光学信息处理第八章空间光调制器课件

第八章空间光调制器第八章空间光调制器1意义光学信息处理系统处理光波载荷的信息（光波的某一参数的空间分布表示，如强度、相位等）。特点：（1）频率高，允许信号有很宽的带宽；（2）光波独立传播，方便信息多通道并行传播；（3）具有大容量、高速度特点。信息处理中，信号源和信息处理系统往往是两个独立的系统，信息源产生的信号必须通过某种形式的接口器件才能耦合到处理系统进行处理。8.1概述意义光学信息处理系统处理光波载荷的信息（光波的某一参数的空间2如常用的相干光处理系统，而大量被处理的光信号是非相干的，如日常生活中的图像、图形等。非相光所荷载的信息无法直接耦合到相干光处理系统中，需要一个器件——首先接收非相干光图像，通过器件中的特殊的效应，把光学图像所表征的光强分布转换为其它物理量的二维分布（如折射率、电压等），再通过器件的另一效应来调制处理系统中相干光的某一参数（相位、强度、偏振等），从而完成信息从信源向处理系统的转移，以及信息从非相干光荷载向相干光荷载的转换。非相干光——相干光转换——》空间光调制器如常用的相干光处理系统，而大量被处理的光信3另一类常用的信号是电信号，如各种电路产生的信号、雷达信号等，还有大量信号，通过传感器后转化为电信号，如空中目标或待识别指纹，经光学系统成像后，常常用CCD变为电信号。电信号必须通过特殊设计的接口器件把电压、电流的时间变化转为光参量的空间变化—空间光调制器另一类常用的信号是电信号，如各种电路产生的4在信源信号的控制下，能对光波的某个参量进行调制，如通过吸收调制振幅、通过折射率调制相位、通过偏振面旋转调制偏振态等，从而将信源信号所荷载的信息写入入射光波中。即其输出光信号是随控制信号变化的空间和时间的函数定义

SLM：SpatialLightModulator基本结构与分类

独立单元：像素包括：写入信号------控制信号；读出光---------输入信号；输出光---------输出信号;在信源信号的控制下，能对光波的某个参量进行调制，如通过吸收调5按输出分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址；反射式电寻址写入（电）光读出光输出光透射式读出光写入（电）光输出光反射式按系统中位置分类：用做输入器件（input-SLM);频谱面上滤波器件（processor-SLM）；系统输出端（output-SLM）按输出分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址；反射式6寻址概念：光寻址与电寻址电寻址：当写入信号是电信号（如视频信号或计算机电平信号），采用电寻址方法控制SLM的复数透过率。通常方法：通过SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方式，把信号加到对应的单元上。又称为矩阵寻址，即EA-SLM。一对相邻的行和列电极构成SLM最小的单元，即像素，像素尺寸的两倍给出SLM分辨率的极限。寻址概念：光寻址与电寻址电寻址：当写入信号是电信号（如视频信7电寻址空间光调制器特点：（1）电寻址是串行寻址，失去光学信息并行处

理特点（2）电寻址通过条状电极传递信息，电极尺寸的减小有限度，决定了像素尺寸的限度，也决定了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显示模式电寻址空间光调制器特点：（1）电寻址是串行寻址，失去光学信息8（3）透射式SLM由于电极本身不透明，所以像素的有效

通光面积于像素总面积之比——开口率较低，光能利用率不高。硅基液晶(LCOS)是反射型的，解决了开口

问题，近年来发展很快。

（4）数字式微反射镜器件（DMD）具有高效率、高对比

度、多灰阶（256个灰阶）、高色保真度等特点，

具有多种规格的像素单元。

如2048*1152的超高分辨率器件，可以同16：9宽屏幕

电视匹配。（3）透射式SLM由于电极本身不透明，所以像素的有效9光寻址空间光调制器（OA-SLM）方法：首先把光学信号写入光寻址空间光调制器中，把光学信号对应的光强分布转化为电荷分布、折射率分布等，然后由读出光通过各种效应，如光电效应、双折射效应等，读出这一信号。特点：（1）空间分辨率通常高于EA-SLM。如液晶光阀LCLV

的分辨率达60lp/mm,面积为50mm*50mm，相当于

3k*3k个像素。（2）高度并行特点。（3）通常采用反射式，即写入光入射SLM的一个端面，

读出光入射SLM另一端面，信息通过SLM转移到读出光中。（4）通常采用非相干光写入，相干光读出。光寻址空间光调制器（OA-SLM）方法：首先把光学信号写入10常用的空间光调制器电寻址①薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）②硅基液晶显示器（LCOS)③磁光空间光调制器（MOSLM）④数字光处理（DLP）光寻址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③微通道板空间光调制器（MSLM)④Pockels光调制器常用的空间光调制器电寻址118.2液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-LCD)液晶

