朱 昊,曹良才，何慶聲

(清華大學 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，北京 100084)

1 引 言

人類正面臨海量信息存儲與圖像高速實時處理的雙重技術(shù)挑戰(zhàn). 在個人身份快速識別、導彈遙感圖像處理等尖端應用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的磁存儲與二維光盤存儲在容量和傳輸速度方面已難以滿足需求. 運用光信息處理和體全息存儲技術(shù)，借助其特有的并行處理和三維高密度存儲優(yōu)勢，可同時解決高速和大容量2個難題[1-3]. 體全息光存儲實驗系統(tǒng)(其中可包含空間濾波實驗)不僅科研價值高，應用于教學實驗對提高學生綜合能力也很有意義[4-5].

2 原 理

阿貝-波特實驗即空間濾波實驗是阿貝成像理論的基礎(chǔ). 該理論認為物體的成像過程可分成從物面到焦面和焦面到像面2個衍射過程. 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]，對輸入圖像的頻譜進行調(diào)制，使物體的最終成像發(fā)生需要的變化[8-9].

體全息存儲是利用光折變效應的新型信息存儲方法. 所謂光折變效應是光致折射率變化效應的簡稱，指某些電光晶體的折射率分布隨光強的空間分布而變化，這類材料可用于體全息存儲. 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變化；曝光過程結(jié)束后，此折射率的新分布仍能維持較長時間，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，稱為物光；另一束光以特定方向入射至記錄介質(zhì)，稱為參考光. 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，受調(diào)制的衍射光束將再現(xiàn)物光波面. 有多種復用方式能提高存儲密度：可將全息圖存儲在材料內(nèi)不同的空間區(qū)域?qū)崿F(xiàn)空間復用，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現(xiàn)角度復用. 通過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].

由于空間濾波實驗和體全息存儲實驗都要用到4f系統(tǒng)[11]，可以將2個實驗綜合在一起.

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)基本架構(gòu)俯視圖見圖1. 光源為MGL-Ⅲ-A型全固態(tài)激光器，波長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透過率可調(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)獲得對比度最好的干涉條紋.

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

透射光2由40×(NA=0.65)顯微物鏡和準直鏡組成的望遠系統(tǒng)擴束，在顯微物鏡的焦點上設(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)光場的均勻性，擴束后的透射光將投射到空間光調(diào)制器(SLM)上，PC機1產(chǎn)生待存儲圖像上傳至SLM.

圖1為使用SLM為記錄物體的情形. 記錄物也可換用光學鑒別率板或幻燈片，系統(tǒng)其余部分可不變動. 準直鏡后的透射光束2進入由物體(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實驗系統(tǒng)

3.2 空間濾波實驗

按圖1搭建實驗系統(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進行濾波實驗.

3.2.1 主光路調(diào)節(jié)

主光路中元器件多，首要問題是保持各器件共光軸，為防止過高光強對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，需仔細調(diào)節(jié)使針孔透射光斑僅保留0級衍射，且以光軸為圓對稱軸(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種具有典型光學特征的物體作為被記錄的對象.

圖2 針孔濾波

鑒別率板像質(zhì)高，圖像排列規(guī)律性強，有利于光學濾波分析；幻燈片像質(zhì)差，可模擬一般光學圖像；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 空間濾波實驗

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)計的光闌，對物體的頻譜進行有選擇地遮擋(濾波)，在成像面上觀察到去除特定信息后的圖像[15-17].

為鍛煉學生的獨立思考和動手能力，我們準備了透明投影膠片、黑膠紙、剪刀、大頭針等，讓學生自己設(shè)計制作空間濾波器并檢驗其濾波效果，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，故圖像中僅可見豎直線條，其他方向的線條無法分辨(但中心的0級衍射分量可通過，故仍可見代表低頻空間信號的方塊形狀)；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，圖像中僅可見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個方向的譜點，僅保留45°方向的2列譜點，而且中心的0級衍射分量也被阻擋，故所有垂直和水平方向的光柵塊都不可見，僅剩下45°方向的光柵圖像，但因缺0級衍射分量，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的掃描線和細節(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級和低頻信號后CCD采集的SLM和幻燈片圖像：可以看到圖像的整體對比度下降，但由于微分效應的存在，圖像(f)人物的邊緣增強變亮，(e)中代表細節(jié)的掃描線也清晰可見.

3.3 體全息光存儲實驗

3.3.1 體全息圖像存儲

在按圖1搭建的實驗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)的焦點附近與物光頻譜點相交，形成干涉場.

考慮到物光是會聚光束，在焦點處能量密度高，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)應適當避開FT透鏡的焦點.

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

實驗中應該綜合考慮各因素，反復嘗試尋找最佳條件. 如圖像不能寫入或?qū)Ρ榷炔?，可適當延長曝光時間并且檢查物光與參考光偏振態(tài)的一致性.

3.3.2 角度復用實驗

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

將記錄晶體安裝在分辨率為1′的精密轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)鑒別率板、更換幻燈片或向SLM上傳不同圖像來改變物體，然后使晶體以微小間隔轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)多幅圖像的存儲. 本實驗系統(tǒng)存儲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中旋轉(zhuǎn)一小角度(使圖像改變)后，固定在精密轉(zhuǎn)臺上的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體相應轉(zhuǎn)動2′后記錄的圖像再現(xiàn)的結(jié)果. 與圖7(a)對照可見后者光柵排列方向逆時針旋轉(zhuǎn)了一小角度，背景含有少量的噪聲[圖7(a)的信號竄擾][19]，記錄位置雖在晶體內(nèi)同一點但未見兩圖重疊現(xiàn)象，證明角度復用成功.

4 結(jié)束語

本實驗適合2～3名學生協(xié)作完成，其操作機會和參與度高，學生普遍反映實驗后有成就感，收獲大，掌握了許多光路調(diào)節(jié)技巧. 完成實驗設(shè)定的各目標，可加深對信息光學關(guān)鍵知識點的理解，為本科生深造和研究生開展自主科研活動打下良好的實訓基礎(chǔ).

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