光信息处理[第5章]概要

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 空间光调制器,Spatial Light Modulator,光学信息处理的理论根底,光学频谱分析系统和空间滤波,相干光学信息处理,非相干光学信息处理,白光信息处理,光学信息处理的实际应用,空间光调制器,光信息的采集和显示技术,光信息传输技术,光信息存储技术,5.1,概 述,光波频率高，可允许信号本身有很宽的带宽。,光波是独立传播，两束或多束光可以在空间穿插而互不干扰。信息可以多通道并行或穿插传播。,光波荷载信息的特点：,光波以并行方式传递所载荷的信息。信息处理具有大容量、高速度的特点。,一.空间光调制器的根本构造与分类,空间光调制器：即 Spatial Light Modulator(SLM)，是一种对光波的空间分布进展调制的器件。,相位,振幅强度,频率波长,偏振态,光波的特性,空间光调制器的输出光信号是随掌握信号变化的空间和时间的函数。即,表示在时刻,t,，空间光调制器在,（,x,，,y,）,处的复数透过率。,空间光调制器构造的根本特点在于：它是由很多根本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。,每个单元都可以独立地接收光信号或电信号的掌握，并按此信号转变自身的光学性质相位、振幅、频率、偏振态，从而对通过它的光波进展空间调制。这些独立单元称为空间光调制器的像素。,掌握像素的光电信号称为：写入信号光信号或电信号,照明整个器件并被调制的输入光波称为：读出光,经过空间光调制器后出射的光波称为：输出光,写入光或写入电信号应含有掌握调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为寻址。,承受写入光实现的寻址过程，称为光寻址；承受写入电信号实现的寻址过程，称为电寻址。,写入光,读出光,反射式光寻址,输出光,写入光,读出光,透射式光寻址,输出光,依据读出光工作方式的不同分为 反射式 或 透射式,写入电信号,读出光,透射式电寻址,读出光,反射式电寻址,输出光,输出光,写入电信号,写入信号,寻址方式,寻址速度,空间分辨率,光寻址,二维光强分布,并行寻址,快,高,电寻址,时间串行信号,串行寻址,慢,低,空间光调制器的分类,依据读出方式的不同分为：反射式SLM,透射式SLM,依据输入掌握信号的方式：光寻址(OA-SLM),电寻址(EA-SLM),依据在系统中的位置区分：input-SLM,processor-SLM,output-SLM,依据工作原理的不同分为：电光效应SLM 声光效应SLM,磁光效应SLM 光折变效应SLM,空间光调制器是光学信息处理系统与外界信息交换的界面或接口，是光学信息处理、光互连、光计算及光学神经网络等技术中最根本的功能器件之一。,空间光调制器的主要材料和物理效应,空间光调制器,物理效应,选用材料,1,电光效应,SLM,Kerr,效应,Pockels,效应,液晶、硝基苯、,KDP,2,磁光效应,SLM,Faraday,效应,Cotton,效应,YIG,、,GGG,3,声光效应,SLM,声光效应,LiNbO,3,、,LiTaO,3,4,光折变效应,SLM,光折变效应,Bi,12,SiO,20,、,BaTiO,3,5,电子跃迁吸收,SLM,半导体光吸收,GaAs,、,InGaAs/InP,6,机械效应,SLM,材料宏观形变,多晶硅、铝膜,7,热效应,SLM,材料温度特性,热塑薄膜、液晶,8,光致聚合物,SLM,光化学反应,聚醋酸乙烯酯,常用的空间光调制器,电寻址空间光调制器,薄膜晶体管液晶显示器TFT-LCD,磁光空间光调制器 MOSLM,数字微反射镜器件 DMD,硅基底上的液晶空间光调制器LCOS,量子阱空间光调制器 QWSLM,光寻址空间光调制器,铁电液晶空间光调制器 FLC-SLM,液晶光阀 LCLV 、阴极射线管-液晶光阀 CRT-LCLV,微通道板空间光调制器 MSLM,Pockels效应读出光调制器 PROM,二,.,空间光调制器的功能,输入器件,将待处理信息转换为光信息处理系统要求的输入形式。