光信息处理[第5章]概要课件.ppt
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- 第5章 信息处理 概要 课件
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1、 光学信息处理的理论基础光学信息处理的理论基础 光学频谱分析系统和空间滤波光学频谱分析系统和空间滤波 相干光学信息处理相干光学信息处理 非相干光学信息处理非相干光学信息处理 白光信息处理白光信息处理光学信息处理的实际应用光学信息处理的实际应用 空间光调制器空间光调制器 光信息的采集和显示技术光信息的采集和显示技术 光信息传输技术光信息传输技术 光信息存储技术光信息存储技术 5.1 5.1 概概 述述光波频率高,可允许信号本身有很宽的带宽。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交叉而互不干光波是独立传播,两束或多束光可以在空间交叉而互不干扰。信息可以多通道
2、并行或交叉传播。扰。信息可以多通道并行或交叉传播。光波以并行方式传递所载荷的信息。信息处理具有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。大容量、高速度的特点。一一.空间光调制器的基本结构与分类空间光调制器的基本结构与分类 p 空间光调制器:空间光调制器:即即 Spatial Light Modulator(SLM),是一种对光波的空间分布进行调制的器件。是一种对光波的空间分布进行调制的器件。相位相位振幅(强度)振幅(强度)频率(波长)频率(波长)偏振态偏振态光波的特性光波的特性 空间光调制器的输出光信号是随控制信号变化的空间光调制器的输出光信号是随控制信号变化的空间和时
3、间的函数。即空间和时间的函数。即)(),(),(tytxTyxT)(),(tytxT 表示在时刻表示在时刻 t,空间光调制器在,空间光调制器在(x,y)处的复数透过率。处的复数透过率。p 空间光调制器结构的基本特点在于:空间光调制器结构的基本特点在于:它是由许多基本它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。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控制,并按此每个单元都可以独立地接收光信号或电信号的控制,并按此信号改变自身的光学性质(信号改变自身的光学性质(相位、振幅、频率、偏振态相位、振幅、频率、偏振态),从),从而对通过它的光波进行空间调制。这些独
4、立单元称为空间光调而对通过它的光波进行空间调制。这些独立单元称为空间光调制器的制器的。控制像素的光电信号称为:控制像素的光电信号称为:(光信号或电信号)(光信号或电信号)照明整个器件并被调制的输入光波称为:照明整个器件并被调制的输入光波称为:经过空间光调制器后出射的光波称为:经过空间光调制器后出射的光波称为:写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。写入光或写入电信号应含有控制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把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为。采用写入光实现的寻址过程,称为采用写入光实现的寻址过程,称为光寻址光寻址;采用写入电;采用写入电
5、信号实现的寻址过程,称为信号实现的寻址过程,称为电寻址电寻址。写入光写入光读出光读出光反射式光寻址反射式光寻址输出光输出光写入光写入光读出光读出光透射式光寻址透射式光寻址输出光输出光按照读出光工作方式的不同分为按照读出光工作方式的不同分为 反射式反射式 或或 透射式透射式写入电信号写入电信号读出光读出光透射式电寻址透射式电寻址读出光读出光反射式电寻址反射式电寻址输出光输出光输出光输出光写入电信号写入电信号写入信号写入信号寻址方式寻址方式寻址速度寻址速度空间分辨率空间分辨率光寻址光寻址二维光强分布二维光强分布并行寻址并行寻址快快高高电寻址电寻址时间串行信号时间串行信号串行寻址串行寻址慢慢低低p
6、空间光调制器的分类空间光调制器的分类按照读出方式的不同分为:按照读出方式的不同分为:反射式反射式SLM 透射式透射式SLM按照输入控制信号的方式:按照输入控制信号的方式:光寻址光寻址(OA-SLM)电寻址电寻址(EA-SLM)按照在系统中的位置区分:按照在系统中的位置区分:input-SLM processor-SLM output-SLM按照工作原理的不同分为:按照工作原理的不同分为:电光效应电光效应SLM 声光效应声光效应SLM 磁光效应磁光效应SLM 光折变效应光折变效应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
