物理实验第22卷第10 液晶光阀图像输出特性的研究 甘巧强)周立辉谢斌平2马秀芳3沈元华2 (1)复旦大学材料系上海2004332)复旦大学物理系上海200433) 摘要:根据液晶光阀工作曲线,探讨了图像的各种输出特性,如图像实时反转、图像边界增强等 关键词液晶光阀,工作曲线图象实时反转,图像边界提取 中图分类号O7532 文献标识码A 文章编号:1005-4642(2002)10-0045-04 Research on output character istics of LCLv MA XL-fang2) ShEn Y uan-hua3)pge. GAn Q iao-q iang ZHOU L rhur XIE B 1Departm ent ofM aterial Science, Fudan U niversity, Shanghai, 200433 2)Departm ent of Physics, Fudan U niversity, Shanghai, 200433) Abstract Optical output characteristics of liquid cry stal light valve are clo sely related w ith its work ing curves The relatpnsh p betw een the work ing curves and the output characteristics are discussed Key words: liqu id crystal light valve, work ing curves, m age real-tme reverse, m age boundary extraction 引言 “反转像”,还有只看到黑与白边缘的“空心像” 等.我们测量了液晶光阀在不同条件下的工作 液晶光阀(luμ uid crystal light valve,简称曲线,并据此对实验现象作出了解释 LCLV)是利用液晶的光学特性制作的空间光 2实验现象 调制器,已广泛应用于光通信、光计算及光信息 处理的许多方面.它不仅可以实现非相干光 液晶光阀结构如图1所示.其中d是液晶 相干光的转换,微光图像的放大,而且在实时图层,其两侧的玻璃基板经处理使得液晶分子长 像处理系统中,可实现图像的各种实时转换 轴沿一定方向排列,光通过液晶层时产生双折 液晶光阀作为一种典型的空间光调制器,射效应若在液晶层两侧加一定电压,液晶分子 已进入大学物理和物理实验教材.笔者在进行在电场作用下会沿电场方向排列,即光轴方向 液晶光阀实验时,发现随着工作电压的变化,它倾向于电场方向偏转,从而引起双折射效应的 的各种实时光调制现象不同:有黑与白分别对改变·光电导层g在外加写入光时电阻率急剧 应相同的“正像”,也有黑与白分别对应相反的下降阻隔层f分离写入光和读出光在无写入 9级本科生 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
液晶光阀图像输出特性的研究 甘巧强1) Ξ 周立辉2) 3 谢斌平2) 3 马秀芳2) 沈元华2) ( 1) 复旦大学材料系上海 200433; 2) 复旦大学物理系 上海 200433) 摘 要: 根据液晶光阀工作曲线, 探讨了图像的各种输出特性, 如图像实时反转、图像边界增强等Λ 关键词: 液晶光阀; 工作曲线; 图象实时反转; 图像边界提取 中图分类号: O 753. 2 文献标识码: A 文章编号: 100524642 (2002) 1020045204 Research on output character istics of LCL V GAN Q iao2qiang1) 3 ZHOU L i2hu i2) 3 X IE B in2p ing2) 3 M A X iu2fang2) SH EN Yuan2hua2) ( 1)D epartm en t of M aterial Science, Fudan U n iversity, Shanghai, 200433; 2)D epartm en t of Physics, Fudan U n iversity, Shanghai, 200433) Abstract: Op tical ou tpu t characteristics of liqu id crystal ligh