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纯相位液晶空间光调制器的性能及其微衍射元件研究 摘要 微光学是微光机电系统的三大组成部分之一，代表了信息光学发展的一个方 向。微光学元件广泛用于光纤传感、光学信息处理、成像系统、光通讯、光计算、 光互连、光存储等应用研究领域。可变微光学元件在成像、波前校正、光互连等方 面有着广泛的应用。电控液晶空间光调制器因其具有衍射效率高、控制简单方便、 反应快速等优点，成为当前研究的热点。纯相位液晶空间光调制器因消除了对振幅 的调制，进一步提高了衍射效率。利用纯相位液晶空间光调制器来实现微结构光学 衍射元件具有良好的应用前景。 本文简要介绍了空间光调制器和微光学元件的发展及现状，对实验中所使用的 纯相位液晶空间光调制器的主要性能参数进行了说明。通过对液晶的光电特性的介 绍，分析了液晶对光的相位调制原理和特点。对比了几种空间光调制器相位调制特 性测量方法，选择泰曼一格林干涉法进行实验测量，通过编程处理得到了该器件的 相位调制特性。通过分析比较，优化了相位调制特性，修正了该器件的客户查找表， 提高了测量精度，与理想的调制曲线的相关系数由原来的0 9 8 2 8 0 6 提升到 0 9 9 5 2 6 7 。 相息图仅产生单一的成像光波，没有共轭像或多余的衍射级次，衍射效率很高， 是一种光波重构的理想元件。分析了相息图计算和再现的原理，讨论了各个参数对 相息图再现像质量的影响。将计算得到的相息图输入到液晶空间光调制器，利用液 晶空间光调制器的相位调制特性将平行光转换成特定波前的光束，可以实现多种不 同的功能。通过理论分析和实验验证，实现了变焦透镜、可变透镜阵列、光扫描以 及任意波前再现等器件，虽然受到液晶空间光调制器的性能的限制，但该衍射元件 的性能还是令人满意的。 关键词：信息光学：液晶空间光调制器；微衍射元件；调制特性；相息图 s t u d yo np r o p e r t i e so fp h a s e o n l yl i q u i d c r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o ra n d a p p l i c a t i o n0 nd i f f r a c t i v em i c r o e l e m e n t s a b s t r a c t m i c r o - o p t i c sw h i c hi s o n eo ft h r e em a j o rc o m p o n e n t so ft h em i c r oo p t i c a l e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ，r e p r e s e n t so n ed i r e c t i o no fi n f o r m a t i o no p t i c a ld e v e l o p m e n t m i c r o o p t i c a le l e m e n t sh a v ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si no p t i c a l f i b e rs e n s i n g ，o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，i m a g e f o r m i n gs y s t e m ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a l c o m p u t a t i o n ，o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o na n do p t i c a l s t o r a g ee t c m o r e o v e r , v a r i a b l e m i c r o o p t i c a le l e m e n t sh a v ew i d eu s ei ni m a g i n g ，w a v e f r o n ta d ju s t m e n ta n do p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o na n ds oo n t h ee l e c t r i c c o n t r o ll i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( l c s l m ) r e c e n t l yh a sb e e na t t r a c t i n gi n t e n s i v er e s e a r c he f f o r t sd u et ot h e i rh i g h d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y , c o n v e n i e n tc o n t r o l l i n ga n df a s