基于液晶空间光调制器的空间滤波实验_刘婷婷
第28卷,第6期
光 谱 实 验 室Vol .28,No .62011年11月Chinese J ournal of Sp ectroscop y L abor atory November ,2011基于液晶空间光调制器的空间滤波实验
联系人,手机:(0)135********;E-mail:lttphd@https://www.wendangku.net/doc/8610528187.html,
作者简介:刘婷婷(1978—),女,山东省泰安市人,讲师,硕士,主要从事信息光学的研究工作。
收稿日期:2011-02-11;接受日期:2011-03-11刘婷婷
孙海滨
(泰山学院物理与电子工程学院 山东省泰安市迎宾大道中段 271021)摘 要 空间滤波实验可以实现对输入物体的频谱分析及图像的边缘增强、噪声消除等各种图像处
理。液晶空间光调制器可以作为衍射波面变换器件来使用。在空间滤波实验系统的滤波面上放置了液晶空间光调制器,并用CCD 数码相机进行输出图像的观察和记录,分别给出了低通滤波、高通滤波、方向滤波等的仿真实验结果。该实验实现了输入数字物体的实时改变,并能够实时观察采用不同空间滤波器对输出像的影响。
关键词 空间滤波;液晶;空间光调制器;数字物体;滤波器
中图分类号:O 436.1 文献标识码:A 文章编号:1004-8138(2011)06-2934-05
1 引言
空间滤波实验是信息光学中最典型的基础实验之一。空间滤波是指在光学系统的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器,以改变光波的频谱结构,使其像按照人们的要求得到预期的改善[1]
。本文对传统的空间滤波实验系统进行了改进,通过引入液晶空间光调制器实现对输入物体的实时改变,进而观察采用不同空间滤波器情况下的输出图像。图1 典型的相干滤波实验系统
2 空间滤波的基本原理
典型的空间滤波实验系统是三透镜系统,通常称为4f 系统,如图1所示[2]
。其中,S 为点光源,
L 2和L 3是焦距为f 的傅里叶变换透镜。
如果一个透过率为u (x 1,y 1)的物体放在透镜L 2的前焦面P 1上并用平行光垂直照明,则物体的不同空间频率分量变为不同方向的平面波,这些平面波分量经透镜L 2会聚到后焦面P 2的不同位置,形成一个与物体的空间频谱相对应的光场分布。在实际应用中,u (x 1,y 1)可以是透明胶片,也可以是空间光调制器,还可以使用计算机给定的输入函数[3]。利用光场的标量衍射理论可以证明,如果物体的透过率函数为u (x 1,y 1),则透镜L 2后焦面上的光场复振幅为[4]:
U 2(x 2,y 2)=A u (x 1,y 1)exp[-j 2 (x 2 f +y 2 f y 1)]d x 1d y 1(1)
式中:A ——光波的振幅。式(1)表明,U 2(x 2,y 2)刚好是物体u (x 1,y 1)的傅里叶变换,L 2后焦面P 2上的光场复振幅正比于物体频谱中空间频率为(x 2/ f ,y 2/ f )的成分。
在图1中,若不考虑透镜孔径的影响,透镜L 2后焦面P 2上的光场的复振幅分布可以表示为:
U 2( 2, 2)=A ×F {u (x 1,y 1)}, 2=x 2 f 1, 2=y 2 f 1
(2)则光学系统输出面P 3上的光场分布可以表示为:
U 3( 3, 3)=A ′×F {U 2(x 2,y 2)}=A ′u (-f 1f 2x 3,-f 1f 2y 3)
(3)如果在P 2平面放置一个透过率函数为P ( 2, 2)的空间滤波器,则输出像的复振幅变为
U ′3( 3, 3)=A ′×F {P ( 2, 2)U ( 2, 2)}(4)
通过在透镜L 2的后焦面P 2上放置不同类型的空间滤波器,如低通滤波器、高通滤波器、方向滤波器、液晶空间光调制器等,就可以实现对输入物体的频谱分析及边缘增强、噪声消除、相衬成像等各种图像处理。
3 液晶空间光调制器的特性
空间光调制器(Spatial Light M odulator ,SLM )是一种对光波的光场分布进行调制的元件,它含有许多独立的单元,这些单元在空间上排列成一维或者二维的阵列,每个单元都可以独立接受电信
号或光信号的控制,并按此信号改变自身的光学性质,从而对照射在其上的光波进行调制[5]。空间
光调制器广泛应用于光信息处理、光束变换和输出显示等诸多应用领域。目前,空间光调制器的种类很多,有微通道板、可变形反射镜、磁光器件等40多种。液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial
Light Modulator,LCSLM)是较容易获得也较便宜的,是目前使用最广泛的一种空间光调制器[6]。
液晶空间光调制器是以液晶层作为光调制材料。液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式,在晶层上各区域施加不同的电场,引起液晶分子排列方向和位置的变化,从而导致其光学性质的变
化,实现对光信号的调制[7]。在现代光学信息处理中,主要是把液晶空间光调制器作为衍射波面变
换器件来使用。例如,可以把计算软件设计的衍射光学元件直接显示到计算机实时控制的空间光调制器上,利用衍射光学和液晶空间光调制器相结合形成的动态全息波前变换技术,实现对入射光波
的实时或动态调制[8]。
4 基于空间光调制器的空间滤波实验
4.1 实验光路图
本文对典型的4f 空间滤波实验系统进行了改进,引入了液晶空间光调制器。实验中,通过采用一个高分辨程控液晶空间光调制器作为输入物体,用CCD 数码相机进行输出图像的观察和记录,实验光路如图2所示。这样处理可以在实验过程中实时改变输入物体,实时观察采用不同空间滤波器对输出像的影响。
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第6期刘婷婷等:基于液晶空间光调制器的空间滤波实验
图2 改进的空间滤波实验光路图
在实验中,调节扩束镜(放大倍数为20倍的普通显微物镜)的高度、位置、俯仰使得扩束镜的光轴与激光束平行,使扩束后的光斑中心与扩束前的光斑中心重合。调整准直透镜的前后左右位置,使出射光为同轴准直平行光。