t valve are clo sely related w ith its w o rk ing cu rves. T he relation sh ip betw een the w o rk ing cu rves and the ou tpu t characteristics are discu ssed. Key words: liqu id crystal ligh t valve; w o rk ing cu rves; im age real2tim e reverse; im age boundary ex traction 1 引 言 液晶光阀 (liqu id crystal ligh t valve, 简称 L CLV ) 是利用液晶的光学特性制作的空间光 调制器, 已广泛应用于光通信、光计算及光信息 处理的许多方面Λ 它不仅可以实现非相干光- 相干光的转换, 微光图像的放大, 而且在实时图 像处理系统中, 可实现图像的各种实时转换Λ 液晶光阀作为一种典型的空间光调制器, 已进入大学物理和物理实验教材Λ 笔者在进行 液晶光阀实验时, 发现随着工作电压的变化, 它 的各种实时光调制现象不同: 有黑与白分别对 应相同的“正像”, 也有黑与白分别对应相反的 “反转像”, 还有只看到黑与白边缘的“空心像” 等Λ 我们测量了液晶光阀在不同条件下的工作 曲线, 并据此对实验现象作出了解释Λ 2 实验现象 液晶光阀结构如图 1 所示Λ 其中 d 是液晶 层, 其两侧的玻璃基板经处理使得液晶分子长 轴沿一定方向排列, 光通过液晶层时产生双折 射效应Λ若在液晶层两侧加一定电压, 液晶分子 在电场作用下会沿电场方向排列, 即光轴方向 倾向于电场方向偏转, 从而引起双折射效应的 改变Λ 光电导层 g 在外加写入光时电阻率急剧 下降; 阻隔层 f 分离写入光和读出光Λ在无写入 物理实验 第 22 卷 第 10 期 54 Ξ 99 级本科生 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第22卷第10期 光时,光导层电阻高,电压几乎都加在光导层原来遮光处变得输出明亮,原来透明处反而输 上,液晶层上电压降很小当有写入光时,光导出暗淡,此时输出即为反转像这样一种黑白反 层电阻急剧下降,于是液晶层上电压迅速增大,转的现象称为“图像实时反转”.继续调节驱动 使其光轴方向发生偏转,从而改变双折射效应.电压,发现反转像和正像会多次互相转变.而 且,同样是正像或同样是反转像,不同电压范围 读出光 写入光 所对应的图像的整体亮度和对比度是不一样 的第1次反转像整体较暗,但对比很清晰,第 2次反转像整体很亮,但对比度小.如果改变液 晶光阀相对于读出光偏振方向的角度,则反转 特性也会有很大的变化.特别是在由正像和反 转像互变的过程中,还会出现只有图像边缘突 图1液晶光阀的结构 现出来,其余部分亮度都差不多的“空白像”现 a增透层b玻璃基板c透明电极d液晶层 象 e反射层f阻隔层g光电导层 实际的实验光路如图2所示·偏振分光棱3图像的正反、亮度和对比度 镜让扩束后的氦氖激光(读出光)的p分量进入 固定写入光强l,调节液晶光阀的驱动电 液晶光阀,并将从光阀反射回来的光中的s分压U,测量读出光的输出光强I并归一化处理, 量反射,经透镜L4聚焦在观察屏上.这种从光就可得到液晶光阀的输出光强与驱动电压的关 阀反射回来的光的偏振态因液晶的双折射效应系.我们把表示这种关系的曲线称为液晶光阀 而发生改变,是各种状态的椭圆偏振光,其状态的工作曲线,如图3所示当写入光直接照射液 由写入光的强度决定,因而在观察屏上呈现的晶光阀写入端时,所测到的工作曲线对应着图 是一幅与写入光相应的图像这样,强度小的非片里透明不遮光的部分(即1o为100%透过); 相干光(写入光)调制了强度大的相干光(读出改变写入光强,使10=0得到另一条工作曲线 光),从而实现弱光变强光、非相干光变相干光它对应于图片里完全不透光的部分·将0透光 等空间光调制作用 率和100%透光率的工作曲线置于同一个图中 观察屏 比较,可清楚地看到出现正反图像的原理在某 液品光阀 电压范围内,100%透光率的输出光比较强,而 写入图像 0透光率输出光很弱,应输出正像,在另一电压 氮氖激光器 范围内.0诱光率的输出光较强而100%输出光 写入光 偏振分光棱镜 20 交流驱动电压 图2实验光路示意图 将写入图像(一张由透明部分和遮光部分 组成的黑白写入图片)用透镜Ly成像在光阀 上,当驱动电压较小时,可看到在观察屏上的对 应图像与原图像一致,即原来遮光(黑)处暗,原 来透明(白)处亮,此时输出为正像调节光阀驱 图3液晶光阀0偏角时0透光率与 动电压,可以发现,随着驱动电压的变大,图像 100%透光率工作曲线的比较 ghua Tongfang Optical Disc Co, LId. Al rights reserved
