,苏州 215009; 2.苏州大学物理科学与技术学院,苏州 215006 提要:本文介绍了一种基于液晶空间光调制器(LCS LM )相位调制特性的波面转换方法,可将入射光变换成任意波面。测量了液晶空间光 调制器相位调制特性,得到相位和灰度的对应关系;分别以几何理论和G-S 算法为基础计算出衍射光学元件(DOE )的表面相位分布;将DOE 表面的相位分布转换为灰度分布显示在LCS LM 上,使得LCS LM 具有波面实时转换功能;并以高斯激光为入射光对其进行波面转换实验,实验结果证明了设计方法的准确性及可行性。 关键词:液晶空间光调制器;相位调制;波面转换中图分类号:O439,O436.1,O438 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2009)06-0007-02 Conversion of w ave front based on phase modulation of liquid crystal spatial light modulator FAN Jun -liu 1,FE NG X iu -zhou 2,FANGJian -xing 2,ZHU Ai -m in 1 1.Center of Physics Laboratory ,School of M athematical and Physical Sciences ,University of Science and T echnology of Suzhou ,Suzhou 215009,China ; 2.School of Physical Science and T echnology ,S oochow University ,Suzhou 215006,China Abstract :A method of wave -front conversion based on phase m odulation of liquid crystal spatial light m odulator (LCS LM )is proposed.W e obtain the rela 2tion between phase and scale through measuring the phase -m odulation characteristics of LCS LM.Phase distribution of diffractive optical element ’s (DOE )are calculated using geometrical theory and G-S alg orithm ,the LCS LM is capable of wave -front conversion by changing phase distribution into gray distribution which is displayed on LCS LM.Experiments of G auss beam ’s wave -front conversion prove the accuracy and feasibility of the design method. K ey w ords :liquid crystal spatial light m odulator ;phase m odulation ;wave -front conversion 收稿日期:2009-08-13 基金项目:苏州科技学院教学质量工程建设项目(2008YK A -03)资助。 作者简介:范君柳(1983-),男,助理实验师,主要从事信息光学和衍射光学的研究。 在激光技术的许多应用领域中,光束质量至关重要。例 如在激光加工、光学信息处理、存储与记录以及惯性约束核聚变(ICF )中往往需要使用形状各异甚至大小可变的激光光斑,而经常使用的单模激光光束的横截面上光强呈高斯分布,因此在实际应用中,根据不同的要求,人们常常需要将激光束波面进行转换,以达到改变激光束强度分布的目的。 目前主要有这样几种典型的光束波面变换方法:光楔列 阵(SW A )聚焦光学系统〔1〕、双折射透镜组〔2〕 、随机相位板及 二元光学元件(BOE )〔3〕 等方法。其中二元光学元件对入射光进行波面变换具有衍射效率高,光斑轮廓可调等优点,但是其质量水平受微精细加工技术发展水平的制约,且它的激光损伤阈值较低,在强激光系统的应用上还有困难。在本文中我们提出利用液晶空间光调制器(LCS LM )的相位调制特性〔4-8〕结合几何理论〔9,10〕和G-S 算法〔11,12〕实现对入射激光的波面变换,得到了预期的实验结果,该方法不仅成本、功耗低,尺寸小,重量轻,而且具有更大的设计自由度,通过算法的改变可以将入射光变换成任意波面。 1 理论分析 1.1 波面转换理论 波面转换通常需要衍射光学器件(Diffraction Optical E le 2ment -DOE )来实现,为了达到目标光强分布,需要设计器件表面的相位分布。而该设计过程是一个逆向过程,即已知输入光强分布和输出光强分布,来求解DOE 的相位分布,在这里我们主要利用几何理论和G-S (G erchberg -Saxton )算法来计算DOE 表面的相位分布。 我们首先运用这两种算法分别计算出DOE 的表面相位分布,然后在计算机上模拟入射高斯光经过具有如此表面相位分布的DOE 后的衍射结果(见图1)。其中图1(b )为运用几何理论将入射高斯光的波面转换成正方框形光束,图1(c )为运用G-S 算法将入射高斯光转换成椭圆光。模拟过程中,主要参数选取为:波长λ=532nm ,DOE 所在处光腰半径ω(z )=3.0mm ,DOE 衍射焦距选取为f =250mm ,物面与像面抽样点数均为800×800。1.2 LCS LM 的相位调制特性 对于由扭曲向列型液晶构成的液晶空间光调制器(Liq 2uid Crystal S patial Light M odulator -LCS LM )(结构如图2),运用 琼斯矩阵方法〔13〕 可得 T =cos γ〔cos (Ψ1-Ψ2+α)〕+αγ sin γ×sin (Ψ1-Ψ2+α)2 + β γsin γcos (Ψ1+Ψ2- α)(1)图1 计算模拟结果 图2 液晶空间光调制器结构图 7 范君柳等:基于液晶空间光调制器相位调制的波面转换 《激光杂志》2009年第30卷第6期 LASER JOURNA L (V ol.30.N o.6.2009)
空间光调制器的应用