调节液晶空间光调制器的位置和角度,使准直光垂直照射到液晶空间光调制器LCD 的通光面上。通过计算机程序控制将实验所需的数字物体图像显示到液晶空间光调制器的LCD 上面,在成像透镜L 2后焦面上放置滤波器;用数码相机CCD 代替观察屏观察、记录像面的变换情况。
4.2 实验结果
实验中采用的He-Ne 激光器的激光波长 =632.8nm,傅里叶变换透镜的焦距为180.00m m,扭曲向列型液晶空间光调制器(索尼LCX029型)的像素为1024×768,数码相机CCD 的像素为576×678。
接通液晶空间光调制器电源后,在透镜L 2的后焦面上可以观察到液晶空间光调制器的空间频谱结构。其中心为一很亮的亮斑,为像素的零级衍射光斑;其周围还有对应的水平和竖直方向上的±1级衍射图样和更高级的衍射图样。
将网格状输入数字物体显示到LCD 上,如图3a 所示,用数码相机CCD 记录观察结果。当加低通滤波器后,将会滤去边缘噪声,使像变得比较柔和、平滑,但有些模糊,如图3b 所示。当加一方向滤波器后,则输出像只有某一方向的结构,图3c 所示为大约45度方向滤波后的输出像。当加高通滤波器后,则输出像只有边缘信息,图像的轮廓更加突出,其边缘得到增强,实验结果如图3d 所
示。
图3 网格状物体的空间滤波实验结果
a ——网格状物体;
b ——低通滤波后的输出像;
c ——方向滤波后的输出像;
d ——高通滤波后的输出像。将LCD 上的输入物体换成文字图像,如图4a 所示。当加一高通滤波器后,输出像边缘得到增2936光谱实验室第28卷
强,实验结果如图4b 所示。
将LCD 上的输入物体换成带网格噪声的动物图像,采用低通滤波器消除条纹噪声,实验结果如图5
所示。
图4 利用高通滤波进行图像边缘突出
a ——输入物体;
b ——
高通滤波后的输出图像。图5 利用低通滤波消除图像上的特定网格状噪声a ——输入物体;b ——低通滤波后的输出像。
如果将液晶空间光调制器作为滤波器使用,可以同时实现振幅调制和相位调制,使得该实验系统的应用更加广泛。本文将液晶空间光调制器作为具有透射中心的螺旋相位滤波器使用,应用计算机进行了空间滤波实验的数字模拟。在实验中,将液晶空间光调制器放置到滤波面上。输入物体为一直径约为1mm 的复振幅物体,振幅与相位分布分别如图6a 、6b 所示,空间滤波实验结果如图6c 和图6d 所示。图6c 和图6d 是实验所得的具有阴影效果的螺旋相衬图像,由输出图像中的阴影效果可以清晰辨认出输入物体的凹凸结构;两图中圆形振幅结构与“P ”形相位结构的阴影方向均相差90°,如c 图中,圆形振幅结构的阴影方向在下方,而“P ”形相位结构的阴影方向在右方;与c 、d 对应的滤波器的透射中心相位相差 ,因此两图中的阴影方向相差180°
。
图6 复振幅物体的空间滤波模拟实验结果
a ——物体的振幅结构;
b ——物体的相位结构;
c ——阴影效果图像;
d ——阴影效果图像。
5 结论
在空间滤波实验中,运用液晶空间光调制器可以实现输入物体的实时改变。在透镜L 2的后焦面上放置纯振幅型滤波器(如高通滤波器、低通滤波器、方向滤波器),可以实现输出图像的边缘增强或消除图像噪声等图像处理结果;如果将液晶空间光调制器作为滤波器在空间滤波实验中使用,则可以实现相位调制、振幅调制和复振幅调制,使得空间滤波实验系统的应用更加广泛。将液晶空间光调制器作为具有透射中心的螺旋相位滤波器使用,由输出图像的阴影效果可以清晰辨认出输入物体的凹凸结构。在空间滤波实验中,用CCD 数码相机进行输出图像的观察和记录,可以实时观察采用不同空间滤波器对输出像的影响。
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参考文献
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Spatial Fil tering Experiment Based on Liquid Crystal Light Modulator
L IU T ing-Ting S UN Hai-Bin
(College of P hysi cs and E lectronics,Taishan Univer sity,Tai’an,S hand ong271021,P.R.China)
Abstract T he spatial filtering experiment can actualize various kinds of image processing,such as frequency spectrum analysis of input object,edge enhancement and noise reduction of image.Liquid crystal spatial lig ht modulator can be used as transformation device of diffraction w ave front.In the spatial filtering ex periment,the liquid crystal spatial lig ht modulator was used on the filter plane,and CCD digital camera which can observe and record output image w as used.The simulated results of digital object that w ere filtered by low pass filter,hig h pass filter and direction filter are given.The ex periment can not only timely change the input digital object,but also timely observe the influences of different filters on output image.
Key words Spatial Filtering;Liquid Crystal;Spatial Lig ht M odulator;Digital Object;Filter