液晶空间光调制器

1、液晶空间光调制器液晶空间光调制器张望平张望平 2012.04.03主要内容主要内容一、空间光调制器的发展历史二、空间光调制器的原理三、液晶材料简介四、液晶空间光调制器的主要参数五、扭曲向列液晶的调制原理六、液晶屏的光调制特性测量与分析七、液晶空间光调制器的应用 一一 、发展历史、发展历史1888年奥地利植物学家莱尼采尔(F.Reinitezer）发现了液晶20世纪初，液晶的研究进入高峰期，主要成就是发现了液晶的一些物理性质1961年美国无线电公司(RCA)普林斯顿研究所的海麦尔(GH.Heilmeier)从微波固体元件研究方向转入有机半导体方向1963年RCA的威廉斯发现了电场影响液晶的分子排

2、列1964年他们发现了液晶的动态散射效应(dynamieseattering),为液晶在显示领域的应用打开了大门,因此海麦尔成为液晶显示的先驱1971年美国休斯公司J.D.Margerum等人提出了第一个光导型透射式液晶光调制器,这种器件工作在动态散射模式,用ZnS作为光导层,直流驱动比较容易引起液晶与电极间的电化学反应从而降低器件的寿命1972年,T.D.Bemd等人研制成CdS作光导层,交流电压驱动的反射读出型液晶光阀,为实用化器件的发展奠定了基础1975年,J.Grinbery等人报道了用CdS作光导层,CdTe作光隔离层的交流反射式液晶光阀,是液晶工作在混合场效应(向列相液晶的扭曲效应

3、和双折射效应)模式二、空间光调制器原理二、空间光调制器原理 1 概念概念： 空间光调制器空间光调制器(Spatial Light Modulator-SLM)是一种对光波的空间分布进行调制光波的空间分布进行调制的器件。一般地说，空间光调制器由许多独立单元许多独立单元组成，它们在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控独立地接受光学信号或电学信号的控制制，并按此信 号改变自身改变自身的光学性质，从而对照明在其上的对照明在其上的光波进行调制光波进行调制。2 SLM分类分类 按照写入方式的不同：按照写入方式的不同： ESLMSLMOSLMSLM电写入的光写入的按照调

4、制方式的不同：按照调制方式的不同： 相位调制强度调制按照读出方式的不同：按照读出方式的不同：反射式透射式3 SLM中的三光中的三光写入光/信号：控制像素的光或者信号读出光：照明整个器件并被调制的光波输出光：被像素单元调制后的输出光波4 两种写入方式两种写入方式电写入的电写入的SLM：代表待输入系统的信息的电信号直接驱动一个器件（空间光调制器），方式是控制其吸收或相移的空间分布。光写入的光写入的SLM：信息一开始是以光学图像的形式，而不是以电子的形式输入到SLM，在这种情况下，SLM的功能是将非相干的光图像转化为相干的光图像，接着用相干光学系统做下一步的处理。5 寻址（寻址（adressing）

5、的概念）的概念 写入光或写入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。如果采用写入光实现，称为光寻址，采用写入电信号，称为电寻址。电寻址方式是光电混合处理系统。有以下缺点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。，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电极本身不透明，所以像素的有效通光面

6、积与像素总面积之比开口率较低，光能利用率比较低。开口率较低，光能利用率比较低。6 SLM的具体功能 输入器件 电-光转换和串行-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 乘法器与算数运算功能三、液晶材料简介三、液晶材料简介液晶液晶材料材料：最为广泛的一种电光效应材料。：最为广泛的一种电光效应材料。介于固态和液态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。液晶状态可以向排列性质。液晶状态可以向结晶态和液态相变结晶态和液态相变。变为结晶态。变为结晶态时，不仅具有分子取向的有序性，而且分子

7、重心具有周期平时，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：液晶以凝集构造的不同可分成三种：向列型（向列型（nematic）液晶液晶近晶型（近晶型（smectic）液晶液晶胆甾醇型（胆甾醇型（cholesteric）液晶液晶向列型（向列型（nematic）液晶液晶 液晶分子大致以长轴方向平行配的，因此具有一维空间液晶分子大致以长轴方向平行配的，因此具有一维空间的规则性排列。此类型液晶的的

