液晶光阀图像变换

实验日期：2014.3.20  指导老师：王海燕

摘要：本实验测量了液晶光阀分别在写入光电压0V、5V时的工作曲线，确定出液晶光阀进行图像变换出现正像、负像、边缘增强、边缘减弱时对应的驱动电压，并在电压范围内观察四种图样，利用图像实时变换的反转得到实时相减。用液晶光阀观察了单缝的频谱，空间滤波，用光学模拟的方法再现了计算全息图。

关键词：液晶光阀、图像实时变换、空间滤波、计算全息

一、 引言

空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件，液晶光阀是利用液晶对光的调制特性而制作的一种光寻址空间光调制器。 它是开展信息与激光技术领域科研工作的高新技术光电子器件之一，被广泛地应用于光信息处理、光学互联及光计算、图像波长变换、光信息贮存、图像的假彩色编码、文字与图像的相关识别、计算机终端、光模拟军事训练、机器人视觉等领域。由于液晶光阀写入光和读出光互相独立，可以方便地把非相干光转换为相干光，因此在相干光实时处理系统中，液晶光阀是必不可少的器件。同时液晶光阀还可以增大读出光的能量，实现弱图像的能量放大，因此它也被广泛地应用于大屏幕、高亮度的投影显示中。本实验的目的是了解液晶光阀的工作原理，理解图像反转、衍射、成像等现象，掌握利用液晶光阀实现非相干光和相干光图像转换的方法，了解基本的计算全息的知识。

二 实验原理

1.液晶光阀的工作原理

（1）   正性扭曲——向列相液晶盒

液晶的分子轴在外场的作用下将有一定的取向，因此，可以通过控制电场来控制液晶分子的取向，从而控制液晶对光的透过特性。本实验采用正性扭曲——向列相液晶盒，各分子的长轴方向都平行于基片表面，但两基片上的分子长轴方向有一定的夹角。其中，液晶盒基片经过了表面取向处理，使得盒内液晶分子在分子相互作用力的影响下，两基片间的分子长轴将逐渐从一个基片处的方向“均匀”地过渡到另一个基片处的方向，形成均匀的扭曲排列，且基片间的分子长轴都平行于基片表面，

（2）混合场效应

液晶光阀是利用液晶的混合场效应来实现对读出光的调制的。混合场效应是扭曲-向列相效应和电控双折射效应的结合。利用扭曲-向列相排列使液晶光阀处于“关闭”状态，利用外场的电控双折射效应获得光阀的“开启”状态。

（2）   液晶光阀

本实验选用的反射式交流Cds液晶光阀，其结构如图1所示。由于光阻挡层、介质镜、隔绝层等都很薄，交流电阻很小，因此外电压主要落在光导体和向列液晶上。

在写入图像的暗区，光导层的电阻很大，外电压主要降在光导层上，液晶层上的电压降很小，不足以产生明显的电光效应，扭曲效应仍是主要的，反射光强近似为零。在写入图像的亮区，光导层的电阻变小，电压降变小，液晶层上的电压降变大，从而引起电光效应，输出光成为椭圆偏振光，液晶由此产生双折射，改变了读出光的偏振态，从而得到一副与写入图像相应的读出图像，实现了图像的非相干－相干转换。

2.图像实时变换原理

（1）   图像实时反转和微分的工作原理

以白光源作为写入光源，激光器输出为读出光源，在傅立叶变换透镜的焦点处放置光电探测器来接收输出光，用激光功率计读出输出光的光强。固定液晶光阀的驱动频率、偏转角和写入光强，调节液晶光阀的驱动电压，测量读出光的输出光强，就可以得到液晶光阀的输出光强和驱动电压的关系，我们把这种关系的曲线称为液晶光阀的工作曲线。实验光路图如图2所示（其中，是激光扩束准直系统，L₃是成像物镜，L₄是傅里叶变换透镜,PBS是偏振分光镜）.当写入光强为零时，所测得的工作曲线对应0透过率；当写入光强不为零时，得到100%透过率的工作曲线。将0透过率和100透过率的工作曲线置于同一幅图中比较，可清楚地看到出现正负图像的原理：在某电压范围内，100透过率的输出光强较强，而0透过率的输出光强较弱。那么，在这电压范围内应输出物体的实像；反之，则应输出物体的负像；在正像向负像反转的驱动电压处，应得到边缘增强的微分像；在负像向正像发生反转的驱动电压处，应得到边缘减弱的微分像。

