空间光调制器PPT课件.ppt

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1、 空间光调制器空间光调制器n光学光学信息处理系统处理光波荷载的信息。这些信息用光波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。的某一参数的空间分布来表征：强度、相位、偏振。n光波荷载信息的特点：光波荷载信息的特点：光波光波频率高频率高，可允许信号本身有很宽的带宽。，可允许信号本身有很宽的带宽。光波是光波是独立传播独立传播，两束或多束光可以在空间交叉而互不干，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。扰。信息可以多通道并行或交叉传播。光波以光波以并行方式并行方式传递所载荷的信息。信息处理具有大容量、传递所载荷的信息。信息处

2、理具有大容量、高速度的特点。高速度的特点。1、概论、概论n光波频率高，可允许信号本身有很宽的带宽。光波频率高，可允许信号本身有很宽的带宽。n光波是独立传播，两束或多束光可以在空间交叉光波是独立传播，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。而互不干扰。信息可以多通道并行或交叉传播。n光波以光波以并行方式并行方式传递所载荷的信息。信息处理具传递所载荷的信息。信息处理具有大容量、高速度的特点。有大容量、高速度的特点。光波荷载信息的特点：光波荷载信息的特点：n空间光调制器：空间光调制器：Spatial Light Modulator(SLM),一种对光一种对光波的波的空间分

3、布空间分布进行进行调制调制的器件。的器件。n空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维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或二维阵列，每个单元都可以独立地接收收光信号或电信号光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质（的控制，并按此信号改变自身的光学性质（透过率透过率、反射反射率率、折射率折射率等），从而对通过它的光波进行等），从而对通过它的光波进行调制调制；n通过吸收调制振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的通过吸收调制振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态等等。旋转调制偏振态等等。n空间光调制器空间光调制器研究和

4、开发的主体：研究和开发的主体：材料研究材料研究、器件设计和器件设计和制造制造、系统应用系统应用。n控制这些单元光学性质的信号称为控制这些单元光学性质的信号称为：写入信号写入信号（光信光信号号或或电信号电信号）。）。n射入器件并被调制的射入器件并被调制的光波光波称为称为：读出光读出光。n经过空间光调制器后的输出光波称为经过空间光调制器后的输出光波称为：输出输出光光。n写入信号应含有控制调制器各单元的信息，并把这些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；学性质；n当读出光通过调制器时，其光学参

5、量（当读出光通过调制器时，其光学参量（振幅振幅、强度强度、相位相位或或偏振态偏振态）就受到空间光调制器各单元的调制，）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。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空间光调制器的分类n按照读出方式的不同分为：按照读出方式的不同分为：反射式反射式 透射式透射式n按照输入控制信号的方式：按照输入控制信号的方式：光寻址光寻址(OA-SLM)电寻址电寻址(EA-SLM)n按其在系统中的位置区分：按其在系统中的位置区分：input-SLM processor-SLM output-SLM 光寻址：模拟的非

6、像素单元构成，光光转换。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。和数字两类。n写入信号把信息传递到写入信号把信息传递到SLM上相应位置，以改变上相应位置，以改变SLM的透的透过率分布的过程过率分布的过程寻址寻址。n当写入信号为电信号时，采用当写入信号为电信号时，采用电寻址电寻址的方式的方式n通过通过SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法，把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：信号加到对应的单元上，又称：矩阵寻址矩阵寻址n一对相邻的行电极和一对列

7、电极之间的区域构成一对相邻的行电极和一对列电极之间的区域构成SLM的最的最小单元小单元像素像素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。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。数字式微反射

8、镜器件数字式微反射镜器件DMD是一种新型的电寻址空间光调制是一种新型的电寻址空间光调制器。器。n当写入信号为电光信号时，采用当写入信号为电光信号时，采用光寻址光寻址的方式。的方式。n光寻址的空间分辨率通常高于电寻址。光寻址的空间分辨率通常高于电寻址。n光寻址是并行寻址方式。光寻址是并行寻址方式。n光寻址的光寻址的SLM一般是反射式。一般是反射式。常用的空间光调制器常用的空间光调制器n电寻址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薄膜晶体管液晶显示器TFT-LCD磁光空间光调制器磁光空间光调制器MOSLM数字微反射镜器件数字微反射镜器件DMDn光寻址空间光调制器光寻址空间光调制器铁电液

