專利名稱：利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法
利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法(一) 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及光折變效應(yīng)與光學(xué)圖像處理領(lǐng)域。(二) 背景技術(shù)光學(xué)信息處理是隨著激光器的問世而蓬勃發(fā)展起來的一個研究方向，是現(xiàn)代信息處理中 一個重要組成部分，在現(xiàn)代光學(xué)研究領(lǐng)域中占有很重要的地位。所謂光學(xué)信息處理，是指基 于對光學(xué)頻譜的分析，利用傅里葉光學(xué)理論，通過空域或頻域調(diào)制，借助空間濾波等技術(shù)對 光的強度、相位、波長和偏振態(tài)等進行處理的過程，較多用于對二維圖像的處理。光學(xué)信息處理作為一門新興學(xué)科發(fā)展極快。20世紀80年代以后，隨著高新技術(shù)的蓬勃 興起，人類進入了一個"信息爆炸時代"，進而要求對超大量信息具有快速處理的能力。例如， 戰(zhàn)略防御計劃、氣體動力學(xué)、中長期天氣預(yù)報、機器入視覺、人工智能等許多方面都對數(shù)據(jù) 處理提出了超高速和超大容量的要求。要求在預(yù)定的時間段內(nèi)獲得準確的結(jié)果，而這些都對 信息處理技術(shù)提出了極高的要求。為了滿足這種需求而發(fā)展起來的電子技術(shù)隨著電子功能器 件的小型化，其信息處理速度日益加快，使其成為目前信息處理領(lǐng)域的主要處理手段。然而， 光以其速度快、抗干擾能力強、可大量并行處理等特點逐漸顯示出其獨特的優(yōu)越性。在光學(xué) 信息處理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光處理研究及其相關(guān)技術(shù)已為該領(lǐng)域注入了新的生命，成為十分 活躍的一個研究方向。為了滿足日益增長的光學(xué)圖像處理技術(shù)發(fā)展的需要，開展新型非線性光學(xué)材料的性質(zhì)及 其新應(yīng)用的研究是當前的迫切任務(wù)，也是光學(xué)及光電功能材料等領(lǐng)域的前沿研究課題。當前， 利用光折變材料的非線性光學(xué)特性已經(jīng)實現(xiàn)了大容量光學(xué)信息的存儲與識別，并制成了各種 功能的光學(xué)器件。但是利用光折變材料的拉曼-納斯衍射(Raman-Nath衍射)特性進行光學(xué)信息處理的研 究還不多，這主要是由于到目前為止大多數(shù)光折變材料的拉曼-納斯衍射光都比較模糊，很難 形成清晰的拉曼-納斯衍射圖像，因此對其進行光學(xué)信息處理的理論和實驗研究很少。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種圖像處理速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低的利用不同波長光波讀 光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的步驟一、制備體全息光柵從第一激光器l出射的激光束 經(jīng)過半透半反鏡2分束后，被反射鏡3、 4反射后成為兩束相干的光束，其中一束經(jīng)過空間光 濾波器5，第一傅里葉透鏡6，空間光調(diào)制器7，第二傅里葉透鏡8后被加載上待處理的圖像信息，成為信號光，另一束是不攜帶任何信息的參考光，它們相交在光折變體9內(nèi)形成光強 分布不均勻的干涉條紋，并利用光折變效應(yīng)在光折變體9中記錄下相位體全息光柵，等待光 柵穩(wěn)定后，由光折變體9得到存儲有光學(xué)圖像信息的元件，所述兩束具有相干性的光束在相 交時的夾角應(yīng)使這時發(fā)生的衍射為拉曼-納斯衍射；步驟二、圖像處理過程將步驟一制備的 光柵元件(即光折變體9)放在從不同波長第二激光器10直接出射的光路中，使其出射的光 束直接輸入到元件的光輸入端，利用拉曼-納斯衍射在元件的光輸出端即可獲得多個衍射圖 像，衍射圖像的大小與激光器的波長成比例。 