（2）图像实时相减

两图像经过实时想减后可以突出二者的差别。实现图像实时相减的原理基于液晶光阀可以输出物体的负像。例如：例如：读出光通过物“T”字后，在观察屏上呈“T”字像，当液晶光阀在负像工作点时，写入光通过物“一”字后，在观察屏上可以观察到“一”字的负像。两幅图像在观察屏上的合成图像是二者的相减像。

(3)傅里叶变换

由光波的衍射理论可知，在满足夫琅和费近似条件下，观察平面上的光场分布正比于孔径平面上透射光场分布的傅里叶变换。通常发生夫琅和费衍射的距离很远，不便于观察。如在孔径后放置一透镜，则借助透镜的相位调制作用，在单色平面波照明下，在透镜的后焦面上可以观察到孔径的夫琅和费衍射图样，也就是孔径的傅里叶变换频谱。因此也将透镜的后焦面称为傅里叶变换频谱面。

3.空间滤波

设空域的三个函数，，的傅里叶变换分别为，，，其中为输入信号，且有，使输入信号的频谱转换为，这种改变频谱成分的操作称为空间频率滤波，简称空间滤波。称为空间滤波器。

4.计算全息

 计算全息就是计算机制全息图。计算全息图的制作和再现过程主要分为：抽样，计算，编码，成图，再现。再现，即采用光学模拟方法再现计算全息图。

实验中对已有的全息片进行再现，由于编码时被记录的是物波函数的傅里叶变换，所以观察时要在傅里叶变换频谱面是观察全息片所成的频谱图。

三 实验装置及内容

1、 实验装置：

He-Ne激光器，激光电源、激光功率计、光电探测器、液晶光阀、扩束透镜、准直透镜（f=300mm）、光阑、成像物镜(f=50mm)、偏振分光镜（PBS）、傅氏透镜(f=300mm))、照明白光源（额定电压为12V）、系统控制器、CCD摄像头及显示器、数字存储示波器、观察屏、数码相机、直流稳压电源、可变狭缝、物体透明片、计算全息透明片、正交网格透明片。

2、实验内容

按照等高共轴原则调好实验光路，分别在写入电压为0和5V下测量工作曲线，即输出光强随驱动电压变化的曲线。找出正像、负像、边缘增强和边缘减弱的大致电压范围，拍摄对应图像。根据正像、负像的特点，对图案进行实时相减。观察单缝的频谱。对全息片进行再现。

四、实验结果及分析讨论

写入电压为0V和5.0V时，测量液晶光阀输出光强随驱动电压的数据如附表所示。曲线如图3。

图3  液晶光阀的工作曲线

由正负像输出的原理可知，在驱动电压0.2-1.12V、1.8-2.25V、2.83V以上时出现正像，1.12-1.8V、2.25-2.83V出现负像，在1.12V与2.25V时出现边缘增强，1.8V、2.83V时出现边缘减弱。

  

  

(c) 负像 1.78V               (d) 边缘减弱   1.90V

图4 实拍各类型图像

2. 图像的实时相减

在写入电压为5.0V的情况下，调节驱动电压为1.91V时，得到图像的时时相减图像

    

图 5 图像的实时相减

产生图像的原理基于液晶光阀可以输出物体的负像，“T”图样呈正像，而“一”图像呈现负像，实时图像实时相减，得到“|”。

4.观察单缝频谱图

调节单缝（正交网格）与物镜以及物镜与光阀的距离使得所成像清晰。通过CCD摄像头得到单缝（正交网格）的频谱图如图6图7所示：

图6  单缝的频谱

图7网格的频谱

1、狭缝的傅里叶变换

设狭缝的宽度为a,长度为d,当d时，可以将狭缝看成无限长，若狭缝被垂直入射的单色平面波（单位强度）照射，则得到一维函数形式的狭缝的振幅为

它的傅里叶变换为

计算得到的狭缝频谱，等同于单缝的夫琅禾费衍射图像。

2、正交网格的频谱

由上面公式计算得到的频谱图与实验测得的频谱图相似。

3、正交网格经竖直狭缝滤波后得到频谱如图8。

正交网格经竖直狭缝滤波后，能把竖直方向的频谱滤掉，只剩下水平方向的频谱。

图8 滤波后图像

4、 已有全息片的再现

对实验已有全息片再现得到频谱图如图9所示：

图9 全息片再现频谱图

五、结论

通过测量液晶光阀的工作曲线，确定出液晶作为光阀进行图像变换出现正像、负像、边缘增强、边缘减弱时对应的驱动电压，并观察了在不同驱动电压下对物所成的四种典型的图像，且其分别所处的电压值与对工作曲线分析所得电压值基本相当。边缘增强现象不明显，可能是初始关闭状态为完全关上。观察了图像的实时相减，再现了计算全息片，效果较好。由此可知，液晶光阀确可利用液晶对光的调制特性而形成具有实时功能的空间光调制器。