主要实现以下几种转换：,电,-,光转换,串行,-,并行转换,非相干光,-,相干光转换,波长转换,处理和运算功能器件,放大器,乘法器与算术运算,比照度反转,模拟数字转换,三.空间光调制器的根本性能参数,1.,输入,-,输出特性曲线,2.,灵敏度,特性曲线灵敏度,指定值灵敏度,阈值灵敏度,输出光,写入信号,理想输出,模拟输出,I,H,I,L,I,t,3.比照度,动态范围,4.,灰阶数,5.,调制传递函数,调制传递函数,调制度定义为,6.区分率,指通过器件后输出光所能区分的最大空间频率,7.空间带宽积SBP,空间带宽积 区分率平方工作面积,8.,单幅信息容量,N,为灰阶数,指当空间光调制器的全部像素都受到写入信号的调制并保持稳定时，输出光所能携带的最大信息容量。,9.,响应速度,指写入信号作用到器件直至输出光产生所需的时间,当写入信号撤除后，被调制量减小到最大值的,a,倍时,所需的时间。,10.,帧频,指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数,11.,信息流量,信息流量,单幅信息容量,帧频,12.存储记忆时间,5.2,液晶光阀,一,.,液晶的光电特性,1.液晶构造,液晶是一种介于各向同性液体和各向异性晶体之间的物质状态。在肯定温度范围内，它既有液体的流淌性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的热热效应、光光学各向异性、电电光效应、磁磁光效应等物理性质。,按液晶分子排列的有序性区分，可分为三类：,近晶相液晶,向列相液晶,胆甾相液晶,近晶相液晶,近晶相液晶具有宏观的电学各向异性和光学各向异性。,近晶相液晶分子具有二维空间的层状规章性排列，各层间则有一维的顺向排列。,一般而言，近晶相液晶分子的黏度大，对电场的应答速度慢，较少应用于显示器，多用于光记忆材料方面。,近晶相液晶,向列相液晶,向列相液晶,向列相液晶分子的排列比较杂乱、不再分层，但分子取向大体全都，因此具有一维空间的规章排列。,向列相液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍应用于液晶电视、笔记本电脑以及各类型显示元件上。,胆甾相液晶,胆甾相液晶,胆甾相液晶分子的排列呈螺旋平面层状排列，层与层之间相互平行，分子在各个层面上为向列型，两相邻层面上的分子长轴方向依次转过肯定角度。当两个平面上的分子长轴方向一样时，这两个平面之间的距离称为一个螺距pitch。,胆甾相液晶液晶螺距的长度会随着温度的不同而转变，因此会产生对不同波长的选择性反射，呈现不同的颜色变化，常用于温度传感器。,目前空间光调制器中应用最多的是向列相液晶，液晶分子取向可通过外界条件来掌握。一种方法是通过电磁场掌握，另一种是通过液晶外表处理方式掌握。,对基片外表处理，可使液晶分子平行于基片且分子长轴方向沿同一方向排列。,基片,基片,向列相液晶,2.,双折射效应,方解石,双折射现象 一束光入射到各向异性的介质后消失两束折射光线的现象。,液晶具有光学各向异性，沿分子长轴方向上的折射率不同于沿短轴方向上的折射率，因此光束在通过液晶时会消失双折射现象。,3.,扭曲效应,向列相液晶扭曲形变示意图,由于液晶的扭曲形变而使特定方向线偏振光的偏振方向旋转一个角度的现象，称为,扭曲效应,。,4.,混合场效应,外加电场对于液晶分子的扭曲形变有显著影响，在中等强度电场作用下，液晶同时消失双折射效应和扭曲效应的现象，称为混合场效应。,V,起偏器,检偏器,椭圆偏振,透射光,出射光,非偏振,入射光,线偏振,入射光,混合场效应原理示意图,（,V,V,c,）,在外加电场作用下，入射的线偏振光通过液晶后，变成含有两个正交偏振方向的重量o光和e光的椭圆偏振光。由于液晶分子的倾斜对于正、逆方向传播的光的非对称性，经反射后再次通过液晶盒的偏振光，可以有一局部通过检偏器，透过的光强与外加电压的大小有关。,液晶盒,二,.,光学寻址液晶光阀,1.