本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征1、 歩驟一中所述兩束具有相干性的光束的光程差小于所述光束的相干長度；2、 步驟一中所述光折變體9選用能夠產(chǎn)生光折變效應(yīng)并有清晰拉曼-納斯衍射圖像的有 機材料或無機材料；3、 步驟二中所述第二激光器10的波長決定于步驟一中所述第一激光器1的波長以及最 終需要實現(xiàn)的圖像信息的放大或縮小倍數(shù)，圖像信息的放大或縮小倍數(shù)正比于第二激光器10 的波長與第一激光器1的波長的比值；4、 步驟一中產(chǎn)生兩束相交的具有相干性的光束的裝置由第一激光器l、半透半反鏡2、 第一反射鏡3、第二反射鏡4、空間光濾波器5、第一傅里葉透鏡6、空間光調(diào)制器7、第二 傅里葉透鏡8組成；步驟一中產(chǎn)生兩束相交的具有相干性的光束的方法是從第一激光器l 中輸出的光束輸入到半透半反鏡2的光輸入端，半透半反鏡2將輸入的光束分為透射光和反 射光，所述反射光輸入到第一反射鏡3的光輸入端并利用第一反射鏡3使所述反射光改變方 向，所述透射光輸入到第二反射鏡4的光輸入端并利用第二反射鏡4使所述透射光改變方向， 通過空間光濾波器5輸入到第一傅里葉透鏡6的光輸入端并經(jīng)過第一傅里葉透鏡6傳輸，在 第一傅里葉透鏡6的光輸出端獲得平行光束，所述平行光束經(jīng)過空間光調(diào)制器7傳輸后輸入 到第二傅里葉透鏡8的光輸入端，所述平行光束在經(jīng)過空間光調(diào)制器7傳輸?shù)倪^程中被加載 上信息，所述被加載上信息的平行光經(jīng)過第二傅里葉透鏡8傳輸后，在第二傅里葉透鏡8的 光輸出端完成傅里葉變換。空間光調(diào)制器7位于第一傅里葉透鏡6和第二傅里葉透鏡8之間， 空間光調(diào)制器7到第二傅里葉透鏡8的距離是第二傅里葉透鏡8的焦距；使從第一反射鏡3 輸出的改變了方向的反射光和從第二反射鏡4輸出的改變了方向的透射光相交在一起，即得 到了兩束相交的具有相干性的光束，所述反射光與透射光的光程差小于第一激光器1輸出的 激光的相干長度；所述第一激光器1能夠產(chǎn)生具有光折變效應(yīng)的任意波長的激光，所述激光 的光強由光折變體9的材料決定，對于不同材料的光折變體9，為了得到清晰的衍射圖像， 我們需要不同的記錄光強，如摻雜甲基紅染料的戊氰基聯(lián)苯液晶材料制作的光折變體9，所述信號光的光強為50.22 mW'cm—2 (毫瓦每平方厘米)，所述參考光的光強為60.16 mW'cm—2，這時衍射圖像最清晰；5、 步驟二中所述需要的光束是直接從第二激光器IO輸出的激光；6、 步驟一中，所述第一激光器l采用Ar+激光器，它輸出光的波長為488.0納米，選用 摻雜甲基紅染料的戊氰基聯(lián)苯液晶，其中甲基紅染料濃度為1%，光折變體尺寸為 10.50x10.00x0.046 mm3 (立方毫米)，所述信號光的光強為50.22 mW'cm-2 (毫瓦每平方厘米)， 所述參考光的光強為60.16 mW，cm—2，相交的反射光和透射光的夾角e為2.00°(度)，相交的信 號光和參考光的偏振方向在入射平面內(nèi)，所述光折變體9被相交光束照射十五分鐘后光柵達 到穩(wěn)定，所記錄光柵成為永久光柵，這是可以清晰地觀察到拉曼-納斯衍射圖像；在步驟二中， 所述第二激光器10采用氦-氖激光器，它輸出光的波長為632.8納米，光波直接照射光折變體 9上；7、 步驟二中，所述第二激光器10采用半導(dǎo)體激光器，它輸出光的波長為532.0納米；8、 步驟二中，所述第二激光器10采用Ar+激光器，它輸出光的波長為514.5納米；9、 步驟一中，所述兩束具有相干性的光束在相交時的夾角在3度之內(nèi)。 本發(fā)明提出了一種利用不同波長的激光器發(fā)射出來的光波來實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，并利用合適的光折變材料實現(xiàn)了光學(xué)信息處理。這種方法利用了光折變材料的拉曼-納斯衍射 特性，用不同波長的光波照射已經(jīng)記錄完相應(yīng)信息的光折變材料，從而可以快速的實現(xiàn)已存 儲圖像信息的放大，縮小等操作，并且可以通過改變?nèi)肷涔獠ǖ牟ㄩL來控制放大，縮小的比 例，這種方法的優(yōu)點是圖像處理速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。在本發(fā)明中，為了得到質(zhì)量盡量好的的圖像效果，相交的兩束光的夾角要盡量小，通常 是3度之內(nèi)；當夾角過大時，相交的兩束相干光在光折變體內(nèi)產(chǎn)生的折射率光柵發(fā)生的是布 拉格衍射(Bmgg衍射)，而這種布拉格衍射只能用原波長的記錄光進行讀出，而不能用用其 它波長的入射光讀出。