六、参考文献:

 《近代物理实验》，熊俊主编，北师大出版社

第二篇：焊接护目镜用液晶光阀响应特性研究

第28卷　第5期

20xx年10月　　光　学　仪　器OPTICALINSTRUMENTSVol.28,No.5

October,2006

文章编号:100525630(2006)0520013205

焊接护目镜用液晶光阀响应特性研究

金士良,刘会方,洪　跃,肖慧婷

(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)Ξ

　　摘要:为了促进自动变光焊接液晶光阀的发展与应用,对其响应特性的研究就变得非

常有必要。在对光阀的光透射比和遮光号进行研究的基础上,提出了对响应特性中响应时

间和保持时间的精确定义。通过对不同标准中不同测量方法的比较,确定了对其响应特性

的精确描述。

关键词:液晶光阀;光透射比;遮光号;响应时间;保持时间

中图分类号:TN201　　　文献标识码:A

Studyontheresponsecharacteristicsofliquidcrystalvalvegoggles

JINShi2liang,LIUHui2ting

(DepartmentofMechanicalUniversity,Shanghai200072,China)

　　Abstract:anddevelopmentoftheautomaticweldingfilter,itisnecessarytostudycharacteristics.Onthebasisoftheanalysisandresearchaboutluminoustransmittanceandthescalenumberofthefilter,thisarticleproposesasolutiontothespecificdefinitionoftheresponseandholdingtime.Bycomparingdifferentcalculationmethodsindifferentstandards,afelicitouswayischosentodescribetheresponsecharacteristics

Keywords:liquidcrystal

holdingtimeaccurately.scalenumber;responsetime;lightvalve;luminoustransmittance;

1　引　言

焊接过程中有多种危害:紫外线、红外线、强光、电焊烟尘以及有机气体等。通常焊工使用的手持式不可变光的电焊面罩,需要在引弧的瞬间将眼睛遮住,在焊接过程中,常常会使眼睛在瞬间受有害光线的辐射[1]。

据不完全统计,在焊接行业中,每年造成的电光性眼炎病例占职业病总数的26%。其主要原因之一是:使用普通焊接护目境。使用普通焊接护目镜对人眼危害很大,不但容易导致焊工电光性眼炎,而且破坏了非焊接表面的平整性和光洁度,使电弧焊只能局限于粗焊接加工,严重影响焊接质量,浪费能源。为此,采用了变光焊接护目境,由弧光的引发和熄灭来自动控制液晶光阀的闭开,实现明暗态转换,盲目引弧时间大大减少以至消失,焊工能在焊接前以及焊接过程中,始终清楚地进行观察,同时避免了焊工电光性眼炎。但是,至今国内还没有相应特性的定义、控制指标值和规范的专用测试设备,无法对响应时间作精确的测

Ξ收稿日期:2005209220

基金项目:上海市科学技术委员会重点攻关计划资助项目(052912015)。

作者简介:金士良(19552),男,浙江勤县人,副教授,学士,主要从事测试技术及仪器制造方面的研究

。

　?41?光　学　仪　器第28卷

定。生产单位,使用单位只能凭人眼的主观感觉或粗略的比较来确定响应时间,质检部门也无法准确确认产品的质量水平[2]。

为了促进变光焊接护目镜新技术新产品的推广应用,为制定该产品专业标准提供依据,并为液晶,铁电陶瓷等显示器有关光阀响应特性测试奠定基础,开展对自动变光焊接液晶光阀响应特性的研究已成为当务之急[3]。

2　液晶光阀的光透射比和遮光号研究

自动变光焊接液晶光阀可在进行焊接作业时自动实现镜片明、暗状态的瞬时转变,从而有效地保护劳动者的眼睛,提高工作效率,保证焊接质量。当焊接弧光发出的光通量一定时,由液晶光阀射出的光通量取决于光阀护目镜本身的光透射比,光透射比一般以Σ表示。它的定义是从物体透出的光通量<r与入射到物体的光通量<i之比。即Σ=

,可以看出,光透射比反映了入射到信号光阀上的光通量经信号光阀后光通量i

的透过程度。

为了更好地反映光阀的开关特性,现用遮光号来描述它的变光程度。对于遮光号,其定义可用下式表达:

(1)N=1+??10()

3Σ

　　其中,Σ为液晶光阀的光透射比,光透射比越小,遮光号反而越大。

,现把光阀的遮光号分为三类:明态遮光号、暗态

Σ1所对应的遮光号;暗态遮光号为焊弧引燃后,光阀的光透射比达到Σd时对应的遮光号;最暗态遮光号是制造商规定的当自动变光焊接光阀的光透射比达到最小值Σ2时,所对应的最大遮光号[4](见图1)。

图1　光阀遮光号分布图

焊接及其相关技术中光阀的光透射比需满足表1的要求:

表1　光透射比的要求

遮光号

1.21.41.722.53456光透射比Σ

最大值(%)最小值(%)

100

74.458.143.229.117.88.53.21.274.458.143.229.117.88.53.21.20.44遮光号

8910111213141516

光透射比Σ

最大值(%)最小值(%)

0.160.0610.0230.00850.00320.00120.000440.000160.000061

0.0610.0230.00850.00320.00120.000440.000160

.0000610.000023

第5期

金士良等:　焊接护目镜用液晶光阀响应特性研究　?51?

3　液晶光阀的响应时间和保持时间

对于变光焊接液晶光阀来说,有两个重要的反映变光特性的参数:响应时间和保持时间。这两个参数

的大小直接决定了光阀质量的好坏。

响应时间是指光阀明态时,从光检测器接受弧光信号到光阀变为暗态所需的时间间隔。响应时间关系到焊工引弧时受到强可见光瞬间照射的时间,也关系到焊工在焊接过程中能否清楚地进行观察,能否彻底消除盲目引弧。

保持时间是指光阀暗态时,从光检测器除去弧光信号到光阀变为明态所需的时间间隔。由于电弧焊每秒钟要发生10次～15次瞬间短路,因此,保持时间过短会使光阀发生频繁的变态,使焊工在操作时会受瞬间的强可见光照射,选择一定的保持时间将有利于连续的焊区观察和焊工防护。

对于液晶光阀的响应时间,各国的定性描述是基本一致的,但定量表达却有所差异。目前,各国针对自动变光液晶光阀的响应特性,在相应的焊接标准中,都给出了自身关于响应特性的明确定义。

在欧洲的EN379—2003和美国的ANSIZ87.1—2003标准中规定:光阀的响应时间与光阀本身的光透射比和遮光号有关。

响应时间ts由下式给出:

t=t[Σ(t)=3Σ2]

(2)ts=(t)Σ1t=0

其中:Σ1是明态光透射比;Σ2是最暗态光透射比t)是代表引弧后在时间t时刻的光透射比,;=3Σ2]是代表光透射比下降到3倍于最暗态

光透射比的时间[4,5]澳大利亚、1338.1—1992标准中,对响应时间和保持时间作了不同的表达。其规定90%时的时间间隔称为响应时间。停止弧光信号到光阀的暗态光学密度值减少90%时的时间间隔为保持时间。该标准中对于响应时间的规定与欧洲标准相同,对于保持时间规定其最小值要达到20ms。

表2　响应时间最大值

明态遮光号

暗态遮光号

7891011121314151.73001004020620.80.30.10xxxxxxxxxxxx10.40.152.55xxxxxxxxxxxx.50.50.23

41000500200703010410.55

6

响应时间(ms)

70xxxxxxxxxxxx0.70.3—

10004001005020731——

70xxxxxxxxxxxx　　从上述标准中对于响应时间的几种定义看,响应时间的记时起点相同的,各标准都是从明态(此时可见光透射比最大)接受弧光信号时开始记时。保持时间的记时起点也是相同的。都是从暗态(此时可见光透射比最小)停止弧光信号时开始记时。各标准所不同的是记时截止点的确定以及计算方法。

通过对以上响应时间和保持时间的仔细分析和研究,不难看出:对于澳大利亚、新西兰的AS??NZS1338.1—1992标准,定义中的响应时间和保持时间都仅与光阀的暗态光学密度值有关,而与明态的光学密度值无关,该定义只考虑了光阀对弧光效应的起始状态和终止状态,而未考虑中间过程。而对于欧洲和美国的标准,定义中响应时间与光阀的明态光透射比和暗态光透射比都有关,并且反映了其中光透射比的变化,该响应时间指标能直接表示保护性能。因此,建议采用欧洲标准中规定的定义来测量响应时间。

