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实验中所用的氦氖激光器带有布儒斯特窗，因此它输出的激光是线偏振光。

而一般氦氖激光器所输出激光的偏振态是随机的，所以不能用以取代。

2．是否可用半导体激光器来取代实验中所用氦氖激光器？

有什么要求？

可以。

只要在半导体激光器后面放一块偏振片，并使偏振片的偏振轴与半导体激光光强最强的线偏振分量一致，该线偏振光入射到偏振分光棱镜上，使该线偏振光的振动方向平行于偏振分光棱镜的主截面。

图1.棱镜偏振膜

（二）关于偏振分光棱镜的问题

1．偏振分光棱镜的结构如何？

偏振分光棱镜的结构如图1所示，由两块直角棱镜，其中一块的斜面上镀有偏振膜，合在一起组成。

能作为起偏器或检偏器的薄膜称为偏振膜。

偏振膜实际上是一种λ/4高反膜，但它必须在倾斜入射时使用，为了获得最好的偏振效果，有两种不同的思想，对应于两种不同的设计。

第一种思想是让各个界面的入射角都满足布儒斯特条件，因而P光完全透过而S光保持高反射，按照这一思想，要求折射率和入射角都满足布儒斯特条件。

如图2所示。

显然，当满足

时，必然满足

，即只要膜中一个界面满足布氏条件，所有界面均满足。

由上式可得

图2.一种偏振膜设计

。

于是要求入射介质和入射角满足以下条件

当选定膜层材料的折射率

、

后，可以确定入射介质（棱镜）的折射率，而由上式决定入射角

；

也可以先确定入射角

（例如取

）而由上式选择棱镜材料的折射率。

这种偏振膜可适用的波长范围很广。

这种膜系的缺点是由于在棱镜与膜系的第一个及最后一个界面上不满足布氏条件，故P光反射率不为零，难以达到很高的消光比。

而且当采用棱镜入射时，体积庞大，价格昂贵。

第二种设计偏振膜的思想是利用P光与S光的高反带宽度的区别，使入射光的波长与入射角满足一定的关系，使之恰好落在S光高反射而P光高透射的区域。

这样其透射光基本上只有P光而反射光主要是S光。

这种偏振膜的优点是面积可做得很大，缺点是只适用于极小的波长范围。

2．偏振光通过偏振分光棱镜后，出射光的偏振情况如何？

偏振光通过偏振分光棱镜后，出射光是线偏振光（p光）。

（三）关于液晶光学特性的问题

1．液晶盒的结构是如何的？

试将它与一块晶轴与表面平行的晶片作比较。

把两块玻璃合在一起，中间用一定厚度的间隔层控制玻璃间的距离，再在间隔中充满液晶，便形成一液晶盒。

液晶盒玻璃内表面经一定方法处理后，可以使盒中的液晶分子长轴沿表面的某一方向排列。

此时的液晶盒相当于一块晶轴与表面平行的晶体片。

2．在液晶盒的两玻璃片间加一定电压，当一束线偏振光通过此液晶盒时，出射光的偏振态与加在液晶盒上的电压有无关系？

在液晶盒的两玻璃片间加一定电压，盒里的液晶分子在电场的作用下会逐渐沿电场方向排列，即光轴向与表面垂直的方向偏转，其偏转程度与电场强度有关。

当一束直线偏振光通过此液晶盒时，出射光的偏振态将由加在液晶盒上的电压决定，由此实现了电场对光的偏振态控制。

图3.液晶光阀

（四）有关液晶光阀的问题

1.液晶光阀的结构如何？

液晶光阀的结构如图3所示。

2.液晶光阀上的光电导层的光电导材料有什么特性？

液晶光阀上的光电导层是光敏材料，当写入光射入时，它的电阻率就急剧下降。

在无写入光的情况下，光电导层的电阻率很高，光阀上所加的电压几乎全部落在光电导层上，液晶层上的电场很小。

当有外界光写入时，由于光电导层电阻率急剧下降，外加电压将穿过光电导层而直接加在液晶上，使液晶的光轴在电场作用下发生偏转，从而引起双折射效应的变化。

3．液晶光阀上的光阻隔层有什么特性？

起什么作用？

液晶光阀上的阻隔层是用来分隔读出光和写入光，使它们之间互不影响。

4．液晶光阀是如何实现实时图象变换的？

当有外界图象光写入时，在图象较亮处的光电导层电阻率急剧下降，外加电压将穿过光电导层而直接加在液晶上，使液晶的光轴在电场作用下发生偏转，从而引起双折射效应的变化；