通常，通過計算公式^=2;^/^\2來確定在實施時選擇的參數(shù)是否滿足產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件當Q〈1時，是拉曼-納斯衍射；當Q〉1時，是布拉格衍射； 其中A—入射的相交光束的波長，L—光折變體的厚度，光折變體的折射率，A—光柵間距。用本發(fā)明所制成的光學(xué)處理元件在用于圖像處理時，在記錄光柵過程中，要選擇合適的光折變體9，從而能產(chǎn)生清晰的拉曼-納斯衍射圖像，并且要求光折變體9能記錄永久光柵， 從而可以用不同于記錄光波長的入射光讀出光柵所攜帶的信息，從而實現(xiàn)圖像處理。本發(fā)明 巧妙地利用了小角度下相位光柵的拉曼-納斯衍射特性，在光折變體中利用折變效應(yīng)設(shè)計了一 種新的光學(xué)圖像處理元件，這種光學(xué)圖像處理的方法相對簡單、成本較低、結(jié)構(gòu)簡單。與其他圖像處理方法相比，本發(fā)明利用光折變材料的光折變效應(yīng)與拉曼-納斯衍射相結(jié)合，實現(xiàn)了 圖像處理，不僅在光柵存儲階段可以實現(xiàn)圖像處理，而且更重要的是在光柵存儲后，可以通 過不同波長的不攜帶信息的入射光來再現(xiàn)己存儲的信息，通過拉曼-納斯衍射實現(xiàn)圖像處理， 另外本發(fā)明還另有一個優(yōu)點，即在圖像處理對處理條件要求寬松l)對于需要處理的圖像沒 有嚴格的要求。在處理過程中，通過拉曼-納斯衍射項實現(xiàn)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作。2)處 理元件可適用的波長變化范圍較大。制備光柵時時使用的光波波長可以與需要實現(xiàn)圖像處理 的光波波長不一致，因此可以對一定波長范圍內(nèi)的光波實現(xiàn)圖像處理，應(yīng)用上很靈活。(四)


圖1為本發(fā)明利用不同波長的光波讀出光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法的步驟一制 備體全息光柵9的光傳輸流程圖； 圖2為光傳輸流程圖；圖3是第二種具體實施方式
中步驟一的實驗結(jié)果圖； 圖4是第二種具體實施方式
中歩驟二的實驗結(jié)果圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進一步的說明 實施例1:本實施方法的利用不同波長的光波讀出光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法是這樣實現(xiàn) 的a、從第一激光器l中射出的光束經(jīng)半透半反鏡2進行分束，分為位于半透半反鏡2的透 射光路上的信號光和位于半透半反鏡2的反射光路上的參考光；b、參考光經(jīng)過第一反射鏡3 改變方向后，照射到光折變體9上；C、信號光經(jīng)過第二反射鏡4改變方向后，通過空間光濾波器5和第一傅里葉透鏡6被擴束成面積較大的平行光，均勻平面波經(jīng)過空間光調(diào)制器7之后被加載上信息，經(jīng)第二傅里葉透鏡8后，在光折變體9內(nèi)形成傅里葉變換頻譜；d、信號光和參考光在光折變體9中相遇干涉，由于光折變效應(yīng)，光折變體9內(nèi)的折射率隨入射光強的 變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，在光折變體9內(nèi)形成相位體光柵，從而實現(xiàn)全息圖像的記錄，成為 存儲有待處理光學(xué)信息的光折變體9。在記錄光柵過程中會有拉曼-納斯衍射圖像出現(xiàn)，其為 放大、縮小和旋轉(zhuǎn)的信號光圖像；e、記錄完待處理光學(xué)信息后，用不同于記錄光波長的第二 激光器10發(fā)出的光波照射光折變體9，這時在光折變體9后的觀察屏11上立刻就有拉曼-納 斯衍射圖像出現(xiàn)。其圖像尺寸與第一激光器1以及第二激光器10的波長有關(guān)，不同第一激光 器l以及第二激光器10的波長，再現(xiàn)的衍射圖像的尺寸不同，從而可以利用入射光波長的不 同安著信息處理要求實現(xiàn)圖像的放大、縮小等處理。結(jié)合圖1，光折變體9選用能夠產(chǎn)生光折變效應(yīng)并能有清晰的拉曼-納斯衍射圖像的任何材料，它包括有機材料或無機材料，它的尺寸根據(jù)具體產(chǎn)品要求而定。當選定了光折變體9 的材料后，光折變體9的光學(xué)性質(zhì)即已確定，然后根據(jù)實驗即可判斷光折變體9是否可以產(chǎn) 生清晰的拉曼-納斯衍射圖像。第二激光器10的波長根據(jù)圖像處理的要求而定，且在所用第 一激光器1波長附近的一定范圍內(nèi)，如第一激光器波長為500納米，為了使放大倍數(shù)為1.5 倍，第二激光器的波長應(yīng)為750納米。 實施例2:結(jié)合圖1和圖2，本具體實施方式