DOI 10.1007/s11141-015-9547-8 Radiophysics and Quantum Electronics,Vol.57,Nos.8–9,January,2015 (Russian Original Vol.57,Nos.8–9,August–September,2014) APPLICATION OF THE PHASE LIGHT MODULATOR IN THE IMAGE OPTICAL ENCRYPTION SCHEME WITH SPATIALLY INCOHERENT ILLUMINATION A.P.Bondareva,N.N.Evtikhiev,V.V.Krasnov,? and S.N.Starikov UDC004.932.4+004.942 +535.42+535.8 We describe application of the phase liquid-crystal spatial light modulator HoloEyePLUTOVIS as an encoding element in the image optical encryption scheme with spatially incoherent illumi- nation.Optical encryption and numerical decryption of test images were conducted.The results of experiments demonstrate the e?ciency of the constructed optical encryption scheme. 1.INTRODUCTION Currently,we are witnessing the existence and intense development of the optical encryption meth-ods characterized by a high speed,simultaneous multichannel processing,and the absence of concomitant radiation in the radio-frequency band.Encryption systems in spatially coherent monochromatic light are widespread.One of the best-known systems uses the double random-phase encryption[1–5].In this case, encryption is performed in monochromatic spatially coherent light using two random phase masks.Appli-cation of random phase masks as two-dimensional encoding keys leads to the fact that such systems have a high cryptographic strength.However,because of the need to record phase,such systems require holo-graphic methods of recording and,correspondingly,complex optical schemes.Moreover,the use of random phase masks leads to a poor-quality encryption of images. To simplify the encryption schemes and improve the decryption quality,one can pass from spatially coherent to spatially incoherent radiation.In this case,recording of the encrypted image is no longer required and the holographic recording scheme becomes unnecessary.The encryption is performed by transmission of monochromatic spatially incoherent radiation from the encrypted object through a di?ractive optical element,resulting in the formation of an intensity distribution described by the object image convolution with a point spread function,namely,an impulse response of the di?ractive optical element in intensity[6, 7].This intensity distribution is the encrypted image recorded by a matrix photosensor. The fundamental possibility of optical encryption in incoherent light was demonstrated in[8],but using a random phase mask as the encoding di?ractive optical element precluded the achievement of an acceptable decryption quality.This is because the point spread function of a random phase mask is virtually unlimited in space and signi?cantly exceeds the size of the encrypted image.As a result,the photosensor records only the central part of the encrypted image,which leads to distortions of the decrypted image.To solve this problem,we