tr e s p o n s e s ，e t c t h ep h a s e o n l y l c s l mh a sh i g ht h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ys i n c et h e ye l i m i n a t ea m p l i t u d em o d u l a t i o n u s i n gt h ep h a s e - o n l y l c s l ma sd i f f r a c t i v e m i c r o - o p t i c a l e l e m e n t sh a s g o o d a p p l i c a t i o n s w er e v i e wt h ed e v e l o p m e n ta n da v a i l a b i l i t yo fl c s l ma n dm i c r o o p t i c a le l e m e n t s b r i e f l y , a n de x p l a i nt h ec h i e fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ep h a s e o n l yl c s l mw h i c h u s ei nt h ee x p e r i m e n t b yi n t r o d u c i n gc u r r e n t i l l u m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fl i q u i dc r y s t a l ， w ea n a l y z et h ep h a s e m o d u l a t e dp r i n c i p l e sa n dp r o p e r t i e so fl i q u i dc r y s t a l c o m p a r i n g w i t hs o m em e a s u r i n gm e t h o d so fp h a s e m o d u l a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fl c s l m ，w es e l e c t t h et w y m a n g r e e ni n t e r f e r o m e t e rt om e a s u r et h e mi ne x p e r i m e n t w i t ha n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n ，w eo p t i m i z et h ep h a s e m o d u l a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fl c s l m ，m o d i f yt h e l o o k u pt a b l e ，a n da d v a n c et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，n o wt h er e l a t e dc o e f f i c i e n to f i i i d e a lm o d u l a t i o nc u r v ei n c r e a s ef r o m0 9 8 2 8 0 6t o0 9 9 5 2 6 7 w i t h o u tc o n ju g a t ei m a g eo rr e d u n d a n td i f f r a c t i o ns e r i e s ，k i n o f o r mi sa ni d e a l e l e m e n to fw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o n ，w h i c ho n l yg e n e r a t e ss i n g l ei m a g i n go p t i c a lw a v e s a n dh a sh i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y w ea n a l y z et h ec a l c u l a t i o na n dr e p r o d u c ep r i n c i p l eo f k i n o f o r ma n ds t u d yv a r i o u s p a r a m e t e r s o nt h e i m p a c to fq u a l i t y o fk i n o f o r m r e c o n s t r u c t i o ni m a g e i n p u t t i n gt h ec a l c u l a t e dk i n o f o r mt ot h el c s l m ，i tc a nb er e a