第九章相干光處理zwh

第九章相干光處理從物像關(guān)系或者輸入和輸出的關(guān)系來說,可分為:線性處理與非線性處理,空間不變與空間變處理。本章按第二種分類方法進行論述,先介紹幾種典型的相干光學處理方法.光學信息處理通常有兩種分類方法:從所使用光源的空間和時間相干性來說,可分為:相干光處理、非相干光處理和白光光學處理。9.1圖像相減

圖像相減可以用于檢測兩張近似圖像之間的差異,使我們能研究事物的變化,例如不同時間拍攝的兩張病理照片相減可以發(fā)現(xiàn)病情變化;用于軍事上則有利于發(fā)現(xiàn)基地上新增添的軍事設(shè)施.圖像相減的方法很多,我們介紹光柵編碼和光柵衍射兩種方法.一、空域編碼、頻域解碼相減方法1.編碼

將間距為x0,透光部分與不透光部分相等的羅奇光柵貼放在照相底片上對像進行編碼。如右圖(a)所示,在第一次曝光時,我們記錄下乘以光柵透射因子t(x)的像A,注意到周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開公式得第二次曝光時將光柵平行移動半個周期,這時光柵透射因子于是得到乘以光柵透射因子t‘(x)的第二個像B.兩次曝光時的光柵位置互補,如右圖(b)所示.設(shè)圖像A和圖像B的光強分別為IA和IB,于是照相底片上的曝光量上式,在圖像A和圖像B不同的部分得到一張其差值受光柵調(diào)制的負片。2.解碼

解碼光路采用常規(guī)的4f系統(tǒng),將調(diào)制片置于輸入平面上,假定像的頻率低于光柵頻率,使用高通濾波器,阻止相應于IA+IB的低頻部分,而容許相應于(IA-IB)R的譜的高頻成分通過.在輸出平面上我們只得到(IA-IB)R項,實現(xiàn)了圖像相減.它顯示出兩個圖像不同的區(qū)域,這些區(qū)域在暗背景上出現(xiàn)光亮.采用這種空域編碼的方法,使圖像和與圖像差的信息分別受到光柵零頻和較高頻率的調(diào)制,在空間頻域上實現(xiàn)了和、差信息的信道分離,因此通過頻域濾波,可以單獨提取圖像A和B的差異.空域編碼和頻域解碼是相干光學信息處理中的一種基本技術(shù),它不僅可以用于圖像相減,還可以用于其它的圖像運算。二、正弦光柵濾波器相減方法.圖9.1.2是用于圖像相減的4f系統(tǒng).將正弦光柵置于頻譜平面位置,并忽略光柵的有限尺寸,則濾波函數(shù)可以寫為式中0是光柵的頻率，0表示初相位，它決定了光柵相對于坐標原點的位置。在像面上有三個圖像從頻域看,它使通過頻譜面的信息沿三個不同的方向傳播,圖像A的某一級信息與圖像B的某一級信息在輸出平面相干疊加.由于兩者的衍射光相位差π,因此在輸出平面上實現(xiàn)了圖像相減.圖像A和B在4f系統(tǒng)的物面上，沿x1方向相對原點對稱放置，其中心與原點距離為輸入場分布可表示為則入射到光柵上的光場復振幅是上式的傅里面葉變換經(jīng)光柵濾波后的頻譜為P3平面上輸出場的分布是上式的逆傅里葉變換當光柵的初相位0=/2，即光柵偏離原點1/4周期時在P3平面中心部位實現(xiàn)了圖像相減。光柵濾波器的作用還可以通過系統(tǒng)的脈沖響應來理解。0=/2時，濾波系統(tǒng)的脈沖響應輸出平面上復振幅是輸入圖像的幾何像與系統(tǒng)脈沖響應的卷積圖9.1.3光柵濾波系統(tǒng)的輸入與輸出與脈沖響應下圖表示了輸入、輸出與光柵濾波系統(tǒng)脈沖響應的關(guān)系.圖中用Re和Im復平面來表示輸入與輸出脈沖響應的復振幅分布,以便對脈沖響應中后兩項的方向相反有更深入的理解

