【摘要】
本實驗利用如圖2光路圖，測量了驅動頻率為1.0khz、偏轉角約為45°時，液晶光閥分別在寫入電壓為0.0v和9.
0v時的工作曲線，並利用工作曲線確定大致的影象實時變換範圍分別得到了典型的正像、負像、邊緣增強、邊緣減弱影象。再利用影象實時變換的負像原理得到了影象實時相減圖。用液晶光閥觀察了單縫的頻譜，空間濾波，並利用光學模擬的方法再現了計算全息圖。
【關鍵詞】
液晶光閥、空間濾波、傅利葉變換、再現
【引言】
空間光調製器是一種對光波的空間分布進行調製的器件。液晶光閥是利用液晶對光的調製特性而製作的一種光定址空間光調製器，它是開展資訊與雷射技術領域科研工作的高新技術光電子器件之一，被廣泛應用在光學資訊處理、光學互連及光計算、文字與影象的相關識別、非相干光及相干光影象轉換、大螢幕投影顯示、機械人視覺等領域。
本實驗的目的是使同學們了解液晶光閥的工作原理，理解影象反轉、微分、相減、傅利葉變換和空間濾波的原理。學會實驗再現全息**。
【原理】
一、 液晶光閥的工作原理
液晶是一種有機高分子化合物，當液晶分子有序排列時表現出光學各向異性。液晶分子的排列狀態按其對稱性可分為三大類：向列型、膽甾型和近晶型。
實驗中採用的是向列型液晶。正性向列相液晶各分子長軸方向大體一致，但分子位置雜亂，且不分層排列，在外電場作用下分子取向沿電場方向排列，因此，可以通過控制電場來控制液晶分子的取向，從而控制液晶對光的透過特性。
實驗採用的是反射式交流cds液晶光閥，其結構如圖1所示：
由於光阻擋層、介質鏡、隔絕層等都很薄，交流電阻很小，因此交流電阻主要落在光導體和向列液晶上。對於有寫入光的部分，光導體電阻很小，因此電壓主要加在液晶層上，則此時輸出光為橢圓偏振光；而對於沒有寫入光的部分，光導體電阻很大，液晶層上電阻很小，液晶層裡分子長軸取向沒有突變，因此輸出光仍為p光。從而，當反射回的光再次經過pbs時，則對於有寫入光的部分，有光被反射，即有輸出光，而對於沒有寫入光的部分，則沒有光被反射，即沒有輸出光。
二、 影象實時變換原理
（1）影象實時反轉和微分的工作原理
液晶光閥的輸出光強與多種因素有關，因此需先測出液晶光閥的工作曲線，由工作曲線，可以看出在不同驅動電壓下，在寫入光電壓不同時，其輸出光強是不同的，進而確定液晶光閥處於成正像、負像、邊緣增強、邊緣減弱等不同工作狀態下的驅動電壓。實驗中測量工作曲線光路如圖2所示：
影象質量與影象的襯比度c()有很大很大關係。因此在實驗中要想得到更清晰地影象，需要調節光路使得最大輸出光強與最小光強之比最大。
（2）影象的實時相減
兩幅影象通過相減以後可以突出兩者的差別。實現影象實時相減的基本原理基於液晶光閥可以輸出物體的負像。
（3）傅利葉變換
由光波的衍射理論可知，在滿足琅和費近似條件下，觀察平面上的光場分布正比於也徑平面上透射光場分布的傅利葉變換。通常發生琅和費衍射的距離很遠，可以在孔徑後放置一透鏡，在透鏡的後焦面上可以觀察到也徑的夫琅和費衍射圖樣，也是也孔徑的傅利葉變換頻譜，因此也將透鏡的後焦面稱為傅利葉變換頻譜面。這樣，即可以用傅利葉變換來分析光波的衍射問題。
三、 空間濾波
設空域的三個函式的傅利葉變換分別為，其中為輸入訊號，且有，使輸入訊號的頻譜轉換為，這種改變頻譜成分的操作稱為空間頻率濾波，簡稱空間濾波。稱為空間濾波器。
四、 計算全息
計算全息就是計算機制全息圖。計算全息圖的製作和再現過程主要分為：抽樣，計算，編碼，成圖，再現。再現，即採用光學模擬方法再現計算全息圖。
實驗中是對已有的全息片進行再現，由於編碼時被記錄的是物波函式的傅利葉變換，所以觀察時要在傅利葉變換頻譜面是觀察全息片所成的頻譜圖。如圖2，在物處放上全息片，把ccd置於光電池處，即可觀察到全息片記錄的像。
【實驗】
一、 實驗儀器
he-ne雷射器、雷射電源、雷射功率計、光電探測器、液晶光閥、擴束鏡、準直透鏡、光闌、成像物鏡、偏振分光鏡（psd）、傅氏透鏡、照明白光源、系統控制器、ccd攝像頭及顯示器、觀察屏、直流穩壓電源、可變狹縫、物體透明片、正交網格透明片，計算全息透明片
二、 實驗內容
a、 按如圖2所示，搭好光路。
b、 在驅動電壓為1.0khz，偏轉角近似為45°(即無寫入光源時，輸出光最弱)的情況下，分別在寫入電壓為0.0v和9.