在图象较暗处变化不大。

如果在写入端加上起偏镜，在读出端加上检偏镜（实际上常用一个偏振分光棱镜来代替），则双折射效应的变化就反映为读出光的光强变化,从而实现写入光对读出光的空间光调制。

（四）液晶光阀应用的问题

1．液晶光阀为什么能实现把写入光的弱图象变换成读出光的强图象？

由于液晶光阀具有光空间调制作用，如果读出光用输出功率比较大的激光来代替，就可以实现把写入光的弱图象变换成读出光的强图象。

3．液晶光阀可以方便地把非相干光转换成相干光，这有什么实际意义？

常用光信息处理系统是相干光处理系统，它的处理能力、灵活性、多样性等都比非相干光处理系统优越。

但是大量被处理的信息的光信号是非相干的，例如日常生活中的图形、图象等，由于光波是独立传播的，非相干光所负载的信息无法直接耦合到相干光处理系统中去，这就需要有一种空间光调制器来实现非相干光-相干光转换，液晶光阀就是一种可以方便地将非相干光转换成相干光的空间光调制器。

4．液晶光阀在现代信息处理技术中有什么作用？

试举例说明它在这方面工作上的应用？

液晶光阀是现代光电子学中的一种重要的空间光调制器，在现代信息处理技术中作为一种光光转换系统，相当于电光转换系统具有容量大、速度快的优点。

已批量生产的作为空间光调制器的计算机控制投影仪和液晶大屏幕投影电视是光学信息处理在这方面应用的例子。

5．试利用液晶光阀技术，设计出一套能实现红外导弹跟踪模拟的实验装置。

将实验中的氦氖激光器改为红外激光器。

（五）有关液晶光阀实验上的问题

1.如何在光具座上将各光学元件调至等高共轴？

参见“望远镜和显微镜的组装”实验前回答的问题第12题

2.液晶光阀上所加的电压有何要求？

可否使用直流电压？

液晶光阀上所加的驱动电压要求是交流电压，不可使用直流电压，而且所加的电压不能太高，频率也不能太大。

因为光电导材料上因写入的图象光而形成一定的载流子分布图形后，载流子会定向运动而在光电导层的两端形成载流子的堆积，从而产生横向的扩散而使该图形逐渐模糊，因而用直流电压驱动是不可能得到清晰图象的；

而且，由于在直流状态容易引起液晶与电极间的电化学反应，从而会降低器件的寿命。

但是，驱动电压的频率也不能太高，否则液晶的光轴来不及随电场变化而发生偏转，从而使器件的灵敏度降低。

所以驱动信号的频率应有一定的范围。

3.液晶光阀的工作曲线测量的是什么物理量之间的关系？

液晶光阀的工作曲线是在液晶光阀上所加的驱动电压与读出光输出处的相对光强之间的关系。

4.哪些因素可以影响液晶光阀的工作曲线？

驱动电源的频率、照射在液晶光阀上写入光的光强及液晶光阀的偏角都会影响液晶光阀的工作曲线。

5.什么是图象反转？

在什么条件下可以得到图象反转？

在观察屏上看到的图像原来遮光的地方变得输出明亮，原来透明的地方输出暗淡，这样一种黑白反转的现象就称为图像实时反转。

6.液晶的工作曲线与图象输出特性有什么关系？

图4.液晶光阀0°

偏角时的工作曲线

图5.液晶光阀40°

图4是液晶光阀在0°

偏角时，0％透光率与100％透光率的两条工作曲线。

可以看出两条曲线共有3个交点，把驱动电压U分成4个区域：

当电压为0-1V时，输出的是光强较弱但对比度较好的正像；

当电压在1-1.5V时，输出的是光强较弱但对比度较好的反转像；

当电压在1.5V-4.5V时，输出的是对比度较好且比较亮的正像；

当驱动电压大于4.5V时，输出的是整体较亮但对比度较小的反转像。

7.什么是图象微分（或称边缘突出）？

在什么条件下可做到图象微分？

图5是液晶光阀在40°

偏角时0％透光率与100％透光率的两条工作曲线。

当驱动电压为4.5V时，会出现亮边缘的“空心图象”，驱动电压在7.1V附近会出现暗边缘的“空心图象”，这种出现亮边缘的“空心图象”或暗边缘的“空心图象”的现象就是图象微分或称边缘突出，也称边缘效应。

