【正文】 SLM 的控制信號既可以是光學(xué)信號，也可以是電學(xué)信號。 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。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。 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。 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]。 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。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(dú)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。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%。 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 。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。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。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]。 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。 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。 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。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。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。 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。特別是在電磁學(xué)、彈性力學(xué)以及流體力學(xué)等方面使用該理論來解釋液晶的宏觀特性時，效果非常好。三種彈性形變的彈性常數(shù)各不相同，展曲彈性常數(shù)為 K11，扭曲彈性常數(shù)為 K22，彎曲彈性常數(shù)為 K33，或者總稱為彈性常數(shù)為 Kii。又因為液晶分子具有各向異性的光學(xué)特性，因而整個液晶盒的光學(xué)效應(yīng)也會隨著外電場發(fā)生改變。 (1) 動態(tài)散射效應(yīng) 動態(tài)散射效應(yīng)是指當(dāng)施加在液晶盒上的交變電場有一定的強(qiáng)度并且頻率比較小時，液晶分子的運(yùn)動會變得紊亂，從而使得各處折射率隨時間發(fā)生變化，入射光發(fā)生散射的現(xiàn)象。 (2) 液晶的雙折射 效應(yīng) 液晶可以視為一種單軸晶體，能對經(jīng)過它的光發(fā)生雙折射（如圖 23）， 這也是液晶對經(jīng)過它的光發(fā)生調(diào)制作用的原因。然而 對于如圖 23(c)與 (d)來說就不僅要考慮液晶的各向異性，還要考慮到液晶分子軸與入 射光 偏振方向之間的夾角。對液晶來說 ， 光線向分子軸方向偏折。 由于 液晶的雙折射特性，液晶分子在被施加電壓時結(jié)構(gòu)會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此會產(chǎn)生電致雙折射效應(yīng)。在液晶盒兩端加上電壓，因為電致雙折射效應(yīng)，入射光穿過液晶 盒后變成橢圓偏振光岀射，因此有一部分光會通過檢偏器岀射。使液晶盒開始產(chǎn)生電致雙折射效應(yīng)的閾值電壓約為2~4V。在基片 B1前放置起偏 器 P，且使其透光軸方向平行于 B1上液晶分子的長軸方向；在基片B2后放置起偏器 A，且使其透光軸方向垂直于 B2上液晶分子的長軸方向。如圖 24(b)所示，由于液晶分子的取向會受電場的影響，因此當(dāng)在液晶盒上施加一個適當(dāng)?shù)碾妷簳r，大多數(shù)的液晶分子的長軸將沿著電場方向排列，9 這基 本不會影響到入射的線偏振光的偏振態(tài)，因此有一部分光可以完全通過檢偏器A。 (5) 賓主效應(yīng) 晶體會呈現(xiàn)出二向色的光學(xué)性質(zhì)，一些有機(jī)染料只在某一范圍的可見光中表現(xiàn)出二向色性，然而在其它的波長范圍里，光波不是被全部吸收就是完全不被吸收，這與晶體光矢量的相對方位無關(guān)。