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(jìn)行論述,先介紹幾種典型的相干光學(xué)處理方法.光學(xué)信息處理通常有兩種分類方法:從所使用光源的空間和時(shí)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(xué)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(shí)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(jìn)行編碼。如右圖(a)所示,在第一次曝光時(shí),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(shí)將光柵平行移動(dòng)半個(gè)周期,這時(shí)光柵透射因子于是得到乘以光柵透射因子t‘(x)的第二個(gè)像B.兩次曝光時(shí)的光柵位置互補(bǔ),如右圖(b)所示.設(shè)圖像A和圖像B的光強(qiáng)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(fù)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(yīng)于IA+IB的低頻部分,而容許相應(yīng)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(xiàng),實(shí)現(xiàn)了圖像相減.它顯示出兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了和、差信息的信道分離,因此通過頻域?yàn)V波,可以單獨(dú)提取圖像A和B的差異.空域編碼和頻域解碼是相干光學(xué)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(yùn)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(biāo)原點(diǎn)的位置。在像面上有三個(gè)圖像從頻域看,它使通過頻譜面的信息沿三個(gè)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(shí)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(diǎn)對稱放置，其中心與原點(diǎn)距離為輸入場分布可表示為則入射到光柵上的光場復(fù)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(dāng)光柵的初相位0=/2，即光柵偏離原點(diǎn)1/4周期時(shí)在P3平面中心部位實(shí)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(yīng)來理解。0=/2時(shí)，濾波系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)輸出平面上復(fù)振幅是輸入圖像的幾何像與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)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(yīng)下圖表示了輸入、輸出與光柵濾波系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的關(guān)系.圖中用Re和Im復(fù)平面來表示輸入與輸出脈沖響應(yīng)的復(fù)振幅分布,以便對脈沖響應(yīng)中后兩項(xiàng)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(gè)脈沖響應(yīng),即脈沖響應(yīng)中的后兩項(xiàng).當(dāng)圖像A相對于其中一個(gè)的卷積像與圖像B相對于另一個(gè)的卷積像重合時(shí),在輸出平面上實(shí)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(gè)卷積像的相干疊加.空域分析法和頻域分析法是等價(jià)的.一、匹配空間濾波器9.2匹配濾波與圖像識別

相干光學(xué)處理還能作兩個(gè)函數(shù)的卷積運(yùn)算和相關(guān)運(yùn)算.由于這兩種方法極為相似,也由于相關(guān)運(yùn)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(yùn)算和相關(guān)運(yùn)算分別定義為★★相關(guān)運(yùn)算可用卷積表示為

空域中兩個(gè)函數(shù)的卷積運(yùn)算在頻域中對應(yīng)于相乘運(yùn)算,若要對s(xy)和f(x,y)進(jìn)行卷積運(yùn)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(fù)振幅分布為

H(,)F(,),輸出面上的分布則為★相關(guān)運(yùn)算可用卷積表示為

對于作相關(guān)運(yùn)算,可根據(jù)相關(guān)運(yùn)算和卷積運(yùn)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(dāng)輸入信號在輸入平面出現(xiàn)時(shí)，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(xué)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(gè)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(gè)量完全是實(shí)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(shí)質(zhì)上是在頻域?qū)斎胄盘栴l譜的相位補(bǔ)償,形成平面相位分布,匹配濾波器在光學(xué)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(fù)數(shù)濾波器,可以用光學(xué)全息或計(jì)算全息的方法制作.二、用全息法制作復(fù)數(shù)濾波器

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

另一部分準(zhǔn)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(fù)振幅透過率正比于曝光光強(qiáng)式中

公式中的第三、第四項(xiàng)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(fù)振幅分布為★★上式中的第三和第四項(xiàng)在P3平面上給出了f和h的互相關(guān)和卷積,其中心坐標(biāo)為(0,b).式中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)在通常的濾波運(yùn)算中沒有什么特別的用途,其中心坐標(biāo)在(x3,y3)平面原點(diǎn)上.(*)

