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空间光调制器简介及其应用

空间光调制器简介及其应用

王永强 刘太刚
(1.河南理工大学物理化学系, 河南焦作454000;2.新乡医学院生命科学技术系, 河南新乡453003)
  1. 概述
  2. 空间光调制器的原理
  3. 空间光调制器的分类
  4. 空间光调制器的功能
  5. 几种空间光调制器的应用简介
  6. 未来展望
摘要:文章主要介绍了空间光调制器的原理、分类、功能及几种空间光调制器的应用并对未来空间光
调制器的发展趋势作了简要地介绍。
关键词:光信息处理;空间光调制器;寻址
引言
        近一二十年来, 光学和光电子学中的空间光调制器的研究和应用迅速地发展。随着微电子和光电子集成技术的进步以及两者的紧密结合, 大大地促进了各种空间光调制器的发展。而空间光调制器所具有的能实时地在空间上调制光束的重要功能, 使其成为构成实时光学信息处理、光计算等系统的关键器件。正因为如此,空间光调制器在现代光学领域中具有越来越重要的地位和价值, 它是光学、光电混合系统进行光互连、光学相关、光计算、模式识别、光学控制、光学检测、图象处理、显示技术等中的基本构件和关键器件。
1.概述
       光信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科, 它是在2 0世纪6 0 年代随着激光器的问世而发展起来的。光学信息是指光的强度(或振幅)、相位、波长和偏振态等。光学信息处理是基于光学频谱分析, 利用傅立叶变换效应, 通过空间光调制器对光学信息进行处理的过程。光学信息处理有处理速度快、信息流量大等许多特点。因为, 与其他形态的信号相比, 光波作为信息载体具有特别显著的优点:其一, 光波的频率可达1014 HZ以上, 这就允许信号本身有很宽的带宽, 即具有极大的信息容量;其次, 光波的传播具有独立性, 光束在空间传播不互相干扰, 光波以并行方式传递它所荷载的信息。基于此, 原有的以串行输入/输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求。能实时地或快速地二维输入、传出传感器以及具有运算功能的二维器件——— 空间光调制器便应运而生。

       空间光调制器英文名称是SpatialLightModulator, 在文献上常缩写成SLM。顾名思义, 它是一种对光波的空间分布进行调制的器件, 一般地说, 空间光调制器是指在信号源信号(控制信号)的控制下, 能对光波的某种或某些特性(如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制, 从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中的器件。控制信号可能是光学信号, 又可能是电学信号。
 
       空间光调制器含有许多独立单元, 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制, 利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性, 从而对照明在其上的光波进行调制。一般把这些独立的小单元称为空间光调制器的“ 像素” (pixel), 把控制像素的信号称为“写入光” (writelight), 把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光” (readoutlight), 经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光” (outputlight)。形象的说, 空间光调制器可以看作一块透射率或其它光学参数分布能够按照需要进行快速调节的透明片。显然, 写入信号应该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” (addressing)。

3.空间光调制器的分类

空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同, 可以分为反射型和透射型;而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM),其示意图如下:

 

除此有时也按工作原理(调制或变化的物理效应)来分, 这里不再赘述。这里需要指出的是:(1)光寻址时, 实际上是利用适当的光学系统把一个二维光强分布成像在空间光调制器的像素平面上, 便可以使写入信号的像素与调制器的像素在空间上一一对应, 实现寻址。因为在时间上所有像素的寻址是同时完成的, 所以光寻址是一种并行寻址方式。其特点是寻址速度最快, 而且像素的大小原则上只受寻址光学成像系统分辨率的限制。但要防止写入光和读出光之间的串扰(crosstalk), 通常空间光调制器做成反射式的, 在其中有一个隔离层, 使两光互不干扰;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。(2)电寻址时, 一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成像素, 由于电信号是串行信号, 所以电寻址是串行寻址, 一旦在光信息处理链中有一个电寻址, 二维并行串行处理就被一维串行处理代替, 处理速度立即降下来。另外, 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, 即有一个分辨率极限。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(fillfactor)较低, 光能利用率不高。

 

4.空间光调制器的功能

空间光调制器的基本功能, 就是提供实时或准实时的一维或二维光学传感器件和运算器件。在光信息处理系统中, 它是系统和外界信息交换的接口。它可以作为系统的输入器件, 也可在系统中用作变换或运算器件。作为输入器件时, 其功能主要是将待处理的原始信息处理成系统所要求的输入形式。此时, 空间光调制器作为输入传感器, 可以实现电-光转换、串行-并行转换、非相干光-相干光转换、波长转换等。另外, 作为处理和运算器件时, 可以实现光放大、矢量-矩阵或矩阵-矩阵间乘法、对比反转、波面形状控制等。除此还有模拟图像存储的功能。

 