图6.液晶光阀实验装置

四.实验可提供的主要器材

1．液晶光阀实验装置，如图6所示。

2．光学元件：

透镜L1、L2、L3、和L4，偏振分光棱镜PBS，偏振片。

3．光学导轨1根

4．光源：

卤钨灯、氦氖激光器、半导体激光器。

5．液晶光阀LCLV及其配套仪器

6．光电探测器

7．透明图片可由实验室提供，也可自己制作。

五.实验内容

1．非相干光--相干光图象转换的实验

（1）点亮氦氖激光器（注意保护眼睛！

），调节它的俯仰和左右，使激光束与导轨平行，然后逐个放入各光学元件，使激光束通过各元件中心。

（2）使激光束通过由L2、L3组成的准直系统，扩展成具有较大截面的平行光束，照射在偏振分光棱镜上。

（3）调节成像透镜L1，使透明图片的图像成像到液晶光阀的光电导层上。

（4）在液晶光阀上加3－5V、5KHz的交流驱动电压，使液晶光阀工作。

（5）前后调节透镜L4的位置，使在观察屏上看到通过液晶光阀调制后的清晰的相干光图像，即激光图像。

2．测量液晶光阀的“零写入”工作曲线

（1）利用上述光路，关去卤钨灯，使写入光为零，光阀上所加的电压的频率取5KHz，在读出光输出处（L4的焦点附近）放一光电探测器（硅光电池）以测量光强。

（2）调节光阀的驱动电压从0V逐渐增加到10V，逐点测量其相应的光强。

（3）对测得的结果进行归一化处理可以得到液晶光阀的“零写入”工作曲线。

（4）改变液晶光阀驱动电压的频率，测量不同工作条件下的工作曲线，并进行比较。

3．观察图像的实时反转

打开卤钨灯，将透明图片的图像成像在光阀上，调节光阀驱动电压，观察图像的实时转换。

4．液晶光阀对非相干图象实时变换的功能

（1）测量“全写入”特性曲线：

仍利用图2所示实验光路，使光阀上所加的电压的频率为5KHz，点亮卤钨灯，调节灯的电压为200V，将透明图片换成全透明片，设此时的写入光强为I0。

调节液晶光阀的驱动电压U，测出相应的输出光强I，得到在写入光强为I0时的液晶光阀的工作曲线（即称为“全写入”特性），所测到的工作曲线对应着图片里透明不遮光的部分。

（2）研究非相干图象的实时变换功能与特性曲线的关系：

把“零写入”与“全写入”两根工作曲线放在同一个图中比较，试分析可在什么情况下出现正像？

什么情况下出现反转像？

正象和反转像可互变几次？

图象的对比度有什么变化？

另外什么时候出现微分图象？

用实验来验证你的判断是否正确。

提示：

参见“实验前应回答的问题”中（五）“有关液晶光阀实验上的问题”中的第5、6题。

5．观察实时图象变换：

用电视机或计算机显示屏代替卤钨灯照明的透明图片，重复上述实验，使观察屏上显示荧屏上的活动图象。

六.实验报告的要求（作书面报告及口头报告）

1.写明本实验的目的、意义。

2.阐明本实验的基本原理。

3.记下实验所用仪器和装置。

4.记录实验的全过程，包括实验步骤，各种实验现象和数据处理等。

5.对实验结果主要是液晶光阀的工作曲线与各种图象变换的关系等进行分析、研究和讨论。

6.本实验的总结、收获、体会，也可提出自己新的设想。

7.对教学工作的意见和建议。

附件：

液晶光阀图像实时反转特性的深入研究

甘巧强1周立辉2谢斌平2马秀芳3沈元华3

（1:

上海复旦大学材料系99级,200433,

2:

上海复旦大学物理系99级，200433,

3:

上海复旦大学物理系，200433）

摘要：

液晶光阀作为一种空间光调制器，可实现图像实时反转，还可以作为实时图像边界增强器件。

液晶的光学特性反映在它的工作曲线上。

本文通过大量的实验研究，根据液晶光阀工作曲线深入探讨了图像实时反转以及图像边界微分等现象，这项工作对于液晶光阀的理论和实际应用具有一定的现实意义。

关键词：

液晶光阀，实时反转，图像边界微分

一．引言

液晶光阀是利用液晶的光学特性制作的空间调制器，已广泛应用于光学信息处理的各个方面。

它不仅可以实现非相干光—相干光的转换，微光能量放大，而且作为一种实时图像输入转换器，可实现图像实时反转和实时图像边界增强。

图1：

液晶光阀的结构a:

外壳层,b:

玻璃基质,c:

电极,d:

液晶层,e:

反射层,f:

阻隔层,g:

光电导层

液晶光阀结构如图1。

其中d是液晶层，其两侧的玻璃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。

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。

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。

在无写入光时，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。

再加上偏振分光棱镜，让s光直接通过，而将p光滤去，这样就可实现光调制，随着读出光中s光和p光成分的变化，就可以观察到读出光亮暗变化。

由于液晶层和光导层电阻率相对较高，横向相邻点间亮暗引起的电位变化不会相互影响，所以写入一图像时，读出光也会相应输出一幅相似的图像。

二．实验现象

实验光路示意图如图2所示。

图2：

实验光路示意图

调好光路并将写入图像（一张有透明部分和遮光部分组成的黑白写入图片）成像在光阀上，在观察屏上看到的对应图像可能与原图像一致，原来遮光（黑）的地方暗，原来透明（白）的地方亮，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，图像原来遮光的地方变得输出明亮，原来透明的地方输出暗淡，此时输出的即为反转像。

这样一种黑白反转的现象就称为图像实时反转。

继续调节驱动电压，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，不同电压范围所对应的图像的整体亮度和对比度是不一样的：

第一次反转像整体较暗，但对比很清晰；

第二次反转像整体很亮，但对比度不大。

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现出来，其余部分亮度都差不多的现象。

这些现象是怎样产生的?

有什么规律可循?

下面就从液晶光阀的特性曲线出发对这些现象进行讨论和分析：

三．对于图像实时反转的亮度和对比度

首先测量液晶光阀输出光的工作曲线：

固定写入光强I0，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，从而得到液晶光阀的输出光强与驱动电压的关系。

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I0为100%透过）；

改变写入光强，使I0=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。

将0透光率和100%透光率的工作曲线置于同一个图中比较（如图3），可清楚地看出图像反转的原理。

实验中使用的写入图像为一幅“复旦”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%。

图3：

液晶光阀0偏角时0透光率与100%透光率特性曲线比较图

从图3两曲线的比较图中可以看到在这两种透光率情况下输出光峰值在不同的电压值出现。

在某电压范围内100%透光率的输出光比较强时，0透光率输出光很弱，应输出正像；

处在另一电压范围时，0透光率的输出光较强，100%输出光又比较弱，说明字体明亮，出现“实时反转”。

在0V到接近1V时，输出光强较弱而对比度较好的正像；

在1V到1.5V左右时，输出光强较弱而对比度较好的反转像；

在1.5V到大约4.5V时，应再次输出正像，对比度较大，整体图像比较亮；

在4.5V以后，则应输出反转像，整体图像较亮，但对比度较小。

以上分析与实验结果完全符合。

实验中，将电压从0伏调节到使用的仪器所能达到的最大电压（约8V）时，共观察到3次反转。

而由曲线就可以看出正常像和反转像的互变次数：

曲线共有3个交点，故应出现3次反转。

电压为0V~1V、1V~1.5V、1.5V~4.5V以及大于4.5V时的输出图像分别如图4（b）（c）（d）（e）所示。

a.

b.

c.

d.

e.