從空域看,光柵濾波系統(tǒng)提供了一對大小相等、相位相反,但空間位置不同的兩個脈沖響應,即脈沖響應中的后兩項.當圖像A相對于其中一個的卷積像與圖像B相對于另一個的卷積像重合時,在輸出平面上實現(xiàn)了圖像相減.A與B在輸入平面上放置的位置,正是為了保證兩個卷積像的相干疊加.空域分析法和頻域分析法是等價的.一、匹配空間濾波器9.2匹配濾波與圖像識別

相干光學處理還能作兩個函數(shù)的卷積運算和相關(guān)運算.由于這兩種方法極為相似,也由于相關(guān)運算能直接用于圖像識別(特征識別),本節(jié)主要介紹匹配濾波器和相關(guān)圖像識別.函數(shù)s(x,y)和f(x,y)的卷積運算和相關(guān)運算分別定義為★★相關(guān)運算可用卷積表示為

空域中兩個函數(shù)的卷積運算在頻域中對應于相乘運算,若要對s(xy)和f(x,y)進行卷積運算,可先用全息方法制作s(x,y)的頻譜函數(shù)S(,),然后把f(x,y)作為4f系統(tǒng)的輸入函數(shù),把S(,),作為濾波函數(shù)H(,),在頻譜面上的復振幅分布為

H(,)F(,),輸出面上的分布則為★相關(guān)運算可用卷積表示為

對于作相關(guān)運算,可根據(jù)相關(guān)運算和卷積運算的關(guān)系,只需制作具有如下透過率的濾波器將f(x,y)放在4f系統(tǒng)的輸入面上放在頻譜面上，則輸出面上得到的分布為★一般將的濾波器稱為s(x,y)匹配濾波器★

當輸入信號在輸入平面出現(xiàn)時，則在輸出平面上得到信號的自相關(guān)。我們可以由匹配濾波器所透過的光場分布的特性，深入理解匹配濾波的本質(zhì)。設(shè)輸入信號頻譜表示為★匹配濾波操作的光學解釋信號經(jīng)過匹配濾波器后變?yōu)檫@意味著濾波器完全抵消了入射波前s的全部相位彎曲,于是透射場是一個振幅加權(quán)但相位均勻的平面波前,這一平面波前繼續(xù)向前傳播,在輸出平面上產(chǎn)生信號的自相關(guān)光斑.這個量完全是實數(shù),則由定義，匹配濾波器函數(shù)可以表示成顯然,所謂“匹配”,實質(zhì)上是在頻域?qū)斎胄盘栴l譜的相位補償,形成平面相位分布,匹配濾波器在光學特征識別中起著重要作用,即可以根據(jù)輸出平面是否出現(xiàn)自相關(guān)峰值,判斷輸入信號中是否存在待識別信號.匹配濾波器是復數(shù)濾波器,可以用光學全息或計算全息的方法制作.二、用全息法制作復數(shù)濾波器

上圖是復數(shù)濾波器的記錄光路,實際上就是制作一張傅里葉變換全息圖.透鏡L1使點光源S發(fā)出的光準直,一部分光照射模片P1,其復振幅透過率等于所需要的h,透鏡L2對振幅分布h進行傅里葉變換,在膠片上產(chǎn)生一個分布H(,).二、用全息法制作復數(shù)濾波器

另一部分準直光從模片P1之上通過,經(jīng)過棱鏡P以角度。入射到膠片上.在線性記錄條件下,膠片的復振幅透過率正比于曝光光強式中

公式中的第三、第四項表明,這種全息圖中包含了所需的濾波函數(shù)H和H·.在綜合出頻率平面模片之后,就可以將其插入4f系統(tǒng)的頻率平面.如果輸入平面上的物函數(shù)是f(x1,yl),那么P3平面上的復振幅分布為★★上式中的第三和第四項在P3平面上給出了f和h的互相關(guān)和卷積,其中心坐標為(0,b).式中的第一項和第二項在通常的濾波運算中沒有什么特別的用途,其中心坐標在(x3,y3)平面原點上.(*)

顯然,如果參考光傾角足夠大,那么卷積項和互相關(guān)項將與中心項充分分離,從而避免相互影響.為了定量說明對參考光傾角的要求,考慮下圖所示的各個輸出項的寬度.假定f和h沿y3方向的最大寬度為Wf和Wh,公式(*)中前兩項沿y3方向?qū)挾葹閃f和Wf+2Wh,相關(guān)項和卷積項的寬度都是Wf+Wh.由圖可以清楚地看出各項完全分離的條件是參考光傾角圖9.2.3三、圖像識別

圖像識別是指檢測和判斷圖像中是否包含某一特定信息的圖像.例如:從許多指紋中鑒別有無某人的指紋;從許多文字中找出所需的文字:在病理照片中識別出癌變細胞等等.采用匹配濾波器進行相關(guān)檢測,是圖像識別的一種重要手段.