某些有机高分子物质在一定条件下呈现的一种特殊的物质状态，其结构介于液体、固体之间，称为中间态或中间相。8.2液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-L12液晶分子一般呈长棒状，个别呈盘状、碗装，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，但分子的取向具有有序性。长棒状分子的长轴方向或盘状、碗状分子的法线方向在一定温度范围内倾向彼此平行，该方向称为液晶分子的指向矢量方向。液晶分子一般呈长棒状，个别呈盘状、碗装，它们的分13液晶具有双重性质，在一定程度上，既有液体流动性，又有晶体所特有的各向异性。液晶分子之间的相互作用远低于固体分子之间的相互作用力液晶的各向异性在外场作用下会发生显著变化。如：KDP晶体的半波电压9.3kV,BSO晶体的半波电压为3.9kV（lam=632.8nm）（半波电压是晶体电光效应的一个特征参数，在振幅调制中，当外加电压达到半波电压时，调制器的透过状态从开态转为关态）表征液晶电光效应的特征参量——开关电压大概为5V,比晶体半波电压小三个数量级。——可以做成低能耗、低电压的空间光调制器=>光寻址的液晶光阀（LCLV）以及电寻址的薄膜晶体管驱动的液晶显示器（TFT—CCD）。液晶具有双重性质，在一定程度上，既有液体流动性，又14帧频/Hz60像素尺寸/微米26像素数1024*768像面尺寸/英寸1.3对比度1000:1开口率23%光谱范围（nm)400~700索尼TFT—LCD透射式SLM帧频/Hz60像素尺寸/微米15偏振光在扭曲介质中的传播TN液晶盒结构和工作原理把向列相液晶放在一个经特殊处理的盒中，可以构成具有特殊的扭曲效应的液晶盒。ITO为透明电极。液晶注入一对导电玻璃之间，这两片导电玻璃的表面经过特殊处理，使其表面具有定向结构，而且上下导电玻璃的定向结构方向正交。偏振光在扭曲介质中的传播TN液晶盒结构和工作原理把向列相液晶16TN液晶盒结构和工作原理TN液晶盒结构和工作原理17如果将整个液晶层沿着与表面正交的Z轴分成均匀的N个薄层，则每一薄层中液晶分子的长轴取向大致相同，这样每层都可以看成一个单轴晶片。在整个液晶层中，随着Z的变化，分子长轴发生旋转，光轴也就随之旋转，形成各向异性介质。光轴的方位是Z的线性函数：如果将整个液晶层沿着与表面正交的Z轴分成均匀的N个18光学信息处理第八章空间光调制器课件19液晶是正双折射介质，ne-no约为0.1,如设

液晶是正双折射介质，ne-no约为0.1,如设

20可见出射光波仍然是线偏振的，振动方向沿出射面的指向矢方向，只是增加了一个不重要的相位。条件弱扭曲条件，通常是满足的。可见出射光波仍然是线偏振的，振动方向沿出射面的指向弱扭曲条件21结论：在弱扭曲的情况下，当入射线偏振光的振动方向与扭曲介质表面的局部光轴一致时，振动方向将锁定在光轴的方向上，随着光轴旋转，出射光波仍然是线偏振光，振动方向与扭曲介质出射表面的光轴一致。这就是偏振光在扭曲介质中传播时的扭曲效应，常误认为旋光效应。即从液晶层射出的光波振动方向沿y轴。如果检偏器光轴与X轴平行，则TN器件的透过率为0，反之如检偏器光轴沿Y轴方向，则TN器件的透过率为最大，即分别对应TN液晶盒的关态(暗态)和开态(亮态)。结论：在弱扭曲的情况下，当入射线偏振光的振动方向与即从液晶层22扭曲效应是近似的，通常

并不严格等于90o,光波在液晶中传播时，液晶中的不均匀还会引起散射。由于这些原因，出射光波一般是长椭圆偏振光或部分偏振光，这些因素引起TN盒在暗态下漏光，造成对比度降低。扭曲效应是近似的，通常并不严格等于90o,光波23扭曲向列液晶盒的工作原理TN盒透明电极->纵上电压->液晶的长形分子为电偶极子，趋向于电场方向重新排列->一定程度抵消扭曲效应，使器件产生一定透过率。扭曲向列液晶盒的工作原理TN盒透明电极->纵上电压->液晶的24有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD)电寻址的SLM多采用矩阵寻址方案。在一块玻璃板上形成互相绝缘的行和列电极，交点上制作薄膜晶体管(TFT)。TFT栅极、源极和漏极分别接行、列电极和显示像素。另外一块玻璃上所有像素公用一个电极，之间填充扭曲或强扭曲液晶有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD)电寻址的SLM多采用25TFT-LCD结构示意图TFT-LCD结构示意图26全彩色TFT-LCD液晶板在各个像素上顺序贴上红(R)、绿(G)、蓝(B)虑光片，以一组R,G,B像素为一个彩色显示单元。全在各个像素27LCD平板显示器技术指标项目规格备注屏尺寸110”对角线长度像素数4k*2k已知以批量产品化的最高像素数（12M)像素数8k*4k演示样机像素数（32M）可视角1780*1780TFT-LCD生产厂标注的最大值色域覆盖率72%NTSC覆盖颜色三角形的百分比LCD平板显示器技术指标项目规格备注屏尺寸110”对角线长度28LCD投影仪投影屏R-LCDLCD投影仪投影屏R-LCD29特点优点：驱动电压低（低于5V）、功耗小；由于场效应管隔离，有效地消除了相邻像素之间的干扰；TFT-LCD采用大规模集成电路技术制作，成品率高，成本低，应用广泛。不足：透过率较低，一对偏振片透过率近约0.3；像素的开口率（透光面积与总面积之比）较低，不到0.4；尺寸减小导致像素开口率更低；耗散在器件上的光能量使液晶性能变差甚至失效，大功率光源需带冷风装置。特点优点：308.3液晶光阀（LCLV）