l i z e d m u c hd i f f e r e n tf u n c t i o nb yu s i n gp h a s e - m o d u l a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fl c s l mt h a t t r a n s f o r m i n gp a r a l l e ll i g h ti n t os p e c i f i cw a v e f r o n tb e a m t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，w ei m p l e m e n ts o m ed e v i c e ss u c ha sz o o ml e n s ，z o o ml e n s a r r a y , o p t i c a ls c a n n i n ga n da r b i t r a r yw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o ne t c a l t h o u g h i ti s r e s t r i c t e db yt h ep e r f o r m a n c eo fl c s l m ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i f f r a c t i o nc o m p o n e n t i ss a t i s f y i n g k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o no p t i c s ；l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ； d i f f r a c t i o nm i c r o e l e m e n t s ；m o d u l m e dc h a r a c t e r s ；k i n o f o r l t l l i l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。论文中除了特另w j j n 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。 研究生签名： 撂厥淡 i 学位论文使用授权声明 日期：研、六； 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 研究生签名：雠激导师盛名录艺 粕日期：切耻岁 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究生) ： 彳未层队 指导教师：而玄，z 1 矗。囝 1 1 空间光调制器概述 1 绪论 空间光调制器是由s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r 直译过来的，指能将信息量加载于 一维或两维的光学数据场上，以便有效地利用光的固有速度、并行性和互连能力， 并在构成实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中作为基本的构造单元 或关键的主动器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号控制下，或者在另外一 种空间光强分布的作用下改变空间上光分布的相位、偏振、振幅( 或强度) 乃至波长， 或是非相干光到相干光的转换等。因而被广泛地应用于光学数字混合相关、自动 模式识别和机器人视觉系统等方而的光电实时接口、光逻辑运算、阈值开关、高速 互连、数据格式化、输入存储、输出显示等。 根据不同的标准，空间光调制器有不同的分类方法。按照功能不同可以分为强 度调制和相位调制；按照寻址方式分可分为光寻址和电寻址，光寻址主要为模拟的 非像素单元构成，主要用于光光转换，而电寻址主要为单个分离的元素组成，主要 用于光电接口器件；按照读出方式分可分为透射型和反射型( 如图1 1 ) ；按照工作 原理有电光效应、声光效应、磁光效应、光折变效应、电吸收效应、机械效应、热 效应等。 读出光 写入光 上 ( a ) 透射型 输出光写入光 读出光 读 输出光 写入光 输 ( b ) 反射型( c ) 反射型 图1 1 空间光调制器的类别 目前国际上被成功研制并己应用的空间光调制器的种类有很多。常见的主要有 液晶光阀( l c l v ) 、液晶空间光调制器( l c s l m ) 、液晶电视( l c t v ) 、磁光空间 1 1 绪论 光调制器( m o d ) 、声光空间光调制器( a o d ) 、表面形变空间光调制器( d m d ) 、 双异质结光电开关( d o e s ) 、微通道板空间光调制器( m c s l m ) 、自电光效应空间 光调制器( s e e d ) 、光折变空间光调制器( p r s l m ) 。其中液晶空间光调制器因其 具有低电压、微功耗、小型化、轻量化、节能化、高密度化等优点而得到了广泛地 应用。