現代光學基礎空間光調制器

1、 空間光調制器空間光調制器n光學光學信息處理系統處理光波荷載的信息。這些信息用光波信息處理系統處理光波荷載的信息。這些信息用光波的某一參數的空間分布來表征：強度、相位、偏振。的某一參數的空間分布來表征：強度、相位、偏振。n光波荷載信息的特點：光波荷載信息的特點： 光波光波頻率高頻率高，可允許信號本身有很寬的帶寬。，可允許信號本身有很寬的帶寬。 光波是光波是獨立傳播獨立傳播，兩束或多束光可以在空間交叉而互不干，兩束或多束光可以在空間交叉而互不干擾。信息可以多通道并行或交叉?zhèn)鞑?。擾。信息可以多通道并行或交叉?zhèn)鞑ァ?光波以光波以并行方式并行方式傳遞所載荷的信息。信息處理具有大容量、傳遞所載荷的信息。

2、信息處理具有大容量、高速度的特點。高速度的特點。1、概論、概論n光波頻率高，可允許信號本身有很寬的帶寬。光波頻率高，可允許信號本身有很寬的帶寬。n光波是獨立傳播，兩束或多束光可以在空間交叉光波是獨立傳播，兩束或多束光可以在空間交叉而互不干擾。信息可以多通道并行或交叉?zhèn)鞑?。而互不干擾。信息可以多通道并行或交叉?zhèn)鞑?。n光波以光波以并行方式并行方式傳遞所載荷的信息。信息處理具傳遞所載荷的信息。信息處理具有大容量、高速度的特點。有大容量、高速度的特點。光波荷載信息的特點：光波荷載信息的特點：n空間光調制器：空間光調制器：Spatial Light Modulator(SLM),一種對光一種對光波的波的

3、空間分布空間分布進行進行調制調制的器件。的器件。n空間光調制器含有許多獨立單元，它們在空間排列成一維空間光調制器含有許多獨立單元，它們在空間排列成一維或二維陣列，每個單元都可以獨立地接或二維陣列，每個單元都可以獨立地接收收光信號或電信號光信號或電信號的控制，并按此信號改變自身的光學性質（的控制，并按此信號改變自身的光學性質（透過率、反射透過率、反射率、折射率率、折射率等），從而對通過它的光波進行調制；等），從而對通過它的光波進行調制；n通過吸收調制振幅，通過折射率調制相位，通過偏振面的通過吸收調制振幅，通過折射率調制相位，通過偏振面的旋轉調制偏振態(tài)等等。旋轉調制偏振態(tài)等等。n空間光調制器空間光

4、調制器研究和開發(fā)的主體：研究和開發(fā)的主體：材料研究材料研究、器件設計和器件設計和制造制造、系統應用系統應用。n控制這些單元光學性質的信號稱為控制這些單元光學性質的信號稱為：寫入信號寫入信號（光信光信號號或或電信號電信號）。）。 n射入器件并被調制的射入器件并被調制的光波光波稱為稱為：讀出光讀出光。n經過空間光調制器后的輸出光波稱為經過空間光調制器后的輸出光波稱為：輸出輸出光光。n寫入信號應含有控制調制器各單元的信息，并把這些寫入信號應含有控制調制器各單元的信息，并把這些信息分別傳送到調制器相應的各單元位置上改變其光信息分別傳送到調制器相應的各單元位置上改變其光學性質；學性質；n當讀出光通過調制

5、器時，其光學參量（當讀出光通過調制器時，其光學參量（振幅振幅、強度強度、相位相位或或偏振態(tài)偏振態(tài)）就受到空間光調制器各單元的調制，）就受到空間光調制器各單元的調制，結果變成了一束具有新的光學參量空間分布的輸出光。結果變成了一束具有新的光學參量空間分布的輸出光。 空間光調制器的分類空間光調制器的分類n按照讀出方式的不同分為：按照讀出方式的不同分為： 反射式反射式 透射式透射式n按照輸入控制信號的方式：按照輸入控制信號的方式： 光尋址光尋址(OA-SLM) 電尋址電尋址(EA-SLM)n按其在系統中的位置區(qū)分：按其在系統中的位置區(qū)分： input-SLM processor-SLM output-

6、SLM 光尋址：模擬的非像素單元構成，光光轉換。光尋址：模擬的非像素單元構成，光光轉換。電尋址：單個分離的像素組成，電光實時接口器件。模電尋址：單個分離的像素組成，電光實時接口器件。模擬和數字兩類。擬和數字兩類。n寫入信號把信息傳遞到寫入信號把信息傳遞到SLM上相應位置，以改變上相應位置，以改變SLM的的透過率分布的過程透過率分布的過程尋址尋址。n當寫入信號為電信號時，采用當寫入信號為電信號時，采用電尋址電尋址的方式的方式n通過通過SLM上兩組正交的柵狀電極，用逐行掃描的方法，把上兩組正交的柵狀電極，用逐行掃描的方法，把信號加到對應的單元上，又稱：信號加到對應的單元上，又稱：矩陣尋址矩陣尋址n

7、一對相鄰的行電極和一對列電極之間的區(qū)域構成一對相鄰的行電極和一對列電極之間的區(qū)域構成SLM的最的最小單元小單元像素像素電尋址方式是光電混合處理系統。有以下缺點電尋址方式是光電混合處理系統。有以下缺點 ：電信號是時間串行信號，所以電尋址是串行尋址。電信號是時間串行信號，所以電尋址是串行尋址。電尋址通過條狀電極來傳遞信息，電極尺寸的減小有一個電尋址通過條狀電極來傳遞信息，電極尺寸的減小有一個限度，所以像素尺寸也有限度。限度，所以像素尺寸也有限度。電極本身不透明，所以像素的有效通光面積與像素總面積電極本身不透明，所以像素的有效通光面積與像素總面積之比之比開口率較低，光能利用率比較低。開口率較低，光能

8、利用率比較低。數字式微反射鏡器件數字式微反射鏡器件DMD是一種新型的電尋址空間光調是一種新型的電尋址空間光調制器。制器。n當寫入信號為電光信號時，采用當寫入信號為電光信號時，采用光尋址光尋址的方式。的方式。n光尋址的空間分辨率通常高于電尋址。光尋址的空間分辨率通常高于電尋址。n光尋址是并行尋址方式。光尋址是并行尋址方式。n光尋址的光尋址的SLM一般是反射式。一般是反射式。常用的空間光調制器常用的空間光調制器n電尋址空間光調制器電尋址空間光調制器薄膜晶體管液晶顯示器薄膜晶體管液晶顯示器TFT-LCD磁光空間光調制器磁光空間光調制器MOSLM數字微反射鏡器件數字微反射鏡器件DMDn光尋址空間光調制

9、器光尋址空間光調制器鐵電液晶空間光調制器鐵電液晶空間光調制器FLC-SLM液晶光液晶光LCLV、陰極射線管、陰極射線管-液晶光閥液晶光閥CRT-LCLV微通道板空間光調制器微通道板空間光調制器MSLMPockels光調制器光調制器2、磁光空間光調制器、磁光空間光調制器n原理：根據磁光效應（法拉第效應）原理：根據磁光效應（法拉第效應）n法拉第效應法拉第效應材料材料:在外加磁場作用下，光學性質通過極化在外加磁場作用下，光學性質通過極化發(fā)生變化發(fā)生變化3、液晶的扭曲效應及薄膜晶體管液晶顯示器、液晶的扭曲效應及薄膜晶體管液晶顯示器TFT-LCDn液晶液晶材料材料：最為廣泛的一種電光效應材料。：最為廣泛

10、的一種電光效應材料。介于介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種物態(tài)，它具備液體的流動固態(tài)和液態(tài)之間的一種物態(tài)，它具備液體的流動性，又具備固態(tài)晶體的排列性質。液晶狀態(tài)可以性，又具備固態(tài)晶體的排列性質。液晶狀態(tài)可以向向結晶態(tài)和液態(tài)相變結晶態(tài)和液態(tài)相變。變?yōu)榻Y晶態(tài)時，不僅具有。變?yōu)榻Y晶態(tài)時，不僅具有分子取向的有序性，而且分子重心具有周期平移分子取向的有序性，而且分子重心具有周期平移性；變?yōu)橐簯B(tài)時，失去分子重心周期平移性，也性；變?yōu)橐簯B(tài)時，失去分子重心周期平移性，也失去了分子取向的有序性，成為完全無序狀態(tài)失去了分子取向的有序性，成為完全無序狀態(tài)。 液晶以凝集構造的不同可分成三種：液晶以凝集構造的不同可分成三種：向列

11、型（向列型（nematic）液晶液晶近晶型（近晶型（smectic）液晶液晶膽甾醇型（膽甾醇型（cholesteric）液晶液晶液晶的基本性質液晶的基本性質n液晶的取向效應液晶的取向效應n液晶的電光效應液晶的電光效應液晶的取向效應液晶的取向效應n液晶具有光學各向異性，沿分子長軸方向上的液晶具有光學各向異性，沿分子長軸方向上的折射率不同于沿短軸方向上的折射率。折射率不同于沿短軸方向上的折射率。n如果沿分子長軸方向上的折射率大于沿短軸方如果沿分子長軸方向上的折射率大于沿短軸方向上的折射率，稱為向上的折射率，稱為正性液晶正性液晶，反之稱為，反之稱為負性負性液晶。液晶。n對基片表面處理，可使液晶分子平

12、行于基片且對基片表面處理，可使液晶分子平行于基片且容易排成同一方向。如：摩擦定向方法。容易排成同一方向。如：摩擦定向方法。向列型（向列型（nematic）液晶液晶 液晶分子大致以長軸方向平行配到，因此具有一維液晶分子大致以長軸方向平行配到，因此具有一維空間的規(guī)則性排列。此類型液晶的空間的規(guī)則性排列。此類型液晶的粘度小，應答速度快粘度小，應答速度快，是最早被應用的液晶，普遍的使用于是最早被應用的液晶，普遍的使用于液晶電視、筆記本液晶電視、筆記本電腦電腦以及各類型以及各類型顯示元件顯示元件上。上。近晶型（近晶型（smectic）液晶液晶具有二維空間的層狀規(guī)則性排列，各層間則有一維的順具有二維空間的

13、層狀規(guī)則性排列，各層間則有一維的順向排列。一般而言，此類分子的向排列。一般而言，此類分子的黏度大黏度大，印加電場的應印加電場的應答速度慢答速度慢，比較少應用于顯示器上，多用于，比較少應用于顯示器上，多用于光記憶材料光記憶材料的發(fā)展上。的發(fā)展上。膽甾型（膽甾型（cholesteric）液晶液晶此類型液晶是由多層向列型液晶堆積所形此類型液晶是由多層向列型液晶堆積所形成，為向列型液晶的一種，也可以稱為旋成，為向列型液晶的一種，也可以稱為旋光性的向列型液晶光性的向列型液晶,因分子具有非對稱碳中因分子具有非對稱碳中心，所以心，所以分子的排列呈螺旋平面狀的排列分子的排列呈螺旋平面狀的排列，面與面之間為互相

14、平行，而分子在各個平面與面之間為互相平行，而分子在各個平面上為向列型面上為向列型，液晶的排列方式，由于各液晶的排列方式，由于各個面上的分子長軸方向不同，即兩個平面?zhèn)€面上的分子長軸方向不同，即兩個平面上的分子長軸方向夾著一定角度；當兩個上的分子長軸方向夾著一定角度；當兩個平面上的分子長軸方向相同時，這兩個平平面上的分子長軸方向相同時，這兩個平面之間的距離稱為一個面之間的距離稱為一個pitch(螺距）。螺距）。cholesteric液晶液晶pitch的長度會隨著溫度的不的長度會隨著溫度的不同而改變，因此會產生不同波長的選擇性同而改變，因此會產生不同波長的選擇性反射，產生不同的顏色變化，故常用于反射

15、，產生不同的顏色變化，故常用于溫溫度感測器度感測器。偏振光在扭曲介質中的傳播偏振光在扭曲介質中的傳播n正型器件：正型器件：上側的偏振片光軸與上側的偏振片光軸與上側基板處的液晶取向平行，下上側基板處的液晶取向平行，下側的偏振片光軸與下側基板處的側的偏振片光軸與下側基板處的液晶取向平行。液晶取向平行。n自然光自上基板至下基板入射液自然光自上基板至下基板入射液晶屏，不加電場時光線通過第一晶屏，不加電場時光線通過第一塊偏振片變?yōu)槠叫猩匣逄幰壕K偏振片變?yōu)槠叫猩匣逄幰壕∠虻钠窆猓窆獗灰壕尤∠虻钠窆?，偏振光被液晶層旋光，轉過旋光，轉過9090后正好與下基板后正好與下基板處偏振片的光軸相平行

16、，可以透處偏振片的光軸相平行，可以透過，作為顯示器的亮態(tài)；過，作為顯示器的亮態(tài)；n加電場時液晶分子沿電場方向豎起，加電場時液晶分子沿電場方向豎起，原來的扭曲排列變?yōu)榇怪逼叫信帕?，原來的扭曲排列變?yōu)榇怪逼叫信帕?，偏振光與垂直排列的液晶不作用，偏振光與垂直排列的液晶不作用，透過第一塊偏振片的偏振光通過液透過第一塊偏振片的偏振光通過液晶層時偏振面不再發(fā)生旋轉，到達晶層時偏振面不再發(fā)生旋轉，到達出射端的偏振片時，偏光軸與出射出射端的偏振片時，偏光軸與出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈光的偏振方向垂直，光被截止，呈現暗態(tài)?，F暗態(tài)。n如果電場不特別強，液晶分子處于如果電場不特別強，液晶分子處于半豎立狀態(tài)，旋光作用也處于半完半豎立狀態(tài)，旋光作用也處于半完全狀態(tài)，則會有部分光透過，呈現全狀態(tài)，則會有部分光透過，呈現中間灰度。這就是液晶顯示器的工中間灰度。這就是液晶顯示器的工作原理。作原理。有源矩陣驅動液晶顯示器有源矩陣驅動液晶顯示器4、液晶顯示器在非相干光信息處理中、液晶顯示器在非相干光信息處理中的應用的應用大屏幕投影電視大屏幕投影電視5、液晶光閥、液晶光閥n光尋址空間光調制器通常為液晶光閥光尋址空間光調制器通常為液晶光閥n混合場效應混合場效應液晶光閥的結構和工作原