suggest that the encoding element is not used as a random phase mask,but as a di?ractive optical element having a given spatially limited point spread function,with length smaller than the size of the encrypted image. ?vitally.krasnov@mail.ru National Nuclear Research University(NNRU),Moscow,Russia.Translated from Izvestiya Vysshikh Ucheb-nykh Zavedenii,Radio?zika,Vol.57,No.8–9,pp.693–701,August–September2014.Original article submitted November11,2013;accepted March31,2014. 0033-8443/15/5708-0619c 2015Springer Science+Business Media New York619
光寻址空间光调制器电寻址空间光调制器实验(浙大)
.. . .. . . 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： 一、实验目的和要求 二、实验容和原理 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、 实验容和原理 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 1--玻璃基片 2--透明电极 3--光导层 4--挡光层 5--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 E 1 8 1 5 4 6 7 6 2 3 K 2 写入光 读出光 偏振分光镜 输出光 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211
纯相位空间光调制器动态控制光束偏转
文章编号:025827025(2006)0720899204 纯相位空间光调制器动态控制光束偏转 刘伯晗,张 健 (哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001) 摘要 提出并设计了一个采用液晶空间光调制器(L CSL M )作为光束动态偏转器件的无机械光束扫描系统,实现了光束的方向和强度的可编程控制,解决了远场任意图形的激光光束动态逼近问题。逼近方法采用纯相位调制技术和傅里叶迭代优化算法结合的衍射图形相位优化设计方法。介绍了点阵图形发生原理并给出实验装置图。实验结果显示,用该方法产生的二维阵列式光束,其光斑强度偏差度小于8%,图形发生响应时间小于100ms ,该实验结果能够满足多光束准确动态偏转的要求。该系统具有精确、响应快、无机械惰性等特点,在激光寻的、制导以及多目标威胁预警和反击中有着重要的研究价值。 关键词 激光应用;空间光调制器;光束偏转;优化算法;相位调制中图分类号 TN 249 文献标识码 A Dynamical Laser Beams Steering with Phase 2Only Spatial Light Modulator L IU Bo 2han ,ZHAN G Jian (I nstitute of Ult ra 2Precision O ptoelect ronic I nst rument Engineering ,H arbin I nstitute of Technology ,H arbin ,Heilong j iang 150001,China ) Abstract A non 2mechanical beam steering system is proposed and designed to resolve the problem of approaching the far 2field diff ractive pattern with laser beams.A beam steering method based on the phase only modulation with a liquid crystal spatial light modulator (L CSL M )is studied and described to control the light beams programmably.The Fourier iterative optimal algorithm is adopted to design the optimal phases approaching the expected far 2field diffractive pattern.The schematic diagram and the experimental set 2up are given.Results show that the method can generate 22D spots arrays with the intensity error rate less than 8%.The response time of generating the dynamical diffractive pattern is less than 100ms.With the merits of lightness ,precision and quick response ,this scanning system is of value in the fields of multi 2object tracing ,laser guiding and multi 2object defense.K ey w ords laser application ;spatial light modulator ;beam steering ;optimal algorithm ;phase modulation 收稿日期:2005210231;收到修改稿日期:2006202224 作者简介:刘伯晗(1977—),男,吉林人,哈尔滨工业大学博士研究生,主要从事光电测试、空间光信息处理方面的研究。