【正文】 系統(tǒng)中基本的構(gòu)造單元甚至是重要的器件。 首先設(shè)計(jì)制作液晶空間光調(diào)制器，在確定選用的液晶屏之后，在前人的基礎(chǔ)上根據(jù)液晶屏的電光調(diào)制特性及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路并對(duì)寄存器進(jìn)行調(diào)整，將加載在液晶分子兩側(cè)的電壓設(shè)定在能夠?qū)崿F(xiàn)純相位調(diào)制的區(qū)域，同時(shí)對(duì)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，使液晶空間光調(diào)制器處理信號(hào)更加穩(wěn)定。 指導(dǎo)教師 李 鳴 。 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) ?；谝壕Э臻g光調(diào)制器的諸多優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了液晶空間光調(diào)制器，利用液晶空間光調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間光場(chǎng)的研究。 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(duì)空間光場(chǎng)分布進(jìn)行調(diào)制的器件。按照控制信號(hào)的不同， SLM 可以分為光尋址 [1]和電尋址 [2]兩類。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。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(lái)都是備受矚目的，近年來(lái)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(lái)越活躍。五年后即 1968 年該公司發(fā)表了全球第一臺(tái)利用液晶特性來(lái)顯示畫(huà)面的屏幕，即電尋址 SLM[4]。這種液晶光調(diào)制器采用直流電壓驅(qū)動(dòng)，以 ZnS 作為光導(dǎo)層。 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。 近年來(lái)液晶空間光調(diào)制器的應(yīng)用 近年來(lái)，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。若是用于對(duì)偏振光的整形，透過(guò)率則會(huì)降低至 35%。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 。由于是光尋址，不存在像素造成的低開(kāi)口率的問(wèn)題，因而液晶光閥的光投射系數(shù)高達(dá) 80%。 圖 11 光鑷子 近年來(lái)，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(bào)道。還可以利 用“光鑷子”測(cè)量單個(gè)肌肉蛋白分子，進(jìn)而研究動(dòng)物肌肉活動(dòng) [8]。圖 12是實(shí)用計(jì)算全息重現(xiàn)的預(yù)想圖像，中間亮斑是中央零級(jí)衍射斑。 第三章說(shuō)明設(shè)計(jì)制作液晶空間光調(diào)制器的過(guò)程。然后給出了液晶連續(xù)體理論，最后簡(jiǎn)單介紹常見(jiàn)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。 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(zhǎng)軸都朝向同一方向，其它排列則毫無(wú)規(guī)律可言。層與層之間可以滑動(dòng)。當(dāng)分子長(zhǎng)軸沿著螺旋方向 變化 360176。液晶分子長(zhǎng)軸方向和短軸方向的介電常數(shù)是不一樣的。 液晶分子的排列主要受三個(gè) 力的作用：分子間作用力、外力以及界面力。 (a) (b) (c) 圖 22 液晶相列彈性形變圖 (a)展曲 (b)彎曲 (c)扭曲 液晶的 電光 效應(yīng) 液晶的電光效應(yīng)是指液晶的光學(xué)特性會(huì)在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生改變。液 晶分子的雙折射特性，使得液晶盒顯現(xiàn)出許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，如光散射、光干涉和旋光等 [11]。撤除外電場(chǎng)時(shí)，某些液晶的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)不會(huì)立刻消失，而是 會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，這種現(xiàn)象被稱為具有記憶功能。 (a) (b) (c) (d) 圖 23 射入液晶的光線的前進(jìn)方向 (a)垂直入射均勻介質(zhì) (b)垂直入射液晶 (c)垂直紙面的偏振光入射液晶 (d)平行紙面的偏振光入射液晶 液晶是光學(xué)各向異性的物質(zhì)， 分子軸平行 與 垂直 兩個(gè)方向上的折射率是不 同的，液晶分子軸即 是光軸。