空间光调制器

空间光调制器 光学信息处理系统处理光波荷载的信息 这些信息用光波的某一参数的空间分布来表征 强度 相位 偏振 光波荷载信息的特点 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 1 概论 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 光波荷载信息的特点 空间光调制器 SpatialLightModulator SLM 一种对光波的空间分布进行调制的器件 空间光调制器含有许多独立单元 它们在空间排列成一维或二维阵列 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 透过率 反射率 折射率等 从而对通过它的光波进行调制 通过吸收调制振幅 通过折射率调制相位 通过偏振面的旋转调制偏振态等等 空间光调制器研究和开发的主体 材料研究 器件设计和制造 系统应用 控制这些单元光学性质的信号称为 写入信号 光信号或电信号 射入器件并被调制的光波称为 读出光 经过空间光调制器后的输出光波称为 输出光 写入信号应含有控制调制器各单元的信息 并把这些信息分别传送到调制器相应的各单元位置上改变其光学性质 当读出光通过调制器时 其光学参量 振幅 强度 相位或偏振态 就受到空间光调制器各单元的调制 结果变成了一束具有新的光学参量空间分布的输出光 空间光调制器的分类 按照读出方式的不同分为 反射式透射式按照输入控制信号的方式 光寻址 OA SLM 电寻址 EA SLM 按其在系统中的位置区分 input SLMprocessor SLMoutput SLM光寻址 模拟的非像素单元构成 光 光转换 电寻址 单个分离的像素组成 电 光实时接口器件 模拟和数字两类 写入信号把信息传递到SLM上相应位置 以改变SLM的透过率分布的过程 寻址 当写入信号为电信号时 采用电寻址的方式通过SLM上两组正交的栅状电极 用逐行扫描的方法 把信号加到对应的单元上 又称 矩阵寻址一对相邻的行电极和一对列电极之间的区域构成SLM的最小单元 像素 电寻址方式是光 电混合处理系统 有以下缺点 电信号是时间串行信号 所以电寻址是串行寻址 电寻址通过条状电极来传递信息 电极尺寸的减小有一个限度 所以像素尺寸也有限度 电极本身不透明 所以像素的有效通光面积与像素总面积之比 开口率较低 光能利用率比较低 数字式微反射镜器件DMD是一种新型的电寻址空间光调制器 当写入信号为电光信号时 采用光寻址的方式 光寻址的空间分辨率通常高于电寻址 光寻址是并行寻址方式 光寻址的SLM一般是反射式 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光寻址空间光调制器铁电液晶空间光调制器FLC SLM液晶光LCLV 阴极射线管 液晶光阀CRT LCLV微通道板空间光调制器MSLMPockels光调制器 2 磁光空间光调制器 原理 根据磁光效应 法拉第效应 法拉第效应材料 在外加磁场作用下 光学性质通过极化发生变化 3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管液晶显示器TFT LCD 液晶材料 最为广泛的一种电光效应材料 介于固态和液态之间的一种物态 它具备液体的流动性 又具备固态晶体的排列性质 液晶状态可以向结晶态和液态相变 变为结晶态时 不仅具有分子取向的有序性 而且分子重心具有周期平移性 变为液态时 失去分子重心周期平移性 也失去了分子取向的有序性 成为完全无序状态 液晶以凝集构造的不同可分成三种 向列型 nematic 液晶 近晶型 smectic 液晶 胆甾醇型 cholesteric 液晶 液晶的基本性质液晶的取向效应液晶的电光效应 液晶的取向效应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 如果沿分子长轴方向上的折射率大于沿短轴方向上的折射率 称为正性液晶 反之称为负性液晶 对基片表面处理 可使液晶分子平行于基片且容易排成同一方向 如 摩擦定向方法 向列型 nematic 液晶液晶分子大致以长轴方向平行配到 因此具有一维空间的规则性排列 此类型液晶的粘度小 应答速度快 是最早被应用的液晶 普遍的使用于液晶电视 笔记本电脑以及各类型显示元件上 近晶型 smectic 液晶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 此类分子的黏度大 印加电场的应答速度慢 比较少应用于显示器上 多用于光记忆材料的发展上 胆甾型 cholesteric 液晶此类型液晶是由多层向列型液晶堆积所形成 为向列型液晶的一种 也可以称为旋光性的向列型液晶 因分子具有非对称碳中心 所以分子的排列呈螺旋平面状的排列 面与面之间为互相平行 而分子在各个平面上为向列型 液晶的排列方式 由于各个面上的分子长轴方向不同 即两个平面上的分子长轴方向夹着一定角度 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pitch 螺距 cholesteric液晶pitch的长度会随着温度的不同而改变 因此会产生不同波长的选择性反射 产生不同的颜色变化 故常用于温度感测器 偏振光在扭曲介质中的传播 正型器件 上侧的偏振片光轴与上侧基板处的液晶取向平行 下侧的偏振片光轴与下侧基板处的液晶取向平行 自然光自上基板至下基板入射液晶屏 不加电场时光线通过第一块偏振片变为平行上基板处液晶取向的偏振光 偏振光被液晶层旋光 转过90 后正好与下基板处偏振片的光轴相平行 可以透过 作为显示器的亮态 加电场时液晶分子沿电场方向竖起 原来的扭曲排列变为垂直平行排列 偏振光与垂直排列的液晶不作用 透过第一块偏振片的偏振光通过液晶层时偏振面不再发生旋转 到达出射端的偏振片时 偏光轴与出射光的偏振方向垂直 光被截止 呈现暗态 如果电场不特别强 液晶分子处于半竖立状态 旋光作用也处于半完全状态 则会有部分光透过 呈现中间灰度 这就是液晶显示器的工作原理 有源矩阵驱动液晶显示器 4 液晶显示器在非相干光信息处理中的应用 大屏幕投影电视 5 液晶光阀 光寻址空间光调制器通常为液晶光阀混合场效应 液晶光阀的结构