—光寻址混合场效应由于入射到TN-LCD盒上的线偏振光的振动平面跟随扭曲介质光轴转过900，出射光波的振动平面与检偏器正交，使TN-LCD处于关态；如果在TN-LCD盒上加上纵向电压，扭曲效应将被双折射效应部分抵消，使TN-LCD处于开态。8.3液晶光阀（LCLV）混合场效应由于入射到TN-LCD31TN-LCD盒（向列相液晶显示器）未加电压时的扭曲效应加电压后（电压足够高），液晶分子沿长轴排列，扭曲效应

消失。TN-LCD盒（向列相液晶显示器）未加电压时的扭曲效应32扭曲角作为z的函数；（b)倾斜角作为z的函数。虚线为未加电场的情况。当所加电压较小时，尚未彻底破外扭曲效应，在TN-LCD盒中出现情况比较复杂：液晶分子在电极定向结构的作用力、分子间作用力及外电场作用力下共同达到平衡态。扭曲角作为z的函数；（b)倾斜角作为z的函数。虚线为未加电33线偏振光在加电压后的TN-LCD盒中传播的近似图像；ξ表示液晶的局部光轴，在z=0处ξ与x轴基本一致，在z=d/2处，

ξ沿z轴；z=d处ξ沿x和y轴的角平分线。线偏振光在加电压后的TN-LCD盒中传播的近似图像；ξ表示液34LCLV的读出光路PBC偏振分光棱镜，读出光是PBC的p偏振分量；当外电压V=0时，从LCLV的反射光为p偏振分量，输出为0；当V!=0时，反射光为椭圆偏振光，其中的s分量为输出光。LCLV的读出光路PBC偏振分光棱镜，读出光是PBC的p偏振35LCLV的结构和工作原理光阻层薄膜的光密度（透过率导数常用对数值）达到4作用，有效隔离了写入和读出光外加电压主要降落在液晶层和光导层；写入层的暗区，光导层的电阻很大，外电压主要在光导层，液晶层上很小，扭曲效应是主要的，从器件输出反射光仍是p偏振，全部透过PBC。亮区，光电效应占主导，液晶层电压大，输出椭圆偏振光。LCLV的结构和工作原理光阻层薄膜的光密度36典型的LCLV响应曲线，LCLV透过率T与外加电场V的关系典型的LCLV响应曲线，LCLV透过率T与外加电场V的关系37（1）通常写入光可以是非相干，而读出光则为相干光，从PBC输出的光直接进入相干光处理系统。（2）LCLV的反差达100：1，电源电压5~10V，分辨率高达几十/mm到100线对/mm，通光孔径达50mm。（3）响应速度不快，约在10ms的量级，这是由于液晶分子在外场作用下的取向变化滞后于外场的变化，而且器件的电容较大，整体响应速度与电视图像大体匹配。特点（1）通常写入光可以是非相干，而读出光则为相干光，从PBC输38阴极射线管耦合液晶光阀（CRT-LCLV）CRT-LCLV结构原理图CRT是常用的图像输出设备，将CRT和LCLV通过光纤面板结合，使CRT的输出图像作为LCLV的写入信号，就构成了CRT-LCLV。阴极射线管耦合液晶光阀（CRT-LCLV）CRT-LCLV结398.4硅基液晶（LCOS）空间光调制器背景LCOS显示已经完全商业化，分两类：背向投影电视（rear-ProjectionTV，RPTV）和微型投影机（口袋型）。口袋型大小与手机差不多，目前流行的理念是将微型投影机集成到手机里面。高清（HD）微型背投的对角线大约3英寸，像素1920*1080；微型投影机对角线约为0.2~0.9英寸，有VGA(640*480像素）SXGA(1280*1080像素）、HD(1920*1080)等显示模式。LCOS在光学领域应用是常用作空间光调制器，即LCOSSLM。8.4硅基液晶（LCOS）空间光调制器背景LCOS显示已经40特点LCOSSLM和TFT-LCD的主要区别:TFT-LCD的有源矩阵薄膜晶体管做在玻璃表面，而LCOSSLM的有源矩阵则直接做在硅衬底上，构成6微米大小的像素。在15.36mm*8.64mm的LCOSSLM由8微米像素构成1920*1080像素的高清电视，对角线为0.7英寸。特点LCOSSLM和TFT-LCD的主要区别:TFT-LC41结构示意硅衬底采用CMOS技术像素结构，CMOS可以制作1.5*1.5微米周期的像素结构，可惜这么小的面积能够承载的液晶太小，不足以控制光的偏振态。硅本身具有反射，每个像素的反射由其上的液晶层控制。透射型效率低，一般采用反射型。反射型理论开口率可到100%。结构示意硅衬底采用CMOS技术像素结构，CMOS可以制作1.42工作原理入射p-偏振的平行光偏振分光镜->透过p分量，反射s分量。未加寻址电压时，偏振态不变，仍为p分量透过分光镜；加寻址电压后，偏振态被寻址电压调制，部分p分量转为s分量，从分光镜反射。不同像素上加不同幅度寻址电压，光束被LCOSSLM调制，数字图像加载到光束中。工作原理入射p-偏振的平行光438.5数字光处理（DLP）和数字化投影1987年，美国德克萨斯仪器公司（TI）的科学家提出了基于微机电系统的（MEMS)的理念和大规模集成电路技术，设计出一款新颖的电寻址空间光调制器—数字微反射镜器件（DMD），曾应用于相关识别，1996年以后，主要用于投影显示，称为数字投影显示（digitalprojectiondisplay),包括前向投影机和高清电视。由于处理过程是数字化，故称为数字光处理（DLP）。8.5数字光处理（DLP）和数字化投影1987年，美国德克44DMD结构和工作原理DMD结构示意图器件的基底为硅，从大规模集成电路技术，在硅片上制作出RAM，每一个存储器有两条寻址电极和两个搭接电极。两个支撑柱通过扭臂梁铰链安装一个微型反射镜。工作时，在反射镜上加负偏压，一个寻址电极上加+5V(数字“1”)，另一寻址电极接地(数字“0”)，这样一来，就形成一个差动电压，它产生一个力矩，使反光镜绕拉臂梁旋转，直到触及搭接电极为止．在扭转力矩的作用下，反射镜将一直锁定于这一位置，不管它下面的存储器的数据是否变化，直到复位信号出现为止，对应旋转角L=10o．这样，每一单元都有三个稳态：+10o、-10o和0o，