8、规则性排列。此类型液晶的粘度小，应答速度快粘度小，应答速度快，是最早，是最早被应用的液晶，普遍的使用于被应用的液晶，普遍的使用于液晶电视、笔记本电脑液晶电视、笔记本电脑以及各以及各类型类型显示元件显示元件上。上。近晶型（近晶型（smectic）液晶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。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，此类分子的一般而言，此类分子的黏度大黏度大，印加电场的应答速度慢印加电场的应答速度慢，比较，比较少应用于显示器上，多用于少应用于显示器上，多用于光记忆材料光记忆材料的发展上。的发展上。胆甾型（胆甾型（cholesteric）液

9、晶液晶此类型液晶是由多层向列型液晶堆积所形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，也可以称为旋成，为向列型液晶的一种，也可以称为旋光性的向列型液晶光性的向列型液晶,因分子具有非对称碳中因分子具有非对称碳中心，所以心，所以分子的排列呈螺旋平面状的排列分子的排列呈螺旋平面状的排列，面与面之间为互相平行，而分子在各个平面与面之间为互相平行，而分子在各个平面上为向列型面上为向列型，液晶的排列方式，由于各液晶的排列方式，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

10、方向相同时，这两个平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面之间的距离称为一个pitch(螺距）。螺距）。cholesteric液晶液晶pitch的长度会随着温度的不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，故常用于反射，产生不同的颜色变化，故常用于温温度感测器度感测器。液晶的基本性质液晶的基本性质液晶的取向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。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

11、率大于沿短轴方向上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，称为的折射率，称为正性液晶正性液晶，反之称为，反之称为负性液晶。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。排成同一方向。如：摩擦定向方法。液晶的电光效应液晶的电光效应 由于液晶分子具有液体的流动性，亦即是说其没有固定的排列,可以自由移动，且液晶分子具有介电各向异性和电导各向异性的电学特性，故而在外电场的作用下,液晶分子的排列状态也将随之发生变化。又因为液晶分子的光学特性也是各向异性的,从而使得整个液晶盒的光学效应随之改变,这就是液晶盒

12、电场影响其光学特性的原理。另外由于液晶分子的双折射特性,使得液晶盒显现出光散射、光干涉和旋光等特殊的光学性质液晶的电光效应主要包括：电控双折射效应、扭曲效应、宾主效应、动态散射效应、热光学效应等。向列型液晶的扭曲效应向列型液晶的扭曲效应液晶分子是夹在两片玻璃之间的，两片玻璃面向分子的一面都经过了预处理，有沟槽，使液晶分子顺着沟槽整齐排列，当上下两块玻璃没有施加电压时，液晶排列会依照两块配相膜而定，两配相膜角度差为90度，液晶分子会自下而上旋转90度再通过检偏器。当两玻璃间加上电压时，液晶分子层的旋转角发生转动，导致偏振光与检偏器的夹角发生变化，从而使透射光收到幅度和相位调制。四、液晶空间光调制

13、器的主要参数四、液晶空间光调制器的主要参数(1) 输入输出特性曲线:指的是空间光调制器的输出信号与输入信号之间的关系。比如电寻址空间光调制器做位相调制使用时指的就是输入电压与出射波位相延迟之间的关系,光寻址空间光调制器做振幅调制使用时指的就是输入光与出射光振幅之间的关系输入输出特性曲线又称为响应曲线 (2) 灵敏度:对于不同种类的空间光调制器来说,灵敏度的含义也略有不同，大致可以分为三类：一是阈值灵敏度,反应的是透过率或反射率刚好能够产生可观察到的变化时所需的信号大小,其倒数称为器件的灵敏度,跟它相似的一个参量是开关能量,此参数反应的是使器件能够操作时单个像素所需要的写入信号能量;二是指定值灵

14、敏度,顾名思义,它指的是使液晶透过率或者反射率的变化到达指定值所需的信号大小;三是特性曲线斜率,它反应的是透过率改变量和输入信号的改变量的比值,也就是透过率对信号的微商,用这个参数来表示透过率对输入信号的灵敏度(3) 对比度:对比度又称反差,指的是最大值与最小值的比值比如振幅或强度型空间光调制器,它的对比度指的是最大输出振幅与最小输出振幅的比值在实际应用中还经常对对比度取对数,称这个参数为动态范围 (4) 灰阶数:灰阶数又叫光学密度,他其实是透过率的另外一种表达方式。由于器件噪声和光学均匀性等问题的影响,即使写入信号是稳定的,同一像素的透过率还是会在一定范围内随机变化。所以对一个器件而言,能分

