光信息处理第5章

第五章空间光调制器（SpatialLightModulator

）光学信息处理的理论基础光学频谱分析系统和空间滤波相干光学信息处理非相干光学信息处理白光信息处理光学信息处理的实际应用空间光调制器光信息的采集和显示技术光信息传输技术光信息存储技术

5.1概述光波频率高，可允许信号本身有很宽的带宽。光波是独立传播，两束或多束光可以在空间交叉而互不干扰。信息可以多通道并行或交叉传播。光波荷载信息的特点：光波以并行方式传递所载荷的信息。信息处理具有大容量、高速度的特点。一.空间光调制器的基本结构与分类

空间光调制器：即SpatialLightModulator(SLM)，是一种对光波的空间分布进行调制的器件。相位振幅（强度）频率（波长）偏振态光波的特性空间光调制器的输出光信号是随控制信号变化的空间和时间的函数。即表示在时刻t

，空间光调制器在（x，y）处的复数透过率。

空间光调制器结构的基本特点在于：它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。

每个单元都可以独立地接收光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质（相位、振幅、频率、偏振态），从而对通过它的光波进行空间调制。这些独立单元称为空间光调制器的像素。控制像素的光电信号称为：写入信号（光信号或电信号）

照明整个器件并被调制的输入光波称为：读出光经过空间光调制器后出射的光波称为：输出光写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为寻址。采用写入光实现的寻址过程，称为光寻址；采用写入电信号实现的寻址过程，称为电寻址。写入光读出光反射式光寻址输出光写入光读出光透射式光寻址输出光按照读出光工作方式的不同分为反射式或透射式写入电信号读出光透射式电寻址读出光反射式电寻址输出光输出光写入电信号写入信号寻址方式寻址速度空间分辨率光寻址二维光强分布并行寻址快高电寻址时间串行信号串行寻址慢低

空间光调制器的分类按照读出方式的不同分为：反射式SLM透射式SLM按照输入控制信号的方式：光寻址(OA-SLM)电寻址(EA-SLM)按照在系统中的位置区分：input-SLMprocessor-SLM

output-SLM按照工作原理的不同分为：电光效应SLM声光效应SLM磁光效应SLM光折变效应SLM

空间光调制器是光学信息处理系统与外界信息交换的界面或接口，是光学信息处理、光互连、光计算及光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。

空间光调制器的主要材料和物理效应空间光调制器物理效应选用材料1电光效应SLMKerr效应Pockels效应液晶、硝基苯、KDP2磁光效应SLMFaraday效应Cotton效应YIG、GGG3声光效应SLM声光效应LiNbO3、LiTaO34光折变效应SLM光折变效应Bi12SiO20、BaTiO35电子跃迁吸收SLM半导体光吸收GaAs、InGaAs/InP6机械效应SLM材料宏观形变多晶硅、铝膜7热效应SLM材料温度特性热塑薄膜、液晶8光致聚合物SLM光化学反应聚醋酸乙烯酯常用的空间光调制器电寻址空间光调制器薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）磁光空间光调制器（MOSLM）数字微反射镜器件（DMD）

硅基底上的液晶空间光调制器（LCOS）量子阱空间光调制器（QWSLM）光寻址空间光调制器铁电液晶空间光调制器（FLC-SLM）液晶光阀（LCLV）

、阴极射线管-液晶光阀（CRT-LCLV）微通道板空间光调制器（MSLM）Pockels效应读出光调制器（PROM）二.空间光调制器的功能输入器件将待处理信息转换为光信息处理系统要求的输入形式。主要实现以下几种转换：电-光转换串行-并行转换非相干光-相干光转换波长转换处理和运算功能器件放大器乘法器与算术运算对比度反转模拟数字转换三.空间光调制器的基本性能参数1.输入-

输出特性曲线2.灵敏度特性曲线灵敏度指定值灵敏度阈值灵敏度输出光写入信号理想输出模拟输出IHILIt3.对比度动态范围4.灰阶数5.调制传递函数调制传递函数调制度定义为6.分辨率指通过器件后输出光所能分辨的最大空间频率7.空间带宽积（SBP）空间带宽积＝

分辨率平方×工作面积8.单幅信息容量N

为灰阶数指当空间光调制器的所有像素都受到写入信号的调制并保持稳定时，输出光所能携带的最大信息容量。9.响应速度指写入信号作用到器件直至输出光产生所需的时间当写入信号撤除后，被调制量减小到最大值的a倍时所需的时间。10.帧频指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数11.信息流量信息流量＝