通過 是否施加電壓 控 制液晶器件的“開關(guān) ” 狀態(tài)。 圖 25 液晶光閥原理圖 圖 25中， A和 F表示玻璃，在兩塊玻璃板內(nèi)側(cè)有透明電極，可以施加電壓； B層為液晶，左右兩側(cè)分別裝有經(jīng)過處理的隔絕層； C層是介質(zhì)鏡； D是光阻擋層； E是光導(dǎo)體，例如硫化鎘。 需要指出的是 ： (1) 光尋址 時 實際上是利用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)在空間光調(diào)制器的像素平面上將一個二維光強(qiáng)進(jìn)行分布成像，使調(diào)制器與寫入信號的像素在空間上一一對應(yīng)，以此 來實現(xiàn)尋址 。電尋址是一種串行尋址方式， 如果在光信息處理鏈中有一個電尋址，一維串行處理將會代替二維并行串行處理，這樣一來處理速度會立即降下來 。 CCD是一種陣列器件，內(nèi)部有許多 MOS結(jié)構(gòu)單元。 矩陣尋址液晶光閥的特點是液晶盒上的電極不是整個面分布的片狀電極而是柵狀電極，前后基片的柵條電極互相垂直，因而使得盒中的液晶呈矩陣排列結(jié)構(gòu)，通常將一個結(jié)構(gòu)單元看成一 個像素。 S L M 寫入 （電）信號 讀出光 輸出光 S L M 寫入（電）信號 讀出光 輸出光 (a) (b) SLM 寫入光 輸出光 SLM (c) 寫入光 讀出光 輸出光 (d) 12 本章小結(jié) 本章從液晶的材料出發(fā)，介紹了液晶的各種光學(xué)特性，主要介紹了液晶的電光效應(yīng)，包括電控雙折射效應(yīng)、扭曲效應(yīng)、賓主效應(yīng)、動態(tài)散射效應(yīng)、混合場效應(yīng) 等等。電尋址傳遞信息則是由電極完成，雖然像素會受到電極尺寸的影響，但是和成像系統(tǒng)本身的分辨率沒多大關(guān)系。本章首先介紹液晶屏像素掃描及構(gòu)造原理。選用的液晶屏分辨率為 800600 點，有源矩陣對角線長 ，支 持 VGA，SVGA 等視頻信號，還支持 PAL 以及 NTSC 等電視視頻信號格式。 (3)電源信號：包括行場掃描所需要的兩個電源及公共的 電極電壓信號。 驅(qū)動電路的設(shè)計 針對 所選用的液晶屏，本文設(shè)計驅(qū)動電路構(gòu)成空間光調(diào)制器系統(tǒng)采用的是與該液晶屏配套的專用芯片，包括視頻信號前置放大 芯片 (CXA2lllR)， 專用鎖相環(huán)芯片(CXA3106AQ)， 視頻驅(qū)動芯片 (CXA2ll2R)以及時鐘信號發(fā)生芯片 (CXD3500R)等。該芯片提供了視頻信號曲線上的黑電平 黑電平 2與白電平三點的位置及增益的伽瑪校正。 液晶屏的直接驅(qū)動芯片是 CXA2111R，芯片作用包括視頻信號的采樣保持、反轉(zhuǎn)放大以及產(chǎn)生公共電極電壓。 利用一個高速 視頻放大器 AD811構(gòu)成的加減法電路來處理視頻信號。 (a) (b) 圖 35 反轉(zhuǎn)前后視頻信號 (a)反轉(zhuǎn)前的視頻信號 (b)反轉(zhuǎn)后的視頻信號 數(shù)字同步信號處理 根據(jù)本文采用的液晶屏，選擇行同步信號頻率為 ，場同步信號頻 率為60Hz，則所需要產(chǎn)生的像素時鐘信號頻率應(yīng)該是 40MHz。該芯片還支持反轉(zhuǎn)、場反轉(zhuǎn)兩種驅(qū)動方式和顯示圖像的左 /右 /上 /下反轉(zhuǎn)掃描時序。 此外液晶屏控制時鐘包括左右鏡像控制時鐘 RGT、 上下翻轉(zhuǎn)控制時鐘 DWN、液晶屏的工作模式選擇信號 MODE1門選通信號 ENB以及翻轉(zhuǎn)時鐘控制信號 FRP等等， SVGA工作模式下的時序圖如圖 36所示。 18 本電路系統(tǒng)中的寄存器很多很繁亂，而在實際應(yīng)用中，有時僅僅需要調(diào)節(jié)其中某個寄存器值而又不想重新載入單片機(jī)程序，因而可以添加串口通信模塊，編 寫串口通信程序，使用軟件方式來對寄存器值進(jìn)行調(diào)整。 12C總線是同步通信的一種特殊形式，與其它形式相比， 12C總線的控制方式比較簡單，使用的接口線較少，通信速率較高，器件封裝形式更加小型化。 SPI的工作原理相當(dāng)簡單 ，由SS、 SCK、 SDI和 SDO四根線組成，兩個雙向移位寄存器在 SCK的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要過程如下：上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)，高位被先發(fā)送；上升沿來時，就會將 SDO上的數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備的寄存器中；下降沿來時，主設(shè)備的寄存器就會接收到 SDI上的數(shù)據(jù)。