液晶显示器件作为纯相位空间光调制器和可编程衍射光学元件，一直是人们 研究的热点弛1 引。 液晶空间光调制器是一种基于液晶分子电致双折射效应的有源数字光学器件。 一般来说，液晶空间光调制器由许多独立单元构成，它们在空间上排列成一维或者 二维阵列，每个单元都可以独立的接受驱动电压的控制，并按此信号来改变液晶分 子的取向结构，从而达到对入射光波的振幅或者相位进行调制，灵活的改变入射光 波波前的目的。通过灵活快速地变换入射光波前，产生具有特殊作用的光波波前， 这也是光学信息处理研究领域重要的研究内容之一。因此液晶空间光调制器与动态 波前变换技术的结合，产生很多具有重大意义的应用。 1 2 微衍射元件概述 微光学( m i c r o o p t i c s ) 一词最早是由日本电器公司内田桢二教授在1 9 8 1 年提 出的，当时主要指变折射率透镜和微透镜【1 7 。2 0 】，经过二十几年的发展，已经成为微 光机电系统中三大重要组成部分之一，代表了现代信息光学的发展方向之一。微光 学是研究一维、二维和三维的小型光学器件和系统的一门高新技术，它涉及到材料 的研制、设计、精细加工、器件集成等，以实现光束发射，光束的各种变换( 聚焦、 准直、偏折) 、分割、复合、开关、耦合、扫描、接收等功能。它广泛应用于光纤 传感、光学信息处理、成像系统、光通讯、光计算、光互连、光存储等应用研究领 域。它与“微机械”、“微电子学”、“微j j n - r _ ”、材料科学、信息科学等等学科相互 渗透，彼此融合，是现代光学前沿的一个重要分支。这种“微工程”的兴起和发展 对二十一世纪的科学技术特别是信息传输工程将产生巨大的影响和推动作用【1 7 2 4 1 。 随着微光学研究的继续深入，光学器件的微型化、阵列化、集成化，光学系统 和光电系统的信息容量和处理能力将会大幅度地增加，同时系统的稳定性、耐用性、 2 1 绪论 实用性增强，而且成本不断降低。 现在微光学已从自聚焦微透镜、微折射镜和二元光学进一步向下列三个方向发 展：( 1 ) 微透镜列阵和折射一衍射混合式微光学；( 2 ) 微机械三维集成微光学：( 3 ) 光机电微透镜系统。 传统的微光学元件制作有以下几种方法侧。 ( 1 ) 光刻法。光刻法是目前二元光学元件的主要制作技术i 其工艺流程一般 包括三介步骤：掩模设计及制作，图形转印和基片刻蚀。对于多相位等级的光学元 件，则需要多次重复上述三步工艺过程。在玻璃、石英或任意基底材料上涂上感光 胶，然后利用一块掩模曝光，曝光的部分就可以进行刻蚀，就得到两台阶器件，再 利用掩模曝光得到四台阶器件。按照曝光时所用的能量不同，目前主要有三种曝光 方式：光学曝光、电子束曝光和离子束曝光。 ( 2 ) 薄膜沉积法。采用光刻法得到的二元光学元件，其表面的浮雕是通过对 基片的刻蚀而得到的。与此相反，薄膜沉积法则是通过在基片表面上沉积一定厚度 的材料而得到的浮雕相位图。由于可以采用膜厚控制技术，每一层的沉积厚度误差 比刻蚀深度误差要小得多。 ( 3 ) 激光直接写入法。在光刻工艺中，掩模图形经曝光系统转移到光刻胶上。 直接写入法则直接将电子束或激光束对光刻胶曝光，并由计算机通过控制曝光点的 移动来获得抗蚀刻的曝光图形，从而在抗蚀剂上得到连续的相位面或具有不同厚度 等级的离散相位面。直接写入法不需要掩模，因此不存在掩模的套刻误差，层与层 之间的对准可以达到很高的精度，当然这需要很精密的控制系统。 ( 4 ) 准分子激光加工法。准分子激光器也可以用于二元光学元件的制作，它 通过投影系统使掩模成像在基片上，然后直接对基片进行加工。由于它通过控制脉 冲数目来控制激光切割的深度，因此深度误差较小。对于短脉冲远紫外激光器而言， 激光束切割的深度分辨率为o 1 i m a ，空间分辨率可达1 k t m 或更小，加工速度非常快。 准分子加工对掩模材料的要求与面上的光通量有密切关系，掩模的材料通常是铜、 黄铜或不锈钢。一般掩模的最大面积为1 c m 2 。准分子加工是一种新型的二元光学加 工方法，加工的多台阶结构界面平滑，不存在光刻中出现的侧向钻蚀问题，通过精 1 绪论 确控制激光脉冲的数目，从而可以精确控制加工深度。当用具有可分辨的掩模进行 多台阶加工时，不存在对准误差，由掩模图形本身产生的线宽误差通过采用先进的 掩模制作技术也可以得到减小。 ( 5 ) 灰度掩模法。灰度掩模是一种光掩模，与二元掩模不同之处在于，灰度 掩模在掩模平面不同位置提供可变的透过率，单一灰度掩模可以有一组二元掩模的 相位信息，在经过一次光刻过程和刻蚀后得到所需要的衍射光学元件。这种方法成 本低、周期较短、方法简便、无对准误差，但精度有待于提高。灰度掩模法可分为 直写灰度掩模，模拟灰度掩模及其他灰度掩模。 由于微光学元件尺寸小，需要很高的精度，制作成本很高，需要显影、定影和 漂白等手续，制作时间很长，并且元件一经制作就无法更改，因此其应用领域受到 了一定得限制。而在许多微光学系统中，往往需要可变的微光学元件，例如变焦微 透镜，波形可变微衍射器件等。具备这些功能的微光学元件在成像、测量、波前变 换、光互联等方面具有非常广泛的应用前景。 液晶空间光调制器，特别是纯相位液晶空间光调制器具有衍射效率高，控制简 单方便等特点。通过改变每个像素对光波前相位的调制量，灵活变换各种不同的功 能，实现可变微衍射元件。 