液晶空间光调制器教材
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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
② 处理和运算功能器件 放大器 乘法器与算数运算功能
三、液晶材料简介
液晶材料：最为广泛的一种电光效应材料。介于固态和液 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。液晶状态可以向结晶态和液态相变。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。 液晶以凝集构造的不同可分成三种：
由于液晶分子具有液体的流动性，亦即是说其没有固定的排列, 可以自由移动，且液晶分子具有介电各向异性和电导各向异性 的电学特性，故而在外电场的作用下,液晶分子的排列状态也将 随之发生变化。又因为液晶分子的光学特性也是各向异性的,从 而使得整个液晶盒的光学效应随之改变,这就是液晶盒电场影响 其光学特性的原理。另外由于液晶分子的双折射特性,使得液晶 盒显现出光散射、光干涉和旋光等特殊的光学性质 液晶的电光效应主要包括：电控双折射效应、扭曲效应、宾主 效应、动态散射效应、热光学效应等。
二、空间光调制器原理
空间光调制器(Spatial Light Modulator---SLM)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 制器由许多独立单元组成，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，并按此信 号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的 光波进行调制。
1971年美国休斯公司J.D.Margerum等人提出了第一 个光导型透射式液晶光调制器,这种器件工作在动态 散射模式,用ZnS作为光导层,直流驱动比较容易引起 液晶与电极间的电化学反应从而降低器件的寿命
1972年,T.D.Bemd等人研制成CdS作光导层,交流电 压驱动的反射读出型液晶光阀,为实用化器件的发展 奠定了基础 1975年,J.Grinbery等人报道了用CdS作光导层,CdTe 作光隔离层的交流反射式液晶光阀,是液晶工作在混 合场效应(向列相液晶的扭曲效应和双折射效应)模式
液晶的基本性质
液晶的取向效应
• 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。 • 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，称为正性液晶，反之称为负性液晶。 • 对基片表面处理，可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。
液晶的电光效应
液晶空间光调制器
张望平
2012.04.03
主要内容
一、空间光调制器的发展历史 二、空间光调制器的原理 三、液晶材料简介 四、液晶空间光调制器的主要参数 五、扭曲向列液晶的调制原理 六、液晶屏的光调制特性测量与分析 七、液晶空间光调制器的应用
一 、发展历史
1888年奥地利植物学家莱尼采尔(F.Reinitezer）发现了液晶 20世纪初，液晶的研究进入高峰期，主要成就是发现了液晶的 一些物理性质 1961年美国无线电公司(RCA)普林斯顿研究所的海麦尔 (GH.Heilmeier)从微波固体元件研究方向转入有机半导体方向 1963年RCA的威廉斯发现了电场影响液晶的分子排列 1964年他们发现了液晶的动态散射效应(dynamieseattering),为 液晶在显示领域的应用打开了大门,因此海麦尔成为液晶显示的 先驱
4 两种写入方式
①电写入的SLM：代表待输入系统的信息的电信号直接驱动一个 器件（空间光调制器），方式是控制其吸收或相移的空间分布。
光写入的SLM：信息一开始是以光学图像的形式，而不是以电子 的形式输入到SLM，在这种情况下，SLM的功能是将非相干的光图 像转化为相干的光图像，接着用相干光学系统做下一步的处理。
5 寻址（adressing）的概念
写入光或写入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址。如果采用写入 光实现，称为光寻址，采用写入电信号，称为电寻址。
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。 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，光能利用率比较低。
●近晶型（smectic）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向排列。 一般而言，此类分子的黏度大，印加电场的应答速度慢，比较 少应用于显示器上，多用于光记忆材料的发展上。
●胆甾型（cholesteric）液晶
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 光性的向列型液晶,因分子具有非对称碳中 心，所以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 面上为向列型，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 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 面之间的距离称为一个pitch(螺距）。 cholesteric液晶pitch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 性反射，产生不同的颜色变化，故常用于 温度感测器。
●向列型（nematic）液晶
●近晶型（smectic）液晶 ●胆甾醇型（cholesteric）液晶
●向列型（nematic）液晶 液晶分子大致以长轴方向平行配的，因此具有一维空间 的规则性排列。此类型液晶的粘度小，应答速度快，是最早 被应用的液晶，普遍的使用于液晶电视、笔记本电脑以及各 类型显示元件上。
1 概念：
2 SLM分类
按照写入方式的不同：
电写入的 SLM ESLM 光写入的 SLM OSLM
相位调制 按照调制方式的不同： 强度调制
按照读出方式的不同：
反射式 透射式