將此匹配空間濾波器置于4f系統(tǒng)的譜面,在輸入平面放置待識別的圖像f(x1,y1),如果待識別圖像中包含基準圖像和相加性噪聲,則假定基準圖像為s(x1,yl),制作匹配空間濾波器時要求濾波函數(shù)其頻譜為再經(jīng)過濾波和逆傅里葉變換則在輸出平面上的復振幅分布★★★

式中第一項是較強的自相關(guān)項輸出,在輸出平面上產(chǎn)生一個亮點。第二項是噪聲與信號的互相關(guān),能量比較彌散,因此,可以根據(jù)輸出平面是否出現(xiàn)自相關(guān)亮點,判斷輸入圖像中是否包含待識別的信號。

用全息法制成的匹配濾波器,除了包含所需的濾波函數(shù)H外,還有其余三項,它們在輸出平面上所對應的輸出,在相關(guān)識別問題中沒有什么特別的用途,又與我們感興趣的相關(guān)輸出在空間上是分離的,我們就不去討論了。

一個處理系統(tǒng)的輸入g可以是N個可能的字符S1,S2,…,SN之一,要由相干光學識別機來確定到底是哪個具體字符.現(xiàn)在考慮一個更一般的圖像識別問題:字符分辯別系統(tǒng)的方框圖V2V3V4V1輸入輸出輸入同時(或依次地)被加到濾波函數(shù)分別為S1,S2,,…,SN的N個匹配濾波器上,考慮到各個字符的能量一般不相等,故每個濾波器的輸出要用各自所匹配的字符的總能量的平方根值來規(guī)范化。最后對各個輸出的模的平方進行比較，如果輸入平面上是第k個特定的字符g(x,y)=SK(x,y),則特定的輸出|VK|將是N個響應中最大的.自相關(guān)輸出字符分辯別系統(tǒng)的方框圖V2V3V4V1輸入輸出因此,這種相干光學識別機可以辨認一組可能的字符中究竟是哪一個字符實際輸入到系統(tǒng)中.四、聯(lián)合變換相關(guān)識別

聯(lián)合變換相關(guān)方法由C.S-Weaver和J.W.Goodman于1966年提出。80年代后期,由于實時光電轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展,給這種方法帶來新的活力,近年來,有關(guān)的研究日趨活躍,聯(lián)合變換相關(guān)器(JTC)已成為模式識別的重要手段。聯(lián)合變換相關(guān)識別與匹配空間濾波相關(guān)識別在原理和方法上存在明顯的差異.在這種方法中,參考圖像和待識別圖像同時置于輸入平面上,對稱地分放在光軸兩側(cè),在傅里葉平面上可以記錄下其干涉功率譜.如果對譜圖像進行傅里葉變換,則在輸出平面上可以得到自相關(guān)和互相關(guān)輸出.設(shè)輸入面P1上并排放著目標圖像和參考圖像輸入函數(shù)可寫為經(jīng)傅里葉變換透鏡L1變換后，其聯(lián)合頻譜為在P2平面上的記錄介質(zhì)，如全息干板，僅對強度有響應，則在線性記錄條件下，并忽略透過率函數(shù)中的均勻偏置項和比例常數(shù),用單位振幅的平面波讀出，則經(jīng)L2傅里葉變換后在輸出平面P3得到★★★★第一項和第二項是f和h的自相關(guān)，位于輸出平面中心；后兩項是f和h的互相關(guān)，其中心位于（2b,0）處，如果考慮透過率函數(shù)中的均勻偏置項，則輸出項中還應增加一個近年來發(fā)展了多種實時光電混合的聯(lián)合變換相關(guān)器,圖是一種采用兩個液晶光閥(LCLV)的光電混合式實時聯(lián)合變換相關(guān)器.光電混合式實時聯(lián)合傅里葉變換相關(guān)器一束He-Ne激光經(jīng)針孔濾波和擴束后,由偏振分束鏡BS2將其分為兩束,作為空間光調(diào)制器LCLV1和LCLV2的讀出光.參考圖像由CCD攝像機采集后預先存在計算機內(nèi)存,目標圖像由CCD攝像機實時采集,在計算機控制下兩個圖像顯示在監(jiān)視器左、右兩側(cè),成像透鏡L將其寫入LCLV1.一束讀出光將LCLV1上的圖像讀出,經(jīng)FTL1傅里葉變換后,得到聯(lián)合功率譜,并寫入LCLV2。另一束讀出光將聯(lián)合變換功率譜讀出,經(jīng)FTL2傅里葉變換后在輸出平面得到目標圖像與參考圖像的相關(guān)輸出.類似的聯(lián)合變換相關(guān)器還用于指紋和漢字手寫體的實時識別。五、用逆濾波器消模糊

