第6章空间光调制器

等晶体的光电导特性和线性电光效应而制 成的光寻址空间光调制器。
加直流电压V0
氙灯瞬时、均匀照明， BSO 成为导体， BSO 界 面上积累均匀电荷
关闭氙灯，BSO 失去导电性，电 极短路，BSO界 面上的电荷被保 留下来，内电场 也保留下来
写入：蓝光写入，双色反射层可通过蓝光。 蓝光作用在BSO上，对应光强大的地方光 电导效应明显，而光强小的地方光电导效 应不明显，因而形成于写入光图象相对应 的电子图象。电子图象电压与曝光量之间 的关系为：
空间光调制器（Spacial Light Modulators, SLM）是一种能对光波的空 间分布进行调制的器件。 驱动信号：电信号、光信号 调制目标：相位、偏振、振幅（或强度） 乃至波长，或是非相干光到相干光的转换 等等 应用：光互连、光学信息处理、光计算、 光学神经网络
一、空间光调制器的分类 • 按读出方式：反射式、透射式
二、空间光调制器的基本功能 1、变换器功能 电-光转换、串行-并行转换、相干-非相干
转换、对比度反转。
2、放大功能
弱光写入，强光读出。可获得增强的相干 光图象。
3、算术运算功能 SLM可实现数字的矢量-矩阵或矩阵-矩阵
之间的乘法。可实现相干图象的相加或相 减(O-SLM)。
4、记忆功能 所有的SLM都是利用电荷生成元件形成一
电场←─ 电压
B. 磁光空间光调制器（MOSLM）
磁光调制器利用对铁磁材料的诱导磁化来 纪录写入信息，利用磁光效应来实现对读 出光波的调制。
1. 磁滞特性
2.法拉第效应和克尔磁光效应
偏振光经磁光介质透射（法拉第效应）或 反射（克尔磁光效应）后偏振方向会发生 变化。
3、器件结构
4、工作原理
写入
均匀磁化（饱和磁化线圈）电寻址 自发扩展（反转核）
外部强电场改变介质电性质或结构，从而引 起光学性质的变化。
一、电光效应 1、泡克尔斯效应（一次电光效应）：具有
非中心对称晶格点阵结构晶体，在外加电场 作用下变成双轴晶体（感生双折射效应）。 2、克尔效应（二次电光效应）：具有中心 对称晶格点阵结构晶体，在外加电场作用下 显示出双折射现象。
二、泡克尔斯读出光调制器 泡克尔斯读出光调制器(PROM)是利用硅 酸铋(Bi12SiO20,简写BSO) 或BGO(锗酸铋)
三、光寻址液晶光阀 硫化镉液晶光阀（CdS-LCLV）
特点：混合场效应（扭曲向列相特性和电 控双折射）、并行寻址 功用：非相干/相干转换、波长转换、图 象增强 优点：结构紧凑、室温工作、驱动电压低、 功耗小、输出图象反差高、灵敏度高等 缺点：响应速度慢、分辨率一般。 其他：硅液晶光阀（Si-LCLV）也是光寻 址，采用金属氧化物半导体（MOS）型 硅光导体，有更好的关断状态和响应时间。
4）相变效应
在正型液晶中掺入正介电异性的胆甾液晶， 使混合物成为具有长螺距的液晶，螺旋轴 与玻璃板平行，对外界光产生散射，呈白 浊状，施加一定电压后，液晶长轴沿电场 方向变化，螺旋解开，液晶变成透明态 。 优点：不用偏光片、视角大
5）宾主效应
将沿液晶分子长轴方向和短轴方向对可见 光的吸收不同的二色性染料作为客体，溶 于定向排列的液晶主体中，染料分子会随 液晶分子的排列变化而变化，在电场作用 下，染料分子和液晶分子排列发生变化， 染料对入射光的吸收也将发生变化。
按输入控制信号方式：光寻址(O-SLMs)、 电寻址(E-SLMs) 从应用角度分为：模拟和数字
目前已有多种空间光调制器实用化，主要 有下面几种：
调制或变换的物理效应 ： •线性电光效应（泡克尔斯效应） •二次电光效应（克尔效应） •声光效应 •磁光效应 •机械效应 •热效应 •半导体的自电光效应 •光折变效应
一、液晶分类 近晶型（层状）、向列型（丝状）、胆甾 型（螺旋状）
近晶型
向列型
胆甾型
二、液晶特性 1、液晶的取向效应
液晶分子由于它的细长结构和具有两种介 电常数，从而呈现各向异性的特性 。
//
正性液晶 或P型液晶

