基于激光照排機(jī)制作光柵調(diào)制物的實(shí)驗(yàn)研究

阿不力孜·阿不都艾尼， 程 萍， 周道逵， 張曉天， 倪綠汀

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于激光照排機(jī)制作光柵調(diào)制物的實(shí)驗(yàn)研究

阿不力孜·阿不都艾尼， 程 萍， 周道逵， 張曉天， 倪綠汀

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章提出了一種用激光照排機(jī)來制作消激光散斑光學(xué)濾波信息處理實(shí)驗(yàn)儀中光柵物的新方法，設(shè)計(jì)了基于Matlab的光柵調(diào)制物的圖像處理程序，可以方便地制作45°方向和各種頻率的光柵物，實(shí)現(xiàn)了45°斜方向光柵調(diào)制物的快速、準(zhǔn)確、不產(chǎn)生周期畸變的制作。與全息干涉法制作θ調(diào)制片相比，該方法制作過程簡(jiǎn)潔易操作，疊加光柵方便，圖案邊框套準(zhǔn)精確，易于更換圖片，可以滿足光學(xué)信息處理實(shí)驗(yàn)的要求。

光柵調(diào)制物；θ調(diào)制片；激光照排機(jī)；Matlab軟件

0 引 言

消散斑光學(xué)信息處理實(shí)驗(yàn)儀是一種基于阿貝成像理論的光學(xué)信息處理實(shí)驗(yàn)儀［1］，其中必須用光柵調(diào)制物和θ調(diào)制片來做各種光信息處理實(shí)驗(yàn)，并且用CCD接收?qǐng)D像和顯示。傳統(tǒng)的制作光柵調(diào)制物和θ調(diào)制片的方法是用2束相干光的干涉制得光柵，然后和物體的不同掩模分別套準(zhǔn)。但其光路中所需光學(xué)器件較多，光路調(diào)整繁瑣，而且整個(gè)制作過程對(duì)操作要求比較高，因此尋找一種更簡(jiǎn)便的制作方式顯得尤為必要。激光照排機(jī)采用電子計(jì)算機(jī)軟件排版系統(tǒng)，圖案內(nèi)容經(jīng)過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)陣信息，可以直接輸出相應(yīng)圖形和光柵。但是由于激光照排機(jī)的有限分辨率和對(duì)準(zhǔn)精度及顯影的擴(kuò)散效應(yīng)，當(dāng)選擇的激光照排機(jī)的理論最高頻率為48lp／mm（線對(duì)／mm）時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明垂直和水平方向輸出的光柵幾乎不透光，使其制作的Ronchi光柵的最高頻率受到了限制。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在照排機(jī)實(shí)際可用頻率為24lp／mm的情況下，巧妙制作45°方向光柵，使得輸出光柵頻率達(dá)到34lp／mm，達(dá)到了阿貝濾波實(shí)驗(yàn)和θ調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需要的頻率。該方法具有疊加光柵方便，圖案邊框套準(zhǔn)精確，易于更換圖片，且快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

1 光學(xué)信息處理原理

如果在焦距為F的會(huì)聚透鏡的前焦面上放一振幅透過率為g（x，y），并以波長(zhǎng)為λ的單色平面波垂直照明圖像，則在透鏡后焦面（x′，y′）上的復(fù)振幅分布就是g（x，y）的傅立葉變換G（fx，fy），其中fx、fy是空間頻率，其與坐標(biāo)x′、y′的關(guān)系為：

故（x′，y′）面稱為頻譜面（或傅氏面），如圖1所示。由此可見，復(fù)雜的二維傅立葉變換可以用透鏡來實(shí)現(xiàn)，稱為光學(xué)傅立葉變換。頻譜面上的光強(qiáng)分布則為｜G（fx，fy）｜2，稱為功率譜，也就是物的夫瑯和費(fèi)衍射圖。在頻譜面上進(jìn)行濾波操作，就可以改變所成物體的像［2］。