15、辨的灰阶数是有限的 (5) 调制传递函数与分辨率:传递函数(MTF)指的是写入信号的调制度比上输出光的调制度的值一般的,空间频率值越大,传递函数值越小常把传递函数值等于0.5 时空间频率的值称为截止频率或带宽分辨率指的是输出光在通过器件后所能够分辨之最大空间频率,对于光寻址的空间光调制器,常选用 MTF 在零附近时的空间频率为其分辨率(6) 空间带宽积:对于不同方向分辨率相同的空间光调制器,在分辨率以 pixel/mm为单位时,空间带宽积等于分辨率的平方和工作面积相乘,此参数无量纲。对电寻址空间光调制器,空间带宽积就等于其像素数目,为了对不同的器件用相同的标准来衡量,把其他类型空间光调制器的像

16、素数也用空间带宽积来标定。 (7) 响应速度:其指的是写入信号发出到器件响应此信号对输出光进行响应调制所用的时间常用擦除时间和写入时间来反应空间光调制器响应速度 (8) 帧频:它体现的是空间光调制器的速度,指的是其在单位时间内能够处理的图片帧数(9) 信息流量:其等于帧频与单幅信息容量的乘积五、扭曲相列液晶的调制原理五、扭曲相列液晶的调制原理扭曲向列液晶(TwistedNematicLiquldCrystal,TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一种各向异性的媒质,可以看作是同轴晶体,它的光轴与液晶分子的长轴平行TNLC分子自然状态下扭曲排列,在电场作用下会沿电场方向倾斜,过程中对空间光的强

17、度和相位都会产生调制。N.Konforti等人对它的解释是：当液晶盒上电压逐渐增加,大于Freedericksz转变阈值,而小于光学阈值的时候,液晶分子开始旋转,有效的双折射作用逐渐减小,但液晶分子的扭曲还保持着当初的格局,此时液晶盒相当于光波导,在这个区域内相位调制占据主要因素。而当电压大于光学闭值,分子将沿电场方向排列,双折射和光波导作用都很小,为强度调制区域。图1 液晶分子电压区域强度调制原理强度调制原理 自然状态下的扭曲向列液晶分子在液晶盒里面呈扭曲排列,此时方向是沿光的透过方向旋转 。在加上电场之后,液晶分子会顺着电场的方向倾斜。如图2所示,液晶盒的厚度设为d,图中的 为液晶分子受到

18、电场的影响所产生的倾斜角。 .此图即为扭曲向列液晶液晶的对光波的扭曲效应对比图,它实现了对光波的强度调制。/2图2 液晶盒加电压的情况表1 液晶分子加载电压变化描述表相位调制原理相位调制原理由于液晶分子的双折射效应,当其沿着电场方向旋转时,还能够对光的相位进行调制。双折射的产生原理如图3所示。图3 射入液晶的光线表二 液晶分子的光的相位调制描述六、液晶屏的光调制特性测量与分析六、液晶屏的光调制特性测量与分析1、液晶屏表面分子取向的测量、液晶屏表面分子取向的测量图4 液晶屏的透射原理图5 反射式液晶空间光调制器结构图6 SLM强度调制特性测量光路图2、强度调制特性测量、强度调制特性测量图7 反射

19、型液晶空间光调制器振幅调制特性测量光路图3、相位调制特性的测量、相位调制特性的测量当液晶屏上未加灰度图像或者加等灰度图像的时候,产生的干涉条纹是等间距的,由物理光学中光的干涉原理可知:两束光发生干涉的时候,干涉条纹记录了两束光波迭加时的光强分布,干涉场中的光强度可表示为:204cos (/ 2)II其中 是固定点上的两束光的相位差， 为单束光在这一点的强度。由公式可知，光强度 的周期为 。即干涉条纹中两亮条纹或两暗条纹的间距代表它们之间的相位差为 这样我们就可以利用这个特性来分析液晶屏的相位调制特性0II22为此,我们可以在液晶屏上加一幅灰度不同的图像,由于不同的灰度其对应的相位调制量不同,因