液晶光阀的构造,液晶,透明电极,写入光,读出光,/,输出图像,玻璃衬底,玻璃衬底,光电导层,光阻挡层,基片,透明电极,介质,反射膜,V,这种液晶光阀的主要功能是实现图像的非相干,-,相干转换。,液晶,透明电极,写入光,读出光,/,输出图像,玻璃衬底,玻璃衬底,光电导层,光阻挡层,基片,透明电极,介质,反射膜,V,2.,液晶光阀的工作原理,对写入光图像上的暗区，光电导层上光照很少、沟通阻抗很大，外电压主要安排到光电导层上，而液晶层上电压较小，缺乏以产生有效的电光效应，仍保持45扭曲排列构造，则读出光在相应暗区像素上根本没有受到调制作用，输出光保持较小输出；对写入光图像上的亮区，光电导层阻抗较小，外电压大局部落在液晶层上，由于混合场效应，使该区输出光到达最大输出。,对于写入光图像上其他照度区域，输出光中相应像素的输出光强介于最大值与最小值之间，这样输出光的光强空间分布就依据写入光图像的空间分布所调制。,构造紧凑、在室温下操作；驱动电压低、功耗小；造价低、性能稳定；写入图像灵敏度高、输出图像比照度高。,优点,响应速度较慢；空间区分率不够高，仅适用于一般的图像处理。,缺点,混合场效应液晶光阀是一种光学并行寻址器，,主要功能是实现图像的非相干,-,相干转换。,三,.,电寻址液晶光阀,TFT,矩阵寻址等效电路,数据线,栅极,源极,漏极,液晶,扫描线,单个像素电路图,1.矩阵寻址液晶光阀的构造,电寻址的空间光调制器多承受矩阵寻址的方案。通常在一块玻璃板上，形成相互绝缘的行电极和列电极，在它们的交点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体管TFT。TFT的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像素。在另一块玻璃板的外表，全部像素共用一个电极，两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶。,2.,矩阵寻址液晶光阀的工作原理,当某一像素的行、列电极同时加上电信号时，TFT型场效应管接通，该像素透光。挨次选通各行电极，并同步地选通列电极，就可以掌握各像素的明暗，电压的大小可掌握灰阶。,行电极,列电极,全彩色薄膜晶体管液晶显示器,照射空间光调制器的光波的透过率在每一个像素局部受到电信号的调制，称为矩阵寻址。,液晶光阀是一种比较成熟的空间光调制器，具有多种用途。在光学信息处理系统中：,可作为图像输入、波长变换、串行电信号与并行电信号或图像变换器，以及输入寻址器；,可用于实时变化的光互连、并行的光学规律运算、光学数字运算、光学矩阵运算等有关数学运算；,可用于图像处理，如边缘增加、图像相减、光学相关和实时图像识别等。,5.3,Pockels,读出光调制器,泡克尔斯读出光调制器简称PROM是利用BSO等晶体的光电导特性和线性电光效应制成的光寻址空间光调制器。,一.PROM的构造,I,r,I,o,I,w,绝缘层,双色介质反射层,（对,蓝光,透明，对,红光,反射）,透明电极,BSO,反射式,PROM,的结构示意图,二.PROM的根本工作原理,1.,擦除与激发,V,0,+,-,V,0,+,-,+,-,V,0,V,0,V,V,V,0,x,V,PROM,的工作过程（擦除与激发）示意图,加电压,光照,短路擦除,+,-,O,2.,写入,绝缘层,双色介质反射层,透明电极,BSO,I,r,I,o,I,w,（,蓝光,）,将载有输入图像信息的蓝光作为写入光，它将成像在BSO晶片的右外表上。在图像的亮区，由于光电导效应产生电子-空穴对，电子在内电场作用下向BSO 的左侧外表迁移，正、负电荷分别后形成的附加电场将抵消一局部内电场，使这些区域的电压降减小；在图,像的暗区，由于电子-空穴对很少，电压降变化较小，甚至根本保持V0不变。这样原来图像的空间光强分布，经BSO 的光电导效应转换为空间电压分布，即把图像信息“写入”了PROM。,电压,V,与曝光量,E,成指数关系，即,BSO上暗区压降大，亮区压降快速减小。,3.,读出,将红光作为读出光，由左侧射入PROM，并分解为相互垂直的两个线偏振重量。由于BSO晶片的双折射，它们在晶片中的相位延迟不同，经双色反射层反射后