1 3 本文研究的主要内容 本文通过分析液晶对光的振幅和相位的调制原理，设计了光路和图像处理算 法，对本单位购买的美国b n s 公司( b o u l d e rn o n l i n e a rs y s t e m s ，i n c ) 生产的专利产 品m o d e lp f 5 1 2 纯相位液晶空间光调制器的相位调制特性进行了测量。为了修正该 器件相位调制非线性的特性，对软件中体现相位调制特性的客户查找表进行了修 正，衍射效率得到了明显的提高。 相息图只有成像光波，无其他衍射光损失，衍射效率高，因而是一种光波重构的 理想元件。通过对相息图原理及各参数对再现像影响的分析，选择适当参数编写了 计算程序，实现对任意图像的相息图的快速制作。通过输入点源物体的相息图，显 现了透镜的效果，成像质量较好。通过改变计算相息图的结构改变了透镜的焦距， 4 1 绪论 实现了变焦透镜。同样通过改变计算相息图的结构，实现透镜聚焦点的任意变化， 继而可以应用到光扫描上。该扫描方法相比传统的扫描方式具有无机械惰性、可按 照特定点快速跳跃扫描等优点，具有良好的应用前景。 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 2 1 液晶及液晶的特性 液晶相( 态) 是物质的一种相态，介于固相和液相之间。处于液晶相的物质，同 时具有液体和固体的部分性质。它象液体那样可以流动，并且有表面张力，但它的 分子排列却有一定的规律，从而呈现光学各向异性，这又和晶体相似。存在液晶相 态的物质可称为液晶物质，当它们处在液晶相时，就叫做液晶。 = = ；液晶相= = ； 固相乇= = = = = = = = = = = ；液相= = = = ；气相 图2 1 液晶相所处的状态 液晶分子大多呈长棒状，个别呈盘状、碗状，它们的分子排列介于完全规则的 晶体和各向同性的液体之间。每个液晶分子的中心在液晶空间中的分布是随机的， 但是分子的取向具有有序性，亦即长棒状分子的长轴方向在一定的温度范围内倾同 于彼此平行，该方向称液晶分子的指向矢量方向。 早在1 8 8 8 年，奥地利植物学家f r i e d r i c hr e i n i t z e r 就发现了液晶n 一们，但直到2 0 世纪初，人们才开始广泛地研究和应用液晶。根据液晶分子排列的特点来分类，液 晶可以粗略地分成三种b 引：( 1 ) 向列相( n e m a t i cp h a s e ) ，其分子的位置虽不确定， 但从整体上看，其分子长轴方向互相平行或接近平行，最大的特点是在磁场、电场、 表面力和机械力的影响下，分子排列一律倾向同一方向：( 2 ) 近晶相( s m e c t i cp h a s e ) ， 其分子分层排列，每层内分子的长轴方向互相平行或接近平行，层与层之间可以滑 动：( 3 ) 胆甾相( c h o l e s t e r i cp h a s e ) ，其液晶分子也分层排列，每层内的分子长轴方 向基本一致，且平行于分层面，但相邻层中分子长轴的平均方向逐渐转过一个角度， 总体呈螺旋结构。从液晶分子的排列结构可以看出，向列相液晶是最简单类型的液 晶，具有各向异性分子的长轴取向有序等特点，在外力的作用下改变其双折射等光 学性能，最适合用于制作空间光调制器。三种液晶相如图2 2 所示。 6 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 鳓淞 圃蹲 向列相近晶相胆甾相 图2 2 向列相、近晶相、胆甾相液晶分子排列示意图 2 2 液晶的电光效应 液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特征的物质。 如果对这样的物质施加电场，液晶分子轴的排列变化和液晶分子的流动就会发生改 变，从而使得其光学特性也随之变化，这就是通常所说的液晶的电光效应。液晶的 电光效应主要有电流效应和电场效应。电流效应指当产生这种效应的时候伴随着电 荷的移动，如动态散射效应；电场效应指液晶只响应电场而产生的效应，主要指扭 曲向列效应、电控双折射效应、混合场效应及相变效应和宾主效应等。“卜矧。 2 2 1 动态散射效应 把向列相液晶注入带有透明电极的液晶盒内，未加电场时，液晶盒透明。施加 交变电场频率小于某一临界值，电场强度超过某一临界值时，液晶盒由透明变为不 透明，这种现象称为动态散射。这是由于盒内离子和液晶分子在电场作用下互相碰 撞，使液晶分子产生紊乱运动，因而使光产生强烈散射的结果。去掉电场后，则恢 复透明状态。但如果在向列相液晶中混以适当的胆甾相液晶，则散射现象可以保存 一段时间，这种现象称为有存储的动态散射。动态散射的阈值电压主要与电场的频 率、液晶的电导率、弹性系数和介电常数等参数有关。 2 2 2 液晶的扭曲向列效应 把向列相液晶放在一个经过特殊处理的盒中，可以构成具有特殊扭曲效应的液 晶盒扭曲向列相( t w i s t e dn e m a t i c ，t n ) 液晶盒，如图2 3 ( a ) 。将液晶注入一 对透明电极之间，这两片透明电极的表面经过特殊处理，使它的表面具有定向的结 7 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 构，而且左右电极定向结构方向正交。