朱 昊,曹良才，何慶聲

(清華大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

1 引 言

人類(lèi)正面臨海量信息存儲(chǔ)與圖像高速實(shí)時(shí)處理的雙重技術(shù)挑戰(zhàn). 在個(gè)人身份快速識(shí)別、導(dǎo)彈遙感圖像處理等尖端應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)與二維光盤(pán)存儲(chǔ)在容量和傳輸速度方面已難以滿足需求. 運(yùn)用光信息處理和體全息存儲(chǔ)技術(shù)，借助其特有的并行處理和三維高密度存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)解決高速和大容量2個(gè)難題[1-3]. 體全息光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(其中可包含空間濾波實(shí)驗(yàn))不僅科研價(jià)值高，應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生綜合能力也很有意義[4-5].

2 原 理

阿貝-波特實(shí)驗(yàn)即空間濾波實(shí)驗(yàn)是阿貝成像理論的基礎(chǔ). 該理論認(rèn)為物體的成像過(guò)程可分成從物面到焦面和焦面到像面2個(gè)衍射過(guò)程. 物面發(fā)出的光波首先在物鏡后焦面上產(chǎn)生夫瑯禾費(fèi)衍射(頻譜)；然后再以該衍射像為相干波源，在像面上相互干涉形成物體的像[6]. 由物面到頻譜是第1次傅里葉變換；由頻譜到像面是第2次傅里葉變換. 光學(xué)空間濾波是根據(jù)具體需要在圖像的頻譜平面處放置空間濾波器[7]，對(duì)輸入圖像的頻譜進(jìn)行調(diào)制，使物體的最終成像發(fā)生需要的變化[8-9].

體全息存儲(chǔ)是利用光折變效應(yīng)的新型信息存儲(chǔ)方法. 所謂光折變效應(yīng)是光致折射率變化效應(yīng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，指某些電光晶體的折射率分布隨光強(qiáng)的空間分布而變化，這類(lèi)材料可用于體全息存儲(chǔ). 2束相交的相干光束在厚記錄介質(zhì)內(nèi)可形成干涉圖，在空間中形成明暗交替的干涉條紋，并引起材料折射率的相應(yīng)變化；曝光過(guò)程結(jié)束后，此折射率的新分布仍能維持較長(zhǎng)時(shí)間，從而在材料內(nèi)部形成折射率光柵，即全息圖. 2束相干光束之一經(jīng)空間調(diào)制攜帶信息，稱(chēng)為物光；另一束光以特定方向入射至記錄介質(zhì)，稱(chēng)為參考光. 記錄完成后，遮擋物光，僅以參考光束照射晶體中的全息圖時(shí)，受調(diào)制的衍射光束將再現(xiàn)物光波面. 有多種復(fù)用方式能提高存儲(chǔ)密度：可將全息圖存儲(chǔ)在材料內(nèi)不同的空間區(qū)域?qū)崿F(xiàn)空間復(fù)用，也可在晶體同一空間區(qū)域內(nèi)用不同參考光角度記錄多幅全息圖實(shí)現(xiàn)角度復(fù)用. 通過(guò)均勻光照或加熱可擦除記錄在材料內(nèi)部的光柵，使材料能夠循環(huán)使用[10].

由于空間濾波實(shí)驗(yàn)和體全息存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)都要用到4f系統(tǒng)[11]，可以將2個(gè)實(shí)驗(yàn)綜合在一起.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本架構(gòu)俯視圖見(jiàn)圖1. 光源為MGL-Ⅲ-A型全固態(tài)激光器，波長(zhǎng)532 nm，輸出功率100 mW. 激光器發(fā)出的具有一定取向的部分偏振光束通過(guò)透過(guò)率可調(diào)的光衰減器，經(jīng)1/2波片，其主偏振方向旋轉(zhuǎn)2θ角(θ為入射激光束主偏振方向與1/2波片光軸夾角)進(jìn)入偏振分光棱鏡(PBS)，入射光束分成2路：一路為反射光1，其偏振方向垂直于紙面，為參考光；另一路為透射光2，其偏振方向平行于紙面. 因PBS透射光與反射光強(qiáng)度比與入射光偏振方向相關(guān)聯(lián)，旋轉(zhuǎn)PBS前的1/2波片便可調(diào)節(jié)反射光1和透射光2的強(qiáng)度之比，亦即參考光(光束1)和物光(光束2)的參物比，可在記錄晶體內(nèi)獲得對(duì)比度最好的干涉條紋.