圖1 透鏡的傅立葉變換示意圖

2 光柵調(diào)制物設(shè)計(jì)

選擇物體g（x，y）為漢字“光”加上兩維光柵調(diào)制做阿貝濾波實(shí)驗(yàn)和足球圖形的θ調(diào)制實(shí)驗(yàn)。

2.1 調(diào)制光柵頻率的確定

根據(jù)透鏡焦距參數(shù)和CCD芯片尺寸，結(jié)合激光照排機(jī)的分辨率，選擇滿足阿貝濾波實(shí)驗(yàn)和θ調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需要的最低光柵頻率f0。

本實(shí)驗(yàn)儀器的傅里葉變換透鏡焦距F＝17.5mm，CCD芯片尺寸7mm×5mm大小，波長(zhǎng)λ＝532nm，令一級(jí)與零級(jí)譜點(diǎn)間距為Δx′＝λFf0≈2.2mm，f0＝24lp／mm。而激光照排機(jī)的分辨率為2 400dpi，即最大可輸出光柵頻率是48lp／mm，但輸出的光柵幾乎不透光，那么選取f0＝24lp／mm，可由激光照排機(jī)輸出。

2.2 根據(jù)光柵頻率確定每周期像素?cái)?shù)

輸出為Ronchi光柵的頻率和像素對(duì)照見表1所列，其中，48lp／mm是所選用的照排機(jī)理論最高分辨率，但光強(qiáng)和一級(jí)衍射效率都較低，不能作為實(shí)用光柵。但是光柵頻率太低時(shí)，衍射譜點(diǎn)分不開，影響濾波器的放置，故選光柵頻率為24lp／mm。

表1 輸出為Ronchi光柵的頻率和像素對(duì)照表

按實(shí)際試驗(yàn)儀要求，并經(jīng)以上對(duì)空間頻率的計(jì)算可知，最終激光照排機(jī)制作光柵調(diào)制物要求為：7mm×5mm大小，物體為‘光’字的帶有24lp／mm網(wǎng)格光柵的實(shí)驗(yàn)物，并且通過旋轉(zhuǎn)光柵45°，來提高光柵頻率到34lp／mm，而一級(jí)衍射效率與24lp／mm相近。

2.3 基于Matlab制作光柵調(diào)制物圖片

用Matlab制作光柵物的原理是Matlab以矩陣作為處理對(duì)象，并可以對(duì)矩陣元素二值化1和0，分別代表白與黑，而且矩陣運(yùn)算快，效率高［3］。

首先用Photoshop文字工具寫好合適大小的‘光’字，如圖2所示，取寬N＝660像素，高L＝480像素。用Matlab編出一個(gè)制作一維光柵的M文件，并得到一維橫向光柵，再通過改變其相關(guān)系數(shù)，類似得到豎向光柵，并把2個(gè)光柵進(jìn)行邏輯或運(yùn)算得到圖2b。通過改變以下程序中的參數(shù)r和h，可以輸出需要的橫與豎方向的各種頻率的光柵及各種頻率的網(wǎng)格，并用邏輯非運(yùn)算，再與‘光’字進(jìn)行邏輯并運(yùn)算并對(duì)此結(jié)果進(jìn)行邏輯非運(yùn)算得到圖2c效果，得到負(fù)片以便用于復(fù)制。最終效果如圖2d所示。相關(guān)M文件語(yǔ)句如下：