0v時，改變光閥的驅動電壓，測量光閥的工作曲線，並大致確定四種情況下的驅動電壓範圍。
c、 觀察影象的實時變換，包括正像、負像、邊緣增強、邊緣減弱以及影象的實時相減，並拍下相應的影象。
d、 把單縫放在物處，觀察單縫的頻譜，並觀察正交網格的頻譜，及正交網格經單縫過濾後的頻譜。
e、 對實驗中已有的全息片進行再現。
【結果及分析】
1、 在兩種寫入電壓下測量液晶光閥的工作曲線
經測量得到液晶光閥分別在寫入電壓為0.0v和9.0v時的工作曲線如圖3所示：
由工作曲線分析可知：液晶光閥在驅動電壓在0.24v~0.
9v、1.54v~1.88v和2.
07v~4.40v範圍內，得到物體正像；在驅動電壓為0.9v~1.
54v和1.88v~2.07v範圍內，得到負像；在驅動電壓為為0.
9v、1.88v時得到邊緣增強的微分像；在驅動電壓為1.54v、2.
07v時得到邊緣減弱的微分像。
2、 觀察影象的實時變換以及實時相減影象
實驗中調節驅動電壓，在寫入電壓為9.0v的情況下得到影象的正像、負像、邊緣增強（圖4）以及邊緣減弱影象（圖5）。
從左到右分別為：邊緣增強-驅動電壓為1.20v；負像-驅動電壓為1.44v；邊緣減弱-驅動電壓為2.50v；正像-驅動電壓為3.10v。實驗中
實驗中在寫入電壓為9.0v的情況下，調節驅動電壓為1.45v時，得到影象的實時相減圖：
3、 觀察單縫、正交網格頻譜圖，以及正交網格經過單縫過濾後的頻譜圖
在寫入電壓為9.0v時，調節驅動電壓為2.99v，調節單縫（正交網格）與物鏡以及物鏡與光閥的距離使得所成像清晰。通過ccd攝像頭得到單縫（正交網格）的頻譜圖如圖6所示：
正交網格經豎直狹縫濾波後得到頻譜如圖7所示：
可見，正交網格經豎直狹縫濾波後，能把豎直方向的頻譜濾掉，只剩下水平方向的頻譜。
4、 已有全息片的再現
對實驗已有全息片再現得到頻譜圖如圖8所示：
【結論及建議】
實驗對驅動電壓頻率為1.0khz、偏轉角約為45°的液晶光閥的工作曲線進行了測量，並分別在驅動電壓為1.20v時得到了典型的邊緣增強微分像；在驅動電壓為1.
44v時得到了典型的負像；在驅動電壓為2.50v時得到了典型的邊緣減弱微分像；在驅動電壓為3.10v時得到了典型的正像。
且其分別所處的電壓值與對工作曲線分析所得電壓值基本相當。對於單縫頻譜、正交網格頻譜及空間濾波的頻譜觀察也與理論預期相符。並用相同原理完成了全息圖的再現。
【參考文獻】
近代物理實驗熊俊主編
液晶光閥實驗報告
實驗題目 液晶光閥 實驗預習報告見紙質報告。一.實驗資料 1.液晶開關光電特性的測量 資料如下 2.液晶的時間響應測量 資料如下 由示波器得到 y 906mv 分別對不同時間的液晶屏閃爍測量上公升時間和下降時間 3.視角特性的測量 資料如下 水平方向的視角特性 垂直方向視角特性 二.資料處理 1.液...
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