7、信息处理、光互连、光计算及光学神界面或接口,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基本的功能器件之一。经网络等技术中最基本的功能器件之一。p 空间光调制器的主要材料和物理效应空间光调制器的主要材料和物理效应空间光调制器空间光调制器物理效应物理效应选用材料选用材料1电光效应电光效应SLMKerr效应效应Pockels效应效应液晶、硝基苯、液晶、硝基苯、KDP2磁光效应磁光效应SLMFaraday效应效应Cotton效应效应YIG、GGG3声光效应声光效应SLM声光效应声光效应LiNbO3、LiTaO34光折变效应光折变效应SLM光折变效应光折变效应Bi12SiO20、BaTiO3
8、5电子跃迁吸收电子跃迁吸收SLM半导体光吸收半导体光吸收GaAs、InGaAs/InP6机械效应机械效应SLM材料宏观形变材料宏观形变多晶硅、铝膜多晶硅、铝膜7热效应热效应SLM材料温度特性材料温度特性热塑薄膜、液晶热塑薄膜、液晶8光致聚合物光致聚合物SLM光化学反应光化学反应聚醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯p 常用的空间光调制器常用的空间光调制器电寻址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(薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)磁光空间光调制器(磁光空间光调制器(MOSLM)数字微反射镜器件(数字微反射镜器件(DMD)硅基底上的液晶空间光调制器(硅基底上的液晶空间光调制器(LCOS)量子
9、阱空间光调制器(量子阱空间光调制器(QWSLM)光寻址空间光调制器光寻址空间光调制器铁电液晶空间光调制器(铁电液晶空间光调制器(FLC-SLM)液晶光阀(液晶光阀(LCLV)、阴极射线管、阴极射线管-液晶光阀(液晶光阀(CRT-LCLV)微通道板空间光调制器(微通道板空间光调制器(MSLM)Pockels效应读出光调制器(效应读出光调制器(PROM)二二.空间光调制器的功能空间光调制器的功能p 输入器件输入器件 将待处理信息转换为光信息处理系统要求的输入形式。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:主要实现以下几种转换:电电-光转换光转换串行串行-并行转换并行转换
10、非相干光非相干光-相干光转换相干光转换波长转换波长转换p 处理和运算功能器件处理和运算功能器件放大器放大器乘法器与算术运算乘法器与算术运算对比度反转对比度反转模拟数字转换模拟数字转换三三.空间光调制器的基本性能参数空间光调制器的基本性能参数1.输入输入-输出特性曲线输出特性曲线2.灵敏度灵敏度特性曲线灵敏度特性曲线灵敏度指定值灵敏度指定值灵敏度阈值灵敏度阈值灵敏度输出光写入信号理想输出模拟输出IHILIt3.对比度对比度minmax/outoutII)(log1010dBDR动态范围动态范围4.灰阶数灰阶数TD10log5.调制传递函数调制传递函数调制传递函数调制传递函数调制度定义为调制度定义
11、为)/()(minmaxminmaxIIIIMwoMMMTF/6.分辨率分辨率指通过器件后输出光所能分辨的最大空间频率指通过器件后输出光所能分辨的最大空间频率7.空间带宽积空间带宽积(SBP)空间带宽积空间带宽积 分辨率平方分辨率平方工作面积工作面积8.单幅信息容量单幅信息容量)(log2bitNSBPC N 为灰阶数为灰阶数 指当空间光调制器的所有像素都受到写入信号的调制并保持指当空间光调制器的所有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。稳定时,输出光所能携带的最大信息容量。9.响应速度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指写入信号作用到器件直至输
12、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当写入信号撤除后,被调制量减小到最大值的 a 倍时倍时所需的时间。所需的时间。10.帧频帧频指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数11.信息流量信息流量信息流量信息流量 单幅信息容量单幅信息容量帧频帧频12.存储(记忆)时间存储(记忆)时间5.2 5.2 液晶光阀液晶光阀一一.液晶的光电特性液晶的光电特性1.液晶结构液晶结构 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。在一定温度范围内,它既有液体的流动性、粘度、形状态。在一