參考光1不經(jīng)擴(kuò)束直接由反射鏡1和反射鏡2轉(zhuǎn)向后進(jìn)入記錄晶體鈮酸鋰(LiNbO3)，與透射的物光2相干涉，由于記錄點(diǎn)很小，不擴(kuò)束對(duì)圖像記錄質(zhì)量沒(méi)有明顯影響，又避免了光能損失，可提高記錄速度且簡(jiǎn)化系統(tǒng).

透射光2由40×(NA=0.65)顯微物鏡和準(zhǔn)直鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)擴(kuò)束，在顯微物鏡的焦點(diǎn)上設(shè)置直徑20 μm左右的針孔濾波器，可明顯改善記錄光束截面內(nèi)光場(chǎng)的均勻性，擴(kuò)束后的透射光將投射到空間光調(diào)制器(SLM)上，PC機(jī)1產(chǎn)生待存儲(chǔ)圖像上傳至SLM.

圖1為使用SLM為記錄物體的情形. 記錄物也可換用光學(xué)鑒別率板或幻燈片，系統(tǒng)其余部分可不變動(dòng). 準(zhǔn)直鏡后的透射光束2進(jìn)入由物體(SLM)、1/2波片(將水平偏振的物光偏振方向轉(zhuǎn)90°，與參考光一致，以滿足干涉條件)、傅里葉變換透鏡(FT)、逆傅里葉變換透鏡(IFT)、CCD攝像機(jī)組成的4f系統(tǒng). 使FT和IFT焦距f相同，彼此間距均為f，則可在CCD光敏面獲得與物面比例為1∶1的圖像[12-13].

圖1 空間濾波與體全息光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 空間濾波實(shí)驗(yàn)

按圖1搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在反射鏡1前用遮光屏遮擋參考光1暫不使用，先用主光路2進(jìn)行濾波實(shí)驗(yàn).

3.2.1 主光路調(diào)節(jié)

主光路中元器件多，首要問(wèn)題是保持各器件共光軸，為防止過(guò)高光強(qiáng)對(duì)CCD造成損傷，調(diào)節(jié)可變衰減器使CCD圖像不飽和；操作中應(yīng)使光束垂直入射至衰減器、波片、PBS受光面. 針孔濾波是調(diào)節(jié)中的難點(diǎn)，需仔細(xì)調(diào)節(jié)使針孔透射光斑僅保留0級(jí)衍射，且以光軸為圓對(duì)稱(chēng)軸(圖2)[14].

3.2.2 典型物體頻譜觀察

以鑒別率板、幻燈片及空間光調(diào)制器(SLM)3種具有典型光學(xué)特征的物體作為被記錄的對(duì)象.

圖2 針孔濾波

鑒別率板像質(zhì)高，圖像排列規(guī)律性強(qiáng)，有利于光學(xué)濾波分析；幻燈片像質(zhì)差，可模擬一般光學(xué)圖像；SLM為數(shù)字圖像的代表. 圖3為4f系統(tǒng)中CCD采集到的3種物體逆傅里葉變換圖像. 3種物體光學(xué)頻譜有明顯差異，圖4為FT后焦面上用CCD拍攝的頻譜圖.

(a)鑒別率板

(b)幻燈片

(c)SLM圖像

(a)鑒別率板

(b)幻燈片

(c)SLM圖像

3.2.3 空間濾波實(shí)驗(yàn)

根據(jù)阿貝成像原理，在FT透鏡的焦面(頻譜面)設(shè)置特別設(shè)計(jì)的光闌，對(duì)物體的頻譜進(jìn)行有選擇地遮擋(濾波)，在成像面上觀察到去除特定信息后的圖像[15-17].

為鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，我們準(zhǔn)備了透明投影膠片、黑膠紙、剪刀、大頭針等，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)制作空間濾波器并檢驗(yàn)其濾波效果，如圖5(c)和(e)所示. 圖6為CCD采集的濾波后圖像.

