空间光调制器研究进展

1、空间光调制器研究进展空间光调制器研究进展 专业：电子科学与技术 答辩人：05101090 党青亮 指导老师：孙艳玲 副教授 内容安排 研究背景及意义研究背景及意义1 2 3 4 空间光调制器简介空间光调制器简介 空间光调制器未来发展展望空间光调制器未来发展展望 空间光调制器的应用空间光调制器的应用 电子电路光学信息处理与计算 1.研究背景及意义 信息 能量物质 系统 串行处理 工艺 芯片制造 材料 芯片本身 1.研究背景及意义 电子 电路 光调 制 光束独自传播， 并行处理 光波频率高达 10Hz信息量大 光速快 1. 研究背景及意义 1. 研究背景及意义 光学信光学信 息处理息处理 与与计算

2、计算 光学光学探探 测、测、控控 制制 图象处图象处 理、显理、显 示示 模式识模式识 别别 光互连、光互连、 计算计算 厂矿、港口、机场、 森林、水库大坝、 海岸线的自动监视 诊断系统 内容安排 研究背景及意义研究背景及意义1 2 3 4 空间光调制器简介空间光调制器简介 空间光调制器未来发展展望空间光调制器未来发展展望 空间光调制器的应用空间光调制器的应用 发展史定义功能参数分类 2. 空间光调制器简介之发展史 萌芽 1968美国RCA公司第一台液晶显示荧幕电寻LC-SLM。 SLM1971休斯公司第一个光导型透射式液晶光调制器， 发展 1971扭曲丝状液晶场效应，液晶显示技术迅速发展。

3、1975交流反射式液晶光阀，混合场效应 1984，超扭曲向列LCD和薄膜晶体管TFT-LCD 现状 数字微反射镜(DMD) 微通道板空间光调制器（MSLM） 普克尔读出空间光调制器 液晶光阀（LCLM） 德国HOLOEYE 素数最素数最高高，1920192010801080 衍射效率一般衍射效率一般 美国BNS 衍射效率几乎达衍射效率几乎达100%100% 像素单元很大像素单元很大 日本滨松 相位调制国际领相位调制国际领 先，几乎能达到先，几乎能达到 线性调制，有效线性调制，有效 面积、填充因子面积、填充因子 都还不错都还不错 最高像素仅为最高像素仅为 800800600600 2. 空间光调

4、制器简介之发展史 大恒科技大恒科技 华工科技华工科技 威创股份威创股份 利达光电利达光电 定义定义 SLM：Spatial Light Modulator 利用电或光信号在时间或空间上控制另外光源的振幅、相位或偏振态等传播状态利用电或光信号在时间或空间上控制另外光源的振幅、相位或偏振态等传播状态 以便有效地利用光的固有速度、高频率、并行性和互连能力的一种主动型器件以便有效地利用光的固有速度、高频率、并行性和互连能力的一种主动型器件 一个透过率通过写入信号实时控制的滤光片一个透过率通过写入信号实时控制的滤光片, ,表征为：表征为：T(x,y) = Tx(t),y(t)T(x,y) = Tx(t)

5、,y(t) Tx(t),y(t)Tx(t),y(t)表示在时刻表示在时刻t t时空间光调制器在（时空间光调制器在（x,y)x,y)处的复数透过率。处的复数透过率。 基本结构基本结构 独立单元：像素独立单元：像素 包括：包括： 写入信号写入信号-控制信号控制信号； 读出光读出光-输入信号输入信号； 输出光输出光-输出信号输出信号; 2. 空间光调制器简介之定义 2. 空间光调制器简介之功能 输入器件输入器件 电电-光转换光转换波长转换波长转换串行串行-并行转换并行转换非相干光非相干光-相干光转换相干光转换 处理与运算器件处理与运算器件 放大器放大器乘法器乘法器对比度反转对比度反转模拟数字转换模拟

6、数字转换 存储器件存储器件 Pockels Pockels 光调制器光调制器 (PROM)(PROM) 光折变器件等光折变器件等 2. 空间光调制器简介之性能参数 输入特性输入特性 对比度对比度 灵敏度灵敏度 灰度等级灰度等级 输入输入- -输出输出 特性曲线特性曲线 空间特性空间特性 调制函数调制函数 开关功耗开关功耗 空间宽带积空间宽带积 空间分辨率空间分辨率 时间特性时间特性 响应速度响应速度 高的帧频高的帧频 信息流量信息流量 存储时间存储时间 2. 空间光调制器简介之分类 系统中的位置：系统的输入器件系统中的位置：系统的输入器件(I-SLM)(I-SLM)， 在频谱在频谱 面上作为滤