圖2 光柵調(diào)制物示意圖

3 θ調(diào)制原理和θ調(diào)制片的制作

3.1 θ調(diào)制技術(shù)原理

θ調(diào)制技術(shù)是空間濾波原理的一種巧妙應(yīng)用，它將原始像變換成為按一定角度的光柵調(diào)制像，將該調(diào)制像置于4f系統(tǒng)中，用白光照明，則在其譜面上，不同方位的頻譜呈彩虹顏色。如果在頻譜面上開一些小孔，則在不同的方位角上，小孔可選取不同顏色的譜，最后在處理系統(tǒng)的輸出面上便得到所需要的彩色［4］。由于這種方法是利用不同方位的光柵（彼此轉(zhuǎn)動(dòng)了θ角）對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)制，因此稱其為θ調(diào)制技術(shù)。又因?yàn)樗菍D像中不同方位的空間物體編上不同的顏色，故也稱為空間假彩色編碼。

3.2 θ調(diào)制片的制作

傳統(tǒng)的θ調(diào)制片制作的方法是用2束相干光的干涉制得光柵條紋疊加在物體上，然后物體的不同掩模分別套準(zhǔn)，其光路中所需光學(xué)器件較多，光路調(diào)整繁瑣，而且整個(gè)制作過程對(duì)操作要求比較高［5－7］。用激光照排機(jī)分辨率較高，可基本滿足實(shí)驗(yàn)中所要求的光柵空間頻率。運(yùn)用軟件Photoshop可簡(jiǎn)潔方便地繪制出光柵調(diào)制片的圖像［8］，通過CorelDraw的導(dǎo)入功能對(duì)調(diào)制圖像進(jìn)行排版，照排機(jī)出圖可將光柵調(diào)制圖印在透明膠片上，然后進(jìn)行全息復(fù)制，如圖3所示。

圖3 θ調(diào)制片的制作流程圖

先設(shè)計(jì)一幅兩維圖像，根據(jù)需要疊加上一定θ角度的光柵后得到調(diào)制像。按照Matlab制作光柵調(diào)制物圖片的同樣方法進(jìn)行處理，并且通過旋轉(zhuǎn)光柵45°，來提高光柵頻率到34lp／mm，但在實(shí)際制作過程中遇到了旋轉(zhuǎn)后的光柵周期的畸變問題，通過分析原因，較好地解決了該問題。

3.3 斜光柵周期畸變分析

為了制作θ調(diào)制角度光柵，用Matlab先做橫或豎的光柵，然后用imrotate函數(shù)轉(zhuǎn)45°，從而得到45°方向的24lp／mm的光柵。用Photoshop放大鏡放大到1 600%，其中每一個(gè)方格代表一個(gè)像素，發(fā)現(xiàn)新得到的斜光柵出現(xiàn)周期畸變現(xiàn)象如圖4所示，明顯看出效果圖中黑像素與白像素在同一幅里占的像素?cái)?shù)都不等，所以光柵的周期出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，即不再是等間距的條紋分布。

圖4 斜光柵周期的畸變現(xiàn)象

為了發(fā)揮Matlab在圖像處理方面的強(qiáng)大功能，并避免Photoshop繁瑣的畫圖過程，進(jìn)行多次試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)imrotate函數(shù)所涉及旋轉(zhuǎn)圖案的周期為幾個(gè)像素?cái)?shù)量級(jí)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)黑白線不等的現(xiàn)象，例如當(dāng)周期寬度為110個(gè)像素時(shí)，轉(zhuǎn)45°以后，則周期寬度在水平距離占的像素為157個(gè)，并在垂直于45°方向上距離為111.015個(gè)像素，與110個(gè)像素時(shí)相差不大?？梢钥闯鰧?duì)周期寬度大的光柵，imrotate函數(shù)可以應(yīng)用，而對(duì)數(shù)量級(jí)為幾個(gè)像素?cái)?shù)的光柵不適用，為此必須重新編寫程序。45°斜光柵模型程序如下：