相干光學信息處理的一項有趣的應用是模糊圖像的復原。在成像過程中,由于成像系統(tǒng)的像差、目標和底片的相對運動、大氣擾動等因素造成模糊的像,模糊的原因可以歸結(jié)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的缺陷。如果在相干光學濾波系統(tǒng)中,從頻譜平面對系統(tǒng)傳遞函數(shù)作適當補償,將在輸出平面上得到清晰像,這一處理過程稱為消模糊。

設(shè)物的光場分布為f(x,y),造成模糊像的點擴散函數(shù)為h

(x,y),則像的光場分布可以表示為卷積的過程。

消模糊實際上是解卷積的過程。在空域?qū)崿F(xiàn)解卷積十分困難,但在相干光處理所提供的頻域濾波能力卻使這一過程變得十分簡單。將模糊圖像置于4f系統(tǒng)的輸入平面上的譜分布為是帶有系統(tǒng)缺陷的相干傳遞函數(shù)，即h

(x,y)的傅里葉變換。在理想情況下，由此可見，若在4f系統(tǒng)的頻譜面上用一個透射系數(shù)為的逆濾波器進行濾波就可在輸出面上，可得消模糊的像。這時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為1，輸出像與輸入的理想像完全一樣。因為所以逆濾波器的制作可分兩步進行：第一步制作Hc濾波器，第二步制作濾波器。使用時將二者疊合在一起便得到了逆濾波器。頻譜面上拍它的頻譜像，小心處理使照相干板的=2。這樣,濾波器的光密度分布與|Hc|2平方成比例，透過率則與1/|Hc|2

成比例。制作Hc可用全息法，但要預先知道h

(x,y)，這是關(guān)鍵問題。濾波器的制作可用普通照相的方法，在h

(x,y)的實際上就是要知道怎么模糊的

將這兩個濾波器對正緊貼在一起就得到了逆濾波器。由于膠片動態(tài)范圍的限制,使得只能得到近似的逆濾波函數(shù)。此外，逆濾波過程與成像過程一樣，也受到系統(tǒng)空間帶寬積的限制，因此期望用逆濾波的辦法實現(xiàn)超越衍射極限的復原是不現(xiàn)實的。例攝影時由于不小心，在橫向抖動了2a，形成兩個像的重影，設(shè)計一個改良此照片的逆濾波器.解：在此情況下造成成像缺陷的點擴散函數(shù)為它的傅里葉變換(即有成像缺陷的系統(tǒng))的傳遞函數(shù)Hc為逆濾波器的透過率函數(shù)例：如圖題(左)所示,一個振幅透射率為s(x,y)的“信號”底片緊貼著放在一個會聚透鏡的前面,用照相底片記錄后焦面上的強度,并使顯影后底片的振幅透射率于曝光量成線性關(guān)系.這樣制得的透明片放在圖題(右)的系統(tǒng)中,假定在下述每種情況下考查輸出平面的適當部位,問輸入平面和第一個透鏡之間的距離d應為多少,透射片才能綜合出:(1)脈沖響應為s(x,y)的濾波器?(2)脈沖響應為s*(-x,-y)的"匹配"濾波器?解：參見圖題（左），和上圖的差別在于本題中物緊靠透鏡，參考光波在記錄膠片上造成的場分布為物透明片在記錄介質(zhì)上造成的場分布為式中膠片上的光強分布為將曝過光的膠片顯影后制成透明片，使它的復振幅透過率與照射光的強度成線性關(guān)系。將制得的透明片放在下圖焦平面上。要綜合出脈沖響應s(x,y)或s*(-x,-y),我們只要考察當輸入信息為單位脈沖（x1,y1)時，在什么條件下系統(tǒng)的要綜合出脈沖響應s(x,y)或s*(-x,-y)。輸入為單位脈沖時，在L2的后焦面上形成的光場復振幅為透過頻率平面模片的光場分布為如果要使系統(tǒng)的脈沖響應為s(x,y)，則應利用上式第三項，應要求該項的二次相位因子為零，即有d=2f這時輸出為（反演坐標系中）透過頻率平面模片的光場分布為如果要使系統(tǒng)的脈沖響應為s*(-x,-y),則應利用上式中的第二項，應要求該項的二次相位因子為零，即有d=0這時輸出為（反演坐標系中）透過頻率平面模片的光場分布為例、在4f系統(tǒng)輸入平面放置4Omm-l的光柵,入射光波長632.8nm.為了使頻譜面上至少能夠獲得土5級衍射斑,并且相鄰衍射斑間距不小于2mm,求透鏡的焦距和直徑.ff設(shè)光柵比較寬，可視為無窮，則透過率為頻譜為x20所以譜點的位置由決定，即m級衍射在后焦面上的位置由下式確定：相鄰衍射斑之間的距離由光柵方程得（2）要在后焦面上能夠獲得土5級衍射斑截止頻率應大于第五級譜對應的衍射角，小角度下ffDD1因為D1不為零，所以當D滿足下式時，上式一定成立