顯然,如果參考光傾角足夠大,那么卷積項(xiàng)和互相關(guān)項(xiàng)將與中心項(xiàng)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(gè)輸出項(xiàng)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(xiàng)沿y3方向?qū)挾葹閃f和Wf+2Wh,相關(guān)項(xiàng)和卷積項(xiàng)的寬度都是Wf+Wh.由圖可以清楚地看出各項(xiàng)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(xì)胞等等.采用匹配濾波器進(jìn)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(zhǔn)圖像和相加性噪聲,則假定基準(zhǔn)圖像為s(x1,yl),制作匹配空間濾波器時(shí)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(fù)振幅分布★★★

式中第一項(xiàng)是較強(qiáng)的自相關(guān)項(xiàng)輸出,在輸出平面上產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)。第二項(xiàng)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(diǎn),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(xiàng),它們在輸出平面上所對應(yīng)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(gè)處理系統(tǒng)的輸入g可以是N個(gè)可能的字符S1,S2,…,SN之一,要由相干光學(xué)識別機(jī)來確定到底是哪個(gè)具體字符.現(xiàn)在考慮一個(gè)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(shí)(或依次地)被加到濾波函數(shù)分別為S1,S2,,…,SN的N個(gè)匹配濾波器上,考慮到各個(gè)字符的能量一般不相等,故每個(gè)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(gè)輸出的模的平方進(jìn)行比較，如果輸入平面上是第k個(gè)特定的字符g(x,y)=SK(x,y),則特定的輸出|VK|將是N個(gè)響應(yīng)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(xué)識別機(jī)可以辨認(rèn)一組可能的字符中究竟是哪一個(gè)字符實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(jìn)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(biāo)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(qiáng)度有響應(yīng)，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(xiàng)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(xiàng)和第二項(xiàng)是f和h的自相關(guān)，位于輸出平面中心；后兩項(xiàng)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(xiàng)，則輸出項(xiàng)中還應(yīng)增加一個(gè)近年來發(fā)展了多種實(shí)時(shí)光電混合的聯(lián)合變換相關(guān)器,圖是一種采用兩個(gè)液晶光閥(LCLV)的光電混合式實(shí)時(shí)聯(lián)合變換相關(guān)器.光電混合式實(shí)時(shí)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(kuò)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(jī)采集后預(yù)先存在計(jì)算機(jī)內(nèi)存,目標(biāo)圖像由CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集,在計(jì)算機(jī)控制下兩個(gè)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(biāo)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(shí)時(shí)識別。五、用逆濾波器消模糊

相干光學(xué)信息處理的一項(xiàng)有趣的應(yīng)用是模糊圖像的復(fù)原。在成像過程中,由于成像系統(tǒng)的像差、目標(biāo)和底片的相對運(yùn)動(dòng)、大氣擾動(dòng)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(xué)濾波系統(tǒng)中,從頻譜平面對系統(tǒng)傳遞函數(shù)作適當(dāng)補(bǔ)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(diǎn)擴(kuò)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(shí)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?yàn)V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(gè)透射系數(shù)為的逆濾波器進(jìn)行濾波就可在輸出面上，可得消模糊的像。這時(shí)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?yàn)樗阅鏋V波器的制作可分兩步進(jìn)行：第一步制作Hc濾波器，第二步制作濾波器。使用時(shí)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(yù)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(shí)際上就是要知道怎么模糊的