E 2mail :hit_bohanliu @https://www.wendangku.net/doc/768110724.html, 导师简介:张 健(1944— ),男,江苏无锡人,哈尔滨工业大学教授,博士生导师,主要从事光电精密测量及信息处理方面的研究。E 2mail :zjlab @https://www.wendangku.net/doc/768110724.html, 1 引 言 目前,传统的激光雷达因采用万向节等具有机械惯性的扫描装置而使其性能受到限制,迫切需要一种精确、快速响应的无机械惯性的扫描元件来代替[1]。基于光学相位阵列技术的液晶空间光调制器,作为具有克服以上诸多缺点潜力的新型可编程衍射光学元器件正在得到广泛应用[1,2]。由于纯相位液晶空间光调制器可以实现相位的连续调制,这一点使其非常适用于空间光束偏转,因而其在激光 相控阵雷达和自由空间光互连等领域有广阔的应用前景[3,4]。据现有资料,国内对液晶空间光调制器 的研究尚处于起步阶段[5～8]。本文设计了一个能够发射任意衍射点阵图形的系统装置。设计中的一个核心部件是液晶空间光调制器(L CSL M ),是美国BNS (Boulder Nonlinear Systems )公司的专利产品,是近年发展起来的微电子机械(M EMS )领域的最新研究成果[9]。该系统采用液晶空间光调制器,通过对一组激光束的相位进行控制和波束合成,成 第33卷 第7期2006年7月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.33,No.7 J uly ,2006
光寻址空间光调制器电寻址空间光调制器实验(浙大)
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 1--玻璃基片 2--透明电极 3--光导层 4--挡光层 5--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情况。 E 1 8 1 5 4 6 7 6 2 3 K 2 写入光 读出光 偏振分光镜 输出光 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211
斜入射液晶空间光调制器的特性
第33卷 第5期2006年5月 中 国 激 光 CHIN ESE JOU RNA L OF LASE RS Vo l.33,N o.5 M ay ,2006 文章编号: 0258-7025(2006)05-0587-04斜入射液晶空间光调制器的特性 叶必卿1,陈 军1 ,福智 央2,伊ヶ崎泰则2,井上卓2,原 勉 2 (1 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027;2 浜松光子株式会社,日本) 摘要 用读出光斜入射到液晶空间光调制器(LC -SL M )的读出面,是一种有效的提高空间光调制器(S LM )读出效率的方法。测量了读出光以不同角度入射到液晶空间光调制器的读出面上时,相位调制深度与写入光强的关系、衍射效率与二值光栅对比度的关系。得到随着入射角度的增加,最大相位调制深度减小,而衍射效率变化并不明显。在45°时有最大相位调制深度2.0936π和35.4%的正一级衍射效率。关键词 信息光学;液晶空间光调制器;斜入射中图分类号 T H 744 文献标识码 A Oblique -Incidence Characteristic of Parallel -Aligned Nematic -Liquid -Crystal Spatial Light Modulator YE Bi -qing 1,CHEN Jun 1,Norihiro Fukuchi 2, Yasuno ri Igasaki 2,Takashi Inoue 2,Tsutomu Hara 2 1 State K ey L aboratory o f Modem Optical Instrumentation , Z hejiang University ,Hangzhou ,Z hej iang 310027,China 2 Hamamatsu Photonics K .K.,J apan A bstract I t is a valid way to impr ove the read -out lig ht efficiency of spatial ligh t modulator that the incident read -out light o bliquely enters the read -out plane o f the liquid cry stal spatial light modulato r.With differ ent incident ang les ,the r elatio ns o f the phase modulatio n depth and the w rite -in light intensity and of the diff ractio n efficiency and the co ntrast of the bina ry g ra ting are mea sured.I t is found that ,with increasing incident angle ,the max imum depth of the phase modulatio n decreases ,but obvio us change o f the diffraction efficiency does no t occur.With 45°incident angle ,the maximum de pth of the phase modulatio n reaches 2.0936π,and the po sitive first order diffrac tion efficiency is 35.4%. Key words info rmatio n o ptics ;liquid crystal spatial ligh t mo dula tor ;oblique incidence 收稿日期:2005-05-26;收到修改稿日期:2005-11-13 作者简介:叶必卿(1978—),女,浙江杭州人,浙江大学博士研究生,主要从事激光与非线性光学的研究。E -mail :canoo @https://www.wendangku.net/doc/768110724.html, 1 引 言 空间光调制器(S LM )在二维空间内可以对光信息包括振幅、相位、偏振态三方面进行调制。液晶空间光调制器就是利用液晶的电光效应来达到对光波的调制,它已经在相关光学、自适应光学、光互连、光束变换、光运算、光存储和神经网络[1～3] 中得到广 泛的应用,并有希望在未来的光计算机中作为接口 器件[4] 。因此它的光调制特性越来越为人们所关 注。 当空间光调制器工作在正入射情况时,必须利 用分光镜使得入射光和反射光分离,以使得到的反射光光强被极大衰减,在一定程度上限制了它的应用。为了得到更强的反射光强,采用读出光斜入射 模式是一种有效的方法。虽然对于正入射工作模式的特性研究已经有大量报道[5,6],但空间光调制器的斜入射调制特性研究尚少报道。本文测量了光寻址液晶空间光调制器的斜入射光学调制特性,在45°入射时得到最大2.0936π的相位调制深度和35.4%的正一级衍射效率。