近年來，光學、光電子學領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列嶄新的成就為世人所矚目，其中空間光調(diào)制器（如液晶顯示器）、半導體激光器和微光學元器件及其應用都在突飛猛進的發(fā)展；尤其是各類空間光調(diào)制器，因其具有可實時地在空間上調(diào)制光束的重要功能而成為構(gòu)成實時光學信息處理、光計算和光學神經(jīng)網(wǎng)絡等系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。這里主要介紹一些基本概念和液晶顯示的基本原理?？臻g光調(diào)制器

空間光調(diào)制器-它是一種能對光波的空間分布進行調(diào)制的器件.或者說,其輸出光信號是隨控制(電的或光的)信號變化的空間和時間的函數(shù).有否可能利用一個器件按要求輸出我們所期望的輸出光

空間光調(diào)制器-它是一種能對光波的空間分布進行調(diào)制的器件.或者說,其輸出光信號是隨控制(電的或光的)信號變化的空間和時間的函數(shù).寫入信號(光的或電)讀出光輸出光輸出光讀出光孫悟空空間光調(diào)制器意念

空間光調(diào)制器的基本特點在于,它是由許多基本的獨立單元組成的一維或二維陣列,這些獨立單元可以是物理上分割的小單元,也可以是無物理邊界的、連續(xù)的整體,只是由于器件材料的分辨率和輸入圖像或信號的空間分辨率有限,而形成的一個一個小單元。寫入信號(光的或電)讀出光輸出光透射式

這些小獨立單元通常習慣稱為像素，把控制像素的光電信號稱為“寫入光”或“寫入電信號”，把照明整個器件并被調(diào)制的輸入光波稱為“讀出光”，經(jīng)過空間光調(diào)制器后出射的光波稱為“輸出光”。寫入信號(光的或電)讀出光輸出光透射式

讀出光要能照明空間調(diào)制器的所有像素，并能接收寫入光或?qū)懭腚娦盘杺鬟f給它的信息，經(jīng)調(diào)制或變換成輸出光。按讀出的工作方式分，有透射式和反射式?？臻g光調(diào)制器示意圖寫入信號(光的或電)讀出光輸出光透射式寫入信號(光的或電)讀出光輸出光反射式

寫入光或“寫入電信號”應包含有控制各個像素的信息，把這些信息分別傳送到相應像素上的過程稱為“尋址”或“編址”。如果用寫入光實現(xiàn)這一過程，稱為光尋址；采用寫入電信號實現(xiàn)這一過程稱為電尋址。

光尋址通常采用一個二維光強分布（如一幅圖像）作為寫入光，使其成像在空間光調(diào)制器的像素平面上，并使寫入光的像素與空間調(diào)制器的像素一一對應，從而實現(xiàn)尋址。寫入信號(光的或電)讀出光輸出光透射式