对于保持时间,由于电弧焊每秒钟要发生10次～15次瞬间短路,因此,保持时间过短会使护目镜发生

　?61?光　学　仪　器第28卷频繁的变态,使焊工在操作时会受瞬间的强可见光照射,并且当弧光熄灭20ms后可见光强度已大大减弱,因此,建议保持时间指标推荐值大于20ms。为了反映光透射比对响应特性的影响,建议将保持时间定义为:停止弧光信号到光阀的光透射比达到明态透射比的90%时的时间间隔。

不同的光阀具有不同的明态遮光号和暗态遮光号,这就对应着不同的响应时间。对于不同的光阀护目镜,其响应时间不能超过表2中所示的数值[6]:

4　响应特性分析实例

这里以遮光号范围为5到11的某焊接光阀为例,说明光阀的响应特性。通过光电转换元件,将光信号转变为电信号,最后在示波器上显示波形,得到其响应变化曲线,如图2所示

:图2　光阀响应特性变化曲线

经过分析讨论,考虑到模拟弧光闪光过程中光强的变化,对曲线中各时间段进行定义如下:t1:即为模拟光源到达光电响应元件的时间和光电响应元件自身的灵敏度;

t2:反映模拟光源本身的光强变化,即有弱到强再变弱的整个时间;

t3:当模拟光源熄灭后,液晶驱动电路对光信号的响应时间

;

t4:光阀的响应时间;

t5:光阀的保持时间。

经过以上分析可知,仅t4与t5时间反映了光阀的响应特性,故其实际有效响应特性变化曲线如图3所示,从图3中可以看出,其响应时间为

4.2ms,保持时间为144ms。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图3　光阀实际有效响应特性曲线

(a)响应时间变化曲线;(b)保持时间变化曲线。

第5期金士良等:　焊接护目镜用液晶光阀响应特性研究

　?71?5　结　论

在对自动变光焊接液晶光阀响应特性进行对比分析与研究的基础上,提出了以下几点结论性意见:光阀的响应特性与其自身的光透射比有关;响应特性应该反映整个焊接过程中的状态变化,而不仅仅是起点与终点的状态;响应时间的定义由公式(2)给出,保持时间应推荐大于20ms。该研究对于焊接眼护具新产品的推广与应用有很大的意义,并且对于新产品质量的评估提供了重要依据。

6　参考文献

[1]　安藤弘平[日],等.焊接电弧现象[M].北京:机械工业出版社,19951

[2]　陈锋杰,李红俊.变光焊接护目镜光电响应特性研究[J].中国安全科学学报,2004,14(8):89～93.

[3]　杨利芳,张祖怀,等.新型电焊防护装置的研究和设计[J].中国安全科学学报,2004,14(9):81～83.

[4]　EN379—2003,PersonalEye2protection2AutomaticWeldingFilters[S].

[5]　AS??NZS1338.1—1992,FiltersforEyeProtectors[S].

[6]　ISO4850—1979,PersonalEye2ProtectorsforWeldingandRelatedTechniques2Filters2UtilisationandTransmittanceRequirements

[S].

消　　息

(简称)可用于对时间、“飞秒激光光学频率梳装置”“飞秒光梳装置”频率和长度的超高精度测量,在导

航定位、引力波探测、光通信等领域有着重要的作用。由中国计量科学研究院承担的科技部科技基础性工作专项基金项目“飞秒激光光学频率梳的研究”,9月12日通过了由国家质检总局组织的成果鉴定。

据介绍,“飞秒激光光学频率梳”的研究是国际光学频率测量和光学频率综合领域的前沿课题。“飞秒光梳装置”的研制成功,标志着我国独立完整的激光波长量值溯源体系的建成;该装置实现了可见光及近红外波段所有光学频率的直接精确测量,为国防、通讯、科研等领域提供了有力的技术支撑,同时,又为我国开始的另一项国际前沿攻关项目“光钟”的研究和应用奠定了必要的基础。

鉴定专家们认为,中国计量科学研究院研制的“飞秒激光光学频率梳装置”课题,实现了一系列技术创新,主要包括:采用了光子晶体光纤的伺服反馈控制技术,有效地延长了飞秒光梳系统频移的锁定时间;提出并实现了适用于长时间拍频测量的不锁定系统频移的激光频率测量方法等。课题组在国内使用飞秒光梳装置,首次实现了以铯原子喷泉钟为参考的碘稳频532nm固体和633nm氦氖激光频率测量。测量得到的碘稳频532nm固体激光频率值与国际计量委员会推荐值的频差小于0.1kHz,相对频率不确定度为

3.6×10-14(100s平均时间),达到国际先进水平。

(摘自)《科技日报》