7、波器件面上作为滤波器件(P-SLM), (P-SLM), 系统的输出端系统的输出端(O-SLM)(O-SLM) 读出光的读出方式读出光的读出方式：反射型和透射型；反射型和透射型； 输入控制信号的方式输入控制信号的方式：光寻址光寻址(OA-SLM(OA-SLM）和电寻址和电寻址（EA-SLM EA-SLM ） 工作原理工作原理：如普克尔斯效应（线性电光效应）、如普克尔斯效应（线性电光效应）、 克尔效应（二次电光效应）、声光效应、磁光克尔效应（二次电光效应）、声光效应、磁光 效应、半导体的自电光效应、光折变效应。效应、半导体的自电光效应、光折变效应。 2. 空间光调制器简介之分类 空间光调制器分类

8、空间光调制器分类 (一) 电寻址空间光调制器 1. 薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD)； 2. 磁光空间光调制器 (MOSLM)； 3. 数字微反射镜器件 (DMD) (二)光寻址空间光调制器 1. 铁电液晶空间光调制器 (FLC-SLM)； 2. 液晶光阀(LCLV)及阴极射线管-液晶光阀 (CRTLCLV)； 3. 微通道板空间光调制器 (MSLM)； 4. Pockels光调制器 (PROM). 2. 空间光调制器简介之分类 2. 空间光调制器简介之分类 DMD DMD芯片的反射镜阵列芯片的反射镜阵列 TFT-LCDTFT-LCD的等效电路的等效电路 DMDDMD像素展开图像素展开

9、图 2 2个个DMDDMD像素图像素图 2. 空间光调制器简介之分类 各类液晶空间光调制器相关比较各类液晶空间光调制器相关比较 内容安排 研究背景及意义研究背景及意义1 2 3 4 空间光调制器简介空间光调制器简介 空间光调制器未来发展展望空间光调制器未来发展展望 空间光调制器的应用空间光调制器的应用 全息显示 光束整形 调制 动态红外 景象投影 微透镜阵 列制备 压缩感知 关联成像 3. 3. 全息显示之全息显示之数字合成全息系统数字合成全息系统 裴闯于裴闯于20132013年针对目前三维物体计算全息算法数据量大、计年针对目前三维物体计算全息算法数据量大、计 算速度慢及共轭像影响再现效果问题

10、，提出一种全息体视图算速度慢及共轭像影响再现效果问题，提出一种全息体视图 计算方法计算方法。 迭代傅立叶变换算法计算过程迭代傅立叶变换算法计算过程 方案采用方案采用HoloeyeHoloeye公司反射型液晶空间光调制器（像公司反射型液晶空间光调制器（像 素尺寸素尺寸8m8m，分辨率为，分辨率为1920192010801080）构建光学系统）构建光学系统 3. 3. 全息显示之全息显示之数字合成全息系统数字合成全息系统 基于空间光调制的基于空间光调制的 全息体视图再现系统全息体视图再现系统 从不同角度拍摄获得了从不同角度拍摄获得了 没有共轭像干扰没有共轭像干扰, ,各角度各角度 高质量再现的具有

11、良好高质量再现的具有良好 的三维显示效果再现图的三维显示效果再现图 3. 3. 全息显示之全息显示之再现像放大再现像放大 基于基于SLMSLM的的CGHCGH显示系统显示系统 20132013年中国科学院光电研究院年中国科学院光电研究院 的王皓等利用傅里叶变换的相的王皓等利用傅里叶变换的相 似性定理基于纯相位空间光调似性定理基于纯相位空间光调 制器的计算全息显示系统在理制器的计算全息显示系统在理 论算法和实验光路两方面得到论算法和实验光路两方面得到 2.72.7倍不受中央零级影响的清倍不受中央零级影响的清 晰再现像晰再现像 20092009年，年，南开南开王晓雷提出王晓雷提出了了基于空间光调制

12、器的基于空间光调制器的 一步相移数字全息术，可用于实时记录和表征物一步相移数字全息术，可用于实时记录和表征物 体动态变化特性体动态变化特性, ,在生物细胞活体观测、粒子场动在生物细胞活体观测、粒子场动 态测量等领域有着广泛的应用前景态测量等领域有着广泛的应用前景 一步相移数字全息图提取示意图一步相移数字全息图提取示意图 3. 3. 全息显示全息显示之一步相移 图示为图示为一步相移获得传统时间相移数字全息四次记一步相移获得传统时间相移数字全息四次记 录的信息录的信息。利用。利用型号为型号为X10468-01 X10468-01 向列型纯相位型向列型纯相位型 空间光调制器一步实现参考光四种相位延迟

13、空间光调制器一步实现参考光四种相位延迟, ,获取获取 了含有四种相移信息的单幅复合数字全息图了含有四种相移信息的单幅复合数字全息图 3. 3. 全息显示全息显示之一步相移 20142014年上海大学的高洪跃基年上海大学的高洪跃基 于全息复用技术和掺偶氮染于全息复用技术和掺偶氮染 料液晶混合物形成超薄的液料液晶混合物形成超薄的液 晶薄膜，利用红绿蓝（晶薄膜，利用红绿蓝（RGBRGB） 三色激光作为读出光获得了三色激光作为读出光获得了 无串扰噪声红绿蓝三色全息无串扰噪声红绿蓝三色全息 响应在毫秒量级的实时动态响应在毫秒量级的实时动态 全息显示视频全息显示视频 实时动态全息显示实验系统实时动态全息显

