近代光信息处理第7章空间光调制器.ppt
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1、2019/4/11,1,第七章,空 间 光 调 制 器 (Spatial Light Modulator),2019/4/11,光学信息处理,2,第七章 空间光调制器,71 概论 72 磁光空间光调制器(MOSLM) 73 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶 显示器(TFTLCD) 74 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 75 液晶光阀 76 线性电光效应和PROM器件 77 数字微反射镜器件(DMD)和数字化投影,2019/4/11,光学信息处理,3,7. 1 概 论,7.1.1 空间光调制器的意义及分类 空间光调制器(SLM) 在信源信号的控制下,能对光波的某个参量进行
2、调制,例如通过吸收调制振幅、通过折射率调制相位、通过偏振面的旋转调制偏振态等等,从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中。 1、空间光调制器的意义 (1)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,2019/4/11,光学信息处理,4,(2)处理和运算功能器件 放大器 乘法器与算术运算功能 对比度反转 量化操作和阈值操作 非线性变换 逻辑运算 (3)存储功能器件 例: Pockels 光调制器 (PROM) ; 光折变器件等,2019/4/11,光学信息处理,5,2、空间光调制器的分类 按信源信号分类 (1)光寻址空间光调制器信源信号是光学信号 (2)电寻址空间光调制器信
3、源信号是电学信号 当信源信号是光学信号时,我们称之为“写入光”;照射空间光调制器,并从写入光获取信息的光波称为“读出光”因为它读出了写入信号所荷载的信息经空间光调制器输出的光波又称输出光,它已包含了被写入的信息 按读出的方式来分类:透射型、反射型,2019/4/11,光学信息处理,6,7.1.2 空间光调制器的分类及寻址方式,1、按它在系统中的位置来区分 系统的输入器件(I-SLM), 在频谱面上作为滤波器件(P-SLM), 系统的输出端(O-SLM),2019/4/11,光学信息处理,7,2、寻址方式,空间光调制器是一个二维器件,可看成一个透过率受到写入信号控制的滤光片。 寻址(adress
4、ing):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。 (1)电寻址空间光调制器(EA-SLM ) 采用电寻址的方法来控制SLM的复数透过率 常用的电寻址的方式是通过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去电寻址又称为矩阵寻址 像素(Pixel):一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成SLM的最小单元,它给出SLM的分辨率极限,2019/4/11,光学信息处理,8,EA-SLM是用得最多的空间光调制器,它将光学信息处理与近代电子技术特别是计算机-多媒体技术结合起来,构成光-电混合处理系统,应用非常广泛。 电寻址的SLM的缺点:
5、(1)电寻址是串行寻址,处理速度下降,失去了光学信息并行处理的重要特色 (2)电寻址是通过条状电极来传递信息的,电极尺寸的减小有一个限度,所以像素尺寸也有限度,影响了SLM的分辨率,2019/4/11,光学信息处理,9,例如: 磁光空间光调制器(MOSLM):256256, 液晶空间光调制器(LCD): 640480像素与电视信号VGA模式相匹配, 800600像素与电视信号SVGA模式相匹配1024768像素与电视信号XGA模式相匹配 更高分辨率的器件也在研制中,以满足高清晰度电视(HDTV)的要求 (3)由于电极本身不透明,所以像素的有效通光面积与像素总面积之比开口率较低,光能利用率不高,