单幅信息容量×帧频12.存储（记忆）时间5.2液晶光阀一.液晶的光电特性1.液晶结构液晶是一种介于各向同性液体和各向异性晶体之间的物质状态。在一定温度范围内，它既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的热（热效应）、光（光学各向异性）、电（电光效应）、磁（磁光效应）等物理性质。按液晶分子排列的有序性区分，可分为三类：近晶相液晶向列相液晶胆甾相液晶近晶相液晶近晶相液晶具有宏观的电学各向异性和光学各向异性。近晶相液晶分子具有二维空间的层状规则性排列，各层间则有一维的顺向排列。一般而言，近晶相液晶分子的黏度大，对电场的应答速度慢，较少应用于显示器，多用于光记忆材料方面。近晶相液晶向列相液晶向列相液晶向列相液晶分子的排列比较杂乱、不再分层，但分子取向大体一致，因此具有一维空间的规则排列。向列相液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍应用于液晶电视、笔记本电脑以及各类型显示元件上。胆甾相液晶胆甾相液晶

胆甾相液晶分子的排列呈螺旋平面层状排列，层与层之间相互平行，分子在各个层面上为向列型，两相邻层面上的分子长轴方向依次转过一定角度。当两个平面上的分子长轴方向相同时，这两个平面之间的距离称为一个螺距（pitch）。

胆甾相液晶液晶螺距的长度会随着温度的不同而改变，因此会产生对不同波长的选择性反射，呈现不同的颜色变化，常用于温度传感器。目前空间光调制器中应用最多的是向列相液晶，液晶分子取向可通过外界条件来控制。一种方法是通过电磁场控制，另一种是通过液晶表面处理方式控制。对基片表面处理，可使液晶分子平行于基片且分子长轴方向沿同一方向排列。基片基片向列相液晶2.双折射效应

方解石双折射现象

一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。

液晶具有光学各向异性，沿分子长轴方向上的折射率不同于沿短轴方向上的折射率，因此光束在通过液晶时会出现双折射现象。3.扭曲效应向列相液晶扭曲形变示意图由于液晶的扭曲形变而使特定方向线偏振光的偏振方向旋转一个角度的现象，称为扭曲效应。4.混合场效应外加电场对于液晶分子的扭曲形变有显著影响，在中等强度电场作用下，液晶同时出现双折射效应和扭曲效应的现象，称为混合场效应。V起偏器检偏器椭圆偏振透射光出射光非偏振入射光线偏振入射光混合场效应原理示意图（V>

Vc）在外加电场作用下，入射的线偏振光通过液晶后，变成含有两个正交偏振方向的分量（o光和e光）的椭圆偏振光。由于液晶分子的倾斜对于正、逆方向传播的光的非对称性，经反射后再次通过液晶盒的偏振光，可以有一部分通过检偏器，透过的光强与外加电压的大小有关。液晶盒二.光学寻址液晶光阀1.液晶光阀的结构液晶透明电极写入光读出光/输出图像玻璃衬底玻璃衬底光电导层光阻挡层基片透明电极介质反射膜~V这种液晶光阀的主要功能是实现图像的非相干-相干转换。液晶透明电极写入光读出光/输出图像玻璃衬底玻璃衬底光电导层光阻挡层基片透明电极介质反射膜~V2.液晶光阀的工作原理

对写入光图像上的暗区，光电导层上光照很少、交流阻抗很大，外电压主要分配到光电导层上，而液晶层上电压较小，不足以产生有效的电光效应，仍保持45°扭曲排列结构，则读出光在相应暗区像素上基本没有受到调制作用，输出光保持较小输出；对写入光图像上的亮区，光电导层阻抗较小，外电压大部分落在液晶层上，由于混合场效应，使该区输出光达到最大输出。对于写入光图像上其他照度区域，输出光中相应像素的输出光强介于最大值与最小值之间，这样输出光的光强空间分布就按照写入光图像的空间分布所调制。结构紧凑、在室温下操作；驱动电压低、功耗小；造价低、性能稳定；写入图像灵敏度高、输出图像对比度高。优点响应速度较慢；空间分辨率不够高，仅适用于一般的图像处理。缺点