=0o

对应于没有寻址信号(两个寻址电极都是0)的情况DMD结构和工作原理DMD结构示意图器件的基底为硅，从大规模45DMD投影工作原理光源发出的光束与光学系统光轴夹角为2L，倾斜照射DMD,当某一像素的反射镜=0或-L时，反射光通不过投影物镜。当该像素被寻址时，

=

L，反射光沿光轴通过投影物镜，此状态为开（on）；=

-L，对于DMD的关（off）状态。DMD一般由视频信号驱动，某一像素处于两种状态的占空比，决定了该像素的灰阶。DMD投影工作原理光源发出的光束与光学系统光轴夹角为2L，46顺序颜色模式单板投影机数字图像中的颜色可以通过两种方式加到投影机图像中去，一是在照明光路中加一个三原色R,G,B滤色镜的色轮，它与视频信号严格同步，在每一帧的时间内转一圈，在各颜色的扇形角度范围内再分别用像素ON/OFF的占空比调节R,G,B的比例，从而在一帧的时间内合成所需要的颜色，即为“顺序颜色模式”。设每种颜色的灰阶均为8bit即256种，总共约有1600万种颜色，色彩相当丰富。通常为了兼顾色饱和度，色轮上还有一段扇形是透明的，即R-G-B-W。顺序颜色模式单板投影机数字图像中的颜色可以通过两种方式加到投47(a)单板投影机；（b)三板投影机(a)单板投影机；（b)三板投影机48空间分色模式三板投影机更先进的是三板式DLP投影机。光通过复杂的分光棱镜系统分成R,G,B三色光，以2L角分别照射三个DMD，三个DMD用各自的数字图像分别寻址，三个DMD处于ON态的像素的反射光再通过该棱镜系统重新合成，通过一个变焦物镜投影到屏幕上，由于3-DMD投影系统中各单色光用各自的DMD分别调制，信号是连续的，称为空间分色模式，亮度更高（理论上是单DMD的三倍），灰阶更丰富。空间分色模式三板投影机更先进的是三板式DLP投影机。光通过复49DMD制作工艺简介DMD用大规模集成电路技术制作，大体上可分为以下步骤：(1)用标准的CMOS工艺在硅片上制作记忆单元、寻址电极等．(2)在硅片表面覆盖一层高分子聚合物，其厚度相当于反射镜的高度．(3)用光刻、溅射法刻透聚合物层，制作支撑柱．(4)镀一层薄的铝膜，作为扭臂梁层，镀一层厚的铝膜，作为反射镜层；用光刻法将扭臂梁和反射镜成形．(5)用离子刻蚀法除去余下的高分子聚合物层，最后形成架空的微反射镜．当出现寻址信号及负偏压时，薄的扭臂梁扭转变形，厚的反射镜则不变形，只作整体的偏转．DMD制作工艺简介DMD用大规模集成电路技术制作，大体上可50DLP数字投影技术的特点（1）高分辨率DLP数字投影技术的特点（1）高分辨率51（2）高亮度开口率达到60%以上（3）对比度、灰阶及色保真度

对比度相当高，灰阶和色保真度由ON态的占空比决定，而占空比由脉冲调制来控制，一般能做到8bit（256级）甚至10bit（1024级）。三原色8bit混合结果产生2563即1600万种颜色，无论灰阶还是色保真度都能达到HDTV要求。（4）可靠性