6、2019/4/11,光学信息处理,10,数字式微反射镜器件(DMD) 一种新型的电寻址空间光调制器 特点:高效率、高对比度、多灰阶(256个灰阶)、高色保真度等。 具有VGA、SVGA、XGA、SXGA (12801024) 等多种规格的像素单元,与16:9宽屏幕电视匹配的20481152单元的超高分辨器件也已问世特别是该器件是全数字化的,亦即它的灰阶、色饱和度均由数字信号控制,不仅适用于高清晰度投影电视,并符合未来的电视技术数字化趋势,称为“数字化投影技术的革命”。,2019/4/11,光学信息处理,11,(2) 光寻址空间光调制器 (OA-SLM),当写入信号为光信号时,空间光调制器首先具
7、备检测这一光学信号的功能,把光学信号对应的光强分布转化成电荷分布、折射率分布等等,也就是首先把光学信号写入光寻址空间光调制器中,然后由读出光通过各种效应,例如电光效应、双折射效应等,读出这一信号因此具有连续的寻址机构和调制机构,事实上是光探测器和光调制器的组合 OA-SlM的空间分辨率通常高于EA-SlM 例如: 液晶光阀LCLV的分辨率达60线对/mm,面积为50mm50mm,相当于 30003000个像素,2019/4/11,光学信息处理,12,OA-SLM的最大优点 在于并行寻址方式把写入图像成像或投影到OA-SLM上是在瞬间完成的,所以具有高度并行的特点然而高度并行并不等于高速处理,因
8、为光探测效应的响应速度往往不快 采用光寻址时,通常SLM做成反射式,写入光射入SLM的一个端面,把信息写入SLM,读出光射入SLM的另一端面,信息通过SLM转移到读出光中,并反射输出因此通常在OA-SLM中有一个隔离层,使读出光和写入光互不干扰也可以使用不同波长的光,利用滤光片消除它们之间的串扰,2019/4/11,光学信息处理,13,光寻址空间光调制器常用非相干光写入,用相干光读出 许多信号是用非相干光记录的,用非相干光写入,可以避免相干噪声,获得较高的分辨率, 用相干光读出,又可以采用相干光处理系统对信号进行处理因为相干光处理技术比非相干光处理技术成熟得多,2019/4/11,光学信息处理
9、,14,7.1.3 常用的空间光调制器,(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).,电寻址空间光调制器,光寻址空间光调制器,2019/4/11,光学信息处理,17,7.2 磁光空间光调制器(MOSLM),MOSLM是根据法拉第磁光效应设计的. 图7.1
10、 MOSLM像素结构示意图 在图中还有局部减小矫顽力的离子注入区,2019/4/11,光学信息处理,18,先通过线圈,在MOSLM上加上均匀的外磁场,当撤去外磁场后,每个像素的磁性薄膜内都具有剩磁,它起到了记忆原来的外磁场方向的作用,图7.2 MOSLM 器件侧视图,2019/4/11,光学信息处理,19,图7.3给出一对行、列电极Ll,L2中的电流及它们所产生的磁场方向,A,B,C,D为它们交点处(即寻址坐标)的四个像素单元,2019/4/11,光学信息处理,20,设原在MOSLM所加 的均匀外磁场,其方向从 纸面向外加上图中所 示的寻址电流后,A,C 单元中行、列电极的电流 生成的磁场方向
11、相反,正 好抵消,对剩磁状态没有 影响;B单元的磁场与剩 磁方向一致,也不会改变剩磁状态;只有D单元的外场与剩磁方向相反,若写入信号产生的磁场足够大,超过矫顽力,则D单元内剩磁的方向反转,即D单元被寻址。而远离L1,L2交点的单元则因磁场强度太小而不起作用,外磁场,2019/4/11,光学信息处理,21,图7.4 MOSLM 的工作示意图,2019/4/11,光学信息处理,22,两个薄膜单元的剩磁磁场已被写入信号调制成相反方向,一个沿光波传播方向,另一个与之相反当线偏振光沿磁光薄膜单晶的晶轴方向通过薄膜后,由于晶体中的磁光效应( = Vd H l ),线偏振光的振动方向分别沿顺时针和逆时针方向
12、旋转 角,它们的夹角为 2 设检偏器方向与其中一个振动方向正交时,该像素即处于关态,另一像素的光强为 Iosin2(2),这里未计入薄膜的吸收损失这样,MOSLM 就可以实现二元光调制,当 =45o 时反差最大 若检偏器方向与起偏器正交,则两个像素的透过率相同,但通过它们的光波具有180o 的相位差,这种配置可以实现相位调制,2019/4/11,光学信息处理,23,MOSLM器件的性能,优点: 写入速度快,单个像素开关速度达10 ns量级,帧频高于100 Hz。像素为128 128的阵列器件帧频达 2000 Hz。它的存储特性非常稳定。 对比度高于200:1,速度可达1000:1。现有阵列像素