向列相液晶分子为长棒状，在左右电极定向 结构的作用下，接近该表面的液晶分子的指向矢趋向电极定向结构排列。而在液晶 盒中则逐渐倾斜过渡。在左电极前放置起偏器，并使其透光轴方向与左电极的定向 结构方向一致。在右电极后放置检偏器，并使其透光轴方向与右电极的定向结构方 向一致。如图2 3 ( a ) ，当液晶盒上不施加电压时，若一束光自左方垂直射入液晶 盒，由起偏器产生的线偏振光在液晶盒内传播时，其偏振方向始终与液晶分子的长 轴方向一致，所以当光波经过液晶盒后，其偏振方向旋转9 0 。，由于与检偏器的偏 振方向一致，光波恰好能通过，液晶盒透明。如图2 3 ( b ) ，当液晶盒上施加高于阈 值的电压时，由于电场对液晶分子的取向作用，使得大多数的液晶分子的长轴沿电 场方向排列，这对入射的线偏振光的偏振态基本保持不变，因此光不能通过检偏器。 如果改变检偏器的透光光轴的方向，就可以变成未加电压的时候不透光，而加上电 压则是透光。目前广泛普及的l c d 的一种就是基于这种t n 方式，在白的背景下可 以显示黑，在黑的背景下可以显示白。 起偏器t n 液晶盒检偏器 起偏器 ( a ) 未加电压 t n 液晶盒检偏器 2 2 8 电控双折射效应 ( b ) 加电压 图2 3 液晶的扭曲效应 过 断 液晶之所以会对经过它的光产生调制作用，是由于液晶可以被看作为一种单轴晶 8 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 体( 折射率椭球如图2 4 所示) ，能对经过它的光产生双折射效应。液晶的分子轴就是 光轴，液晶分子轴平行方向和垂直方向的折射率不同，通常是平行方向的折射率较大 即，z ： 力，。 图2 4 所示的折射率椭球，光波穿过平行排列的向列液晶层，过球体中心垂直传 播方向的中心截面为一椭圆，椭圆长轴为非常光折射率玎。，短轴是寻常光折射率。 由椭圆的几何关系可以得到： 以o2n x 南= 字+ 掣卿衅丽藏l ”1 r l x 。 n 2 程然，。 r 。 o 7 吣 一?j ，- l 、r ： 陟 图2 4 液晶的折射率椭球 x 下面我们详细讨论光在液晶材料中的传播过程。 如图2 5 ( a ) 所示，当光线垂直入射两均匀各向同性介质的界面时，即使折射率 不同，光线的传播方向也不改变。如图2 5 ( b ) 所示，光线沿光轴方向入射进入液晶 介质，此时寻常光与非寻常光的折射率相同，等同于各向同性晶体，同样光线的传 播方向不改变。但对于图2 5 ( c ) 和( d ) ，不仅要考虑到液晶是各向异性的物质，同 时还要考虑分子光轴方向与入射光线偏振方向之间的夹角。在图2 5 ( c ) 的状态下， 入射光偏振方向垂直于纸面，此时入射光的振动方向垂直于光线与光轴构成的平 面，因此该光线为寻常光，z = , 1 。= y 。，遵守折反射定律，光线传播方向不改变。 在图2 5 ( d ) 的状态下，入射光偏振方向平行于纸面，此时入射光的振动方向平行于 9 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 光线与光轴构成的平面，因此该光线为非寻常光，光线传播方向有偏转。这种光在 平行于分子轴和垂直于分子轴方向上的速度分别为：v ：= c 心，v ，= c 船：。由于对于 通常的液晶有，z = 刀，所以有心 v ，这样光线向分子轴方向偏转。 入射光 。镑 1r 1 侈符 r i o r 参 r 1 7 套、 、1 ， ( a ) 均匀介质( b ) 液晶 ( c ) 液晶( d ) 液晶 0 偏振方向垂直纸面9 偏振方向平行纸丽液晶分子 图2 。5 液晶的双折射现象 当液晶盒两端施加电压时，电场使得液晶分子被极化。被极化的液晶分子在电 场中将受到一个扭矩发生旋转，从而使液晶分子的排列发生变化。对于在向列液晶 介质中传播的任意光波，可分解为波矢方向相同，振动方向相互正交的线偏振光寻 常光( 0 光) 和非寻常光( e 光) 。经过向列相液晶后，由于折射率的不同发生了双折 射现象。定义液晶的双折射率a n = y i e h o 。从液晶的折射率椭球可以看出，当外加 的电压不同，液晶分子旋转角度0 程度不同，以。发生改变而不变，产生的双折 射率也就不同。这种电光效应是通过外加电场控制液晶盒的双折射率( e c b ， e l e c t r i c a l l yc o m r o l l e db i r e f r i n g e n c e ) 而产生，也猛q 电控双折射效应。 2 2 4 混合场效应 混合场效应是扭曲向列效应和电控双折射效应的组合。混合场效应是美国休斯 研究实验室提出来的。简单的说就是利用扭曲向列效应获得光阀的关闭状态，利用 外电场的电控双折射效应获得光阀的开启状态。 1 0 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 2 3 液晶的相位调制特性 当液晶盒两端被施加电压，电场将使得液晶分子被极化。被极化的液晶分子在 电场中将受到一个转矩发生旋转，从而使分子的排列发生变化，结果使液晶盒中的 折射率发生变化。若将液晶盒置于两枚偏光片之中，此双折射率的变化就表现为透 射光强和相位的变化。 当入射光线经过厚度为d 的液晶盒时，若在外加电压的作用下，液晶分子长轴 发生偏转角度中，则 ) = 以舻丽呙鬟丽 心_ 2 如果入射光为线偏振光，且偏振方向与液晶分子中心截面短轴平行时，此时为 寻常光，1 3 = i 1 。