TI公司专门做了模拟DMD长期使用实验，历经765*104个周期没有发生任何问题，相当于正常适用76000h。（5）响应时间

响应速度快，从开态到关态约10微秒。（2）高亮度开口率达到60%以上52DLP应用

目前广泛应用于各种投影，全球已建立5000家以上的DLP数字影院。一些高档家电视也选用DLP。DLP微型投影仪也从2009年起投放市场。在光刻、精密测量、光谱分析、传感、印刷、通信、3D显示、全息存储、医学等方面具有潜在应用。DLP应用538.6DLP在可调谐光纤激光器中的应用多波长可调谐激光器广泛应用于光通信、传感、生物医学仪器测试、自动控制等领域。目前可实现波长可调谐的器件主要有光纤布拉格光栅，光纤型法布里波罗腔，声光可调光学滤波器，高双折射Sagnac光纤干涉仪，光波导M-Z干涉仪等。8.6DLP在可调谐光纤激光器中的应用多波长可调谐激光器广54DLP单波长光纤激光器原理光纤系统由C波段（通信波段）掺铒光纤放大器（EDFA),90:10的光耦合器以及偏振控制器构成，光信号通过双尾纤准直器进入光学子系统（4f系统）。DLP单波长光纤激光器原理光纤系统由C波段（通信波段）掺铒光55（a)未加寻址电压时，光波在DMD表面直接反射；（b）加寻址电压后，DMD形成二维光栅，1级衍射光沿回路返回，并近似满足闪耀条件，衍射光能量集中在1级衍射光中。

全系统闭环形成环形腔。如果系统只存在一个光信号，并且

位于C波段，该信号就被EDFA放大，从光耦合器的10%端口输出。（a)未加寻址电压时，光波在DMD表面直接反射；56（a)基于DLP的可调谐激光器（b)DMD芯片寻址示意图在4f变换平面上放置高密度光栅，入射光的1级衍射光将发生色散，该色散光通过L2准直，照射在DMD上形成“色散条”，不同波长对于色散条不同位置，对某区域像素加寻址电压，驱动其倾斜，就能选出ASE中对应波长的光信号发生衍射，精调DMD,可以使1级原路返回。（a)基于DLP的可调谐激光器（b)DMD芯片寻址示意图在457EDFA辐射的C波段自发辐射谱；内插图为开环时DMD选择的1542nm的激光输出。EDFA辐射的C波段自发辐射谱；内插图为开环时DMD选择的158（a)C波段大范围调谐特性；（b)小范围调谐特性。实验结果表明：利用DLP可以实现激光波长在C波段（1530~1560nm)内灵活、波长调谐精度0.06nm，边模抑制比60dB，室温下稳定性好，12小时内波长漂移小于0.02nm。（a)C波段大范围调谐特性；（b)小范围调谐特性。59第八章空间光调制器第八章空间光调制器60意义光学信息处理系统处理光波载荷的信息（光波的某一参数的空间分布表示，如强度、相位等）。特点：（1）频率高，允许信号有很宽的带宽；（2）光波独立传播，方便信息多通道并行传播；（3）具有大容量、高速度特点。信息处理中，信号源和信息处理系统往往是两个独立的系统，信息源产生的信号必须通过某种形式的接口器件才能耦合到处理系统进行处理。8.1概述意义光学信息处理系统处理光波载荷的信息（光波的某一参数的空间61如常用的相干光处理系统，而大量被处理的光信号是非相干的，如日常生活中的图像、图形等。非相光所荷载的信息无法直接耦合到相干光处理系统中，需要一个器件——首先接收非相干光图像，通过器件中的特殊的效应，把光学图像所表征的光强分布转换为其它物理量的二维分布（如折射率、电压等），再通过器件的另一效应来调制处理系统中相干光的某一参数（相位、强度、偏振等），从而完成信息从信源向处理系统的转移，以及信息从非相干光荷载向相干光荷载的转换。非相干光——相干光转换——》空间光调制器如常用的相干光处理系统，而大量被处理的光信62另一类常用的信号是电信号，如各种电路产生的信号、雷达信号等，还有大量信号，通过传感器后转化为电信号，如空中目标或待识别指纹，经光学系统成像后，常常用CCD变为电信号。电信号必须通过特殊设计的接口器件把电压、电流的时间变化转为光参量的空间变化—空间光调制器另一类常用的信号是电信号，如各种电路产生的63在信源信号的控制下，能对光波的某个参量进行调制，如通过吸收调制振幅、通过折射率调制相位、通过偏振面旋转调制偏振态等，从而将信源信号所荷载的信息写入入射光波中。即其输出光信号是随控制信号变化的空间和时间的函数定义

SLM：SpatialLightModulator基本结构与分类

独立单元：像素包括：写入信号------控制信号；读出光---------输入信号；输出光---------输出信号;在信源信号的控制下，能对光波的某个参量进行调制，如通过吸收调64按输出分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址；反射式电寻址写入（电）光读出光输出光透射式读出光写入（电）光输出光反射式按系统中位置分类：用做输入器件（input-SLM);频谱面上滤波器件（processor-SLM）；系统输出端（output-SLM）按输出分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址；反射式65寻址概念：光寻址与电寻址电寻址：当写入信号是电信号（如视频信号或计算机电平信号），采用电寻址方法控制SLM的复数透过率。通常方法：通过SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方式，把信号加到对应的单元上。又称为矩阵寻址，即EA-SLM。一对相邻的行和列电极构成SLM最小的单元，即像素，像素尺寸的两倍给出SLM分辨率的极限。寻址概念：光寻址与电寻址电寻址：当写入信号是电信号（如视频信66电寻址空间光调制器特点：（1）电寻址是串行寻址，失去光学信息并行处