13、定温度范围内,它既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质,又具有晶体的热(变等机械性质,又具有晶体的热(热效应热效应)、光()、光(光学各向光学各向异性异性)、电()、电(电光效应电光效应)、磁()、磁(磁光效应磁光效应)等物理性质。)等物理性质。按液晶分子排列的有序性区分,可分为三类:按液晶分子排列的有序性区分,可分为三类:近晶相液晶近晶相液晶向列相液晶向列相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶近晶相液晶近晶相液晶 近晶相液晶具有宏观的电学近晶相液晶具有宏观的电学各向异性和光学各向异性。各向异性和光学各向异性。近晶相液晶分子近晶相液晶分子具有二维空具有二维空间的层状规则性排列,各层间间的层状规则性排列,各
14、层间则有一维的顺向排列。则有一维的顺向排列。一般而言,近晶相液晶分子的一般而言,近晶相液晶分子的黏度大,对电场的应答速度慢,黏度大,对电场的应答速度慢,较少应用于显示器,多用于光记较少应用于显示器,多用于光记忆材料方面。忆材料方面。近晶相液晶近晶相液晶向列相液晶向列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,但分子取向大体乱、不再分层,但分子取向大体一致,因此具有一维空间的规则一致,因此具有一维空间的规则排列。排列。向列相液晶的粘度小,应答向列相液晶的粘度小,应答速度快,是最早被应用的液晶,速度快,是最早被应用的液晶,普遍应用于液晶电视、普遍应
15、用于液晶电视、笔记本笔记本电脑以及各类型显示元件上。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胆甾相液晶 胆甾相液晶胆甾相液晶分子的排列呈螺分子的排列呈螺旋平面层状排列,层与层之间旋平面层状排列,层与层之间相互平行,分子在各个层面上相互平行,分子在各个层面上为向列型为向列型,两相邻层面上的分两相邻层面上的分子长轴方向依次转过一定角度。子长轴方向依次转过一定角度。当两个平面上的分子长轴方向当两个平面上的分子长轴方向相同时,这两个平面之间的距相同时,这两个平面之间的距离称为一个螺距(离称为一个螺距(pitch)。)。胆甾相液晶胆甾相液晶液晶螺距的长度液晶螺距的长度会随着温度的不同而改
16、变,因会随着温度的不同而改变,因此会产生对不同波长的选择性此会产生对不同波长的选择性反射,呈现不同的颜色变化,反射,呈现不同的颜色变化,常用于温度传感器。常用于温度传感器。目前空间光调制器中应用最多的是目前空间光调制器中应用最多的是向列相液晶向列相液晶,液晶,液晶分子取向可通过外界条件来控制。一种方法是通过电磁场分子取向可通过外界条件来控制。一种方法是通过电磁场控制,另一种是通过液晶表面处理方式控制。控制,另一种是通过液晶表面处理方式控制。对基片表面处理,可使液晶分子平行于基片且分子对基片表面处理,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。长轴方向沿同一方向排列。基片基片基片基片向列
17、相液晶向列相液晶2.双折射效应双折射效应 方解石方解石双折射现象双折射现象 一束光入射到一束光入射到各向异性的介质后出现两束各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。折射光线的现象。2Rs1R 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,因此轴方向上的折射率,因此光束在通过液晶时会出现光束在通过液晶时会出现双折射现象双折射现象。3.扭曲效应扭曲效应向列相液晶扭曲形变示意图向列相液晶扭曲形变示意图 由于液晶的扭曲形变由于液晶的扭曲形变而使特定方向线偏振光而使特定方向线偏振光的偏振方向旋转一个角的偏振方向旋转一个角
18、度的现象,称为度的现象,称为扭曲效扭曲效应应。4.混合场效应混合场效应 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,液晶同时出现双折射效应和扭中等强度电场作用下,液晶同时出现双折射效应和扭曲效应的现象,称为曲效应的现象,称为混合场效应混合场效应。V起偏器起偏器检偏器检偏器椭圆偏振椭圆偏振透射光透射光出射光出射光非偏振非偏振入射光入射光线偏振线偏振入射光入射光混合场效应原理示意图混合场效应原理示意图(V Vc)在外加电场作用下,入射的线偏振光通过液晶后,变成含在外加电场作用下,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分量
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