与偏转角度无关，此时液晶对光线无相位调制。 如果入射光为线偏振光，且偏振方向与液晶分子中心截面长轴平行时，此时为 非寻常光，l l = n 。，液晶对入射光为纯相位调制。经过厚度为d 的液晶以后相对液晶 分子未发生偏转时产生相位差： 1 1 ：三三g 。) 一p ( 2 3 ) 如果入射光的偏振方向介于二者之间，液晶对光束既有相位调制又有强度调制， 出射光偏振态也发生改变；当偏振方向和长轴成4 5 。时，液晶对入射光的强度调制最 大。 当平行排列的向列相液晶空间光调制器所加电压超过阈值电压时，液晶分子将 沿z 轴旋转。这个转角巾在液晶盒内并不相同。在两端，由于受到定向层的导向力 最大，其转角最小：在液晶盒中间，由于受到的导向力最小，其转角最大。由于这 种转角分布的不均匀，垂直入射光通过液晶盒时产生的非常光( e 光) 和寻常光( 0 光) 之间的的相位差应修正为： r = 等r k ) ) 匆 ( 2 - 4 ) 从上面的讨论，我们可以知道当应用液晶空间光调制器作为纯相位调制的时候 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 必须保证空间光调制器的读出光为线偏振光，且偏振方向与液晶分子中心截面长轴 平行，在使用的时候必须要前置起偏器。 2 4 实验采用的纯相位液晶空间光调制器的结构及参数 二维纯相位空间光调制器在光学信息处理方面有着重要的应用，如光学相关联、 光互连、相位比较技术和自适应光学等他脚玑拍q7 1 。液晶空间光调制器以制作简单，价格 低，耗能低，易控制，易制成二维器件，且易构成并行光学信息处理器件等优点，倍受国 内外研究学者的关注。但纯相位液晶空间光调制器的研制在国内尚处于起步阶段，大 多数的学者由于制作液晶屏条件的限制，仅研究扭曲型液晶电视等作为相位型空间光 调制器，这种液晶电视在相位调制的时候伴有振幅调制口8 q 别，也有人进行薄膜晶体管 ( t h i n f i l mt r a n s i s t o r ，t f t ) 型纯相位空间光调制器的研制，但调制幅度往往达 不n 2 = 州钔。 本课题采用美国b n s 公司生产的m o d e lp f 5 1 2 型号产品( 实物图见图2 6 ) 。该产 品为基于电控双折射效应的反射型电寻址可程控纯相位液晶空间光调制器，包括光学 元件、相匹配的驱动电路和电源数据连接线等硬件设备以及相应的电脑接口( 见图 2 7 ) 。 光学元件部分内部剖面图如图2 8 所示，线偏振态光入射到l c s l m 上，先经过盖 玻片，再穿过透明电极和液晶层，经薄像素电极的反射，沿原光路返回。驱动信号通 过底端栅状向列矩阵的管脚，通过连接线传输到每个电极( 像素) ，在电极( 像素) 和透明电极之间区域产生电场，由于每个像素是独立控制的，通过控制每个像素不同 的电压，使液晶层的不同区域的液晶分子发生不同程度的偏转，因有效折射率的不同 产生不同相位差，完成对入射光的相位调制。该器件的各项指标参数如表2 1 所示。 2 椎! 目光“m “0 勺# 构& w 制 重2 7 瞳lp p s i2 产品的站曲示毫圈 严“ 鼍lc o v e x g ! a s s 儿删鲫 一么歹媳卜卜一一一一一哆参窘氐 箧卜? i 一滴赫ii 鋈 圈2 0 囊空问，啸翻克荦无件的j 面母毒日 一矗焉誉 ；j】： 一 酊瓣a。厂_ 一 2 液晶空间光调制器的结构及光调制原理 表2 1m o d e lp 5 1 2s l m 的指标参数 s t a n d a r dm o d e lp 5 1 2 一九( n m l a r r a ys i z e 7 6 8x7 6 8r l l t l d e s i g nw a v e l e n g t h ( n o m i n a l ) 6 3 5n l t l d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ( z e r o o r d e r )61 5 ( m a x i m u m ) d u t yc y c l e u p t o1 0 0 f i l lf a c t o r 8 3 4 f o r m a t5 1 2x5 1 2 ( 2 6 2 ，1 4 4a c t i v ep i x e l s ) m o d er e f l e c t i v e m o d u l a t i o nc o n t r o l l a b l ei n d e xo fr e f r a c t i o n 5 0l i n e a rl e v e l s ( m i n i m u m ) f o r2 r tp h a s e p h a s el e v e l s ( r e s o l v a b l e ) s t r o k e p h a s es t r o k e ( d o u b l e p a s s ) t y p i c a l l y2 r ta tu s e r s p e c i f i e dl a s e rl i n e p i x e lp i t c h1 5 1 5g r