光信息处理[第5章]讲解

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1、第五章第五章 空间光调制器空间光调制器 （ Spatial Light ModulatorSpatial Light Modulator ） 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

2、.空间光调制器的基本结构与分类 p 空间光调制器：即 Spatial Light Modulator (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。 p 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

3、像素像素。 控制像素的光电信号称为：写入信号写入信号（光信号或电信号） 照明整个器件并被调制的输入光波称为：读出光读出光 经过空间光调制器后出射的光波称为：输出光输出光 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寻 址址。 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 写入信号寻寻址方式寻寻址

4、速度空间间分辨率 光寻寻址二维维光强分布并行寻寻址快高 电寻电寻 址时间时间 串行信号串行寻寻址慢低 p 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-SLM processor-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。 p 空间光调制器的主

5、要材料和物理效应 空间间光调调制器物理效应应选选用材料 1电电光效应应SLM Kerr效应应 Pockels效应应 液晶、硝基苯、KDP 2磁光效应应SLM Faraday效应应 Cotton效应应 YIG、GGG 3声光效应应SLM 声光效应应 LiNbO3 、 LiTaO3 4光折变变效应应SLM 光折变变效应应 Bi12SiO20 、 BaTiO3 5电电子跃跃迁吸收SLM 半导导体光吸收GaAs、InGaAs/InP 6机械效应应SLM 材料宏观观形变变多晶硅、铝铝膜 7热热效应应SLM 材料温度特性热热塑薄膜、液晶 8光致聚合物SLM 光化学反应应聚醋酸乙烯酯烯酯 p 常用的空间光调

6、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 p 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

7、长转换 p 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 IH IL It 3. 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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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 V 2. 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

13、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

14、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

15、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。 5.3 Pockels 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 Ir Io Iw 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