5.几种空间光调制器的应用简介

5.1 采用光电晶体的空间光调制器

此空间光调制器是用电光晶体作为光调制材料, 将入射到光电表面的输入图像变成电子图像。光电子经微通道板放大以后, 在晶体表面形成电荷图像。根据此图像面产生横断晶体电场变化, 并因光电效应, 而发生晶体折射率的变化。对晶体照射激光读出线偏振光。在晶体电贺积累面形成中介反射镜发出的反射光往返于晶体之中。根据输入图像而调制起相位, 使这种光通过偏振光以进行强度调制, 获得拥有输出图像信息的相关光输出。

5.2 液晶空间光调制器

目前液晶空间光调制器在空间光调制器中已经占有主导地位。它可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二维分布的实时空间调制。它将液晶层作为光调制材料, 液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式, 在晶层上各区域施加不同的电场, 可以引起液晶分子排列方向和位置的变化, 从而导致其光学性质的变化, 获得透明或不透明两种状态, 实现对光信号的调制。SLM由许多集成电路控制的单元组成, 以电信号来控制每个单元的1 或0 状态。液晶作为调制介质, 构成低能耗、低电压的空间光调制器——— 光寻址的液晶光阀(LCLV) (多把用在光运算场合的叫空间光调制器, 用在显示器场合的叫光阀)和电寻址的薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-LCD)。

典型的液晶空间光调制器是硫化镉(CdS)向列型液晶光阀其结构如图2 所示。

 

这种液晶光阀的主要功能是实现图像的非相干/相干转换。其工作过程是, 将待转换的非相干图像通过光学系统(作为写入光Iw)从器件右侧成像到光导层上, 同时有一束线偏振相干光(作为读出光Ir)从器件左侧射向液晶层, 其偏振方向与液晶层左端的分子长轴方向一致, 由于高反射膜的作用, 这束光将两次通过液晶层, 最后从左方出射, 通过一个偏振轴方向与Ir偏振方向相垂直的检偏器, 得到输出光Io。

 

尽管TFT-LCD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 projectionTV , 简写为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。由于液晶材料在透光状态时, 对光有一定的吸收, 而在不透光状态时。又有部分光能透过, 而且在不同波段, 液晶材料的透过率不同。因此, 液晶空间光调制器易造成信号损失或编码错误。此外, 液晶材料具有非理想化静态特性和动态特性, 会在信号还原过程中将会造成光谱扭曲。用SLM实现高分辨成像十分困难。

5.3 声光调制器

声光调制器是利用声光效应, 即利用声波对光波的作用, 来进行光波调制的器件。电信号通过电-声换能器件, 在固体或液体介质中产生载有写入信息的声波。这个声波作用于声光介质, 产生内部应力场分布或表面形变分布。通过光弹性效应, 应力场分布又转化成介质的折射率分布。表面形变分布和折射率分布都构成一种位相型光栅, 读出光波就是因受到这种光栅的衍射而被调制的, 从而实现光强调制、光波频率调制、声光偏转等。具体有宽频带射频信号的实时频谱分析、声光相关器、声光波面校正器等。

5.4 磁光调制器

磁光调制器利用对铁磁材料的诱导磁化来记录写入信息, 利用磁光效应来实现对读出光波的调制。其特点是写入速度比较快, 光学质量高, 制作工艺比较成熟。主要缺陷是对读出光能利用率较低。磁光调制器的信息读出如图3 所示:

5.5 数字微反射镜空间调制器

数字微反射镜器件(DigitalMicromirrorDevice, DMD)是一种利用微细加工和大规模集成电路技术、构思极为巧妙的电寻址空间光调制器。它是由美国德克萨斯仪器公司的一名科学家L.J.Hornbeck在198 7 年发明的。它是用硅基片的存储阵列控制同一基片上的硅微镜阵列反射而成像的二维空间光调制器。DMD作为光学信息处理系统接口器件的报道并不多, 但是近年来, 它应用于数字投影显示(digitalprojectiondisplay)及高清晰度电视(HDTV)中显示出来的优越性能, 却引起了科技界和工业界的广泛兴趣。DMD作为非相干光调制器, 用于数字投影成像系统, 是一个很好的例子。近几年还出现有铁电陶瓷(PLZI)调制器、微通道板(MSLM)调制器、多量子阱调制器等多种空间光调制器, 在此不再一一介绍。另外, 空间光调制器在光学图像处理、全息技术和相位共扼技术、光神经网络以及投影显示等方面有重要的应用。

6.未来展望

设计、开发空间光调制器的初衷是为光学信息处理提供谱面滤波器件。空间光调制器在此起到了重要的作用, 但是由于种种限制, 如灵敏度、图像分辨率、空间均匀性等问题, 光学信息处理或光学计算机并未取得预期的效果。电子工程师看好空间光调制器的应用价值,经过不断的改进, 开发成功具备实用价值的器件, 并率先应用于投影机获得成功。经过一代又一代的改进, 投影机或投影电视机性能不断改善, 欧、美、日各大电器公司无一例外地进入该领域, 终于形成产业。大屏幕光信息显示系统是典型的非相干光学信息处理系统, 而空间光调制器又是光学信息处理的关键器件。因此可以说, 光学信息处理与现代半导体技术相结合形成产业的大屏幕投影电视机产业将更加推动空间光调制器的发展。