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1、2018/9/21,1,第七章,空 间 光 调 制 器 (Spatial Light Modulator),2018/9/21,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,2018/9/21,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调制，
2、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,2018/9/21,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,2018/9/21,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源信号是
3、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,2018/9/21,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),2018/9/21,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(adressing)：写入
4、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,2018/9/21,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： (1)电寻址是串
5、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,2018/9/21,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,2018/9/2
6、1,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”。,2018/9/21,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备检测这一光学信号的
7、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,2018/9/21,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，因为光探测效应的响应速度
8、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,2018/9/21,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,2018/9/21,光学信息处理,14,7.1.3 常用的空
9、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,2018/9/21,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 MOSLM像素结构示意图 在
10、图中还有局部减小矫顽力的离子注入区,2018/9/21,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,2018/9/21,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,2018/9/21,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 生成的磁场方向相反，正 好抵消，对剩磁状态没
11、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,2018/9/21,光学信息处理,21,图7.4 MOSLM 的工作示意图,2018/9/21,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旋转 角，它们的夹角为 2设检
12、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,2018/9/21,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。现有阵列像素数有128128、256 256和
13、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。,2018/9/21,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同性的液体之间每个液晶分子的中心在液晶空间
14、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压时，调制器的透过状态从开态转成关态，而表征
15、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,如果把向列相液晶放在一个经特殊处理的盒中，可以构成具有特殊
16、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,2018/9/21,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。,2018/9/21,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,