光时, 光导层电阻高, 电压几乎都加在光导层 上, 液晶层上电压降很小; 当有写入光时, 光导 层电阻急剧下降, 于是液晶层上电压迅速增大, 使其光轴方向发生偏转, 从而改变双折射效应Λ 图 1 液晶光阀的结构 a. 增透层 b. 玻璃基板 c. 透明电极 d. 液晶层 e. 反射层 f. 阻隔层 g. 光电导层 实际的实验光路如图 2 所示Λ 偏振分光棱 镜让扩束后的氦氖激光(读出光) 的p 分量进入 液晶光阀, 并将从光阀反射回来的光中的 s 分 量反射, 经透镜L 4 聚焦在观察屏上Λ 这种从光 阀反射回来的光的偏振态因液晶的双折射效应 而发生改变, 是各种状态的椭圆偏振光, 其状态 由写入光的强度决定, 因而在观察屏上呈现的 是一幅与写入光相应的图像Λ这样, 强度小的非 相干光(写入光) 调制了强度大的相干光(读出 光) , 从而实现弱光变强光、非相干光变相干光 等空间光调制作用Λ 图 2 实验光路示意图 将写入图像(一张由透明部分和遮光部分 组成的黑白写入图片) 用透镜L 3 成像在光阀 上, 当驱动电压较小时, 可看到在观察屏上的对 应图像与原图像一致, 即原来遮光(黑) 处暗, 原 来透明(白) 处亮, 此时输出为正像; 调节光阀驱 动电压, 可以发现, 随着驱动电压的变大, 图像 原来遮光处变得输出明亮, 原来透明处反而输 出暗淡, 此时输出即为反转像Λ这样一种黑白反 转的现象称为“图像实时反转”Λ 继续调节驱动 电压, 发现反转像和正像会多次互相转变Λ 而 且, 同样是正像或同样是反转像, 不同电压范围 所对应的图像的整体亮度和对比度是不一样 的: 第 1 次反转像整体较暗, 但对比很清晰; 第 2 次反转像整体很亮, 但对比度小Λ如果改变液 晶光阀相对于读出光偏振方向的角度, 则反转 特性也会有很大的变化Λ 特别是在由正像和反 转像互变的过程中, 还会出现只有图像边缘突 现出来, 其余部分亮度都差不多的“空白像”现 象Λ 3 图像的正反、亮度和对比度 固定写入光强 I 0, 调节液晶光阀的驱动电 压U , 测量读出光的输出光强 I 并归一化处理, 就可得到液晶光阀的输出光强与驱动电压的关 系Ζ 我们把表示这种关系的曲线称为液晶光阀 的工作曲线, 如图 3 所示Ζ当写入光直接照射液 晶光阀写入端时, 所测到的工作曲线对应着图 片里透明不遮光的部分(即 I 0 为 100% 透过); 改变写入光强, 使 I 0= 0 得到另一条工作曲线, 它对应于图片里完全不透光的部分Λ 将 0 透光 率和 100% 透光率的工作曲线置于同一个图中 比较, 可清楚地看到出现正反图像的原理: 在某 电压范围内, 100% 透光率的输出光比较强, 而 0 透光率输出光很弱, 应输出正像; 在另一电压 范围内, 0 透光率的输出光较强而 100% 输出光 图 3 液晶光阀 0 偏角时 0 透光率与 100% 透光率工作曲线的比较 64 物理实验 第 22 卷 第 10 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第22卷第10 比较弱,则应出现反转像 况下进行的如果这2个方向不一致,即让液晶 实验中使用的写入图像为一幅“复旦”字样光阀转过1个角度,发现实时反转现象有了较 的透明片,如图4(a)所示,字体为黑色(透光率大变化,出现5次反转·根据以上分析可推论 为0),周围透光率为100%实验中看到,在驱2条工作曲线应有5个交点,曲线应有3个峰 动电压为0~Ⅳ时,输出的是光强较弱而对比 我们在液晶光阀40°偏角时实际测量了2 度较好的正像,如图4(b)所示,驱动电压在1条工作曲线,发现确实有3个峰,的确有5个交 15V时,输出的是光强较弱而对比度较好的反点(如图5).