理特点（2）电寻址通过条状电极传递信息，电极尺寸的减小有限度，决定了像素尺寸的限度，也决定了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显示模式电寻址空间光调制器特点：（1）电寻址是串行寻址，失去光学信息67（3）透射式SLM由于电极本身不透明，所以像素的有效

通光面积于像素总面积之比——开口率较低，光能利用率不高。硅基液晶(LCOS)是反射型的，解决了开口

问题，近年来发展很快。

（4）数字式微反射镜器件（DMD）具有高效率、高对比

度、多灰阶（256个灰阶）、高色保真度等特点，

具有多种规格的像素单元。

如2048*1152的超高分辨率器件，可以同16：9宽屏幕

电视匹配。（3）透射式SLM由于电极本身不透明，所以像素的有效68光寻址空间光调制器（OA-SLM）方法：首先把光学信号写入光寻址空间光调制器中，把光学信号对应的光强分布转化为电荷分布、折射率分布等，然后由读出光通过各种效应，如光电效应、双折射效应等，读出这一信号。特点：（1）空间分辨率通常高于EA-SLM。如液晶光阀LCLV

的分辨率达60lp/mm,面积为50mm*50mm，相当于

3k*3k个像素。（2）高度并行特点。（3）通常采用反射式，即写入光入射SLM的一个端面，

读出光入射SLM另一端面，信息通过SLM转移到读出光中。（4）通常采用非相干光写入，相干光读出。光寻址空间光调制器（OA-SLM）方法：首先把光学信号写入69常用的空间光调制器电寻址①薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）②硅基液晶显示器（LCOS)③磁光空间光调制器（MOSLM）④数字光处理（DLP）光寻址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③微通道板空间光调制器（MSLM)④Pockels光调制器常用的空间光调制器电寻址708.2液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-LCD)液晶

某些有机高分子物质在一定条件下呈现的一种特殊的物质状态，其结构介于液体、固体之间，称为中间态或中间相。8.2液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-L71液晶分子一般呈长棒状，个别呈盘状、碗装，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，但分子的取向具有有序性。长棒状分子的长轴方向或盘状、碗状分子的法线方向在一定温度范围内倾向彼此平行，该方向称为液晶分子的指向矢量方向。液晶分子一般呈长棒状，个别呈盘状、碗装，它们的分72液晶具有双重性质，在一定程度上，既有液体流动性，又有晶体所特有的各向异性。液晶分子之间的相互作用远低于固体分子之间的相互作用力液晶的各向异性在外场作用下会发生显著变化。如：KDP晶体的半波电压9.3kV,BSO晶体的半波电压为3.9kV（lam=632.8nm）（半波电压是晶体电光效应的一个特征参数，在振幅调制中，当外加电压达到半波电压时，调制器的透过状态从开态转为关态）表征液晶电光效应的特征参量——开关电压大概为5V,比晶体半波电压小三个数量级。——可以做成低能耗、低电压的空间光调制器=>光寻址的液晶光阀（LCLV）以及电寻址的薄膜晶体管驱动的液晶显示器（TFT—CCD）。液晶具有双重性质，在一定程度上，既有液体流动性，又73帧频/Hz60像素尺寸/微米26像素数1024*768像面尺寸/英寸1.3对比度1000:1开口率23%光谱范围（nm)400~700索尼TFT—LCD透射式SLM帧频/Hz60像素尺寸/微米74偏振光在扭曲介质中的传播TN液晶盒结构和工作原理把向列相液晶放在一个经特殊处理的盒中，可以构成具有特殊的扭曲效应的液晶盒。ITO为透明电极。液晶注入一对导电玻璃之间，这两片导电玻璃的表面经过特殊处理，使其表面具有定向结构，而且上下导电玻璃的定向结构方向正交。偏振光在扭曲介质中的传播TN液晶盒结构和工作原理把向列相液晶75TN液晶盒结构和工作原理TN液晶盒结构和工作原理76如果将整个液晶层沿着与表面正交的Z轴分成均匀的N个薄层，则每一薄层中液晶分子的长轴取向大致相同，这样每层都可以看成一个单轴晶片。在整个液晶层中，随着Z的变化，分子长轴发生旋转，光轴也就随之旋转，形成各向异性介质。光轴的方位是Z的线性函数：如果将整个液晶层沿着与表面正交的Z轴分成均匀的N个77光学信息处理第八章空间光调制器课件78液晶是正双折射介质，ne-no约为0.1,如设

液晶是正双折射介质，ne-no约为0.1,如设

79可见出射光波仍然是线偏振的，振动方向沿出射面的指向矢方向，只是增加了一个不重要的相位。条件弱扭曲条件，通常是满足的。可见出射光波仍然是线偏振的，振动方向沿出射面的指向弱扭曲条件80结论：在弱扭曲的情况下，当入射线偏振光的振动方向与扭曲介质表面的局部光轴一致时，振动方向将锁定在光轴的方向上，随着光轴旋转，出射光波仍然是线偏振光，振动方向与扭曲介质出射表面的光轴一致。这就是偏振光在扭曲介质中传播时的扭曲效应，常误认为旋光效应。即从液晶层射出的光波振动方向沿y轴。如果检偏器光轴与X轴平行，则TN器件的透过率为0，反之如检偏器光轴沿Y轴方向，则TN器件的透过率为最大，即分别对应TN液晶盒的关态(暗态)和开态(亮态)。结论：在弱扭曲的情况下，当入射线偏振光的振动方向与即从液晶层81扭曲效应是近似的，通常