光尋址時，所有像素的尋址同時完成，所以它是一種并行尋址。其特點是尋址速度快，而且像素的大小原則上只受寫入光成像系統(tǒng)分辨率的限制。采用光尋址時，要防止寫入光與讀出光之間的串擾。常見的方法是采用反射式空間光調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)部設(shè)制一個光隔離層，使寫入光與讀出光位于調(diào)制器兩側(cè)。寫入信號(光的或電)讀出光輸出光反射式

采用電尋址時，因為電信號是一個時間序列，原則上只能依次地輸送到調(diào)制器各個像素上去，所以電尋址是一種串行方式。實現(xiàn)電尋址有多種形式。比如，在空間光調(diào)制器的表面設(shè)置兩組正交的柵狀電極，用掃描的方法使寫入電信號作用相應的像素上去，完成尋址。再如，利用電荷耦合器件（CCD）和一個附加的電荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)，把寫入電信號轉(zhuǎn)換成調(diào)制器上的電壓分布來完成尋址。寫入信號(光的或電)讀出光輸出光反射式電尋址與光尋址相比有一些弱點，由于串行方式，使它的信息處理速度降低；由于電極幾何尺寸和透過率的限制，其分辨率和填充系數(shù)（像素的有效通光面積與像素的總面積之比）都有所下降；但目前它是光學信息處理與現(xiàn)代電子技術(shù)、特別是計算機——多媒體技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成光電混合系統(tǒng)的有效方式，已得到了廣泛的應用?？臻g光調(diào)制器的功能1、輸入器件

空間光調(diào)制器作為輸入器件，其功能主要是將要處理的信息轉(zhuǎn)換成光學處理系統(tǒng)所要求的輸入形式。主要能實現(xiàn)以下幾種轉(zhuǎn)換。（1）電光轉(zhuǎn)換和串行-并行轉(zhuǎn)換

一個隨時間變化的串行電信號（如攝像機或計算機輸出的圖像信號）,輸入到一個光學處理系統(tǒng)中去，往往要做兩方面的轉(zhuǎn)換。一是將串行輸入方式轉(zhuǎn)換成并行方式，即轉(zhuǎn)換成在空間上排列成一維或二維陣列的形式.二是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號電尋址空間光調(diào)制器可以同時完成這兩種轉(zhuǎn)換。例如，用一束光強均勻的光波作為讀出光，串行的圖像電信號作為寫入信號，并用它控制空間光調(diào)制器上相應的各個像素的透過率或反射率，這樣一來輸出光的光強就形成了一個攜帶輸入信息（圖像）的空間分布，從而可以輸入到光學處理系統(tǒng)中。（2）非相干光——-相干光轉(zhuǎn)換

一般地說，實際物體的像是非相干的圖像。而實時光學處理系統(tǒng)一般只能處理相干圖像。利用光尋址空間調(diào)制器可以將非相干的圖像轉(zhuǎn)換成相干圖像。

用一束振幅均勻的光波作為讀出光，用非相干光組成的圖像作為信號光，并用其光強分布控制空間光調(diào)制器表面上各像素的振幅透過率或反射率，這樣一來輸出光便是一束攜帶寫入圖像的相干光束，可以輸入給實時處理系統(tǒng)。非相干圖像信號讀出光（單色光）輸出光（相干光）（3）波長轉(zhuǎn)換

有時待處理的圖像是在一特定的波長下得到的，而光學處理系統(tǒng)必須在另一波長下工作，這樣必須由一個傳感器來完成波長的轉(zhuǎn)換。利用空間光調(diào)制器可以實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。比如，待處理的是紅外圖像，用它作為寫入光，用一束均勻的單色光作為讀出光，其波長恰好滿足光學處理系統(tǒng)的要求，這樣輸出光就獲得了所需波長的圖像信息。紅外圖像信號讀出光（單色光）輸出光（單色光）2、處理和運算功能器件（1）放大器

當寫入光較弱時，采用一束空間均勻的光束作為讀出光，這時可得到信息被放大的輸出光。這時的空間光調(diào)制器可看做一維或二維的光放大器，或功能圖像增強器。普通的圖像增強器只能增強非相干圖像，而空間光調(diào)制器可以獲得增強的相干光圖像，還可以同時完成波長的變換。（2）乘法器與運算功能器件