(a)水平狹縫 (b)垂直狹縫 (c)黑十字 (d)低通 (e)高通圖5 各種空間濾波器

(a)水平狹縫

(b)垂直狹縫

(c)黑十字

(d)低通

(e)高通

(f)高通

圖6(a)中水平狹縫只允許鑒別率板上垂直方向光柵圖像的頻譜通過(guò)，故圖像中僅可見(jiàn)豎直線條，其他方向的線條無(wú)法分辨(但中心的0級(jí)衍射分量可通過(guò)，故仍可見(jiàn)代表低頻空間信號(hào)的方塊形狀)；同理，圖6(b)中垂直狹縫只允許鑒別率板上水平方向的光柵圖像的頻譜通過(guò)，圖像中僅可見(jiàn)含水平線條的光柵塊；圖6(c)中的黑十字遮擋了圖4(a)中鑒別率板米字型頻譜中垂直和水平2個(gè)方向的譜點(diǎn)，僅保留45°方向的2列譜點(diǎn)，而且中心的0級(jí)衍射分量也被阻擋，故所有垂直和水平方向的光柵塊都不可見(jiàn)，僅剩下45°方向的光柵圖像，但因缺0級(jí)衍射分量，圖像呈現(xiàn)鏤空狀態(tài)；圖6(d)由于圖5(d)的低通小孔遮擋了SLM所顯示人像的高頻衍射頻譜，以致圖像中代表高頻信號(hào)的掃描線和細(xì)節(jié)消失，圖像變得很模糊；圖6(e)和(f)是用圖5(e)所示透明膠片上粘貼的遮光圓餅遮擋0級(jí)和低頻信號(hào)后CCD采集的SLM和幻燈片圖像：可以看到圖像的整體對(duì)比度下降，但由于微分效應(yīng)的存在，圖像(f)人物的邊緣增強(qiáng)變亮，(e)中代表細(xì)節(jié)的掃描線也清晰可見(jiàn).

3.3 體全息光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)

3.3.1 體全息圖像存儲(chǔ)

在按圖1搭建的實(shí)驗(yàn)光路中去除遮擋參考光路1的黑光屏，使自PBS分出的參考光束1經(jīng)反射鏡1和2轉(zhuǎn)向后在傅里葉透鏡(FT)的焦點(diǎn)附近與物光頻譜點(diǎn)相交，形成干涉場(chǎng).

考慮到物光是會(huì)聚光束，在焦點(diǎn)處能量密度高，參考光為平行光，在干涉區(qū)能量較平均，為防止參物比失調(diào)，放置記錄晶體的干涉區(qū)應(yīng)適當(dāng)避開(kāi)FT透鏡的焦點(diǎn).

為使圖像順利寫(xiě)入晶體，除了保證在干涉區(qū)光能量密度應(yīng)高于閾值外，在記錄點(diǎn)上應(yīng)有對(duì)比度好的干涉條紋，故物光和參考光強(qiáng)度比最好為1∶1. 提高記錄區(qū)總能量密度可以通過(guò)增加光源功率、旋轉(zhuǎn)激光器前的光學(xué)衰減器增大透過(guò)率來(lái)實(shí)現(xiàn)；但是參物比的檢測(cè)較困難，可以用光功率計(jì)分別測(cè)量物光和參考光束的總能量，以圖像信息是否很快寫(xiě)入晶體為判據(jù). 此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，記錄效果最佳時(shí)，參考光與物光在功率計(jì)上的讀數(shù)約為3∶1.

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該綜合考慮各因素，反復(fù)嘗試尋找最佳條件. 如圖像不能寫(xiě)入或?qū)Ρ榷炔?，可適當(dāng)延長(zhǎng)曝光時(shí)間并且檢查物光與參考光偏振態(tài)的一致性.

3.3.2 角度復(fù)用實(shí)驗(yàn)

角度復(fù)用可以在晶體內(nèi)同一點(diǎn)，通過(guò)改變物光或參考光的角度，記錄不同圖像，以此提高存儲(chǔ)密度[18].

將記錄晶體安裝在分辨率為1′的精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)鑒別率板、更換幻燈片或向SLM上傳不同圖像來(lái)改變物體，然后使晶體以微小間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多幅圖像的存儲(chǔ). 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存儲(chǔ)2幅不同圖像的最小角度間隔為2′，如圖7所示.

(a)

(b)圖7 晶體相鄰轉(zhuǎn)角2′存儲(chǔ)的2幅不同圖像

圖7(b)是將被記錄的鑒別率板在三爪卡盤(pán)中旋轉(zhuǎn)一小角度(使圖像改變)后，固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)2′后記錄的圖像再現(xiàn)的結(jié)果. 與圖7(a)對(duì)照可見(jiàn)后者光柵排列方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了一小角度，背景含有少量的噪聲[圖7(a)的信號(hào)竄擾][19]，記錄位置雖在晶體內(nèi)同一點(diǎn)但未見(jiàn)兩圖重疊現(xiàn)象，證明角度復(fù)用成功.

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)適合2～3名學(xué)生協(xié)作完成，其操作機(jī)會(huì)和參與度高，學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)后有成就感，收獲大，掌握了許多光路調(diào)節(jié)技巧. 完成實(shí)驗(yàn)設(shè)定的各目標(biāo)，可加深對(duì)信息光學(xué)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理解，為本科生深造和研究生開(kāi)展自主科研活動(dòng)打下良好的實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ).

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