13、数有128128、256 256和512 512 等多种。 主要的缺陷: 对读出光能利用率比较低。MOSLM的这一限制,是由于它本质上是一个二元器件,每个像素只有两个状态可供选择,不能进行多灰阶操作。 MOSLM 已在光学模式识别、白光信息处理、图像编码、光学互连及可编程光学器件等方向得到应用。,2019/4/11,光学信息处理,24,7.3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管 驱动液晶显示器,7.3.1 液晶 液晶是某些有机高分子物质在一定的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。 液晶分子一般呈长棒状,个别呈盘状、碗状,它们的分子排列介于完全规则的晶体和各向
14、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,亦即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的温度范围内倾向于彼此平行,该方向称液晶分子的指向矢量方向。,图7.5 三种重要的液晶分子结构示意图 液晶具有双重性质: 液体的流动性,晶体所特有的各向异性 液晶各向异性:导致电、磁、光、力学的各向异性 液晶流动性:使液晶的各向异性在外场下会发生显著变化(远比各向异性晶体强烈),例如:KDP晶体的半波电压9.3 kV,BSO晶体的半波电压为3.9 kV ( = 632.8 nm),半波电压是晶体线性电光效应的一个特征参量,在振幅调制中,当外加电压达到半波电
15、压时,调制器的透过状态从开态转成关态,而表征液晶电光效应的特征参量开关电压约为5 V, 比晶体半波电压小三个数量级,这正是液晶的流动性和各向异性双重特性的综合效果 此特性,使我们可以把液晶作为调制介质,构成低能耗、低电压的空间光调制器LCLV和(TFT-LCD)尽管TFTLCD是近年开发的,但作为非相干空间光调制器,它却率先投入大批量生产,并已完全商品化以TFT-LCD作为空间光调制器的计算机控制投影仪和液晶大屏幕投影电视(LCD-projection TV,LCD-PTV),已大批量生产,完全实用化,成为光学信息处理实用化的极个别的例子之一,7.3.2 偏振光在扭曲介质中的传播,如果把向列相
16、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TN液晶盒,其结构见图7.6. 图7.6 TN液晶盒的结构和工作原理,2019/4/11,光学信息处理,28,偏振光在扭曲介质中传播的扭曲效应:,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,这一效应常常被称为旋光效应。,2019/4/11,光学信息处理,29,7.3.3 扭曲向列液晶盒的工作原理,图7.7 TN-LCD的电光特性曲线 除此之外常用的还有超扭曲
17、向列液晶盒(STN),STN-LCD它的特性曲线比TN-LCD盒的更为陡峭,7.3.4 有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD),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,2019/4/11,光学信息处理,31,图7. 8 TFT-LCD的等效电路,2019/4/11,光学信息处理,32,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
18、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,图7.9 TFT-LCD的结构示意图,2019/4/11,光学信息处理,33,全彩色 TFT-LCD 液晶板,2019/4/11,光学信息处理,34,液晶空间光调制器特点:,驱动电压低(5V); 功耗小( W/m2量级); 有效地消除了相邻像素之间的干扰(由于场效应管隔离); 方便地实现彩色显示; 成品率高,成本越来越低,广泛应用。 NEC用“超精细TFT”技术生产出分辨率为12801024的产品; 夏普的TFT Super-VLCD平板对比度可达 300:1,亮度达 250 cd/m2,功率却只