對大多數(shù)空間光調(diào)制器來說，信號相乘是其固有的性能。如果讀出光攜帶了一個矩陣的信息，寫入光或?qū)懭腚娦盘栆矓y帶了一個矩陣信息，并用它控制空間光調(diào)制器的透過率或反射率，則輸出光在空間光調(diào)制器表面上的光強分布就等于讀出光和寫入光的乘積。如果寫入信號系統(tǒng)和讀出信號是圖像信號，則可以實現(xiàn)圖像相乘。液晶光閥介紹1、液晶結(jié)構(gòu)

有些物質(zhì)的分子沒有固定的排列,可以自由移動,因而具有液體的流動性,同時它的分子排列取向又存在一定的規(guī)律性,因而又具有晶體的各向異性的特點。把這種介于固相和液相之間的相態(tài)稱為液晶相。把具有液晶相的物質(zhì)稱液晶物質(zhì),常見的主要是一些有機化合物(例如芳香族化合物)及它們的混合物.這些物質(zhì)處在液晶相時,就叫做液晶。一、液晶的光電結(jié)構(gòu)液晶光閥LCLV作為一種實時的高分辨率大屏幕投影顯示和光學數(shù)據(jù)處理等應用的光調(diào)制器件已經(jīng)被廣泛地開發(fā).

液晶物質(zhì)在溫度升高時其相變過程是由固相變成液晶相,再到液相。也就說,存在一個相當寬的溫度范圍,使它處在固-液相之間的過渡狀態(tài),即液晶。這種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶相的物質(zhì)稱為熱致液晶。晶體液晶各向同性液體

還有一種液晶物質(zhì),將其溶解于水或有機溶劑中形成濃的溶液而進入液晶相,稱為溶致液晶。在空間光調(diào)制器中,使用的大多為熱致液晶.

大部分液晶分子呈長棒狀,長度在幾個納米量級,直徑在零點幾個納米量級。從分子排列的有序性來區(qū)分液晶,大致可分為三類:層狀(近晶型)、絲狀（向列型)和螺旋狀（膽甾型)。層狀(近晶型)絲狀（向列型)螺旋狀（膽甾型)。液晶分子排列的三種類型

為討論方便,引入一個單位矢量n來描述液晶分子的排列狀態(tài),n被稱為指向矢,它可視為液晶長棒分子的長軸取向。液晶分子排列的三種模型

近晶型液晶分子排列的基本特點是,其指向矢n在較大范圍內(nèi)有很好的規(guī)律性,在各分子位置附近的較小的范圍內(nèi)也有一定規(guī)律性,從而使其大體上呈層狀排列,每層內(nèi)的指向矢n互相平行或垂直于層面或成一確定角度。因此,近晶型液晶具有宏觀的電學和光學的各向異性特點。實驗表明,在光頻范圍內(nèi),近晶型液晶相當于一個正單軸晶體。

膽甾型液晶的分子也呈分層排列,每層內(nèi)的分子指向矢大體一致,并平行于層面,但相鄰層中分子指向矢的方向依次轉(zhuǎn)過一個角度,總體呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu),如圖C所示。

向列型液晶分子的排列比較雜亂,不再分層,但指向矢的方向大體一致,如圖(b)所示。向列型液晶也具有類似于單軸晶體的光學特性。

目前空間光調(diào)制器中應用最多的是向列型液晶。液晶分子指向矢n可用外界條件來控制,一種方法是受電磁場控制,另一種是受液晶表面處理方式控制。

在實際使用中，一般是把一薄層液晶注入兩玻璃基片中，構(gòu)成液晶盒。若用布或其他纖維織物定向打磨基片,可使指向矢n順著打磨方向平行于基片排列。若此時相對的兩基片上n排列取向互相平行,稱為沿面排列液晶盒；若在基片表面涂一層特殊材料(如卵酸脂),可使n垂直于基片表面排列,這時稱垂直面排列液晶盒。2.液晶盒對分子指向矢的作用

如果在外部條件作用下，液晶中各處的指向矢n偏離了它們在平衡狀態(tài)下的方向,則稱液晶發(fā)生了形變。發(fā)生形變的液晶內(nèi)部也會像彈性體一樣產(chǎn)生一反抗形變的回復力矩。彎曲（b）

液晶的形變包括三種類型:展曲、彎曲和扭曲。如果一個沿面排列液晶盒的兩個基片做成尖劈形,那么液晶會出現(xiàn)如下圖(a)所示的展曲形變;如垂直排列液晶盒的兩個基片做成尖劈形,則出現(xiàn)如下圖（b）所示彎曲形變。