出现反转情形显而易见:即驱动电 转像,如图4(c)所示,驱动电压在15-45V压在0~ⅣV时为反转像,驱动电压在24 时,再次输出正像,对比度较大,整体图像比较时为正像,驱动电压在2434时为反转 亮,如图4(d)所示,驱动电压在45以上,则像;驱动电压在34~45V时为正像驱动电 又输出反转像,整体图像较亮,但对比度较小,压在457V时为反转像,而驱动电压在 如图4(e)所示 7ⅣV以上又是正像,这样变化了5次.可见由 曲线分析与实验验证完全吻合 月 100%透光率 0透光率 000000 图5液晶光阀40°偏角时0透光率与 100%透光率工作曲线的比较 5图像的边界效应 图5曲线中交点处应代表写入光的“黑”处 与“白”处对应的读出光强相同,此时读出光图 图4图像实时反转 像应均匀一片但实验结果表明,读出光仍有图 由此可见理论分析与实验结果完全符合.像出现,例如以图像“"”字样为写入光图像,在 实验中,将驱动电压从0调节到该仪器所能达U=4V处,出现亮边缘的“空心图像”如图6 到的最大电压(约8)时,共观察到3次反转,(a)所示,而在U=Z处,出现暗边缘的“空 而由图3可以看出2条曲线共有3个交点分心图像”,如图6(b)所示,可见,内外亮度虽基 别位于Ⅳ,15,45V处前2个交点附近光本一致但边界处的亮度却不同,这就是图像的 强弱,后1个交点附近光强大 “边界效应” 原来,我们使用的光源不是理想的点光源, 4液晶光阀的偏转角度与输出特性的关系 而是有一定宽度的面光源,它照射到一幅黑白 图像上时,出射光不仅有100%透光和0透光2 以上实验是在液晶光阀读出光一侧表层液种情况,而是在边界处出现“既不黑也不白”的 晶分子排列方向与入射光的偏振方向一致的情光强区具体情况如图7(a)所示,3个区域的写 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
比较弱, 则应出现反转像Λ 实验中使用的写入图像为一幅“复旦”字样 的透明片, 如图 4 (a) 所示, 字体为黑色(透光率 为 0) , 周围透光率为 100% Λ 实验中看到, 在驱 动电压为 0～ 1V 时, 输出的是光强较弱而对比 度较好的正像, 如图 4 (b) 所示; 驱动电压在 1～ 1. 5V 时, 输出的是光强较弱而对比度较好的反 转像, 如图 4 (c) 所示; 驱动电压在 1. 5V～ 4. 5V 时, 再次输出正像, 对比度较大, 整体图像比较 亮, 如图 4 (d) 所示; 驱动电压在 4. 5V 以上, 则 又输出反转像, 整体图像较亮, 但对比度较小, 如图 4 (e) 所示Λ 图 4 图像实时反转 由此可见, 理论分析与实验结果完全符合Λ 实验中, 将驱动电压从 0 调节到该仪器所能达 到的最大电压(约 8V ) 时, 共观察到 3 次反转, 而由图 3 可以看出 2 条曲线共有 3 个交点, 分 别位于 1V , 1. 5V , 4. 5V 处; 前 2 个交点附近光 强弱, 后 1 个交点附近光强大Λ 4 液晶光阀的偏转角度与输出特性的关系 以上实验是在液晶光阀读出光一侧表层液 晶分子排列方向与入射光的偏振方向一致的情 况下进行的Λ如果这 2 个方向不一致, 即让液晶 光阀转过 1 个角度, 发现实时反转现象有了较 大变化, 出现 5 次反转Λ 根据以上分析可推论: 2 条工作曲线应有 5 个交点, 曲线应有 3 个峰Λ 我们在液晶光阀 40°偏角时实际测量了 2 条工作曲线, 发现确实有 3 个峰, 的确有 5 个交 点(如图 5) Λ出现反转情形显而易见: 即驱动电 压在 0～ 1V 时为反转像; 驱动电压在 1～ 2. 4V 时为正像; 驱动电压在 2. 4～ 3. 4V 时为反转 像; 驱动电压在 3. 4～ 4. 5V 时为正像; 驱动电 压在 4. 5～ 7. 1V 时为反转像; 而驱动电压在 7. 1V 以上又是正像, 这样变化了 5 次Λ 可见由 曲线分析与实验验证完全吻合Λ 图 5 液晶光阀 40°偏角时 0 透光率与 100% 透光率工作曲线的比较 5 图像的边界效应 图 5 曲线中交点处应代表写入光的“黑”处 与“白”处对应的读出光强相同, 此时读出光图 像应均匀一片Λ但实验结果表明, 读出光仍有图 像出现, 例如以图像“F”字样为写入光图像, 在 U = 4. 5V 处, 出现亮边缘的“空心图像”, 如图 6 (a) 所示, 而在U = 7. 