//
负性液晶 或N型液晶

垂直于分子长轴的介电常数
// 平行于分子长轴的介电常数
液晶双折射现象
液晶的取向效应 当外加电场E足够小（小于其响应阈值）时， 则分子取向不受电场影响； 当外加电场足够大（超过其阈值）时，分 子取向发生变化。 可以利用液晶这一特性来进行光调制
不加电时，液晶排列如 上图。起偏光通过液晶 后发生双折射，再通过 检偏器，这时可以看到 有光输出。 加电后，液晶排列发生 变化，这时没有双折射， 在无输出光。
利用阀值特性或双稳 态特性可以实现：二 进制逻辑运算及模／数转换
7、光学限幅功能
利用阈值特性可进行图象的二元化或限幅， 例如可用来限制噪声光束强度的涨落
►概述 ►液晶光阀 ►电光效应器件
§2. 液晶光阀
什么是液晶？ 液晶材料是一种流体，它介于完全规则 (固体)与不规则状态(液体)之间的中间态 物质，兼有液体和晶体两者共有的属性 。 哪些物质是液晶材料？ 有机化合物（例如芳香族、脂肪族，硬脂 酸等）及它们的混合物 。 热致液晶和溶致液晶
第六章
Spatial Light Modulator 空间光调制器
►概述 ►液晶光阀 ►电光效应器件
§1 概述
光处理信息的特点： 1. 信息量大。光波频率高达1014Hz，作 为载波可以携带更多的信息。 2. 并行处理。光的传播具有独立特性， 两束或者多束光相遇不会相互干扰。 3. 处理速度快。纯光学的信息处理系统 处理速度就是光速。
2、液晶的电光效应
液晶的电光效应主要包括 ： • 扭曲效应 • 动态散射效应 • 电控双折射效应 • 相变效应 • 宾主效应
1）扭曲效应
2）动态散射效应
通过加高频电场时液晶分子取向紊乱，使 各处的折射率随时间发生变化，从而使入 射光受到散射，透过率下降。
3）电控双折射效应
在外加电场作用下，液晶分子取向变化， 而使液晶对某一方向入射的光产生双折射。
V V0 exp( KE )
读出：红光读出。BSO光电导效应对红光 不敏感。红光起偏后入射到PROM，由于 电子图像所形成的电压不同，因此BSO上 不同位置的双折射效应也不同。最后输出 光的偏振态受到写入图象形成的电场分布 的调制，经检偏后即得到相应的光强调制。
三、微通道板空间光调制器(MSLM) Microchannel Spatial Light Modulator
特点:1、微通道板能对写入图象进行增强； 电子增益为104 2、很宽的光谱响应范围 ；输入可以从 X射线及紫外到中红外，输出光谱也可以从 中紫外到中红外变化 ；
其他空间光调制器： A. Si-PLZT空间光调制器 PLZT(Pb1-x,Lax (Zry,Ti 1-y)1-x/4O3)是铅、
锆、镧、钛组合物，是一种透明铁电陶瓷。 PLZT具有各种光电特性。当给PLZT上加 以电场时，从垂直于电场方向入射的光可 被调制。 Si-PLZT空间光调制器是硅光电探测器和 PLZT联合使用实现光调制的空间光调制 器。
扭臂
电极
硅衬底 平台
二元输出。可通过调整开关状态占空比来实 现多灰度级显示。在数字光投(DLP)中广泛 使用。
D. 自电光效应器件空间光调制器(SEED)
半导体多量子阱(MQW) 结构：多层半导体薄膜交 替，形成对束缚电子-空 穴对的量子阱。具有很强 的电光特性和响应速度。 光吸收─→电流
↑ ↓
四、电寻址液晶光阀
电荷耦合器寻址液晶光阀（CCD-LCLV）
特点：混合场效应（扭曲向列相特性和光 学双折射）、串行寻址 功用：串行-并行转换、光电转换
其他：铁电液晶（FLC）光阀和表面稳定 铁电液晶（SSFLC）光阀，响应速度快， 反差高。
►概述 ►液晶光阀 ►电光效应器件
§3 电光效应器件
读出
MOSLM的特点是电寻址、写入速度快、
性能稳定、对比度高百度文库一般只有开关两 种状态。
多灰度级MOSLM
并联：
串联：
复合象元：
混合型：
C. 表面形变空间光调制器（DMD）
表面形变调制相位或振幅
分类：
(a)弹性体器件：
(b)薄膜器件：
(c)悬臂梁式器件：
G-E表面形变空间光调制器
数字微镜(Digital Micormirror Device)
个与写入像相对应的电荷分布，这种电荷 分布可以在SLM中存储一小时或更长时间， 因而SLM可作为短期的像存储器件。 PROM器件的存储时间可长达两小时以上， MSLM甚至可达几个月之久。
5、线性和非线性变换特性 通常的输入-输出特性有：线性关系、正弦 方值关系asin2(I2)、指数关系，正弦关系
6、阈值操作功能 硬截止(图中实线)和 模拟(虚线)两种情况。