混合场效应液晶光阀是一种光学并行寻址器，主要功能是实现图像的非相干-相干转换。三.电寻址液晶光阀TFT矩阵寻址等效电路数据线栅极源极漏极液晶扫描线单个像素电路图1.矩阵寻址液晶光阀的结构电寻址的空间光调制器多采用矩阵寻址的方案。通常在一块玻璃板上，形成互相绝缘的行电极和列电极，在它们的交点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体管（TFT）。TFT的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像素。在另一块玻璃板的表面，所有像素共用一个电极，两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶。2.矩阵寻址液晶光阀的工作原理当某一像素的行、列电极同时加上电信号时，TFT型场效应管接通，该像素透光。顺序选通各行电极，并同步地选通列电极，就可以控制各像素的明暗，电压的大小可控制灰阶。行电极列电极全彩色薄膜晶体管液晶显示器照射空间光调制器的光波的透过率在每一个像素局部受到电信号的调制，称为矩阵寻址。

液晶光阀是一种比较成熟的空间光调制器，具有多种用途。在光学信息处理系统中：可作为图像输入、波长变换、串行电信号与并行电信号（或图像）变换器，以及输入寻址器；可用于实时变化的光互连、并行的光学逻辑运算、光学数字运算、光学矩阵运算等有关数学运算；可用于图像处理，如边缘增强、图像相减、光学相关和实时图像识别等。5.3Pockels

读出光调制器泡克尔斯读出光调制器（简称PROM）是利用BSO等晶体的光电导特性和线性电光效应制成的光寻址空间光调制器。一.PROM的结构IrIoIw绝缘层双色介质反射层（对蓝光透明，对红光反射）透明电极BSO反射式PROM的结构示意图二.PROM的基本工作原理1.擦除与激发V0+-V0+-+-V0V0VVV0xVPROM的工作过程（擦除与激发）示意图加电压光照短路擦除+-O2.写入绝缘层双色介质反射层透明电极BSOIrIoIw（蓝光）将载有输入图像信息的蓝光作为写入光，它将成像在BSO晶片的右表面上。在图像的亮区，由于光电导效应产生电子-空穴对，电子在内电场作用下向BSO

的左侧表面迁移，正、负电荷分离后形成的附加电场将抵消一部分内电场，使这些区域的电压降减小；在图像的暗区，由于电子-空穴对很少，电压降变化较小，甚至基本保持V0不变。这样原来图像的空间光强分布，经BSO

的光电导效应转换为空间电压分布，即把图像信息“写入”了PROM。电压V与曝光量E成指数关系，即

BSO上暗区压降大，亮区压降迅速减小。3.读出

将红光作为读出光，由左侧射入PROM

，并分解为相互垂直的两个线偏振分量。由于BSO晶片的双折射，它们在晶片中的相位延迟不同，经双色反射层反射后，它们再次通过BSO晶片，且相位延迟的差异加倍，最后由左方射出，形成输出光；输出光波面各处的偏振态受到按写入图像形成的电场（电压）分布的调制。PROM的工作过程对于理想的PROM

器件，在写入图像的暗区，读出光两次经过BSO晶片获得最大的光强透过率；在写入图像的亮区，读出光的透过率很低，因此PROM

输出的是对比反转图像。BSO晶片外电场内电场BSO的擦除和激发光电导效应空间电场（电压）分布线性电光效应光强分布5.4微通道板空间光调制器微通道板空间光调制器（简称MSLM）是通过写入端的微通道板实现对写入图像的增益，利用纵向电光效应对读出光进行调制的空间光调制器。一.MSLM的结构1.光电阴极光电阴极的作用是将光学图像转换成电图像。2.微通道板微通道板由半导体微孔玻璃构成的阵列，具有电子倍增功能。3.栅极栅极是一种网格状电极，作用是对由微通道板射出的电子加速。IrIoIw透明电极真空室窗口真空室窗口光电阴极微通道板接地电极栅极真空隙介质膜反射镜电光晶体板透明电极真空室微通道板空间光调制器结构图二.MSLM的工作过程相干

/

非相干光图像（写入光）光电转换光电子图像微通道板增强、栅极加速电荷图像电光晶体板空间调制、检偏器相干光图像（振幅

/

强度调制）三.MSLM器件的特点1.输入输出可具有很宽的光谱响应范围；2.可在弱光下工作，记录强度仅为的可见光图像；3.选择高阻的电光调制材料和介质膜，可使器件具有很长的存储时间。4.二次电子发射特性使MSLM

具有灵活的信息处理能力。5.5磁光空间光调制器磁光空间光调制器（简称MOSLM）是利用法拉第旋光效应对读出光进行调制的电寻址空间