與實施例1的不同點是在步驟一中，所述第一激光 器l采用Ar+激光器，它輸出光的波長為488.0納米，所述光折變體9選用摻雜甲基紅染料的 戊氰基聯(lián)苯液晶，其中甲基紅染料濃度為1%，光折變體尺寸為10.50x10.00x0.046 mm3 (立方 毫米)，所述信號光的光強為50.22 mW'cm—2 (毫瓦每平方厘米)，所述參考光的光強為60.16 mW，cm—2，相交的反射光和透射光的夾角6為2.00°(度)，相交的信號光和參考光的偏振方向 在入射平面內(nèi)，所述光折變體9被相交光束照射十五分鐘后光柵達到穩(wěn)定，所記錄光柵成為 永久光柵，這是可以清晰地觀察到拉曼-納斯衍射圖像，如圖3所示；在歩驟二中，所述第二 激光器10采用氦-氖激光器，它輸出光的波長為632.8納米，光波直接照射存儲有待處理光學(xué) 信息的光折變體9上，在光折變體9后的觀察屏上可以看到清晰的被放大的各階衍射圖像， 如圖4所示。其他步驟與具體實施例l相同。在本具體實施方式
中，"相交的信號光和參考光 的偏振方向在入射平面內(nèi)"這一條件是為了在摻雜甲基紅染料的戊氰基聯(lián)苯液晶內(nèi)獲得最佳 的折射率光柵，從而達到衍射的最佳狀態(tài)，照射存儲有待處理光學(xué)信息的光折變體9的入射 光的最佳入射方向是由光折變體9的材料性質(zhì)決定的。實施例3:結(jié)合圖1和圖2，本具體實施方式
與實施例2的不同點是在步驟二中，所述第二激光 器10輸出光的波長為532.0納米。其他步驟與具體實施例2相同。 實施例4:結(jié)合圖1和圖2說明本具體實施方式
，本具體實施方式
與實施例2的不同點是在步驟二中，所述第二激光器10輸出光的波長為514.5納米。其他步驟與具體實施例2相同。除上述具體實施方式
外，利用光折變效應(yīng)在光折變材料中形成永久相位體光柵，然后用 不同波長讀出光波對永久相位體光柵進行讀出，并利用其拉曼-納斯衍射來達到光學(xué)信息處理 目的的技術(shù)方案均在本說明書的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其特征在于它按以下步驟進行步驟一、制備體全息光柵(9)使兩束具有相干性的光束相交并輸入到光折變體(9)的光輸入端，于是在光折變體(9)內(nèi)形成光強分布不均勻的干涉條紋并利用光折變效應(yīng)在光折變體(9)中記錄下體全息光柵，等待光柵穩(wěn)定后，由光折變體(9)得到存儲有待處理信息的光折變體(9)，所述兩束具有相干性的光束在相交時的夾角應(yīng)使這時發(fā)生的衍射為拉曼-納斯衍射；步驟二、圖像處理過程將步驟一制備的存儲有待處理信息的光折變體(9)放在第二激光器(10)的光路中，使光束直接輸入到光折變體(9)的光輸入端，利用拉曼-納斯衍射在光折變體(9)的光輸出端即可獲得被放大或縮小的各階衍射圖像信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在十步驟一中所述兩束具有相十性的光束的光程差小于所述光束的相干長度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在于步驟一中所述光折變體(9)選用能夠產(chǎn)生光折變效應(yīng)并有清晰拉曼-納斯衍射圖像的 有機材料或無機材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在于步驟二中所述第二激光器(10)的波長決定于步驟一中所述第一激光器(1)的波長以及 最終需要實現(xiàn)的圖像信息的放大或縮小倍數(shù)，圖像信息的放大或縮小倍數(shù)正比于第二激光器 10的波長與第一激光器1的波長的比值。