空间滤波与体全息光存储实验

朱 昊,曹良才，何庆声

(清华大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084)

1 引 言

人类正面临海量信息存储与图像高速实时处理的双重技术挑战. 在个人身份快速识别、导弹遥感图像处理等尖端应用领域，传统的磁存储与二维光盘存储在容量和传输速度方面已难以满足需求. 运用光信息处理和体全息存储技术，借助其特有的并行处理和三维高密度存储优势，可同时解决高速和大容量2个难题[1-3]. 体全息光存储实验系统(其中可包含空间滤波实验)不仅科研价值高，应用于教学实验对提高学生综合能力也很有意义[4-5].

2 原 理

阿贝-波特实验即空间滤波实验是阿贝成像理论的基础. 该理论认为物体的成像过程可分成从物面到焦面和焦面到像面2个衍射过程. 物面发出的光波首先在物镜后焦面上产生夫琅禾费衍射(频谱)；然后再以该衍射像为相干波源，在像面上相互干涉形成物体的像[6]. 由物面到频谱是第1次傅里叶变换；由频谱到像面是第2次傅里叶变换. 光学空间滤波是根据具体需要在图像的频谱平面处放置空间滤波器[7]，对输入图像的频谱进行调制，使物体的最终成像发生需要的变化[8-9].

体全息存储是利用光折变效应的新型信息存储方法. 所谓光折变效应是光致折射率变化效应的简称，指某些电光晶体的折射率分布随光强的空间分布而变化，这类材料可用于体全息存储. 2束相交的相干光束在厚记录介质内可形成干涉图，在空间中形成明暗交替的干涉条纹，并引起材料折射率的相应变化；曝光过程结束后，此折射率的新分布仍能维持较长时间，从而在材料内部形成折射率光栅，即全息图. 2束相干光束之一经空间调制携带信息，称为物光；另一束光以特定方向入射至记录介质，称为参考光. 记录完成后，遮挡物光，仅以参考光束照射晶体中的全息图时，受调制的衍射光束将再现物光波面. 有多种复用方式能提高存储密度：可将全息图存储在材料内不同的空间区域实现空间复用，也可在晶体同一空间区域内用不同参考光角度记录多幅全息图实现角度复用. 通过均匀光照或加热可擦除记录在材料内部的光栅，使材料能够循环使用[10].

由于空间滤波实验和体全息存储实验都要用到4f系统[11]，可以将2个实验综合在一起.

3 实验设计

3.1 实验装置

实验系统基本架构俯视图见图1. 光源为MGL-Ⅲ-A型全固态激光器，波长532 nm，输出功率100 mW. 激光器发出的具有一定取向的部分偏振光束通过透过率可调的光衰减器，经1/2波片，其主偏振方向旋转2θ角(θ为入射激光束主偏振方向与1/2波片光轴夹角)进入偏振分光棱镜(PBS)，入射光束分成2路：一路为反射光1，其偏振方向垂直于纸面，为参考光；另一路为透射光2，其偏振方向平行于纸面. 因PBS透射光与反射光强度比与入射光偏振方向相关联，旋转PBS前的1/2波片便可调节反射光1和透射光2的强度之比，亦即参考光(光束1)和物光(光束2)的参物比，可在记录晶体内获得对比度最好的干涉条纹.

参考光1不经扩束直接由反射镜1和反射镜2转向后进入记录晶体铌酸锂(LiNbO3)，与透射的物光2相干涉，由于记录点很小，不扩束对图像记录质量没有明显影响，又避免了光能损失，可提高记录速度且简化系统.

透射光2由40×(NA=0.65)显微物镜和准直镜组成的望远系统扩束，在显微物镜的焦点上设置直径20 μm左右的针孔滤波器，可明显改善记录光束截面内光场的均匀性，扩束后的透射光将投射到空间光调制器(SLM)上，PC机1产生待存储图像上传至SLM.

图1为使用SLM为记录物体的情形. 记录物也可换用光学鉴别率板或幻灯片，系统其余部分可不变动. 准直镜后的透射光束2进入由物体(SLM)、1/2波片(将水平偏振的物光偏振方向转90°，与参考光一致，以满足干涉条件)、傅里叶变换透镜(FT)、逆傅里叶变换透镜(IFT)、CCD摄像机组成的4f系统. 使FT和IFT焦距f相同，彼此间距均为f，则可在CCD光敏面获得与物面比例为1∶1的图像[12-13].

图1 空间滤波与体全息光存储实验系统

3.2 空间滤波实验

按图1搭建实验系统，在反射镜1前用遮光屏遮挡参考光1暂不使用，先用主光路2进行滤波实验.

3.2.1 主光路调节

主光路中元器件多，首要问题是保持各器件共光轴，为防止过高光强对CCD造成损伤，调节可变衰减器使CCD图像不饱和；操作中应使光束垂直入射至衰减器、波片、PBS受光面. 针孔滤波是调节中的难点，需仔细调节使针孔透射光斑仅保留0级衍射，且以光轴为圆对称轴(图2)[14].

3.2.2 典型物体频谱观察

以鉴别率板、幻灯片及空间光调制器(SLM)3种具有典型光学特征的物体作为被记录的对象.

