【正文】 ied, the values in registers are set and the module of video signal processing is added in terms of the driving structure and the optical properties of the LCD. The voltage on the molecule of the liquid crystal display is limited in the period which can achieve phaseonly modulating. The structure of power supply is modified to make the signal processing more stable. The size of printed circuit board is smaller. It is operated more conveniently by modulating of microputer unit and serial interface control. The liquid crystal spatial light modulator has been designed pletely. Firstly, we use the liquid crystal spatial light modulator to produce a phase grating for the optical diffraction experiment according to the phase modulation characteristics. We also take measure the space location of diffraction spots. Then we use the liquid crystal spatial light modulator to make Fresnel Walpole strip which can simulate the focusing effect of the lens. Keywords: Liquid Crystal Spatial Light Modulator。 Phase grating； Space optical field model 1 第一章 緒論 概述 空間光調(diào)制器 (Spatial Light Modulator, SLM)是一種對空間光場分布進(jìn)行調(diào)制的器件。利用光的并行性、固有速率以及互連能力，在一維或二維的光學(xué)數(shù)據(jù)場上加載 SLM 的信息，可以構(gòu)成實時光學(xué)信息處理、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光計算等系統(tǒng)中基本的構(gòu)造單元甚至是重要的器件。 一般情況下，組成 SLM 的單元可以獨立的 在 信號源信號的控制下，通過改變自身的光學(xué)性質(zhì)來改變空間光場分布的相位、強(qiáng)度、振幅、波長以 及偏振態(tài)，或是實現(xiàn)非相干光到相干光的轉(zhuǎn)換等，從而實現(xiàn)對空域和時域的變換或調(diào)制。 SLM 的控制信號既可以是光學(xué)信號，也可以是電學(xué)信號。按照控制信號的不同， SLM 可以分為光尋址 [1]和電尋址 [2]兩類。 近年來，計算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，很大程度地促進(jìn)了 SLM 的發(fā)展。 SLM 能實時地在空域上調(diào)制光束，因而在光學(xué) /數(shù)字混合相關(guān)、自動模式識別和機(jī)器人視覺系統(tǒng)等的光邏輯運算、光電實時接口、閾值開關(guān)、數(shù)據(jù)格式化、輸入存儲、高速互連、輸出顯示等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，成為光電、光學(xué)混合系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)控制 、光互連、圖像處理、顯示技術(shù)、光學(xué)檢測等中的基本元件和關(guān)鍵器件[3]。 在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中 SLM 具有越來越重要的地位和價值。目前， SLM 的種類有很多，有液晶空間光調(diào)制器、可變形鏡器件、微通道板、自光電效應(yīng)器件、磁光器件等四十余種。其中，液晶是比較便宜也是較容易獲得的，既可實現(xiàn)對光波的相位調(diào)制又可實現(xiàn)對光波的振幅調(diào)制。因此液晶在顯示技術(shù)、傳感器等許多應(yīng)用研究中都得到了廣泛應(yīng)用。能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)或多級分布的相位或振幅調(diào)制的 純相位型液晶空間光調(diào)制器 就是基于液晶顯示技術(shù)制成的。也正是由于液晶的這些特性，液 晶空間光調(diào)制器一直以來都是備受矚目的，近年來在衍射光學(xué)、激光光鑷及數(shù)字全息等研究領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越活躍。 