1V 处, 出现暗边缘的“空 心图像”, 如图 6 (b) 所示Λ 可见, 内外亮度虽基 本一致, 但边界处的亮度却不同, 这就是图像的 “边界效应”Λ 原来, 我们使用的光源不是理想的点光源, 而是有一定宽度的面光源Λ 它照射到一幅黑白 图像上时, 出射光不仅有 100% 透光和 0 透光 2 种情况, 而是在边界处出现“既不黑也不白”的 光强区Λ具体情况如图 7 (a) 所示, 3 个区域的写 物理实验 第 22 卷 第 10 期 74 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第22卷第10期 入光强各不相同为简单起见,不妨设3个部分 的写入光强分别为100%透光、50%透光和0 透光如图7(b)所示.测量在液晶光阀读出光 一侧表层液晶分子排列方向与入射光的偏振方 向成40时,3种写入光强下的工作曲线,如图7 所 从图7(c)中可见,当驱动电压为45左 图6边界效应 右时,100%透光率和0透光率的工作曲线处在 1个读出光强较小的交点,而此时50%透光率 的工作曲线对应的读出光强较大,也就是说,边 夜晶光阀的 写入光表面 缘比两侧部分要亮,即边缘增强驱动电压为 7.ⅣV时,100%透光率和0透光率的工作曲线 有边界的图像处在1个读出光强较大的交点,而此时50%透 光率的工作曲线对应的读出光强较小,也就是 面光源写入光 说边缘比两侧部分要暗,即边缘减弱.这就解 释了图6所示的边界效应 小结 光强 (10%0透光区 我们测量了液晶光阀在不同写入光强、不 h2(50%)-…-- 边缘区 同偏转角方向时的工作曲线,由这些曲线说明 了液晶光阀输出图像的光强、对比度、反转、边 遮光区 缘增强或边缘减弱等现象,理论分析与实验结 果符合得很好 (b) 7参考文献 0%透光率 1章志鸣,陈惠芬,沈元华光学M↓北京:高等教 0透光率 育出版社,2000 2沈元华,马秀芳,李方红等小课题实验—液晶 光阀的特性及应用[A面向21世纪实验物理教 学展望及教学改革经验交流会论文集[C]天津, 3陈波,程翔,谢千里等介绍一个现代化的普物实 验——液晶光阀[大学物理,19,18(12) 333 4王滨,余飞鸿,郭茂田等利用液晶光阀实现道路光 图7边界效应产生原因 学图像的实时边界提取[光子学报,1998 (2002-02-27收稿,2002-08-30收修改稿) c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
图 6 边界效应 图 7 边界效应产生原因 入光强各不相同Λ为简单起见, 不妨设 3 个部分 的写入光强分别为 100% 透光、50% 透光和 0 透光, 如图 7 (b) 所示Λ 测量在液晶光阀读出光 一侧表层液晶分子排列方向与入射光的偏振方 向成 40°时, 3 种写入光强下的工作曲线, 如图 7 (c) 所示Λ 从图 7 (c) 中可见, 当驱动电压为 4. 5V 左 右时, 100% 透光率和 0 透光率的工作曲线处在 1 个读出光强较小的交点, 而此时 50% 透光率 的工作曲线对应的读出光强较大, 也就是说, 边 缘比两侧部分要亮, 即边缘增强; 驱动电压为 7. 1V 时, 100% 透光率和 0 透光率的工作曲线 处在 1 个读出光强较大的交点, 而此时 50% 透 光率的工作曲线对应的读出光强较小, 也就是 说, 边缘比两侧部分要暗, 即边缘减弱Λ 这就解 释了图 6 所示的边界效应Λ 6 小 结 我们测量了液晶光阀在不同写入光强、不 同偏转角方向时的工作曲线, 由这些曲线说明 了液晶光阀输出图像的光强、对比度、反转、边 缘增强或边缘减弱等现象, 理论分析与实验结 果符合得很好Λ 7 参考文献 1 章志鸣, 陈惠芬, 沈元华. 光学[M ]. 北京: 高等教 育出版社, 2000 2 沈元华, 马秀芳, 李方红等. 小课题实验——液晶 光阀的特性及应用[A ]. 面向 21 世纪实验物理教 学展望及教学改革经验交流会论文集[C ]. 天津, 1998 3 陈波, 程翔, 谢千里等. 介绍一个现代化的普物实 验——液晶光阀[J ]. 大学物理, 1999, 18 (12 ): 31～ 33 4 王滨, 余飞鸿, 郭茂田等. 利用液晶光阀实现道路光 学图像的实时边界提取[J ]. 光子学报, 1998 (2002202227 收稿, 2002208230 收修改稿) 84 物理实验 第 22 卷 第 10 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved