光學信息處理-第八章-空間光調制器課件

第八章空間光調制器第八章空間光調制器1意義光學信息處理系統(tǒng)處理光波載荷的信息（光波的某一參數的空間分布表示，如強度、相位等）。特點：（1）頻率高，允許信號有很寬的帶寬；（2）光波獨立傳播，方便信息多通道并行傳播；（3）具有大容量、高速度特點。信息處理中，信號源和信息處理系統(tǒng)往往是兩個獨立的系統(tǒng)，信息源產生的信號必須通過某種形式的接口器件才能耦合到處理系統(tǒng)進行處理。8.1概述意義光學信息處理系統(tǒng)處理光波載荷的信息（光波的某一參數的空間2如常用的相干光處理系統(tǒng)，而大量被處理的光信號是非相干的，如日常生活中的圖像、圖形等。非相光所荷載的信息無法直接耦合到相干光處理系統(tǒng)中，需要一個器件——首先接收非相干光圖像，通過器件中的特殊的效應，把光學圖像所表征的光強分布轉換為其它物理量的二維分布（如折射率、電壓等），再通過器件的另一效應來調制處理系統(tǒng)中相干光的某一參數（相位、強度、偏振等），從而完成信息從信源向處理系統(tǒng)的轉移，以及信息從非相干光荷載向相干光荷載的轉換。非相干光——相干光轉換——》空間光調制器如常用的相干光處理系統(tǒng)，而大量被處理的光信3另一類常用的信號是電信號，如各種電路產生的信號、雷達信號等，還有大量信號，通過傳感器后轉化為電信號，如空中目標或待識別指紋，經光學系統(tǒng)成像后，常常用CCD變?yōu)殡娦盘?。電信號必須通過特殊設計的接口器件把電壓、電流的時間變化轉為光參量的空間變化—空間光調制器另一類常用的信號是電信號，如各種電路產生的4在信源信號的控制下，能對光波的某個參量進行調制，如通過吸收調制振幅、通過折射率調制相位、通過偏振面旋轉調制偏振態(tài)等，從而將信源信號所荷載的信息寫入入射光波中。即其輸出光信號是隨控制信號變化的空間和時間的函數定義

SLM：SpatialLightModulator基本結構與分類

獨立單元：像素包括：寫入信號------控制信號；讀出光---------輸入信號；輸出光---------輸出信號;在信源信號的控制下，能對光波的某個參量進行調制，如通過吸收調5按輸出分類：透射式光尋址；反射式光尋址；透射式電尋址；反射式電尋址寫入（電）光讀出光輸出光透射式讀出光寫入（電）光輸出光反射式按系統(tǒng)中位置分類：用做輸入器件（input-SLM);頻譜面上濾波器件（processor-SLM）；系統(tǒng)輸出端（output-SLM）按輸出分類：透射式光尋址；反射式光尋址；透射式電尋址；反射式6尋址概念：光尋址與電尋址電尋址：當寫入信號是電信號（如視頻信號或計算機電平信號），采用電尋址方法控制SLM的復數透過率。通常方法：通過SLM上兩組正交的柵狀電極，用逐行掃描的方式，把信號加到對應的單元上。又稱為矩陣尋址，即EA-SLM。一對相鄰的行和列電極構成SLM最小的單元，即像素，像素尺寸的兩倍給出SLM分辨率的極限。尋址概念：光尋址與電尋址電尋址：當寫入信號是電信號（如視頻信7電尋址空間光調制器特點：（1）電尋址是串行尋址，失去光學信息并行處

理特點（2）電尋址通過條狀電極傳遞信息，電極尺寸的減小有限度，決定了像素尺寸的限度，也決定了SLM的分辨率

模式水平像素垂直像素SBP(*10^6)VGA6404800.31SVGA8006000.48XGA10247680.79SXGA140010501.47UXGA160012001.92HD192010802.07SLM顯示模式電尋址空間光調制器特點：（1）電尋址是串行尋址，失去光學信息8（3）透射式SLM由于電極本身不透明，所以像素的有效

通光面積于像素總面積之比——開口率較低，光能利用率不高。硅基液晶(LCOS)是反射型的，解決了開口

問題，近年來發(fā)展很快。

（4）數字式微反射鏡器件（DMD）具有高效率、高對比

度、多灰階（256個灰階）、高色保真度等特點，

具有多種規(guī)格的像素單元。

如2048*1152的超高分辨率器件，可以同16：9寬屏幕

電視匹配。（3）透射式SLM由于電極本身不透明，所以像素的有效9光尋址空間光調制器（OA-SLM）方法：首先把光學信號寫入光尋址空間光調制器中，把光學信號對應的光強分布轉化為電荷分布、折射率分布等，然后由讀出光通過各種效應，如光電效應、雙折射效應等，讀出這一信號。特點：（1）空間分辨率通常高于EA-SLM。如液晶光閥LCLV

的分辨率達60lp/mm,面積為50mm*50mm，相當于

3k*3k個像素。（2）高度并行特點。（3）通常采用反射式，即寫入光入射SLM的一個端面，

讀出光入射SLM另一端面，信息通過SLM轉移到讀出光中。（4）通常采用非相干光寫入，相干光讀出。光尋址空間光調制器（OA-SLM）方法：首先把光學信號寫入10常用的空間光調制器電尋址①薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）②硅基液晶顯示器（LCOS)③磁光空間光調制器（MOSLM）④數字光處理（DLP）光尋址①鐵電液晶空間光調制器（FLC-SLM）②液晶光閥（LCLV)及陰極射線管-液晶光閥③微通道板空間光調制器（MSLM)④Pockels光調制器常用的空間光調制器電尋址118.2液晶的扭曲效應及薄膜晶體管驅動液晶顯示器(TFT-LCD)液晶

某些有機高分子物質在一定條件下呈現(xiàn)的一種特殊的物質狀態(tài)，其結構介于液體、固體之間，稱為中間態(tài)或中間相。8.2液晶的扭曲效應及薄膜晶體管驅動液晶顯示器(TFT-L12液晶分子一般呈長棒狀，個別呈盤狀、碗裝，它們的分子排列介于完全規(guī)則的晶體和各向同性的液體之間：每個液晶分子的中心在液晶空間中的分布是隨機的，但分子的取向具有有序性。長棒狀分子的長軸方向或盤狀、碗狀分子的法線方向在一定溫度范圍內傾向彼此平行，該方向稱為液晶分子的指向矢量方向。液晶分子一般呈長棒狀，個別呈盤狀、碗裝，它們的分13液晶具有雙重性質，在一定程度上，既有液體流動性，又有晶體所特有的各向異性。液晶分子之間的相互作用遠低于固體分子之間的相互作用力

液晶的各向異性在外場作用下會發(fā)生顯著變化。如：KDP晶體的半波電壓9.3kV,BSO晶體的半波電壓為3.9kV（lam=632.8nm）（半波電壓是晶體電光效應的一個特征參數，在振幅調制中，當外加電壓達到半波電壓時，調制器的透過狀態(tài)從開態(tài)轉為關態(tài)）表征液晶電光效應的特征參量——開關電壓大概為5V,比晶體半波電壓小三個數量級。——可以做成低能耗、低電壓的空間光調制器=>光尋址的液晶光閥（LCLV）以及電尋址的薄膜晶體管驅動的液晶顯示器（TFT—CCD）。液晶具有雙重性質，在一定程度上，既有液體流動性，又14幀頻/Hz60像素尺寸/微米26像素數1024*768像面尺寸/英寸1.3對比度1000:1開口率23%光譜范圍（nm)400~700索尼TFT—LCD透射式SLM幀頻/Hz60像素尺寸/微米15偏振光在扭曲介質中的傳播TN液晶盒結構和工作原理把向列相液晶放在一個經特殊處理的盒中，可以構成具有特殊的扭曲效應的液晶盒。ITO為透明電極。液晶注入一對導電玻璃之間，這兩片導電玻璃的表面經過特殊處理，使其表面具有定向結構，而且上下導電玻璃的定向結構方向正交。偏振光在扭曲介質中的傳播TN液晶盒結構和工作原理把向列相液晶16TN液晶盒結構和工作原理TN液晶盒結構和工作原理17如果將整個液晶層沿著與表面正交的Z軸分成均勻的N個薄層，則每一薄層中液晶分子的長軸取向大致相同，這樣每層都可以看成一個單軸晶片。在整個液晶層中，隨著Z的變化，分子長軸發(fā)生旋轉，光軸也就隨之旋轉，形成各向異性介質。光軸的方位是Z的線性函數：如果將整個液晶層沿著與表面正交的Z軸分成均勻的N個18光學信息處理-第八章-空間光調制器課件19液晶是正雙折射介質，ne-no約為0.1,如設

液晶是正雙折射介質，ne-no約為0.1,如設

20可見出射光波仍然是線偏振的，振動方向沿出射面的指向矢方向，只是增加了一個不重要的相位。條件弱扭曲條件，通常是滿足的?？梢姵錾涔獠ㄈ匀皇蔷€偏振的，振動方向沿出射面的指向弱扭曲條件21結論：在弱扭曲的情況下，當入射線偏振光的振動方向與扭曲介質表面的局部光軸一致時，振動方向將鎖定在光軸的方向上，隨著光軸旋轉，出射光波仍然是線偏振光，振動方向與扭曲介質出射表面的光軸一致。這就是偏振光在扭曲介質中傳播時的扭曲效應，常誤認為旋光效應。即從液晶層射出的光波振動方向沿y軸。如果檢偏器光軸與X軸平行，則TN器件的透過率為0，反之如檢偏器光軸沿Y軸方向，則TN器件的透過率為最大，即分別對應TN液晶盒的關態(tài)(暗態(tài))和開態(tài)(亮態(tài))。結論：在弱扭曲的情況下，當入射線偏振光的振動方向與即從液晶層22扭曲效應是近似的，通常

并不嚴格等于90o,光波在液晶中傳播時，液晶中的不均勻還會引起散射。由于這些原因，出射光波一般是長橢圓偏振光或部分偏振光，這些因素引起TN盒在暗態(tài)下漏光，造成對比度降低。扭曲效應是近似的，通常并不嚴格等于90o,光波23扭曲向列液晶盒的工作原理TN盒透明電極->縱上電壓->液晶的長形分子為電偶極子，趨向于電場方向重新排列->一定程度抵消扭曲效應，使器件產生一定透過率。扭曲向列液晶盒的工作原理TN盒透明電極->縱上電壓->液晶的24有源矩陣驅動液晶顯示器(TFT-LCD)電尋址的SLM多采用矩陣尋址方案。在一塊玻璃板上形成互相絕緣的行和列電極，交點上制作薄膜晶體管(TFT)。TFT柵極、源極和漏極分別接行、列電極和顯示像素。另外一塊玻璃上所有像素公用一個電極，之間填充扭曲或強扭曲液晶有源矩陣驅動液晶顯示器(TFT-LCD)電尋址的SLM多采用25TFT-LCD結構示意圖TFT-LCD結構示意圖26全彩色TFT-LCD液晶板在各個像素上順序貼上紅(R)、綠(G)、藍(B)慮光片，以一組R,G,B像素為一個彩色顯示單元。全在各個像素27LCD平板顯示器技術指標項目規(guī)格備注屏尺寸110”對角線長度像素數4k*2k已知以批量產品化的最高像素數（12M)像素數8k*4k演示樣機像素數（32M）可視角1780*1780TFT-LCD生產廠標注的最大值色域覆蓋率72%NTSC覆蓋顏色三角形的百分比LCD平板顯示器技術指標項目規(guī)格備注屏尺寸110”對角線長度28LCD投影儀投影屏R-LCDLCD投影儀投影屏R-LCD29特點優(yōu)點：驅動電壓低（低于5V）、功耗?。挥捎趫鲂芨綦x，有效地消除了相鄰像素之間的干擾；TFT-LCD采用大規(guī)模集成電路技術制作，成品率高，成本低，應用廣泛。不足：透過率較低，一對偏振片透過率近約0.3；像素的開口率（透光面積與總面積之比）較低，不到0.4；尺寸減小導致像素開口率更低；耗散在器件上的光能量使液晶性能變差甚至失效，大功率光源需帶冷風裝置。特點優(yōu)點：308.3液晶光閥（LCLV）

—光尋址混合場效應由于入射到TN-LCD盒上的線偏振光的振動平面跟隨扭曲介質光軸轉過900，出射光波的振動平面與檢偏器正交，使TN-LCD處于關態(tài)；如果在TN-LCD盒上加上縱向電壓，扭曲效應將被雙折射效應部分抵消，使TN-LCD處于開態(tài)。8.3液晶光閥（LCLV）混合場效應由于入射到TN-LCD31TN-LCD盒（向列相液晶顯示器）未加電壓時的扭曲效應加電壓后（電壓足夠高），液晶分子沿長軸排列，扭曲效應

消失。TN-LCD盒（向列相液晶顯示器）未加電壓時的扭曲效應32扭曲角作為z的函數；（b)傾斜角作為z的函數。虛線為未加電場的情況。當所加電壓較小時，尚未徹底破外扭曲效應，在TN-LCD盒中出現(xiàn)情況比較復雜：液晶分子在電極定向結構的作用力、分子間作用力及外電場作用力下共同達到平衡態(tài)。扭曲角作為z的函數；（b)傾斜角作為z的函數。虛線為未加電33線偏振光在加電壓后的TN-LCD盒中傳播的近似圖像；ξ表示液晶的局部光軸，在z=0處ξ與x軸基本一致，在z=d/2處，

ξ沿z軸；z=d處ξ沿x和y軸的角平分線。線偏振光在加電壓后的TN-LCD盒中傳播的近似圖像；ξ表示液34LCLV的讀出光路PBC偏振分光棱鏡，讀出光是PBC的p偏振分量；當外電壓V=0時，從LCLV的反射光為p偏振分量，輸出為0；當V!=0時，反射光為橢圓偏振光，其中的s分量為輸出光。LCLV的讀出光路PBC偏振分光棱鏡，讀出光是PBC的p偏振35LCLV的結構和工作原理光阻層薄膜的光密度（透過率導數常用對數值）達到4作用，有效隔離了寫入和讀出光外加電壓主要降落在液晶層和光導層；寫入層的暗區(qū)，光導層的電阻很大，外電壓主要在光導層，液晶層上很小，扭曲效應是主要的，從器件輸出反射光仍是p偏振，全部透過PBC。亮區(qū)，光電效應占主導，液晶層電壓大，輸出橢圓偏振光。LCLV的結構和工作原理光阻層薄膜的光密度36典型的LCLV響應曲線，LCLV透過率T與外加電場V的關系典型的LCLV響應曲線，LCLV透過率T與外加電場V的關系37（1）通常寫入光可以是非相干，而讀出光則為相干光，從PBC輸出的光直接進入相干光處理系統(tǒng)。（2）LCLV的反差達100：1，電源電壓5~10V，分辨率高達幾十/mm到100線對/mm，通光孔徑達50mm。（3）響應速度不快，約在10ms的量級，這是由于液晶分子在外場作用下的取向變化滯后于外場的變化，而且器件的電容較大，整體響應速度與電視圖像大體匹配。特點（1）通常寫入光可以是非相干，而讀出光則為相干光，從PBC輸38陰極射線管耦合液晶光閥（CRT-LCLV）CRT-LCLV結構原理圖CRT是常用的圖像輸出設備，將CRT和LCLV通過光纖面板結合，使CRT的輸出圖像作為LCLV的寫入信號，就構成了CRT-LCLV。陰極射線管耦合液晶光閥（CRT-LCLV）CRT-LCLV結398.4硅基液晶（LCOS）空間光調制器背景LCOS顯示已經完全商業(yè)化，分兩類：背向投影電視（rear-ProjectionTV，RPTV）和微型投影機（口袋型）。口袋型大小與手機差不多，目前流行的理念是將微型投影機集成到手機里面。高清（HD）微型背投的對角線大約3英寸，像素1920*1080；微型投影機對角線約為0.2~0.9英寸，有VGA(640*480像素）SXGA(1280*1080像素）、HD(1920*1080)等顯示模式。LCOS在光學領域應用是常用作空間光調制器，即LCOSSLM。8.4硅基液晶（LCOS）空間光調制器背景LCOS顯示已經40特點LCOSSLM和TFT-LCD的主要區(qū)別:TFT-LCD的有源矩陣薄膜晶體管做在玻璃表面，而LCOSSLM的有源矩陣則直接做在硅襯底上，構成6微米大小的像素。在15.36mm*8.64mm的LCOSSLM由8微米像素構成1920*1080像素的高清電視，對角線為0.7英寸。特點LCOSSLM和TFT-LCD的主要區(qū)別:TFT-LC41結構示意硅襯底采用CMOS技術像素結構，CMOS可以制作1.5*1.5微米周期的像素結構，可惜這么小的面積能夠承載的液晶太小，不足以控制光的偏振態(tài)。硅本身具有反射，每個像素的反射由其上的液晶層控制。透射型效率低，一般采用反射型。反射型理論開口率可到100%。結構示意硅襯底采用CMOS技術像素結構，CMOS可以制作1.42工作原理入射p-偏振的平行光偏振分光鏡->透過p分量，反射s分量。未加尋址電壓時，偏振態(tài)不變，仍為p分量透過分光鏡；加尋址電壓后，偏振態(tài)被尋址電壓調制，部分p分量轉為s分量，從分光鏡反射。不同像素上加不同幅度尋址電壓，光束被LCOSSLM調制，數字圖像加載到光束中。工作原理入射p-偏振的平行光438.5數字光處理（DLP）和數字化投影1987年，美國德克薩斯儀器公司（TI）的科學家提出了基于微機電系統(tǒng)的（MEMS)的理念和大規(guī)模集成電路技術，設計出一款新穎的電尋址空間光調制器—數字微反射鏡器件（DMD），曾應用于相關識別，1996年以后，主要用于投影顯示，稱為數字投影顯示（digitalprojectiondisplay),包括前向投影機和高清電視。由于處理過程是數字化，故稱為數字光處理（DLP）。8.5數字光處理（DLP）和數字化投影1987年，美國德克44DMD結構和工作原理DMD結構示意圖器件的基底為硅，從大規(guī)模集成電路技術，在硅片上制作出RAM，每一個存儲器有兩條尋址電極和兩個搭接電極。兩個支撐柱通過扭臂梁鉸鏈安裝一個微型反射鏡。工作時，在反射鏡上加負偏壓，一個尋址電極上加+5V(數字“1”)，另一尋址電極接地(數字“0”)，這樣一來，就形成一個差動電壓，它產生一個力矩，使反光鏡繞拉臂梁旋轉，直到觸及搭接電極為止．在扭轉力矩的作用下，反射鏡將一直鎖定于這一位置，不管它下面的存儲器的數據是否變化，直到復位信號出現(xiàn)為止，對應旋轉角

L=10o．這樣，每一單元都有三個穩(wěn)態(tài)：+10o、-10o和0o，

=0o

對應于沒有尋址信號(兩個尋址電極都是0)的情況DMD結構和工作原理DMD結構示意圖器件的基底為硅，從大規(guī)模45DMD投影工作原理光源發(fā)出的光束與光學系統(tǒng)光軸夾角為2

L，傾斜照射DMD,當某一像素的反射鏡=0或-

L時，反射光通不過投影物鏡。當該像素被尋址時，

=

L，反射光沿光軸通過投影物鏡，此狀態(tài)為開（on）；

=

-

L，對于DMD的關（off）狀態(tài)。DMD一般由視頻信號驅動，某一像素處于兩種狀態(tài)的占空比，決定了該像素的灰階。DMD投影工作原理光源發(fā)出的光束與光學系統(tǒng)光軸夾角為2L，46順序顏色模式單板投影機數字圖像中的顏色可以通過兩種方式加到投影機圖像中去，一是在照明光路中加一個三原色R,G,B濾色鏡的色輪，它與視頻信號嚴格同步，在每一幀的時間內轉一圈，在各顏色的扇形角度范圍內再分別用像素ON/OFF的占空比調節(jié)R,G,B的比例，從而在一幀的時間內合成所需要的顏色，即為“順序顏色模式”。設每種顏色的灰階均為8bit即256種，總共約有1600萬種顏色，色彩相當豐富。通常為了兼顧色飽和度，色輪上還有一段扇形是透明的，即R-G-B-W。順序顏色模式單板投影機數字圖像中的顏色可以通過兩種方式加到投47(a)單板投影機；（b)三板投影機(a)單板投影機；（b)三板投影機48空間分色模式三板投影機更先進的是三板式DLP投影機。光通過復雜的分光棱鏡系統(tǒng)分成R,G,B三色光，以2

L角分別照射三個DMD，三個DMD用各自的數字圖像分別尋址，三個DMD處于ON態(tài)的像素的反射光再通過該棱鏡系統(tǒng)重新合成，通過一個變焦物鏡投影到屏幕上，由于3-DMD投影系統(tǒng)中各單色光用各自的DMD分別調制，信號是連續(xù)的，稱為空間分色模式，亮度更高（理論上是單DMD的三倍），灰階更豐富?？臻g分色模式三板投影機更先進的是三板式DLP投影機。光通過復49DMD制作工藝簡介DMD用大規(guī)模集成電路技術制作，大體上可分為以下步驟：(1)用標準的CMOS工藝在硅片上制作記憶單元、尋址電極等．(2)在硅片表面覆蓋一層高分子聚合物，其厚度相當于反射鏡的高度．(3)用光刻、濺射法刻透聚合物層，制作支撐柱．(4)鍍一層薄的鋁膜，作為扭臂梁層，鍍一層厚的鋁膜，作為反射鏡層；用光刻法將扭臂梁和反射鏡成形．(5)用離子刻蝕法除去余下的高分子聚合物層，最后形成架空的微反射鏡．當出現(xiàn)尋址信號及負偏壓時，薄的扭臂梁扭轉變形，厚的反射鏡則不變形，只作整體的偏轉．DMD制作工藝簡介DMD用大規(guī)模集成電路技術制作，大體上可50DLP數字投影技術的特點（1）高分辨率DLP數字投影技術的特點（1）高分辨率51（2）高亮度開口率達到60%以上（3）對比度、灰階及色保真度

對比度相當高，灰階和色保真度由ON態(tài)的占空比決定，而占空比由脈沖調制來控制，一般能做到8bit（256級）甚至10bit（1024級）。三原色8bit混合結果產生2563即1600萬種顏色，無論灰階還是色保真度都能達到HDTV要求。（4）可靠性

TI公司專門做了模擬DMD長期使用實驗，歷經765*104個周期沒有發(fā)生任何問題，相當于正常適用76000h。（5）響應時間

響應速度快，從開態(tài)到關態(tài)約10微秒。（2）高亮度開口率達到60%以上52DLP應用

目前廣泛應用于各種投影，全球已建立5000