將這兩個(gè)濾波器對正緊貼在一起就得到了逆濾波器。由于膠片動(dòng)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(shí)現(xiàn)超越衍射極限的復(fù)原是不現(xiàn)實(shí)的。例攝影時(shí)由于不小心，在橫向抖動(dòng)了2a，形成兩個(gè)像的重影，設(shè)計(jì)一個(gè)改良此照片的逆濾波器.解：在此情況下造成成像缺陷的點(diǎn)擴(kuò)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(gè)振幅透射率為s(x,y)的“信號”底片緊貼著放在一個(gè)會(huì)聚透鏡的前面,用照相底片記錄后焦面上的強(qiáng)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(dāng)部位,問輸入平面和第一個(gè)透鏡之間的距離d應(yīng)為多少,透射片才能綜合出:(1)脈沖響應(yīng)為s(x,y)的濾波器?(2)脈沖響應(yīng)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(qiáng)分布為將曝過光的膠片顯影后制成透明片，使它的復(fù)振幅透過率與照射光的強(qiáng)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(yīng)s(x,y)或s*(-x,-y),我們只要考察當(dāng)輸入信息為單位脈沖（x1,y1)時(shí)，在什么條件下系統(tǒng)的要綜合出脈沖響應(yīng)s(x,y)或s*(-x,-y)。輸入為單位脈沖時(shí)，在L2的后焦面上形成的光場復(fù)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(yīng)為s(x,y)，則應(yīng)利用上式第三項(xiàng)，應(yīng)要求該項(xiàng)的二次相位因子為零，即有d=2f這時(shí)輸出為（反演坐標(biāo)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(yīng)為s*(-x,-y),則應(yīng)利用上式中的第二項(xiàng)，應(yīng)要求該項(xiàng)的二次相位因子為零，即有d=0這時(shí)輸出為（反演坐標(biāo)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(diǎn)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(yīng)大于第五級譜對應(yīng)的衍射角，小角度下ffDD1因?yàn)镈1不為零，所以當(dāng)D滿足下式時(shí)，上式一定成立

近年來，光學(xué)、光電子學(xué)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(dǎo)體激光器和微光學(xué)元器件及其應(yīng)用都在突飛猛進(jìn)的發(fā)展；尤其是各類空間光調(diào)制器，因其具有可實(shí)時(shí)地在空間上調(diào)制光束的重要功能而成為構(gòu)成實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理、光計(jì)算和光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shí)間的函數(shù).有否可能利用一個(gè)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(jìn)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(shí)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(diǎn)在于,它是由許多基本的獨(dú)立單元組成的一維或二維陣列,這些獨(dú)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(gè)一個(gè)小單元。寫入信號(光的或電)讀出光輸出光透射式

這些小獨(dú)立單元通常習(xí)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(gè)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(yīng)包含有控制各個(gè)像素的信息，把這些信息分別傳送到相應(yīng)像素上的過程稱為“尋址”或“編址”。如果用寫入光實(shí)現(xiàn)這一過程，稱為光尋址；采用寫入電信號實(shí)現(xiàn)這一過程稱為電尋址。

光尋址通常采用一個(gè)二維光強(qiáng)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(yīng)，從而實(shí)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(shí)，所有像素的尋址同時(shí)完成，所以它是一種并行尋址。其特點(diǎn)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(shí)，要防止寫入光與讀出光之間的串?dāng)_。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(gè)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(shí)，因?yàn)殡娦盘柺且粋€(gè)時(shí)間序列，原則上只能依次地輸送到調(diào)制器各個(gè)像素上去，所以電尋址是一種串行方式。實(shí)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(yīng)的像素上去，完成尋址。再如，利用電荷耦合器件（CCD）和一個(gè)附加的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(diǎn)，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(xué)信息處理與現(xiàn)代電子技術(shù)、特別是計(jì)算機(jī)——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(yīng)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(xué)處理系統(tǒng)所要求的輸入形式。主要能實(shí)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(gè)隨時(shí)間變化的串行電信號（如攝像機(jī)或計(jì)算機(jī)輸出的圖像信號）,輸入到一個(gè)光學(xué)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(shí)完成這兩種轉(zhuǎn)換。例如，用一束光強(qiáng)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(yīng)的各個(gè)像素的透過率或反射率，這樣一來輸出光的光強(qiáng)就形成了一個(gè)攜帶輸入信息（圖像）的空間分布，從而可以輸入到光學(xué)處理系統(tǒng)中。（2）非相干光——-相干光轉(zhuǎn)換