图2 针孔滤波

鉴别率板像质高，图像排列规律性强，有利于光学滤波分析；幻灯片像质差，可模拟一般光学图像；SLM为数字图像的代表. 图3为4f系统中CCD采集到的3种物体逆傅里叶变换图像. 3种物体光学频谱有明显差异，图4为FT后焦面上用CCD拍摄的频谱图.

(a)鉴别率板

(b)幻灯片

(c)SLM图像

(a)鉴别率板

(b)幻灯片

(c)SLM图像

3.2.3 空间滤波实验

根据阿贝成像原理，在FT透镜的焦面(频谱面)设置特别设计的光阑，对物体的频谱进行有选择地遮挡(滤波)，在成像面上观察到去除特定信息后的图像[15-17].

为锻炼学生的独立思考和动手能力，我们准备了透明投影胶片、黑胶纸、剪刀、大头针等，让学生自己设计制作空间滤波器并检验其滤波效果，如图5(c)和(e)所示. 图6为CCD采集的滤波后图像.

(a)水平狭缝 (b)垂直狭缝 (c)黑十字 (d)低通 (e)高通图5 各种空间滤波器

(a)水平狭缝

(b)垂直狭缝

(c)黑十字

(d)低通

(e)高通

(f)高通

图6(a)中水平狭缝只允许鉴别率板上垂直方向光栅图像的频谱通过，故图像中仅可见竖直线条，其他方向的线条无法分辨(但中心的0级衍射分量可通过，故仍可见代表低频空间信号的方块形状)；同理，图6(b)中垂直狭缝只允许鉴别率板上水平方向的光栅图像的频谱通过，图像中仅可见含水平线条的光栅块；图6(c)中的黑十字遮挡了图4(a)中鉴别率板米字型频谱中垂直和水平2个方向的谱点，仅保留45°方向的2列谱点，而且中心的0级衍射分量也被阻挡，故所有垂直和水平方向的光栅块都不可见，仅剩下45°方向的光栅图像，但因缺0级衍射分量，图像呈现镂空状态；图6(d)由于图5(d)的低通小孔遮挡了SLM所显示人像的高频衍射频谱，以致图像中代表高频信号的扫描线和细节消失，图像变得很模糊；图6(e)和(f)是用图5(e)所示透明胶片上粘贴的遮光圆饼遮挡0级和低频信号后CCD采集的SLM和幻灯片图像：可以看到图像的整体对比度下降，但由于微分效应的存在，图像(f)人物的边缘增强变亮，(e)中代表细节的扫描线也清晰可见.

3.3 体全息光存储实验

3.3.1 体全息图像存储

在按图1搭建的实验光路中去除遮挡参考光路1的黑光屏，使自PBS分出的参考光束1经反射镜1和2转向后在傅里叶透镜(FT)的焦点附近与物光频谱点相交，形成干涉场.

考虑到物光是会聚光束，在焦点处能量密度高，参考光为平行光，在干涉区能量较平均，为防止参物比失调，放置记录晶体的干涉区应适当避开FT透镜的焦点.

为使图像顺利写入晶体，除了保证在干涉区光能量密度应高于阈值外，在记录点上应有对比度好的干涉条纹，故物光和参考光强度比最好为1∶1. 提高记录区总能量密度可以通过增加光源功率、旋转激光器前的光学衰减器增大透过率来实现；但是参物比的检测较困难，可以用光功率计分别测量物光和参考光束的总能量，以图像信息是否很快写入晶体为判据. 此实验系统中，记录效果最佳时，参考光与物光在功率计上的读数约为3∶1.

实验中应该综合考虑各因素，反复尝试寻找最佳条件. 如图像不能写入或对比度差，可适当延长曝光时间并且检查物光与参考光偏振态的一致性.

3.3.2 角度复用实验

角度复用可以在晶体内同一点，通过改变物光或参考光的角度，记录不同图像，以此提高存储密度[18].

将记录晶体安装在分辨率为1′的精密转台上，旋转鉴别率板、更换幻灯片或向SLM上传不同图像来改变物体，然后使晶体以微小间隔转动，实现多幅图像的存储. 本实验系统存储2幅不同图像的最小角度间隔为2′，如图7所示.

(a)

(b)图7 晶体相邻转角2′存储的2幅不同图像

图7(b)是将被记录的鉴别率板在三爪卡盘中旋转一小角度(使图像改变)后，固定在精密转台上的铌酸锂(LiNbO3)晶体相应转动2′后记录的图像再现的结果. 与图7(a)对照可见后者光栅排列方向逆时针旋转了一小角度，背景含有少量的噪声[图7(a)的信号窜扰][19]，记录位置虽在晶体内同一点但未见两图重叠现象，证明角度复用成功.

4 结束语

本实验适合2～3名学生协作完成，其操作机会和参与度高，学生普遍反映实验后有成就感，收获大，掌握了许多光路调节技巧. 完成实验设定的各目标，可加深对信息光学关键知识点的理解，为本科生深造和研究生开展自主科研活动打下良好的实训基础.

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