空間濾波與體全息光存儲實驗

朱 昊,曹良才，何慶聲

(清華大學 精密測試技術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挑戰. 在個人身份快速識別、導彈遙感圖像處理等尖端應用領域，傳統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，借助其特有的并行處理和三維高密度存儲優勢，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(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. 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. 物面發出的光波首先在物鏡后焦面上產生夫瑯禾費衍射(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制，使物體的最終成像發生需要的變化[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內可形成干涉圖，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；曝光過程結束后，此折射率的新分布仍能維持較長時間，從而在材料內部形成折射率光柵，即全息圖. 2束相干光束之一經空間調制攜帶信息，稱為物光；另一束光以特定方向入射至記錄介質，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，受調制的衍射光束將再現物光波面. 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不同的空間區域實現空間復用，也可在晶體同一空間區域內用不同參考光角度記錄多幅全息圖實現角度復用. 通過均勻光照或加熱可擦除記錄在材料內部的光柵，使材料能夠循環使用[10].

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

3 實驗設計

3.1 實驗裝置

實驗系統基本架構俯視圖見圖1. 光源為MGL-Ⅲ-A型全固態激光器，波長532 nm，輸出功率100 mW. 激光器發出的具有一定取向的部分偏振光束通過透過率可調的光衰減器，經1/2波片，其主偏振方向旋轉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聯，旋轉PBS前的1/2波片便可調節反射光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，可在記錄晶體內獲得對比度最好的干涉條紋.

參考光1不經擴束直接由反射鏡1和反射鏡2轉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.

透射光2由40×(NA=0.65)顯微物鏡和準直鏡組成的望遠系統擴束，在顯微物鏡的焦點上設置直徑20 μm左右的針孔濾波器，可明顯改善記錄光束截面內光場的均勻性，擴束后的透射光將投射到空間光調制器(SLM)上，PC機1產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. 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

3.2 空間濾波實驗

按圖1搭建實驗系統，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 主光路調節

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，調節可變衰減器使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. 針孔濾波是調節中的難點，需仔細調節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

鑒別率板像質高，圖像排列規律性強，有利于光學濾波分析；幻燈片像質差，可模擬一般光學圖像；SLM為數字圖像的代表. 圖3為4f系統中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

根據阿貝成像原理，在FT透鏡的焦面(頻譜面)設置特別設計的光闌，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，圖像呈現鏤空狀態；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經反射鏡1和2轉向后在傅里葉透鏡(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，在干涉區能量較平均，為防止參物比失調，放置記錄晶體的干涉區應適當避開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. 提高記錄區總能量密度可以通過增加光源功率、旋轉激光器前的光學衰減器增大透過率來實現；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. 此實驗系統中，記錄效果最佳時，參考光與物光在功率計上的讀數約為3∶1.

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

3.3.2 角度復用實驗

角度復用可以在晶體內同一點，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′的精密轉臺上，旋轉鑒別率板、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動，實現多幅圖像的存儲. 本實驗系統存儲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一小角度(使圖像改變)后，固定在精密轉臺上的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體相應轉動2′后記錄的圖像再現的結果. 與圖7(a)對照可見后者光柵排列方向逆時針旋轉了一小角度，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同一點但未見兩圖重疊現象，證明角度復用成功.

4 結束語

本實驗適合2～3名學生協作完成，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，掌握了許多光路調節技巧. 完成實驗設定的各目標，可加深對信息光學關鍵知識點的理解，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.

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