n r e f l e c t e dw a v e f r o n td i s t o r t i o n ( r m s ) l 12 - k 2 0 ( a tn o m i n a lw a v e l e n g t h ) 33 10 0m s ( p h a s es t r o k e ，t e m p e r a t u r e ，a n d r e s p o n s et i m e w a v e l e n g t hd e p e n d e n t ) s p a t i a lr e s o l u t i o n 3 3l p m m 10 - 30h z ( p h a s es t r o k e ，t e m p e r a t u r e ，a n d s w i t c h i n gf r e q u e n c y w a v e l e n g t hd e p e n d e n t ) 1 4 3 液晶空间光调制器相位调制特性的测量 液晶空间光调制器具有空间分辨率高、响应速度快、功耗低、体积小、易于光 电接口等特点，因此广泛应用于光信息处理研究领域。近年来在衍射光学、光互连、 自适应光学、光束偏折等研究领域的应用也日趋活跃。所有的这些应用都涉及到仪 器的相位调制特性，相位调制特性直接关系到仪器使用的效果。电压在该器件中是 由灰度来表示的。每个像素独立产生灰度值0 - 2 5 5 ，每个灰度值对应一个相位调制。 只要测得灰度值与相位调制量之间的关系就知道了该仪器的相位调制特性。本章在 分析几种相位调制特性测量方法的基础上，对m o d e lp f 5 1 2 纯相位液晶空间光调制 器的相位调制特性进行了测量并对仪器软件系统中的客户查找表进行了修正。 3 1 几种相位测量方法 为了对液晶空间光调制器的相位调制特性进行测试，人们提出了许多不同的方 法，这些方法各有自己的优缺点，其中比较有代表性的是功率计探测法、双缝干涉法、 剪切干涉法( 径向、横向、旋转和反转剪切) 等。 3 1 1 功率计探测法 功率计探测法测量液晶空间光调制器的相位调制特性的实验装置如图3 1 所示。 由光源所发出的光束经扩束准直系统后通过起偏器照射在分束棱镜上，分别经两条不 同的光路后返回干涉并被功率计接收，其中的一臂为反射镜，另一臂为待测的液晶空 间光调制器。设平面镜反射的参考光波前为r = r e x p ( - j q 6 i ) ，通过s l m 反射的光波波前 为o = o e x p ( 一，织) ，则被功率计探测到的总的光强为： ，= p 否l = r 2 + d 2 + 2 r o c o s ( c , 一欢) = 1 只+ l + 2 瓜c o s ( a ) ( 3 1 ) 当挡住反射镜即令r = 0 ，通过功率计得到的就是- 殖：当挡住s l m 且t j 令o = 0 ， 通过功率计得到的就是乃值；当往空间光调制器中输入某一灰度的图像，就可以通过 功率计测得厶利用式( 3 1 ) 就可以求得矽。通过改变输入到s l m 的灰度值就可以 1 5 3 瞳晶空同光谓制器相位调制特性的测量 求出删与所输入的灰度之间的关系，即该液晶空间光调制器的相位调制特性 蕊 囵 图31 功率计探测法的实验光路凰 用该方法测量空间光调制器的相位调制特性原理简单，但是测量精度不高，只能 对空间光调制器整体的相位调制特性进行测量，而不能对液晶空间光调制器的某个具 体部分进行测量。并且在实际测量中根难做至0 严格的平行光进行干涉，很容易就出现 功率计上各个点的光强不一致而影响剽置结果的精度。 31 2 双缝千涉法“3 利用光学双缝干涉法测定液晶空间光调制器的相位调制特性的基本原理如图3 2 所示。将双缝中的一条狭缝加上一个相位变化这样一条狭缝有相位变化，另一条狭 缝没有相位变化，遁过改变其中一条狭缝上的相位调制值，干涉条纹会发生移动，从 而可以通过测试条纹移动量来得到狭缝上的相位变化。随着相位变化不同，两组干涉 条纹的错位程度不同，并且条纹移动与相对相位之间有关系： a = 2 ，r ( a t ) ( 3 2 ) 其中和 分别为条纹的相对位移量和条纹周期宽度。 把液晶空间光调制器分成两半来使用。产生两组不同的灰度信号，当l c s l m 上 两部分输入的是相同信号的时候，c c d 上所得的条纹应该是一组直条纹：当在l c s l m 上两部分输入不同信号时由于l c s l m 的相位调制特性，使得通过它的波面的相位 发生变化，干涉条纹圈发生错位，从条纹的错位即可解出此时所发生的相位变化。条 纹间的相对移动示意图见图3 3 所示。保持l c s l m 左半部分的输入信号不变( 作为参 考信号) 不断改变另一半的输入信号( 测量信号) ，就可以测得相位调制量与输入信 1 6 3 渣晶空间光调制器相位调制特性的铡盘 号之间的关系，从而求得液晶空间光调制器的相位调制特性 ! j l ，：，j 一 l 卫_ j 图32 鼠缝干涉系统原理 j 左碧 囤33 蒂纹间相对移动示意圉 用该方法授0 置液晶空间光调制器的相位调制特性的优点是干涉装置简单，能够直 接从干涉图上判断加上不同的灰度信号时所产生的相位变化大小。但是，由于双缝干 涉只发生在两条缝上，故一次只能测量双缝中其中一条缝上的相位调制情况，而无法 对整个掖晶空