空间光调制器参数测量与创新应用实验实验讲义
空间光调制器参数测量与创新应用实验 实验讲义 大恒新纪元科技股份有限公司 所有不得翻印
前言 空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算等系统中构造单元或关键的器件。空间光调制器是实时光学信息处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，很大程度上，空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。 空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM) 。最常见的空间光调制器是液晶空间光调制器，应用光－光直接转换，效率高、能耗低、速度快、质量好。可广泛应用到光计算、模式识别、信息处理、显示等领域，具有广阔的应用前景。 本实验是传统光信息处理实验与计算机等先进技术手段相结合的现代光学实验，旨在让学生了解空间光调制器的广泛应用和科研价值。本实验注重学生对光信息处理中关键器件的理解，同时利用SLM解决实际科研与产业应用问题的能力，实验直观且有很强的指导性，可作为相关专业学生的研究型实验。
实验一SLM 液晶取向测量实验 一、 实验目的 1. 了解空间光调制器的基础知识。 2. 理解空间光调制器的透光原理。 3. 测量空间光调制器的前后表面液晶分子取向，计算液晶扭曲角。 二、 实验原理 根据液晶分子的空间排列不同，可将液晶分为向列型、近晶型、胆甾型3类。其中扭曲向列液晶 (Twisted Nematic Liquld Crystal ，TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一种各向异性的媒质，可以看作是同轴晶体，它的光轴与液晶分子的长轴平行。TNLC 分子自然状态下扭曲排列，在电场作用下会沿电场方向倾斜，过程中对空间光的强度和相位都会产生调制。 想定量分析液晶屏对光的调制特性，需要将调制过程用数学方法来模拟，液晶盒里的扭曲向列液晶可沿光的透过方向分层，每一层可看作是单轴晶体，它的光学轴与液晶分子的取向平行。由于分子的扭曲结构，分子在各层间按螺旋方式逐渐旋转，各层单轴晶体的光学轴沿光的传输方向也螺旋式旋转。如图1.1所示。 图1.1 TNLC 分层模型 在空间光调制器液晶屏的使用中，光线依次通过起偏器P 1、液晶分子、检偏器P 2，如图1.2所示。光路中要求偏振片和液晶屏表面都在x-y 平面上，图中已经分别标出了液晶屏前后表面分子的取向，两者相差90°。偏振片角度的定义是，逆着光的方向看，1φ为液晶屏前表面分子的方向顺时针到P l 偏振方向的角度，2φ为液晶屏后表面分子的方向逆时针到P 2偏振方向的角度。偏振光沿z 轴传输，各层分子可以看作具有相同性质的单轴晶体，它的Jones 矩阵表达式与液晶分子的寻常折射率n o 和非常折射率n e ，以及液晶盒的厚度d 和扭曲角α有关。除此之外，Jones 矩阵还与两个偏振片的转角1φ，2φ有关。因此光波强度和相位的信息可简单表示为()12,,T T βφφ=；()12,,δδβφφ=，其中 ()e o d n n βπθλ=-????又称为双折射，它其实为隐含电场的量，因为β为非常折射率e n 的 函数，非常折射率e n 随液晶分子的倾角θ改变，θ又随外加电压而变化。
基于液晶空间光调制器的相息图扫描三维成像
第 37 卷第 3 期 2010 年 3 月
光电工程
Opto-Electronic Engineering
Vol.37, No.3 March, 2010
文章编号：1003-501X(2010)03-0138-06
基于液晶空间光调制器的相息图扫描三维成像
林培秋，王 辉，庞 辉
( 浙江师范大学 信息光学研究所，浙江 金华 321004 ) 摘要： 本文提出了一种利用纯相位型液晶空间光调制器 （LC-SLM)实现相息图三维显示的方法。 该方法以 LC-SLM 为显示器件，通过相息图的衍射进行三维像的重构。详细研究了相息图的计算及其与 LC-SLM 参数间的关系，并 对再现像像质进行了讨论。为提高显示的空间分辨率，采用分时复用技术，对三维物体进行分组取样，并计算每 一分组的相息图，形成分组相息图序列，再现时依次将相息图输入到 LC-SLM，利用人眼的视觉残留效应以达到 连续扫描三维成像的目的。实验结果表明，该方法实现了三维物体的再现，为三维显示提供了一种有效的方法。 关键词：三维显示；扫描成像；相息图；液晶空间光调制器 中图分类号：O438 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.03.026
Scanning Three-dimensional Image with Kinoform Based on Liquid Crystal Spatial Light Modulation
LIN Pei-qiu，WANG Hui，PANG Hui