19、有10W;最近推出40英寸彩色TFT-LCD; 日立的13.3英寸LCD视角可达140o; 响应速度为50 ms的TFT产品也已面市。,2005年前各类产品用LCD的增长 (增长最快的领域包括下一代电视、 车载设备、电子图书、液晶监视器等),7.4 液晶显示器应用大屏幕投影电视,S:金属化卤钨灯 L: 投影物镜 F1:透蓝绿光反红光滤色片 C1C2: 聚光镜 F2:适蓝光反绿光滤色片 Ml,M2:宽波段全反镜 F3:透红光反绿光滤色片 UVIR:透可见光反红外 F4:透红绿光反蓝光滤色片 紫外光滤色片,2019/4/11,光学信息处理,37,7.5 液晶光阀,矩阵寻址液晶显示器TFT-LCD是
20、利用寻址电信号直接加在被寻址的液晶盒TN-LCD上,改变它的透过率,将扫描电信号转换成空间光的强度分布器件工作的基本原理,在于外加电场在一定程度上抵消了扭曲效应,从而改变了线偏振光的振动方位对扭曲介质局部光轴旋转的跟随特性矩阵寻址是外部电寻址方式 如果采用光学寻址方式,则器件就是光寻址空间光调制器,通常称为液晶光阀(1iguid crystal light valve,简称LCLV)。,2019/4/11,光学信息处理,38,7.5.1 混合场效应,混合场效应(美国休斯顿实验室): 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90o,出射光波的振动平面与检偏器正交,使TN
21、-LCD处于关态如果在TN-LCD盒上加纵向电压,扭曲效应将被双折射效应部分抵消,使TN-LCD处于开态,这一效应称为混合场效应. 在液晶盒中,由于分子问的相互作用,各层的分子呈线性扭曲排列,在TN-LCD盒中共旋转90o,2019/4/11,光学信息处理,39,当我们在液晶盒上加纵向电压时,长形分子作为电偶极子,将趋向于电场排列,从而使局部光轴方向发生变化,这就是液晶的电光效应在电压足够高时,几乎所有的液晶分子都趋于电场方向,扭曲效应彻底破坏,液晶的光轴将转向z方向,从而沿z轴入射的线偏振光的偏振状态将不受液晶的影响 图7.12 (a) TN-LCD盒未加电压时的钮曲效应 (b)加电压后,扭
22、曲效应消失,当所加的外电压较小,尚未彻底破坏扭曲效应时,在TN-LCD盒中呈现出复杂的情况: 靠近电极处,扭曲效应仍占主要的地位; 越接近TN-LCD盒中心,扭曲效应基本上不存在; 在边界层和中心区之间:液晶分子的长轴取向见图7.13 (a)扭曲角 作为z 的函数 (b)倾斜角作为z 的函数 虚线表示未加电压的情况,在入射面附近(z0)光波的电场Eo沿x 轴方向,与液晶光轴 同向,近似为e光; 在中心附近(z = d/2) 光轴趋向于z 轴方向,因此E与光轴近似垂直,为o光; 在z d 附近E”与光轴 的夹角近似为45o,分解为e光和o光,并在这一区段获得相位差形成椭圆偏振光 一般在z = d
23、处镀反光膜使光波折回,它再次通过液晶层后相位差加倍,图7.15 LCLV的读出光路:PBC为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V0时反射光为椭圆偏振光,其中的s分量为输出光. 但输出信号强度与电压不成正比,当电压V过大时,绝大部分液晶分子都沿z方向排列,z = d 附近沿45o方向排列的液晶层变得很薄,从而偏振光在这一区域获得的相位差反而变小,7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理:,在写入图像的暗区,光导层的电阻很大,外电压主要降落在光导层上,液晶层上的电压降很小,不足以产生明显的电光效应,扭曲效应仍是主要的,光波振动平面跟
24、随液晶介质局部光轴旋转,从器件输出的反射光仍然是p分量,全部透过PBC,反射光强近似为0;,图7.16 LCLV的结构,在写入图像的亮区,由于光电效应,光导层的电阻变小,它的电压降变小,液晶层上的电压降相应加大,从而引起电光效应,输出光成为椭圆偏振光,从PBC反射的光强不为0在写入图像亮度不同的区域,输出光强也不同,写入图像通过LClV的混合场效应调制了读出光,图7.16 LCLV的结构,7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理:,通常写入光可以是非相干光,而读出光则为相干光,从PBC输出的光信号直接进入相干光处理系统,图7.17 LCLV透过率T 与 外加电压V 的关系,LCLV的反差高达100
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