并不严格等于90o,光波在液晶中传播时，液晶中的不均匀还会引起散射。由于这些原因，出射光波一般是长椭圆偏振光或部分偏振光，这些因素引起TN盒在暗态下漏光，造成对比度降低。扭曲效应是近似的，通常并不严格等于90o,光波82扭曲向列液晶盒的工作原理TN盒透明电极->纵上电压->液晶的长形分子为电偶极子，趋向于电场方向重新排列->一定程度抵消扭曲效应，使器件产生一定透过率。扭曲向列液晶盒的工作原理TN盒透明电极->纵上电压->液晶的83有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD)电寻址的SLM多采用矩阵寻址方案。在一块玻璃板上形成互相绝缘的行和列电极，交点上制作薄膜晶体管(TFT)。TFT栅极、源极和漏极分别接行、列电极和显示像素。另外一块玻璃上所有像素公用一个电极，之间填充扭曲或强扭曲液晶有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD)电寻址的SLM多采用84TFT-LCD结构示意图TFT-LCD结构示意图85全彩色TFT-LCD液晶板在各个像素上顺序贴上红(R)、绿(G)、蓝(B)虑光片，以一组R,G,B像素为一个彩色显示单元。全在各个像素86LCD平板显示器技术指标项目规格备注屏尺寸110”对角线长度像素数4k*2k已知以批量产品化的最高像素数（12M)像素数8k*4k演示样机像素数（32M）可视角1780*1780TFT-LCD生产厂标注的最大值色域覆盖率72%NTSC覆盖颜色三角形的百分比LCD平板显示器技术指标项目规格备注屏尺寸110”对角线长度87LCD投影仪投影屏R-LCDLCD投影仪投影屏R-LCD88特点优点：驱动电压低（低于5V）、功耗小；由于场效应管隔离，有效地消除了相邻像素之间的干扰；TFT-LCD采用大规模集成电路技术制作，成品率高，成本低，应用广泛。不足：透过率较低，一对偏振片透过率近约0.3；像素的开口率（透光面积与总面积之比）较低，不到0.4；尺寸减小导致像素开口率更低；耗散在器件上的光能量使液晶性能变差甚至失效，大功率光源需带冷风装置。特点优点：898.3液晶光阀（LCLV）

—光寻址混合场效应由于入射到TN-LCD盒上的线偏振光的振动平面跟随扭曲介质光轴转过900，出射光波的振动平面与检偏器正交，使TN-LCD处于关态；如果在TN-LCD盒上加上纵向电压，扭曲效应将被双折射效应部分抵消，使TN-LCD处于开态。8.3液晶光阀（LCLV）混合场效应由于入射到TN-LCD90TN-LCD盒（向列相液晶显示器）未加电压时的扭曲效应加电压后（电压足够高），液晶分子沿长轴排列，扭曲效应

消失。TN-LCD盒（向列相液晶显示器）未加电压时的扭曲效应91扭曲角作为z的函数；（b)倾斜角作为z的函数。虚线为未加电场的情况。当所加电压较小时，尚未彻底破外扭曲效应，在TN-LCD盒中出现情况比较复杂：液晶分子在电极定向结构的作用力、分子间作用力及外电场作用力下共同达到平衡态。扭曲角作为z的函数；（b)倾斜角作为z的函数。虚线为未加电92线偏振光在加电压后的TN-LCD盒中传播的近似图像；ξ表示液晶的局部光轴，在z=0处ξ与x轴基本一致，在z=d/2处，