14、示实验系统 3. 3. 全息显示实时动态显示全息显示实时动态显示 圆圆（方）（方）光束输出。光束输出。(a)PMA (a)PMA 算法输出算法输出圆（方）圆（方） 光束；（光束；（b b）平滑修正法输出圆）平滑修正法输出圆（方）（方）光束；光束； （c c）混合算法输出圆）混合算法输出圆（方）（方）光束光束 20122012年，于晓晨采用相位混年，于晓晨采用相位混 合算法（合算法（PMAPMA）与平滑修正法）与平滑修正法 相结合的混合算法，对激光相结合的混合算法，对激光 发出的高斯光束进行整形发出的高斯光束进行整形， 得到顶部不均匀度和均方误得到顶部不均匀度和均方误 差都低于，能量集中度差都低

15、于，能量集中度 在在9090以上的输出光束。以上的输出光束。 光束整形实验装置图光束整形实验装置图 3. 3. 基于空间光调制器的光束整形基于空间光调制器的光束整形 数字微镜器件用于光束空间整形数字微镜器件用于光束空间整形 填充因子由填充因子由3333提高为提高为6565，光场调制度由，光场调制度由5252降为降为2828 光束近场调制度一次整形后光束近场调制度一次整形后1.851.851 1降到降到1.331.331 1改善改善28.128.1 基于液晶空间光调制器的光束调制基于液晶空间光调制器的光束调制 产生艾丽光束产生艾丽光束 产生产生三光学势阱三光学势阱 3. 3. 基于空间光调制器的

16、光束整形基于空间光调制器的光束整形 数字微镜器件动态红外景象投影技术数字微镜器件动态红外景象投影技术 WAPS PWMWAPS PWM模式产生的红外图像模式产生的红外图像 OSCOSC公司生产的公司生产的DMDDMD红外景象产生器红外景象产生器( (分辨率为分辨率为VGA:800VGA:800600)600)已已 在美国陆军航空导弹司令部在美国陆军航空导弹司令部(AMCOM)(AMCOM)的高级仿真中心的高级仿真中心(ASC)(ASC)投入投入 使用使用, ,正在研究高分辨率正在研究高分辨率(XGA:1024:768)(XGA:1024:768)的红外投影技术的红外投影技术 基于空间光调制器的

17、微透镜阵列制备技术基于空间光调制器的微透镜阵列制备技术 基于空间光调制器的微透镜制作系统基于空间光调制器的微透镜制作系统 干涉条纹周期干涉条纹周期1um1um，像素特征尺寸为，像素特征尺寸为3.5um3.5um的缩小干涉光斑图形的缩小干涉光斑图形。 基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究 (a1),(a2)(a1),(a2)原物体；原物体；(b1),(b2) CS(b1),(b2) CS所得的图像；所得的图像；c1),(c2)c1),(c2)关联算关联算 法所得到的图像法所得到的图像 简化了多光谱成像探测的光电记录过程简化了多光谱成像探测的光电记录过程 内

18、容安排 研究背景及意义研究背景及意义1 2 3 4 空间光调制器简介空间光调制器简介 空间光调制器未来发展展望空间光调制器未来发展展望 空间光调制器的应用空间光调制器的应用 相关器件的发 展 光寻址 透射式 三维显 示 光子计 算机 系统器 件材料 DMDDMD系统与运动平台间要有相互的同系统与运动平台间要有相互的同 步控制信号。步控制信号。因此如何实现对因此如何实现对DMDDMD的完全自主控制的完全自主控制, , 才是改进其在激光光刻领域应用的根本办法。才是改进其在激光光刻领域应用的根本办法。 高度并行并不等于高速处理，高度并行并不等于高速处理，被被光探测效应的光探测效应的 响应速度响应速度限制限制。在相关器件的性能研发方面有所突破，避免个体。在相关器件的性能研发方面有所突破，避免个体 “瓶颈瓶颈”限制整体系统。限制整体系统。 4.空间光调制器未来展望 反射式反射式 SLM SLM 随机分布的干涉条纹，难以消除。电寻址随机分布的干涉条纹，难以消除。电寻址SLM SLM 分辨率分辨率 难以提高。难以提高。光寻址透射式的光寻址透射式的LCSLMLCSLM具有能量利用率高，具有能量利用率高， 结构简单等优点，将会是结构简单等优点，将会是SLM SLM 的大势所趋。的大势所趋。光寻址透射式光光寻址透射式光 敏材料的选择以及光敏层和液