专利名称：基于分子排列取向的光学成像方法
技术领域：
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种通过泵浦探测技术实现基于分子排列取向的光学成像方法。
背景技术：
激光显示可以覆盖90%的色彩空间的颜色，因而被认为有可能成为继数字显示之 后的第四代显示技术。激光显示技术继承了前三代显示技术的所有先进技术指标，如大屏 幕、高分辨率、数字化等。同时，由于激光显示使用激光光源，与现有的显像管投影显示，灯 泡投影显示，液晶和等离子体等平板显示相比，其最大的优势在于颜色，具有更大的色域， 再现绚丽多彩的世界。激光是线谱，具有极高的色饱和度，可以还原自然界中最真实，最丰 富，最鲜艳的色彩。同时激光器波长的稳定性好，不随温度和时间的变化而改变，在使用过 程中，激光显示的颜色不会失真。激光方向性好，光能利用率高，并且能实现更高的显示分 辨率。激光显示的过程主要是通过显示元件直接将激光投射到屏幕上，这样可以省去很多 传统的电子器件和光学器件，没有LCD的液晶板老化问题，也没有DLP的色轮问题，既环保 又节省成本。激光显示所具有的一系列特点使得激光全色显示将是显示领域又一次革命， 将在公共信息大屏幕、数码影院、家庭影院，以及便携式激光显示器等领域具有很大的发展 空间和应用前景。此外，在激光显示应用领域，常会遇到需要将显示过程中图像信息长时间缓存并 适时作再次读取的情形。分子取向和超快激光的结合应用，尚未能得到很好的研究应用。其 作为一个崭新的成像方法，可有效解决此类情形，并拓展显示在这一方面的发展。

发明内容
本发明的目的是根据现有技术的不足之处，提供一种基于分子排列取向的光学成 像方法，通过弱光偏振光谱探测技术实现，载有图像信息的泵浦光取向分子，使图像信息加 载到取向分子中，随后探测光读取取向分子携带的信息，显示出图像。本发明的目的实现由以下技术方案完成
一种基于分子排列取向的光学成像方法，涉及二维成像，三维立体成像或彩色成像，该 方法采用弱光偏振探测技术，作为写脉冲的泵浦光经过所需成像的物体透射或反射后携带 所述物体的图像信息，而后泵浦光将所携带的图像信息写入气态分子的排列取向，作为读 脉冲的探测光从排列取向分子中读取图像信息，并进行显示成像。
上述泵浦光与探测光是由一束激光脉冲经由分束片分束得来；
上述写脉冲或读脉冲为超短激光脉冲，其脉冲宽度为飞秒、皮秒或者纳秒量级，其波长 为紫外，可见或者红外；
上述方法应用于二维成像时，利用泵浦光经过携带图像信息的信息板作为写脉冲排列 取向分子，由作为读脉冲的探测光从所述排列取向分子中读出二维的图像信息； 上述方法应用于三维成像时，所涉及的三维物体为具有不同厚度的透明体或者具有 反射特性的起伏表面；写脉冲将携带的三维的图像信息存储于排列取向分子中，读脉冲从 所述排列取向分子中读取相应的形状和相位，通过解析读脉冲在不同延时下读取的图像信 息，重现三维的图像信息；
上述方法应用于彩色成像时，所述作为读脉冲的探测光在读取图像信息时为超连续白 光；所述超连续白光是由探测光聚焦到一充满Xe气或者其他气体的气体盒、非线性液体溶 液或非线性固体介质所产生；所述作为读脉冲的超连续白光在读取图像信息前，经过一对 棱镜或光栅，进行色散补偿。本发明的优点是，本发明可以实现两维成像，三维立体成像及彩色成像，全光的图 像显示，可用于长远距离的图像投影，可以在排列取向分子周期性双折射的任意时间内成 像，并且因为信息加载的媒质为气态分子包括空气，因此成本低，且环保无污染。同时，在彩 色显示过程中，由于使用的显示光源为激光超连续白光源，与传统的红绿蓝三基色相比色 彩更为丰富逼真。另外，利用超短激光脉冲瞬动激发的分子排列取向的周期性回复特性，可 以实现图像信息在排列取向分子中的长时间缓存，并在需要的时候进行读取。


附图1为空气分子的一维取向周期图； 附图2为本发明实施例1的结构示意图； 附图3为本发明实施例2的结构示意图； 附图4为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便 于同行业技术人员的理解
附图1-4中标号1-8标示的是激光1、信息板2、延时器3、1/2波片4、偏振片5、三维 透明物体6、气体盒7、棱镜对8。弱光偏振光谱探测法是一种利用排列取向分子的双折射特性的探测方法。一束泵 浦光通过一个载有图像信息的信息板作为写脉冲，写脉冲作用于气态分子，将图像信息编 码进入排列取向分子。由于取向分子沿其轴向的折射率大于垂直于分子轴向的折射率，表 现出双折射特性。利用排列取向分子的双折射效应，用一束较弱的探测光作为读脉冲，可以读取其中加载的图像信息并加以显示。本发明可以实现两维成像，三维立体成像及彩色成像。所述两维成像，指读脉冲得到的图像信息是二维的。作为写脉冲的泵浦光通过一 个携带有二维信息的信息板对气态分子进行排列取向，再由作为读脉冲的探测光感应分子 的排列取向，读取信息，在屏幕上将存储的图像信息显示出来。所述的三维立体成像，指读脉冲得到的图像信息是三维的。在本发明中可以是一 个厚度不同的三维透明物体或者具有反射性凹凸起伏的三维物体表面。写脉冲将三维物体 的形状和相位信息基于延时编码的形式存储于气态分子的排列取向，然后利用读脉冲从取 向分子中读取相应的形状和相位，重现三维物体的形貌信息。所述的彩色成像，指存储或者读取显示的图像信息是彩色的。在本发明中可以采 用超连续白光作为存储或者读取排列取向分子中携带的图像信息，使得到的图像信息进行 彩色编码，在屏幕上呈现彩色图像。彩色成像可以是二维的，也可以是三维的，三维成像原 理同二维成像，区别在于彩色三维成像时，读脉冲采用超连续白光实现彩色成像。
在下述实施例中，均采用泵浦探测技术，作为写脉冲的泵浦光经过所需成像的物 体透射或反射后携带所述物体的图像信息，而后泵浦光将所携带的图像信息写入气态分子 的排列取向，作为读脉冲的探测光从排列取向分子中读取图像信息，并进行显示成像。由飞 秒脉冲激光器产生的中心波长为SOOnm激光脉冲经分束片后分为两束。透射的一束作为 泵浦光，经缩束后照射到信息板上(或信息板和玻璃板上)，通过一个1/2波片和偏振分束片 (PBS)调节泵浦光的功率。反射的一束作为探测光，通过延时器调节与泵浦光之间的延时。 两路光再通过同一分束片合束平行汇聚到气态分子的同一点，排列取向的分子会引起双折 射效应。探测光在取向分子后放置一个偏振片。分子无排列取向时，调节偏振片至消光位 置；当有分子排列取向时，探测光经过排列取向分子偏振方向发生偏转，作为读脉冲的探测 光透过偏振片，并将携带的图像信息进行显示。附图1为空气中分子的一维取向周期图，横 坐标表示延时时间，纵坐标表示分子取向的程度。因此读脉冲可以周期性地读取加载在排 列取向分子中的图像信息，进而使图像信息在屏幕上显示。实施例1 本实施例采用SOOnm的飞秒激光脉冲光经过信息板作为写脉冲取向分 子，400nm的飞秒激光脉冲光作为读脉冲，进行二维单色成像。但是写脉冲或者读脉冲的波 长并不局限于上述两个波长，可以是任意其他波长的超短激光脉冲，如紫外、可见或红外。 图2为本实施例的结构示意图。如附图2所示，Ml、M2、M4、M5、M6为中心波长在800nm的宽带高反镜，M3为中心 波长在400nm的宽带高反镜，BSl为800nm的分束片，BS2为高反800nm增透400nm的分束 片，BBO为倍频晶体。在本实施例中，中心波长为SOOnm的飞秒脉冲激光1经过分束片BSl后分为两路。 强的一路经过一个由凸透镜和凹透镜组成的望远镜系统进行缩束，提高泵浦光的功率，通 过一个1/2波片和偏振分束片进行功率的调节；弱的一路经过延时器3调节延时，通过BBO 晶体得到400nm的探测光，旋转探测光路上的1/2波片4使其偏振方向与泵浦光成45°夹 角。在此实例中，信息板2为刻有“ECNU”图像信息的铜板。无分子排列取向时，成像系统 中CCD图像传感器观察不到信息板上的图像信息。当延时到分子排列取向的周期时，CCD上 就能观察到信息板上的信息。随着分子取向的强度不同，CCD上的图像的强度也随着变化。当取向程度大时，所成的像强度大，对比度高。实施例2 本实施例采用SOOnm的脉冲光经过三维透明物体作为写脉冲排列取向 分子，400nm的脉冲光作为读脉冲，进行三维图像形貌和相位信息成像。图3为本实施例的 结构示意图。如附图3所示，Ml、M2、M4、M5、M6为中心波长在800nm的宽带高反镜，M3为中心 波长在400nm的宽带高反镜，BSl为800nm的分束片，BS2为高反800nm增透400nm的分束 片，BBO为倍频晶体。实施例2与实施例1的区别在于，泵浦光通过三维透明物体6。这样的泵浦光排列 取向分子，使排列取向分子带有三维的图像信息。当倍频后得到的400nm的探测光探测排 列取向分子时，空间上不同位置的排列取向分子的对探测光的双折射的程度不同。通过解 析读脉冲在不同延时下读取的图像信息重现三维的图像信息。实施例3 本实施例采用SOOnm的脉冲光经过信息板2作为写脉冲排列取向 分子， 超连续白光作为读脉冲，并用棱镜对对读脉冲进行色散管理，通过成像系统，实现彩色成 像。附图4为本实施例的结构示意图。如附图4所示，Ml、M2、M3、M6、M7、M8为中心波长在800nm的宽带高反镜，M4、M5 为镀金属膜的高反镜，BSl为SOOnm的分束片，BS2为高反SOOnm增透400nm的分束片，PP 为棱镜对8。在实施3中，通过将探测光聚焦到一充满Xe气的气体盒7 (2atm)产生超连续白 光，作为读脉冲来读取排列取向分子所携带的图像信息。由于探测光中存在啁啾，超连续白 光中的不同频率成分先后到达。因此，加入一棱镜8对对作为探测光的超连续白光进行色 散管理，通过调整两棱镜之间的距离控制其啁啾，以补偿色散。通过精确调节延时，在某一 延时下读脉冲探测排列取向分子时，读出来的图像信息加入了彩色编码，实现彩色成像。当 然，还可以利用其它方法，如光栅对等色散管理系统补偿色散。以上各实施例中，除了利用空气分子进行排列取向，也可以利用其他的分子作为 排列取向分子，例如H2、02、C0、C02、CS2、N0。本发明中应用2atm的Xe气体产生超连续白光， 当然也可以采用其他方法，例如充有其它气体的气体盒、非线性液体溶液、或者非线性固体 介质等。这些方案都将进一步提高本发明的应用范围。
权利要求
一种基于分子排列取向的光学成像方法，涉及二维成像、三维立体成像或彩色成像，其特征在于该方法采用弱光偏振探测技术，作为写脉冲的泵浦光经过所需成像的物体透射或反射后携带所述物体的图像信息，而后泵浦光将所携带的图像信息写入气态分子的排列取向，作为读脉冲的探测光从气态分子中的排列取向分子中读取图像信息，并进行显示成像。
2.如权利要求1所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于所述泵浦 光与探测光是由一束激光脉冲经分束片分束得来。
3.如权利要求1所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于所述写脉 冲或读脉冲为超短激光脉冲，其脉冲宽度为飞秒、皮秒或者纳秒量级，其波长为紫外、可见 或红外。
4.如权利要求1所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于该方法应 用于二维成像时，利用泵浦光经过携带图像信息的信息板作为写脉冲排列取向分子，由作 为读脉冲的探测光从所述排列取向分子中读出二维的图像信息。
5.如权利要求1所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于该方法应 用于三维成像时，所涉及的三维成像物体为具有不同厚度的透明体或者具有反射特性的起 伏表面。
6.如权利要求5所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于写脉冲将 携带的三维的图像信息存储于排列取向分子中，读脉冲从所述排列取向分子中读取相应的 形状和相位，通过解析读脉冲在不同延时下读取的图像信息，重现三维的图像信息。
7.如权利要求1所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于该方法应 用于彩色成像时，所述作为读脉冲的探测光在读取图像信息时为超连续白光。
8.如权利要求7所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于所述超连 续白光是由探测光聚焦到一充满Xe气的气体盒、非线性液体溶液或非线性固体介质所产 生。
9.如权利要求7所述的一种基于分子排列取向的光学成像方法，其特征在于所述作为 读脉冲的超连续白光在读取图像信息前，经过一对棱镜或光栅，进行色散补偿。
全文摘要
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种基于分子排列取向的光学成像方法。该方法通过弱光偏振光谱探测技术实现，载有图像信息的泵浦光取向分子，使图像信息加载到取向分子中，随后探测光读取取向分子携带的信息，显示出图像，可以实现两维成像，三维立体成像及彩色成像。本发明的优点是全光的图像显示，可用于长远距离的图像投影，成本低，环保无污染，彩色成像时色彩更为丰富逼真，且可以实现图像信息在排列取向分子中的长时间缓存，并在需要的时候进行读取。
文档编号G01B11/24GK101799278SQ201010109440
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月12日 优先权日2010年2月12日
发明者刘佳, 吴健, 曾和平, 杨旋, 蔡华, 陆培芬 申请人:华东师范大学