液晶空間光調(diào)制器的 發(fā)展概況 液晶很早就被發(fā)現(xiàn)了，十九世紀(jì)末期，奧地利植物學(xué)家 弗里德里希從植物中提煉出一種介于液體和晶體之間的物質(zhì)，在宏觀上它具有液體的流動性和連續(xù)性，在微觀分子排列上又具有晶體的有序性，因此該物質(zhì)被稱為液態(tài)的晶體 (Liquid Crystal)即液晶。然而直到二十世紀(jì)初，液晶才被廣泛地應(yīng)用于研究領(lǐng)域。 1963 年，美國無線電公司的威廉等人發(fā)現(xiàn)在電場的影響下液晶分子會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時 發(fā)現(xiàn)光射到液晶中會發(fā)生折射現(xiàn)象，并且在一年后研制了以動態(tài)散射方式2 工作的液晶顯示器件。五年后即 1968 年該公司發(fā)表了全球第一臺利用液晶特性來顯示畫面的屏幕，即電尋址 SLM[4]。直到此時，液晶被發(fā)現(xiàn)近一個世紀(jì)后，“液晶”和“顯示器”這兩個專業(yè)術(shù)語才被聯(lián)系在一起，“液晶顯示器 (LCD)”才成為行業(yè)的專業(yè)名詞。至此世界掀起了研究液晶的熱潮。 1971 年美國的休斯公司展示了首臺光導(dǎo)型投射式液晶光調(diào)制器 [5]。這種液晶光調(diào)制器采用直流電壓驅(qū)動，以 ZnS 作為光導(dǎo)層。由于在直流電壓下，液晶分子和電極之間容易產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng) ，損害器件，降低器件的使用壽命，因此這種液晶光調(diào)制器并沒有得到廣泛應(yīng)用。直到同年瑞士羅切公司的沙特等人發(fā)現(xiàn)扭曲絲狀液晶場效應(yīng)，液晶顯示技術(shù)才得以在全世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。 1973 年英國大學(xué)教授葛雷發(fā)現(xiàn)聯(lián)苯液晶可以制作 LCD，使得日本夏普研制出第一臺液晶電子計算器 LCMATEEL805[6]，標(biāo)志著 LCD 真正步入工業(yè)化，推進(jìn)了LCD產(chǎn)業(yè)的崛起。 1987 年休斯公司成功展示了電荷耦合器件尋址液晶光閥，至此利用光尋址液晶空間光調(diào)制器制成的電尋址液晶空間光調(diào)制器也逐漸出現(xiàn)在人們的視線中。 九十年代日本濱松光電 公司研制出透射型 LCD 電尋址的 SLM。同時期我國也成功研制出一種陰極射線管耦合液晶光閥。這些電尋址液晶空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)可拆分，可以單獨作為光尋址使用，也可以組合在一起作為電尋址空間光調(diào)制器使用，大大提高了應(yīng)用范圍又降低了成本。 近年來液晶空間光調(diào)制器的應(yīng)用 近年來，隨著液晶空間光調(diào)制器的發(fā)展，液晶空間光調(diào)制器在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 1998 年， B. Loiseaux 等人采用光尋址液晶空間光調(diào)制器對一束激光光束進(jìn)行相位和振幅的控制 [7]。激光的脈寬為 10ns、波長為 、重復(fù)頻率為 30Hz，整形的面積是 1cm2。液晶分子平行排列，為雙折射模式，所用液晶空間光調(diào)制器響應(yīng)時間大約為 20ms，對偏振光峰值的透過率大于 70%。若是用于對偏振光的整形，透過率則會降低至 35%。 20xx 年 ， J. Bourderion 等人報道了關(guān)于利用內(nèi)腔液晶光閥對激光空間模式進(jìn)行控制的實驗。實驗中被整形的 Nd： YAG（釔鋁石榴石晶體）激光采用的是 808nm的半導(dǎo)體光端面泵浦，實驗結(jié)果得到的輸出激光脈沖脈寬為 100μs、 波長為、光功率為 800W。 根據(jù)激光震蕩器的 增益與損 耗的平衡，把 液晶光閥放到腔內(nèi)，可以明顯提高泵浦能量利用率和整形后輸出的 激光能量 。然而這種做法也有不足之處，那就是腔內(nèi)功率密度 較高 ，光路比較復(fù)雜，且極容易損害光閥 。 20xx 年， N. Sanner等人利用光尋址液晶光閥對飛秒脈沖的光束截面進(jìn)行整形。3 實驗采用的是脈寬為 120~130fs、中心波長 800nm、單脈沖能量為 4μJ（放大器）與5nJ（振蕩器）、重復(fù)頻率為 50~250Hz（放大器）與 76Hz（振蕩器）的 Ti： Sapphire（摻鈦藍(lán)寶石晶體）激光。將 單晶光導(dǎo)體 BSO（即硅酸鉍晶體片）與 光尋址液晶光閥厚 14μm的液晶層裝到兩面透明的電極里，在 1cm1cm的凈面積上，可以形成100100個尋址點，且分辨率為 100μm。由于是光尋址，不存在像素造成的低開口率的問題，因而液晶光閥的光投射系數(shù)高達(dá) 80%。 飛秒激光脈沖 是 用望遠(yuǎn)鏡 對光束進(jìn)行 擴(kuò)束 ，然后利用半波片調(diào)節(jié)其在液晶光閥上的偏振方向。 藍(lán)光（ 波長 450nm）通過 256256的視頻投影屏 將其相位分布圖投射到液晶光閥上。為取得更好效果的衍射相位圖，可以對經(jīng)過液晶光閥衍射后的光束進(jìn)行取樣，并用相位傳感器測量取樣部分的相位，然后用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)反饋形式對取樣光束進(jìn)行實時 校正。 圖 11 光鑷子 近年來，經(jīng)常有關(guān)于液晶空間光調(diào)制器應(yīng)用于生物光學(xué)顯微中的報道。