一般地說，實(shí)際物體的像是非相干的圖像。而實(shí)時(shí)光學(xué)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(qiáng)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(shí)時(shí)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(shí)待處理的圖像是在一特定的波長下得到的，而光學(xué)處理系統(tǒng)必須在另一波長下工作，這樣必須由一個(gè)傳感器來完成波長的轉(zhuǎn)換。利用空間光調(diào)制器可以實(shí)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(xué)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(yùn)算功能器件（1）放大器

當(dāng)寫入光較弱時(shí)，采用一束空間均勻的光束作為讀出光，這時(shí)可得到信息被放大的輸出光。這時(shí)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(qiáng)器。普通的圖像增強(qiáng)器只能增強(qiáng)非相干圖像，而空間光調(diào)制器可以獲得增強(qiáng)的相干光圖像，還可以同時(shí)完成波長的變換。（2）乘法器與運(yùn)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(gè)矩陣的信息，寫入光或?qū)懭腚娦盘栆矓y帶了一個(gè)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(qiáng)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(shí)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(dòng),因而具有液體的流動(dòng)性,同時(shí)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(diǎn)。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(jī)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(shí),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(shí)時(shí)的高分辨率大屏幕投影顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等應(yīng)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(shí)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(gè)相當(dāng)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(jī)溶劑中形成濃的溶液而進(jìn)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(gè)納米量級,直徑在零點(diǎn)幾個(gè)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(gè)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(diǎn)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(xué)和光學(xué)的各向異性特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,在光頻范圍內(nèi),近晶型液晶相當(dāng)于一個(gè)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(gè)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(xué)特性。

目前空間光調(diào)制器中應(yīng)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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)像彈性體一樣產(chǎn)生一反抗形變的回復(fù)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(gè)沿面排列液晶盒的兩個(gè)基片做成尖劈形,那么液晶會(huì)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(gè)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(gè)沿面排列的液晶盒的一個(gè)玻璃基片繞垂直于它表面轉(zhuǎn)過一個(gè)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(fù)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(yīng)

向列液晶是各向異性的,對應(yīng)于單軸晶體，光束通過時(shí)也會(huì)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(qiáng)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(gè)角度的現(xiàn)象稱為扭曲效應(yīng)。4.電控雙折射效應(yīng)

實(shí)際上,液晶的長棒分子可以看做一個(gè)電偶極子,它具有一個(gè)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(fù)力矩,因而液晶分子會(huì)同時(shí)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(qiáng)弱不同,以及液晶盒的種類不同,都會(huì)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(yīng).

當(dāng)電場較弱時(shí),電場力還不足以使分子指向矢平行于電場,只有當(dāng)電場的電壓達(dá)到一定值時(shí),液晶分子才會(huì)出現(xiàn)改變扭曲角大小的效應(yīng),這時(shí)展曲和彎曲的影響還很小.在強(qiáng)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(qiáng)度時(shí)情況比較復(fù)雜,三種形變同時(shí)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(gè)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(dāng)電極上的電壓V=0時(shí),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(shí),偏振方向又被反向旋轉(zhuǎn),恢復(fù)到原入射光的偏振方向上,因而檢偏器透過率為0。

當(dāng)電極上加一個(gè)中等電壓時(shí),形成了一個(gè)中等強(qiáng)度的電場,這時(shí)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(shí),電場對液晶分子的扭曲形變也有影響。這種中等強(qiáng)度電場作用的結(jié)果,是使液晶同時(shí)出現(xiàn)雙折射效應(yīng)和扭曲效應(yīng),故又稱混合場效應(yīng)。這時(shí),入射的線偏振光通過液晶后,變成同時(shí)含有兩個(gè)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(qiáng)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(yīng)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(dǎo)層而得