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在于步驟一中產(chǎn)生兩束相交的具有相干性的光束的裝置由第一激光器(l)、半透半反鏡 (2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、空間光濾波器(5)、第一傅里葉透鏡(6)、空間光調(diào)制器 (7)、第二傅里葉透鏡(8)組成；步驟一中產(chǎn)生兩束相交的具有相干性的光束的方法是從第一 激光器(1)中輸出的光束輸入到半透半反鏡(2)的光輸入端，半透半反鏡(2)將輸入的光束分為透 射光和反射光，所述反射光輸入到第一反射鏡(3)的光輸入端并利用第一反射鏡(3)使所述反射 光改變方向，所述透射光輸入到第二反射鏡(4)的光輸入端并利用第二反射鏡(4M吏所述透射光 改變方向，通過空間光濾波器(5)輸入到第一傅里葉透鏡(6)的光輸入端并經(jīng)過第一傅里葉透鏡 (6)傳輸，在第一傅里葉透鏡(6)的光輸出端獲得平行光束，所述平行光束經(jīng)過空間光調(diào)制器(7) 傳輸后輸入到第二傅里葉透鏡(8)的光輸入端，所述平行光束在經(jīng)過空間光調(diào)制器(7M專輸?shù)倪^ 程中被加載上信息，所述被加載上信息的平行光經(jīng)過第二傅里葉透鏡(8)傳輸后，在第二傅里 葉透鏡(8)的光輸出端完成傅里葉變換?？臻g光調(diào)制器(7)位于第一傅里葉透鏡(6)和第二傅里葉 透鏡(8)之間，空間光調(diào)制器(7)到第二傅里葉透鏡(8)的距離是第二傅里葉透鏡(8)的焦距；使 從第一反射鏡(3)輸出的改變了方向的反射光和從第二反射鏡(4)輸出的改變了方向的透射光相交在一起，即得到了兩束相交的具有相干性的光束，所述反射光與透射光的光程差小于第 一激光器(l)輸出的激光的相干長度；所述第一激光器(l)能夠產(chǎn)生具有光折變效應(yīng)的任意波長 的激光，所述激光的光強由光折變體(9)的材料決定。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在于步驟二中所述需要的光束是直接從第二激光器(10)輸出的激光。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 3、 5所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的 方法，其特征在于在步驟一中，所述第一激光器(l)采用Ar+激光器，它輸出光的波長為488.0 納米，選用摻雜甲基紅染料的戊氰基聯(lián)苯液晶，其中甲基紅染料濃度為1%，光折變體尺寸為 10.50x10.00x0.046立方毫米，所述信號光的光強為50.22毫瓦每平方厘米，所述參考光的光 強為60.16 mW《m—2，相交的反射光和透射光的夾角6為2.00°，相交的信號光和參考光的偏 振方向在入射平面內(nèi)，所述光折變體(9)被相交光束照射十五分鐘后光柵達到穩(wěn)定，所記錄光 柵成為永久光柵，這是可以清晰地觀察到拉曼-納斯衍射圖像；在步驟二屮，所述第二激光器 (10)采用氦-氖激光器，它輸出光的波長為632.8納米，光波直接照射光折變體(9)上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在f在步驟二中，所述第二激光器(10)采用半導(dǎo)體激光器，它輸出光的波長為532.0納米。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，其 特征在于在步驟二中，所述第—激光器(10)采用Ar+激光器，它輸出光的波長為514.5納米。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法， 其特征在于歩驟一中，所述兩束具有相干性的光束在相交時的夾角在3度之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用不同波長光波讀光折變光柵實現(xiàn)光學(xué)信息處理的方法，步驟包括使兩束具有相干性的光束相交后照射光折變材料，形成光強分布不均勻的干涉條紋并利用光折變效應(yīng)制備相位體光柵，然后用另一波長的激光器直接照射此相位體光柵，即可通過拉曼-納斯衍射實現(xiàn)光學(xué)信息處理。上述兩記錄相位體光柵的光束的夾角需使這時發(fā)生的衍射為拉曼-納斯衍射。本發(fā)明利用光折變材料的光折變效應(yīng)與永久光柵的拉曼-納斯衍射實現(xiàn)了光學(xué)信息處理，可以根據(jù)實際的處理需要選用不同波長的激光器來實現(xiàn)光學(xué)信息處理。本發(fā)明方法簡單、成本較低、應(yīng)用靈活。
文檔編號G02B27/46GK101251654SQ20081006423
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者侯春風(fēng), 周忠祥, 姜永遠, 孫秀冬, 宮德維 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)