利用液晶空間光調(diào)制器實時調(diào)制光學(xué)顯微中成像光的振幅 /相位，不僅可以顯微傳統(tǒng)的生物樣本的相位，還能以復(fù)雜的相位調(diào)制方式，如螺旋相位濾波，得到新的顯微圖像。該方式和光鑷技術(shù)、熒光顯微相結(jié)合，大大地豐富了生物顯微技術(shù)。圖 11即為生物學(xué)中應(yīng)用較多的“光鑷子”，“光鑷子”可以細(xì)微到細(xì)胞程度，比如可以用“光鑷子”按住一個細(xì)胞，實現(xiàn)對該細(xì)胞的人為改造。還可以利 用“光鑷子”測量單個肌肉蛋白分子，進(jìn)而研究動物肌肉活動 [8]。 圖 12 利用計算全息重現(xiàn)預(yù)想圖像 4 液晶空間光調(diào)制器可以動態(tài)控制光束的偏轉(zhuǎn)，生成可以重現(xiàn)遠(yuǎn)場預(yù)想圖像的計算全息圖。計算全息是利用計算機(jī)形成的，通過液晶空間光調(diào)制器顯示其全息圖，利用相干光照明重現(xiàn)預(yù)想物的圖像。計算機(jī)形成全息圖通常分為以下幾個步驟：讀圖、二維離散傅里葉變換、編碼 [9]。圖 12是實用計算全息重現(xiàn)的預(yù)想圖像，中間亮斑是中央零級衍射斑。 本文研究的目的和工作 本文選擇的是索尼公司為投影儀設(shè)計的型號為 LCX026 的液晶屏，因 此主要是用在強(qiáng)度調(diào)制，伴隨有相位調(diào)制等方面。本文將對驅(qū)動電路進(jìn)行重新設(shè)計，將驅(qū)動電壓控制在能夠?qū)崿F(xiàn)純相位調(diào)制的區(qū)域，從而便于進(jìn)行空間光場的研究。 本文的章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第二章介紹了液晶材料以及各種光學(xué)特性，然后，簡要分析了電尋址液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理。 第三章說明設(shè)計制作液晶空間光調(diào)制器的過程。首先選擇合適的液晶屏，本文選擇的是 SONY 公司型號為 LCX026BLT 的商用液晶屏，然后根據(jù)設(shè)計要求對液晶屏進(jìn)行一些調(diào)整，如將加載在液晶分子兩側(cè)的電壓設(shè)定在可以實現(xiàn)純相位調(diào)制的區(qū)域，同時修改電源結(jié)構(gòu)、縮 小線路板的尺寸，最后完成整個電路的設(shè)計。 第四章在液晶空間光調(diào)制器設(shè)計完成后，將液晶空間光調(diào)制器調(diào)制到純相位，根據(jù)相位調(diào)制特性制作位相光柵，利用位相光柵進(jìn)行光衍射實驗，并測得衍射斑的空間位置；在液晶空間光調(diào)制器的相位調(diào)制模式中寫入菲涅爾波帶片，制作陣列透鏡，模擬透鏡的聚焦效果，并測得焦面光強(qiáng)分布。 5 第二章 液晶空間相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)原理和分類 本章首先從液晶的基本概念開始，介紹了液晶的一般形態(tài)和各種重要的光學(xué)特性。然后給出了液晶連續(xù)體理論，最后簡單介紹常見的兩種電尋址液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和工作原 理。 液晶 材料 及 光學(xué) 特性 液晶的種類及其物理特性 目前發(fā)現(xiàn)及人工合成的液晶已有幾千種，可以分為溶致液晶和熱致液晶兩類。溶致液晶是指結(jié)晶晶格由于溶劑而被破壞形成的液晶；熱致液晶是指結(jié)晶晶格由于加熱而被破壞形成的液晶。 在顯示領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的大多屬于熱致液晶，本文中用于空間光調(diào)制器的所有液晶也都是熱致液晶，因此本文主要討論的就是此類液晶。 根據(jù)分子排列狀態(tài)的不同熱致液晶可以分為三種 (圖 21)：向列相液晶（ nematic, 又稱為絲狀液晶）；近晶相液晶（ smectic, 又稱為層狀液晶） 和膽甾相液晶（ cholestevic,又稱螺旋狀液晶），如圖 21 所示 (a) (b) (c) 圖 21 液晶分子排列模式 (a)向列相 (b)近晶相 (c)膽甾相 向列相液晶分子是條狀或棒狀的，分子長軸都朝向同一方向，其它排列則毫無規(guī)律可言。向列相液晶最大特點是在電場、磁場、機(jī)械力和表面力的影響下，分子排列全部朝著同一方向。 近晶相液晶分子形狀與向列相 液晶一樣，也是條狀或棒狀的。與向列相液晶不同的是近晶相液晶分子的排列成層狀 ， 每一層中分子的位置完全無序，但卻有一定的排列方向， 分子 的長軸方向與層面垂直或傾斜。層與層之間可以滑動。在二維空間的平面內(nèi)分子是可以滑動的，但是不能超出垂直層。 膽甾相液晶是由扁平狀的分子組成，分子排列成層狀，同一層中分子的排列方6 向相同。如果各層中分子的排列方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，分子排列的方向就會與面的法線形成螺旋狀。當(dāng)分子長軸沿著螺旋方向 變化 360176。之后，分子排列就會又回到初始取向了。實際各種材料都是在特定的溫度下處于特定的相態(tài)，即隨 溫度的改變會產(chǎn)生相態(tài)的變化 [10]。 液晶的物理特性包括有序參量以及介電各向異性：有序參量反映的是液晶分子排布的有序度；介電各向異性決定電場中液晶分子的行為。液晶分子長軸方向和短軸方向的介電常數(shù)是不一樣的。液晶的電導(dǎo)各向異