图4：

图像实时反转

四.关于液晶光阀的偏转角度与实时反转特性的关系

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。

如果这两个方向不一致，即让液晶光阀转过一个角度，则发现实时反转现象有了较大变化，出现五次反转。

由此推论两条特性曲线有五个交点，曲线应有三个峰。

我们在40度角时测了这两条特性曲线，发现他们确实有三个波峰，而且的确有五个交点（如图5）。

出现反转情形显而易见：

即在0~1V时为正像；

在1V~2.4V时为反转像；

在2.4V~3.4V时为正像；

在3.4V~4.5V时为反转像；

在4.5V~7.1V时为正像；

7.1V之后又是反转像，这样变化了五次。

可见由曲线分析与实验验证完全吻合。

图5：

液晶光阀40度偏角时0透光率与100%透光率特性曲线比较图

五．关于图像的边界效应

图5曲线中交点处应代表图像模糊的地方，但由图6可见，图像“F”内外亮度虽基本一致，但仍清晰可见其边界，这就是图像“边界效应”。

它是怎么产生的呢？

图6：

边界效应

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。

它照射到一幅黑白图像上时，出射光将不仅仅只有100%透光和0%透光两种情况，而是在边界处出现“既不黑也不白”的光强区。

具体情况如图7（a）所示，三个区域的写入光强各不相同，不妨设三个部分写入光强分别为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度角度时，三种写入光强下的特性曲线，如图7（c）所示。

图7：

边界效应产生原因

从图7（c）中可见4.5V左右时100%透光率和0透光率的特性曲线处在一个读出光强较小的交点，而此时50%透光率的特性曲线对应的读出光强较大，也就是说，边缘比两侧部分要亮，边缘增强，如图6（a）所示；

3.2V或7.1V时100%透光率和0透光率的特性曲线处在一个读出光强较大的交点，而此时50%透光率的特性曲线对应的读出光强较小，也就是说，边缘比两侧部分要暗，边缘减弱，如图6（b）所示。

从液晶光阀的工作原理看，液晶分子在电场作用下会垂直于表面排列，读出光沿光轴传播不发生双折射，两次穿过液晶层后，其偏振态不变。

当写入光空间强度不同时，由于光导层的作用，使边界两侧液晶层电场强度不同，于是亮暗两部分液晶分子排列可看成是一侧近似于垂直于表面，另一侧近似于平行于表面排列，而亮暗交界处的分子由于受边界对应的光强作用，与边界两侧的液晶分子倾斜状况都不相同。

通过正交起、检偏系统调制，使边缘在对应的写入光强度下有较大光强输出，其余部分均处于暗态，从而实现了图像的边缘增强。

六．小结

本实验测量液晶光阀不同写入光强、不同偏转角方向下的工作特性曲线，由这些曲线说明了液晶光阀输出图像的多种光强、对比度、反转、边缘增强或边缘减弱等现象，理论分析与实验现象符合得很好。

七．参考文献

[1]沈元华，马秀芳，李方红，李海峰，刘旭，顾培夫，唐晋发《小课题实验----液晶光阀的特性及应用》，全国实验物理大会论文集，1998

[2]陈波，程翔，谢千里，马秀芳，沈元华《介绍一个现代化的普物实验----液晶光阀》大学物理，1999年12月，p31~33

[3]王　滨，余飞鸿，郭茂田，杨建文

《利用液晶光阀实现道路光学图像的实时边界提取》

DeepResearchtothecharacteristicsofLCLV

GanQiaoqiang（MaterialDepartment,FudanUniversity,Grade99,200433）

ZhouLihui（PhysicsDepartment,FudanUniversity,Grade99,200433）

XieBinping（PhysicsDepartment,FudanUniversity,Grade99,200433）

MaXiufang（PhysicsDepartment,FudanUniversity,200433）

Shenyuanhua（PhysicsDepartment,FudanUniversity,200433）

Abstract:

Liquidcrystallightvalve（LCLV）isakindofspatialconcoctionbasedontheopticalcharacteristicsofliquidcrystal.Itcanachievetherealtimereverseofimage,andcanalsobeusedasthedeviceofintensifyingtheimageedge.OpticalcharacteristicsofLCLVareembodiedinitsworkingcurve.Thispassageessentiallystudiedthepricipleoftherealtimereverseandtheedgeextractionoftheimagethroughlotsofresearches.AndtheconclusionismeaningfultothetheoryandapplicationofLCLV.

Keywords:

Liquidcrystallightvalve（LCLV）,Realtimereverse,Imageedgeextracti