20、此,这样CCD接受的干涉条纹图对应部分也必然有相对的移动。从条纹的移动我们可以计算出对应的相位调制量。如果知道条纹的周期 和条纹的相对移动量 相位的改变量可以用以下公式来计算:0LxL02/xLL 图8 透射型空间光调制器相位调制特性测试光路图9 反射型相位调制特性测量光路图 （a） （b）图10灰度图和干涉条纹图11 相位调制特性曲线POL:30度图12 线性校正后的相位调制特性曲线图13 强度调制特性曲线POL：-30度七、液晶空间光调制器的应用七、液晶空间光调制器的应用全息光镊全息光镊光镊技术是利用光的力学效应实现对微观粒子的操控，具有非接触、无损伤特性，在分子生物学、胶体科学、实验原子

21、物理等领域中具有极其重要的作用，光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。利用全息元件或空间光调制器（SLM）所形成的全息光镊，在多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面，是目前光镊家族极具活力的成员。利用空间光调制器，可以灵活地实现光束的变换，获得所需的阱域分布。所谓阱域，就是具有高梯度光强分布的区域，该区域可形成对微粒的三维束缚（如图12Andreas.H等的实验装置中1） 采用了Holoeye HEO 1080P II SLM，其分辨率为19201080像元大小8um。 该实验中，为解决一般光镊系统高数值孔径物镜带来的短工作距离问题，设计出Twin双光束技术，

22、即另一部分光通过载波片的反射，形成与原会聚光对应的反向会聚光。这样，可以减小散射光的影响，提高轴向作用力，在低数值孔径物镜下也可形成光阱。 另外，通过SLM可以产生多个阱域，实现多粒子的操控，并且还可用于微粒间相互作用力的测量。值得一提的是，利用SLM可将基模Gaussian光束转换成Laguerre-Gaussian光束，由于Laguerre-Gaussian具有轨道角动量，可以实现对微粒的旋转操控，该研究引起了广泛的兴趣。 图12 Twin光阱全息光镊装置microscope objective=显微物镜 Object plane=物平面螺旋位相相衬成像螺旋位相相衬成像在光学显微镜中，暗场

23、或相衬方法常被用来提高物体成像的对比度。实质上，这些方法都可看作是傅立叶平面上的光学滤波。类似于微分干涉相差显微技术，螺旋位相相衬法也是利用对相移的敏感性来提高成像的清晰度，特别是边缘。由于光束的对称性，还可以对各向均匀介质物体成像进行对比增强。并且，较传统相差显微成像，边缘对比度要提高几个量级。如图13Severin.F等采用了Holoeye 3000反射型SLM，分辨率19201080，像元大小10um。通过它产生闪耀光栅执行滤波处理。这里，进行螺旋相位滤波的全息光栅，中心有一个分叉，对应于位相不连续奇点。 图13 螺旋位相光束在成像中用于提高边缘对比度的实验装置Laser diode=激

24、光二极管，Sample stage=样品台，Objective=物镜，Mirror= 反射镜，Microscope=显微镜，Relay lenses=中继镜，camera=相机图14 相位物体的对比增强。A-C为明场成像，B-D为螺旋位相滤波成像飞秒脉冲整形飞秒脉冲整形飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的，所需要的输出波形可由滤波实现。图15是脉冲整形的基本装置，它是由衍射光栅、透镜和脉冲整形模板组成的4f系统。超短激光脉冲照射到光栅和透镜上被色散成各个光频成份。在两透镜的中间位置上插入一块空间模式的模板或可编程的空间光调制器，目的是调制空间色散的各光频成份的振幅和位相遥，光栅

25、和透镜看作是零色散脉冲压缩结构。超短脉冲中的各光频成份由第一个衍射光栅角色散，然后在第一个透镜的焦平面聚焦成一个小的、衍射有限的光斑。这里的各光频成份在一维方向上空间分离，在光栅上从不同角度散开，在第一个透镜的后焦平面上进行了空间分离，第一个透镜实现了一次傅里叶变换。第二个透镜和光栅把这些分离的所有频率成份重新组合，这样就得到了一个整形输出脉冲，这个输出脉冲的形状由光谱面上模板的模式给出。这里，E.Frumker 等只使用了一个透镜和光栅进行脉冲整形。其中，SLM 为HoloeyeHEO 1080P，承受功率密度可大于2W/cm2。在制冷的状态下，可进一步提高光功率。 图15 飞秒脉冲整形实验光路图FL=聚焦透镜，M1,M2=反射镜，G=光栅，SM=扫描镜，L1,L2=透镜自适应光学自适应光学 自适应光学技术，是一种能够实时校正光学系统随机误差并使系统始终保持良好工作性能的新技术，早期在天文观测中是用