9、晶空间光调制器铁电液晶空间光调制器FLC-SLM液晶光液晶光LCLV、阴极射线管、阴极射线管-液晶光阀液晶光阀CRT-LCLV微通道板空间光调制器微通道板空间光调制器MSLMPockels光调制器光调制器2、磁光空间光调制器、磁光空间光调制器n原理：根据磁光效应（法拉第效应）原理：根据磁光效应（法拉第效应）n法拉第效应法拉第效应材料材料:在外加磁场作用下，光学性质通过极化在外加磁场作用下，光学性质通过极化发生变化发生变化3、液晶的扭曲效应及薄膜晶体管液晶显示器、液晶的扭曲效应及薄膜晶体管液晶显示器TFT-LCDn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。介于介

10、于固态和液态之间的一种物态，它具备液体的流动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。液晶状态可以性，又具备固态晶体的排列性质。液晶状态可以向向结晶态和液态相变结晶态和液态相变。变为结晶态时，不仅具有。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：液晶以凝集构造的不同可分成三种：向列型（向列型（nematic）

11、液晶液晶近晶型（近晶型（smectic）液晶液晶胆甾醇型（胆甾醇型（cholesteric）液晶液晶液晶的基本性质液晶的基本性质n液晶的取向效应液晶的取向效应n液晶的电光效应液晶的电光效应液晶的取向效应液晶的取向效应n液晶具有光学各向异性，沿分子长轴方向上的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。折射率不同于沿短轴方向上的折射率。n如果沿分子长轴方向上的折射率大于沿短轴方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，称为向上的折射率，称为正性液晶正性液晶，反之称为，反之称为负性负性液晶。液晶。n对基片表面处理，可使液晶分子平行于基片且对基片表面处理，可

12、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。容易排成同一方向。如：摩擦定向方法。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到，因此具有一维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。此类型液晶的空间的规则性排列。此类型液晶的粘度小，应答速度快粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍的使用于是最早被应用的液晶，普遍的使用于液晶电视、笔记本液晶电视、笔记本电脑电脑以及各类型以及各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具有二维空间的层状规则性排列，各层间则有一

13、维的顺向排列。一般而言，此类分子的向排列。一般而言，此类分子的黏度大黏度大，印加电场的应印加电场的应答速度慢答速度慢，比较少应用于显示器上，多用于，比较少应用于显示器上，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

14、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

15、于温温度感测器度感测器。偏振光在扭曲介质中的传播偏振光在扭曲介质中的传播n正型器件：正型器件：上侧的偏振片光轴与上侧的偏振片光轴与上侧基板处的液晶取向平行，下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侧的偏振片光轴与下侧基板处的液晶取向平行。液晶取向平行。n自然光自上基板至下基板入射液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，偏振光被液晶层取向的偏振光，偏振光被液晶层旋光，转过旋光，转过9090后正好与下基板后正好与下基板处偏振片的光轴相平行，可以透处偏振片的光轴相平行

16、可以透过，作为显示器的亮态；过，作为显示器的亮态；n加电场时液晶分子沿电场方向竖起，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，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。方向垂直，光被截止，呈现暗态。n如果电场不特别强，液晶分子处于半如果电场不特别强，液晶分子处于半竖立状态，旋光作用也处于半完全状竖立

17、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。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、液晶显示器在非相干光信息处理中的应用应用大屏幕投影电视大屏幕投影电视5、液晶光阀、液晶光阀n光寻址空间光调制器通常为液晶光阀光寻址空间光调制器通常为液晶光阀n混合场效应混合场效应液晶光阀的结构和工作原理液晶光阀的结构和工作原理优点：结构紧凑、在室优点：结构紧凑、在室温下操作、驱动电压低、温下操作、驱动电压低、功耗小等。功耗小等。缺点：响应速度慢。缺点：响应速度慢。光照时，光敏层的电导光照时，光敏层的电导率发生变化，产生一定率发生变化，产生一定的阻抗分布。的阻抗分布。阴极射线管耦合液晶光阀阴极射线管耦合液晶光阀6、线性电光效应和、线性电光效应和PROM器件器件7、数字微反射镜器件和数字光处理、数字微反射镜器件和数字光处理DMD是微机械技术和微电子技术相结合。是微机械技术和微电子技术相结合。特点：可集成化。特点：可集成化。