如果把一個沿面排列的液晶盒的一個玻璃基片繞垂直于它表面轉(zhuǎn)過一個角度

則出現(xiàn)如圖C所示的扭曲形變,

稱為扭曲角。由于基片對液晶長棒分子施加了扭矩,而長棒分子之間又具有回復力矩,兩者共同作用使液晶盒中不同位置上的分子取向轉(zhuǎn)過了不同的角度,這樣的液晶盒，簡稱向列液晶盒。彎曲扭曲3、雙折射與扭曲效應

向列液晶是各向異性的,對應于單軸晶體，光束通過時也會出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。

在上圖所示的扭曲液晶盒中,由于指向矢的方向沿螺旋線連續(xù)轉(zhuǎn)過一定角度,因而可視為液晶的主軸(z軸)不是直線而是螺旋線.

如果液晶盒的扭曲角

=900,在入射光路中加一起偏器,并使偏振方向平行于基片上原設(shè)定的方向(即基片上分子的指向矢的方向),這樣,入射的線偏振光的偏振方向?qū)⑴c基片上液晶分子的指向矢一致,可視為e光。

在通過900扭曲液晶盒后,其偏振方向也將轉(zhuǎn)過900,恰好與出射面基片上液晶分子的指向矢同向。若在出射光路中放置一檢偏器,若使檢偏器與起偏器的偏振方向正交,則透過的光強為最大。

扭曲液晶盒的這種使特定方向線偏振光偏振方向旋轉(zhuǎn)一個角度的現(xiàn)象稱為扭曲效應。4.電控雙折射效應

實際上,液晶的長棒分子可以看做一個電偶極子,它具有一個永久的偶極矩。對正型液晶來說,它的偶極矩與液晶分子的長棒方向平行或基本平行,即基本平行于指向矢n;

這樣,在電場E的作用下正型液晶指向矢將趨向于平行于E的方向排列.但是,由于液晶盒基片對液晶分子有力矩作用,液晶分子之間也存在回復力矩,因而液晶分子會同時出現(xiàn)三種形變:展曲、彎曲和扭曲。

在液晶盒的不同位置,外加電場的強弱不同,以及液晶盒的種類不同,都會使上述三種形變的程度出現(xiàn)區(qū)別,因而產(chǎn)生不同的電光效應.

當電場較弱時,電場力還不足以使分子指向矢平行于電場,只有當電場的電壓達到一定值時,液晶分子才會出現(xiàn)改變扭曲角大小的效應,這時展曲和彎曲的影響還很小.在強電場作用下,液晶盒中的大部分分子的指向矢將按照電場E的作用排列電場處于中等強度時情況比較復雜,三種形變同時出現(xiàn),以下為一例子:

用正型液晶制成450扭曲液晶盒,并在盒的一側(cè)放置一反射鏡,構(gòu)成反射型器件。在入射光路中放置一個起偏器,令其偏振軸方向平行于液晶盒入射面上指向矢n的方向。在出射光路中放一檢偏器,令其偏振軸的方向與起偏器的偏振軸方向正交,如上圖所示。當電極上的電壓V=0時,入射的線偏振光通過液晶盒后偏振方向被轉(zhuǎn)過450,但經(jīng)過反射后再次通過液晶盒時,偏振方向又被反向旋轉(zhuǎn),恢復到原入射光的偏振方向上,因而檢偏器透過率為0。

當電極上加一個中等電壓時,形成了一個中等強度的電場,這時液晶分子出現(xiàn)展曲形變,指向矢并未完全平行于電場E,但已出現(xiàn)傾斜,朝著垂直排列液晶的趨勢變化。

同時,電場對液晶分子的扭曲形變也有影響。這種中等強度電場作用的結(jié)果,是使液晶同時出現(xiàn)雙折射效應和扭曲效應,故又稱混合場效應。這時,入射的線偏振光通過液晶后,變成同時含有兩個正交偏振方向的分量(o光和e光)的橢圓偏振光,經(jīng)反射后再次通過液晶盒的偏振光,則可以有一部分通過檢偏器,透過的光強與電壓的大小有關(guān)。二、光尋址液晶光閥

硫化鎘液晶光閥（LCLV），是利用液晶的混合場效應而制成的一種光尋址空間光調(diào)制器。它是用硫化鎘CdS作為光電導層而得