Clear

通過改變以上模型程序參數(shù)來得到各種尺寸45°的光柵，同樣放大到1 600%，沒有發(fā)生光柵的周期畸變。除了34lp／mm，其他頻率也可以寫。通過改變每一行的移動(dòng)不同單位像素，可以控制光柵角度方向?？梢姡么朔椒梢詼?zhǔn)確控制斜光柵周期，制作快，效率高，不出現(xiàn)周期畸變現(xiàn)象。用此方法制作出來的斜光柵可以用來直接填充各種θ調(diào)制片圖樣，從而大大簡(jiǎn)化了用Photoshop逐線條復(fù)制畫光柵的步驟。

運(yùn)用CorelDraw軟件，導(dǎo)入要排版的原圖，調(diào)整大小和位置參數(shù)，移動(dòng)每張圖到合適位置。必要時(shí)可添加表格或分割線方便印后裁剪及實(shí)際尺寸需要。通過打印設(shè)置，用激光照排機(jī)把圖輸出在透明的塑料感光膠片上。

4 實(shí)驗(yàn)效果

用自制的4f系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證，物面上放置復(fù)制好的頻率為24pl／mm帶‘光’字的網(wǎng)格，頻譜面上放置復(fù)制好的濾波器并用CCD接收，觀看效果圖如圖5所示。

圖5 觀看效果圖

采用34lp／mm斜光柵θ調(diào)制片及效果圖如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合自制消激光散斑光學(xué)信息處理實(shí)驗(yàn)儀，提出了一種基于繪圖軟件和激光照排機(jī)的新的調(diào)制片制作方法。在輸出最高頻率受到限制為24lp／mm的情況下，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了45°斜方向光柵調(diào)制物的快速、準(zhǔn)確、不產(chǎn)生周期畸變的制作，使得輸出光柵頻率提高到34lp／mm，達(dá)到了阿貝濾波實(shí)驗(yàn)和θ調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需要的頻率，與以往的全息光學(xué)制作方法相比，該方法整個(gè)制作過程簡(jiǎn)潔，疊加光柵方便，易于更換圖片，成本低，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖6 θ調(diào)制片譜點(diǎn)圖和假彩色編碼像

［1］程 萍，朱海金，張 超.消激光散斑的全息正弦光柵制作技術(shù)研究 ［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（Z2）：317－321.

［2］蘇顯渝，李繼陶.信息光學(xué)［M］.成都：四川大學(xué)出版社，1995：207－208.

［3］叢 波.基于 MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用［J］.中國(guó)科技信息，2011，5（32）：85－86，89.

［4］陳家璧，蘇顯渝.光學(xué)信息技術(shù)及原理 ［M］.北京：高等教育出版社，2007：268－269.

［5］鄧麗城，游魁華，李邦興，等.低頻全息光柵的制作［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20（11）：129－131.

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［8］韋松英，馮 澹，吳 怡，等.用膠片輸出儀制作光柵的實(shí)驗(yàn)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008，22（8）：86－90.

Experimental research on manufacturing grating－modulated picture based on laser phototypesetter

Abliz Abdugheni， CHENG Ping， ZHOU Dao－kui， ZHANG Xiao－tian， NI Lü－ting
（School of Electronic Science and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A novel method to manufacture the grating－modulated picture is presented based on laser phototypesetter for the optical information processing instrument with laser speckle reduction.An image processing program based on Matlab is designed to facilitate the making of gratings with 45°direction and different frequency.The program can manufacture the gratings with 45°direction quickly and accurately without periodic distortion.Compared with the traditional way of makingθgrating－modulated picture by holographic interference method，the method proposed in this paper makes the manufacturing process simple and easy to operate，and it is convenient to add different gratings to different pictures with an accurate matching of the frame pattern.The designed grating－modulated picture can meet the requirements for the optical information processing experiment.

grating－modulated picture；θgrating－modulated picture；laser phototypesetter；Matlab software

O438.1

A

1003－5060（2012）04－0567－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.030

2011－09－26；

2011－12－05

合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（XS20110010）

阿不力孜·阿不都艾尼（1985－），男，維吾爾族，新疆喀什人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

程 萍（1957－），女，安徽滁州人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張 镅）