因此在本系統(tǒng)中加入了大量的去耦電容及用 RC電路來吸收繼電器等元件的放電電流。噪聲干擾會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能，因此必須要抑制噪聲干擾。 (2)電源和地的去耦 無論電路板有無專門的地層和電源層，都必須在電源和地之間加足夠且分布合理的電容。過長的引線會在高頻信號影響下引起電感效應(yīng)，產(chǎn)生自激振蕩，所以小 電容應(yīng)該盡可能地接近對應(yīng)元器件的電源、地管腳，而電容與元器件電源、地之間的連接線應(yīng)較寬[21]。當(dāng)幾條高速信號并行走線且信號線的間距越小，并行線越長時，并行線之間的容性耦合、感性耦合就越大，串?dāng)_也越大。 實驗 結(jié)果 表明： 在設(shè)計 光學(xué)系統(tǒng)的光路 中使用液晶空間光調(diào)制器 時， 入射光束的相位調(diào)制 可以通過 根據(jù)液晶分子的空間分布特性 而 采用 的 計算全息方法 生成 圖片來 實現(xiàn) ， 并可以根據(jù)實驗需求，連接與 PC機(jī) 與 空間光調(diào)制器， 修改 空間光 調(diào)制器的相應(yīng)參數(shù) 。 21 第四章 利用液晶空間光調(diào)制器研究液晶空間光場模式 利用液晶的位相調(diào)制效應(yīng)可以制作位相光柵，討論一維矩形波位相光柵的衍射特性。 圖 41 MachZenhder雙光束干涉光路圖 經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后，波 長為 633nm的激光通過一個 1/4玻片變成圓偏振光，經(jīng)分光棱鏡分成兩束光，一束通過 SLM的是調(diào)制光路，其中液晶屏兩側(cè)的偏振片 P1和 P2的作用是控制調(diào)制模式；另一束光稱為參考光路，利用偏振片 P3調(diào)節(jié)參考光的光強(qiáng)和偏振態(tài)，使干涉條紋清晰。 最大相位調(diào)制量的測量分析 只有相位調(diào)制量達(dá)到 2π的時候才可能 實現(xiàn)純相位 調(diào)制，然而相位調(diào)制與前 后偏振片的傾角 Ф1和 Ф2有關(guān) [28]，因此，在這里首先介紹一下偏振片的配置。但是在主要的配置點附近反復(fù)實驗，得到當(dāng)偏振片配置為 (170176。,0176。這就意味著可能會消除零級主亮紋或者提高干涉級次，這對于應(yīng)用光譜儀器的分光元件具有重要意義。制作的基本方法是：根據(jù)電尋址的原理，以掃描的方式將按設(shè)計需要產(chǎn)生的電壓信號加載在各像素上，然后根據(jù)液晶的位相調(diào)制效應(yīng)，各像素對讀出光的位相延遲 Ф(x,y)將正比于調(diào)制電壓 V(x， y)。水平方向位 相光柵周期為 2 個、 4 個和 8 個像素對應(yīng)的衍射效應(yīng)圖如 45(d)、 (e)、 (f)所示。 位相光柵實驗參數(shù)的測量 如圖 46 所示為實驗 光路圖，用波長 λ=632nm 的激光束經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后，直接照射到液晶屏上，衍射光經(jīng)過傅里葉透鏡后匯聚，用 CCD進(jìn)行頻譜光斑的采集。 根據(jù)光柵方程 sindm??? 和 0X Ltg?? ，設(shè)計參數(shù) d、 、 L就能夠計算出一級衍射斑的空間位置。根據(jù)是用來調(diào)制入射光的振幅還是相位可以將波帶片分成振幅型和相位型兩種 。 X0 L LCD HeNe 激光 m=1 m=0 m=1 26 將式 ()傅里葉展開（ 212R 歸一化為 1）得到 ? ? ? ?2221e x p , 0 , 2 ,2nn Rt R a in nR??? ? ???? ? ?????? () 式 （ ） 中 ? ? ? ?21412 2 2 21104 e x pRna R in R R d R?? ???? ??? ? ? ? ? ? ?12 e x p 2 1 e x p s i n 2i n i n c n???? ? ? ? ? ????? () 振幅為 A0=1的平面波沿著 Z軸方向垂直入射到波帶上，由菲涅爾衍射積分公式求得在傍軸條件下垂直 Z軸的任意平面上的衍射光復(fù)振幅分布為式 () ? ? ? ? ? ? ? ? 2239。ix y z t R x x y y d x d yz??????? ? ? ????????? () 相位型菲涅爾波帶片主焦點為 n=1時對應(yīng)點的焦距可由式 ()、 ()代入式 ()得到即如式 ()所示。 (a)