( Institute of Information Optics, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang Province, China ) Abstract: An effective method for three-dimensional (3D) imaging with kinoform based on reflective phase-only Liquid Crystal Spatial Light Modulator (LC-SLM) was proposed. 3D image actually was reconstructed by the diffraction of kinoform using LC-SLM as a display unit. The calculation of kinoform, the relationships between parameters of LC-SLM with the kinoform, and some influencing factors in the quality of the reconstructed image were discussed in detail. In order to enhance the displaying resolution, a displayed object was decomposed into several sampling groups, and the corresponding kinoforms were calculated. When the kinoforms were inputted into LC-SLM successively within residual time of human eyes, the diffraction light wave may reconstruct the image of the original object, and then an observer can see a 3D image in free space. Experimental results demonstrate the correctness of the proposed approach, which provides an effective way for 3D display in practical application. Key words: three-dimensional displaying; scanning imaging; kinoform; liquid crystal spatial light modulator
0
引
言
相息图[1]是计算全息图的一种类型，它仅编码了物光波的相位信息，具有很高的衍射效率，是光波重 构的理想元件。目前，相息图在微光学元件[2-4]、空间滤波器[5]以及保密存储[6]等方面得到了广泛的应用。 作为一种波前记录和再现技术，相息图应该在三维显示方面有所作为，但是，到目前为止，关于这方面的 工作报道很少。事实上，相息图难以用于三维显示的主要原因在于相息图的制作，尽管有很多方法制作相 息图[7-10]，但过程都是很复杂的[11]。1988 年 N.Konforti 提出用扭曲向列相液晶(TNLC)器件实现纯相位调制 的设想[12]，接着，有关液晶器件作为相位空间光调制器的研究引起了人们的关注[13-16]，并在许多领域得到
收稿日期：2009-09-17；收到修改稿日期：2009-12-01 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60877002)，浙江省自然科学基金资助项目(Z1080030) 作者简介：林培秋(1985-)，女(汉族)，浙江温州人。硕士，主要从事三维显示方面的研究。E-mail: lpqwuli033@https://www.wendangku.net/doc/768110724.html,。 通信作者：王辉(1958-)，男(汉族)，江苏宿迁人。博士，教授，主要从事全息立体显示，光电图像处理等方面的研究。E-mail: wh@https://www.wendangku.net/doc/768110724.html,。
光寻址空间光调制器电寻址空间光调制器实验(浙大)
. 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 1--玻璃基片 2--透明电极 3--光导层 4--挡光层 5--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 E 1 8 1 5 4 6 7 6 2 3 K 2 写入光 读出光 偏振分光镜 输出光 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211
11空间光调制器
4. 声光扫描 声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向。 ⑴声光扫描原理 从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，光束以θi 角入射产生衍射极值应满足布喇格条件：s B n λλθ2sin =，B d i θθθ==。布喇格角一般很小，可写为 s s s B f v n 22λλλθ=≈ (3.6-5) 故衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角θB 的2倍，即 s s B d i f nv λ θθθθ==+=2 (3.6-6) 可以看出：改变超声波的频率f s ，就可以改变其偏转角θ，从而达到控制光束传播方向的目的。超声频率改变?f s 引起光束偏转角的变化为 s s f nv ?=?λ θ (3.6-7) 这可用图1及声光波矢关系予以说明。 ⑵声光扫描器的主要性能参量 声光扫描器的主要性能参量有三个: 可分辨点数，它决定描器的容量。 偏转时间τ，其倒数决定扫描器的速度。 衍射效率ηs ，它决定偏转器的效率。 衍射效率前面已经讨论过。下面主要讨论可分辨点数、扫描速度和工作带宽的衍射光 声频为f s 的衍射光 k s s 图1 声光描器原理图
问题。 可分辨点数N 定义为偏转角?θ和入射光束本身发散角?φ之比，即 )(w R N λφ?φ?θ ?== (3.6-8) 式中w 为入射光束的宽度；R 为常数，其值决定于所用光束的性质（均匀光束或高斯光束）和可分辨判据（瑞利判据或可分辨判据）。 上式可以写成 s f R N ?=11τ (3.6-10) τ 1N 称为声光扫描器的容量-速度积，它表征单位时间内光束可以指向的可分辨位置的数目。 声光扫描器带宽受两种因素的限制，即受换能器带宽和布喇格带宽的限制。因为声频改变时，相应的布喇格角也要改变，其变化量为 s s B f nv ?=?2λ θ (3.6-11) 因此要求声束和光束具有匹配的发散角。声光扫描器一般采用准直的平行光束，其发散角很小，所以要求声波的发散角B δθδφ≥。 L n f f s s s λλ2 2≤? (3.6-12) 有效波面 图2 列阵换能器 (a) (b)