ξ沿z轴；z=d处ξ沿x和y轴的角平分线。线偏振光在加电压后的TN-LCD盒中传播的近似图像；ξ表示液93LCLV的读出光路PBC偏振分光棱镜，读出光是PBC的p偏振分量；当外电压V=0时，从LCLV的反射光为p偏振分量，输出为0；当V!=0时，反射光为椭圆偏振光，其中的s分量为输出光。LCLV的读出光路PBC偏振分光棱镜，读出光是PBC的p偏振94LCLV的结构和工作原理光阻层薄膜的光密度（透过率导数常用对数值）达到4作用，有效隔离了写入和读出光外加电压主要降落在液晶层和光导层；写入层的暗区，光导层的电阻很大，外电压主要在光导层，液晶层上很小，扭曲效应是主要的，从器件输出反射光仍是p偏振，全部透过PBC。亮区，光电效应占主导，液晶层电压大，输出椭圆偏振光。LCLV的结构和工作原理光阻层薄膜的光密度95典型的LCLV响应曲线，LCLV透过率T与外加电场V的关系典型的LCLV响应曲线，LCLV透过率T与外加电场V的关系96（1）通常写入光可以是非相干，而读出光则为相干光，从PBC输出的光直接进入相干光处理系统。（2）LCLV的反差达100：1，电源电压5~10V，分辨率高达几十/mm到100线对/mm，通光孔径达50mm。（3）响应速度不快，约在10ms的量级，这是由于液晶分子在外场作用下的取向变化滞后于外场的变化，而且器件的电容较大，整体响应速度与电视图像大体匹配。特点（1）通常写入光可以是非相干，而读出光则为相干光，从PBC输97阴极射线管耦合液晶光阀（CRT-LCLV）CRT-LCLV结构原理图CRT是常用的图像输出设备，将CRT和LCLV通过光纤面板结合，使CRT的输出图像作为LCLV的写入信号，就构成了CRT-LCLV。阴极射线管耦合液晶光阀（CRT-LCLV）CRT-LCLV结988.4硅基液晶（LCOS）空间光调制器背景LCOS显示已经完全商业化，分两类：背向投影电视（rear-ProjectionTV，RPTV）和微型投影机（口袋型）。口袋型大小与手机差不多，目前流行的理念是将微型投影机集成到手机里面。高清（HD）微型背投的对角线大约3英寸，像素1920*1080；微型投影机对角线约为0.2~0.9英寸，有VGA(640*480像素）SXGA(1280*1080像素）、HD(1920*1080)等显示模式。LCOS在光学领域应用是常用作空间光调制器，即LCOSSLM。8.4硅基液晶（LCOS）空间光调制器背景LCOS显示已经99特点LCOSSLM和TFT-LCD的主要区别:TFT-LCD的有源矩阵薄膜晶体管做在玻璃表面，而LCOSSLM的有源矩阵则直接做在硅衬底上，构成6微米大小的像素。在15.36mm*8.64mm的LCOSSLM由8微米像素构成1920*1080像素的高清电视，对角线为0.7英寸。特点LCOSSLM和TFT-LCD的主要区别:TFT-LC100结构示意硅衬底采用CMOS技术像素结构，CMOS可以制作1.5*1.5微米周期的像素结构，可惜这么小的面积能够承载的液晶太小，不足以控制光的偏振态。硅本身具有反射，每个像素的反射由其上的液晶层控制。透射型效率低，一般采用反射型。反射型理论开口率可到100%。结构示意硅衬底采用CMOS技术像素结构，CMOS可以制作1.101工作原理入射p-偏振的平行光偏振分光镜->透过p分量，反射s分量。未加寻址电压时，偏振态不变，仍为p分量透过分光镜；加寻址电压后，偏振态被寻址电压调制，部分p分量转为s分量，从分光镜反射。不同像素上加不同幅度寻址电压，光束被LCOSSLM调制，数字图像加载到光束中。工作原理入射p-偏振的平行光1028.5数字光处理（DLP）和数字化投影1987年，美国德克萨斯仪器公司（TI）的科学家提出了基于微机电系统的（MEMS)的理念和大规模集成电路技术，设计出一款新颖的电寻址空间光调制器—数字微反射镜器件（DMD），曾应用于相关识别，1996年以后，主要用于投影显示，称为数字投影显示（digitalprojectiondisplay),包括前向投影机和高清电视。由于处理过程是数字化，故称为数字光处理（DLP）。8.5数字光处理（DLP）和数字化投影1987年，美国德克103DMD结构和工作原理DMD结构示意图器件的基底为硅，从大规模集成电路技术，在硅片上制作出RAM，每一个存储器有两条寻址电极和两个搭接电极。两个支撑柱通过扭臂梁铰链安装一个微型反射镜。工作时，在反射镜上加负偏压，一个寻址电极上加+5V(数字“1”)，另一寻址电极接地(数字“0”)，这样一来，就形成一个差动电压，它产生一个力矩，使反光镜绕拉臂梁旋转，直到触及搭接电极为止．在扭转力矩的作用下，反射镜将一直锁定于这一位置，不管它下面的存储器的数据是否变化，直到复位信号出现为止，对应旋转角L=10o．这样，每一单元都有三个稳态：+10o、-10o和0o，

=0o

对应于没有寻址信号(两个寻址电极都是0)的情况DMD结构和工作原理DMD结构示意图器件的基底为硅，从大规模104DMD投影工作原理光源发出的光束与光学系统光轴夹角为2L，倾斜照射DMD,当某一像素的反射镜=0或-L时，反射光通不过投影物镜。当该像素被寻址时，

=

L，反射光沿光轴通过投影物镜，此状态为开（on）；=

-L，对于DMD的关（off）状态。DMD一般由视频信号驱动，某一像素处于两种状态的占空比，决定了该像素的灰阶。DMD投影工作原理光源发出的光束与光学系统光轴夹角为2L，105顺序颜色模式单板投影机数字图像中的颜色可以通过两种方式加到投影机图像中去，一是在照明光路中加一个三原色R,G,B滤色镜的色轮，它与视频信号严格同步，在每一帧的时间内转一圈，在各颜色的扇形角度范围内再分别用像素ON/OFF的占空比调节R,G,B的比例，从而在一帧的时间内合成所需要的颜色，即为“顺序颜色模式”。设每种颜色的灰阶均为8bit即256种，总共约有1600万种颜色，色彩相当丰富。通常为了兼顾色饱和度，