3 SLM中的三光
写入光/信号：控制像素的光或者信号 读出光：照明整个器件并被调制的光波 输出光：被像素单元调制后的输出光波
② 处理和运算功能器件 放大器 乘法器与算数运算功能
三、液晶材料简介
液晶材料：最为广泛的一种电光效应材料。介于固态和液 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。液晶状态可以向结晶态和液态相变。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。 液晶以凝集构造的不同可分成三种：
由于液晶分子具有液体的流动性，亦即是说其没有固定的排列, 可以自由移动，且液晶分子具有介电各向异性和电导各向异性 的电学特性，故而在外电场的作用下,液晶分子的排列状态也将 随之发生变化。又因为液晶分子的光学特性也是各向异性的,从 而使得整个液晶盒的光学效应随之改变,这就是液晶盒电场影响 其光学特性的原理。另外由于液晶分子的双折射特性,使得液晶 盒显现出光散射、光干涉和旋光等特殊的光学性质 液晶的电光效应主要包括：电控双折射效应、扭曲效应、宾主 效应、动态散射效应、热光学效应等。
二、空间光调制器原理
空间光调制器(Spatial Light Modulator---SLM)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 制器由许多独立单元组成，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，并按此信 号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的 光波进行调制。
1971年美国休斯公司J.D.Margerum等人提出了第一 个光导型透射式液晶光调制器,这种器件工作在动态 散射模式,用ZnS作为光导层,直流驱动比较容易引起 液晶与电极间的电化学反应从而降低器件的寿命
1972年,T.D.Bemd等人研制成CdS作光导层,交流电 压驱动的反射读出型液晶光阀,为实用化器件的发展 奠定了基础 1975年,J.Grinbery等人报道了用CdS作光导层,CdTe 作光隔离层的交流反射式液晶光阀,是液晶工作在混 合场效应(向列相液晶的扭曲效应和双折射效应)模式
液晶的基本性质
液晶的取向效应
• 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。 • 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，称为正性液晶，反之称为负性液晶。 • 对基片表面处理，可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。
液晶的电光效应
液晶空间光调制器
张望平
2012.04.03
主要内容
一、空间光调制器的发展历史 二、空间光调制器的原理 三、液晶材料简介 四、液晶空间光调制器的主要参数 五、扭曲向列液晶的调制原理 六、液晶屏的光调制特性测量与分析 七、液晶空间光调制器的应用
一 、发展历史
1888年奥地利植物学家莱尼采尔(F.Reinitezer）发现了液晶 20世纪初，液晶的研究进入高峰期，主要成就是发现了液晶的 一些物理性质 1961年美国无线电公司(RCA)普林斯顿研究所的海麦尔 (GH.Heilmeier)从微波固体元件研究方向转入有机半导体方向 1963年RCA的威廉斯发现了电场影响液晶的分子排列 1964年他们发现了液晶的动态散射效应(dynamieseattering),为 液晶在显示领域的应用打开了大门,因此海麦尔成为液晶显示的 先驱
4 两种写入方式
①电写入的SLM：代表待输入系统的信息的电信号直接驱动一个 器件（空间光调制器），方式是控制其吸收或相移的空间分布。
光写入的SLM：信息一开始是以光学图像的形式，而不是以电子 的形式输入到SLM，在这种情况下，SLM的功能是将非相干的光图 像转化为相干的光图像，接着用相干光学系统做下一步的处理。
5 寻址（adressing）的概念
写入光或写入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址。如果采用写入 光实现，称为光寻址，采用写入电信号，称为电寻址。
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。 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，光能利用率比较低。
●近晶型（smectic）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向排列。 一般而言，此类分子的黏度大，印加电场的应答速度慢，比较 少应用于显示器上，多用于光记忆材料的发展上。
●胆甾型（cholesteric）液晶
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 光性的向列型液晶,因分子具有非对称碳中 心，所以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 面上为向列型，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 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 面之间的距离称为一个pitch(螺距）。 cholesteric液晶pitch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 性反射，产生不同的颜色变化，故常用于 温度感测器。
●向列型（nematic）液晶
●近晶型（smectic）液晶 ●胆甾醇型（cholesteric）液晶
●向列型（nematic）液晶 液晶分子大致以长轴方向平行配的，因此具有一维空间 的规则性排列。此类型液晶的粘度小，应答速度快，是最早 被应用的液晶，普遍的使用于液晶电视、笔记本电脑以及各 类型显示元件上。
1 概念：
2 SLM分类
按照写入方式的不同：
电写入的 SLM ESLM 光写入的 SLM OSLM
相位调制 按照调制方式的不同： 强度调制
按照读出方式的不同：
反射式 透射式
3 SLM中的三光
写入光/信号：控制像素的光或者信号 读出光：照明整个器件并被调制的光波 输出光：被像素单元调制后的输出光波