圖 23(c)中 ，入射光 是 只含有偏振方向 與 紙面垂直 的偏振光。這和液晶分子 垂直于界面，入射光沿某一角度入射 的情況相同。當(dāng)施加一個(gè)電壓在液晶盒兩端時(shí)，液晶分子在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生極化。 外場(chǎng)的大小和液晶分子間、液晶分子與基片表面間作用力決定了分子長(zhǎng)軸的偏轉(zhuǎn)方向，其值在 0176。 由于液晶具有電致雙折射效應(yīng)，因而可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)調(diào)制液晶產(chǎn)生不同的相位。 如圖 24(a)所示，入射光自左垂直入射到不施加電壓的液晶盒時(shí)，在液晶盒內(nèi)，起偏器 P產(chǎn)生的線偏振光的偏振方向始終與液晶分子的長(zhǎng)軸方向平行。 (a) (b) 圖 24 液晶的扭曲 (a)液晶盒不加電壓時(shí) (b)液晶盒加電壓時(shí) (4) 相變效應(yīng) 相變效應(yīng)是指因磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用發(fā)生的膽甾相 — 向列相變的電光效應(yīng)。另一些晶體，光矢量平行于分子長(zhǎng)軸時(shí)，吸收某波長(zhǎng)的光，與長(zhǎng)軸垂直時(shí)，吸收另外波長(zhǎng)的光。 空間光調(diào)制器的原理 空間光調(diào)制器含有很多排列成一維或二維陣列的獨(dú)立單元，各個(gè)單元都可以完全獨(dú)立地在電學(xué)信號(hào)或者光學(xué)信號(hào)的控制下，利用各種物理效應(yīng)（聲光效應(yīng)、泡克耳斯效應(yīng)、半導(dǎo)體的自電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、光折變效應(yīng)、克爾效應(yīng)等）來(lái)改變光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明在其上的光波進(jìn)行調(diào)制的目的。在 寫(xiě)入光強(qiáng)度較低時(shí) ，光導(dǎo)體的電阻很高，電壓幾乎都加在光 導(dǎo)層上，液晶層上電壓降很小。 光尋址是一種并行的尋址方式 ， 這種方式的特點(diǎn)是尋址速度最快，所有像素的尋址幾乎是同時(shí)完成的 ， 并且理論上來(lái)說(shuō)像素的大小只受尋址光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制 。 此 外， 由于縮小電極尺寸 有一個(gè)限度， 而 電尋址傳遞信息是通過(guò)條狀電極來(lái)完成的， 因此 像素尺寸也有限度，即有一個(gè)分辨率極限 。每個(gè) MOS單元中存儲(chǔ)著一定的可以作為信息的電荷。這樣一來(lái)將適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)加在兩組柵條電極上，就可以分別控制每個(gè)像素的透過(guò)率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)制。然后簡(jiǎn)單介紹了液晶空間光調(diào)制器的原理和分類，對(duì)電尋址液晶空間光調(diào)制器的主要兩類也做了一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明。 本文中選用的是液晶來(lái)制作調(diào)制器，液晶的分辨率 并不高，因而決定制作電尋址空間光調(diào)制器。然后詳細(xì)介紹了空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路的作用及各部分組成，根據(jù)選擇的液晶屏設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路中的寄存器設(shè)置過(guò)程及軟件的 編寫(xiě)進(jìn)行了分析。液晶屏內(nèi) 置 去串?dāng)_ 、 行列驅(qū)動(dòng)器、鬼像電路以及圖像上 /下、左 /右反轉(zhuǎn)功能。 行移位寄存器、門(mén)電路和 CMOS采樣保持電路構(gòu)成行方向驅(qū)動(dòng)器；行方向觸發(fā)信號(hào)到來(lái) 時(shí)會(huì)依次選通該行的每個(gè) 像素，每 一 行的視頻信號(hào)在掃描進(jìn)行位寄存器之后再將視頻信號(hào)添加到液晶像素上；而場(chǎng)移位寄存器、使能端和 緩沖器則構(gòu)成場(chǎng)方向驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)場(chǎng)方向觸發(fā)信號(hào)到時(shí)，液晶屏上一行顯示像素的使能端將會(huì)被場(chǎng)方向驅(qū)動(dòng)器打開(kāi) ，這樣一來(lái) 行移位寄存器中存儲(chǔ)的一行視頻信號(hào)就會(huì)被平行地送入該行的液晶 分子上， 逐行掃描，從而實(shí)現(xiàn)全畫(huà)幅的控制。 模擬視頻信號(hào)處理 (a) (b) 圖 32 輸入的灰度及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形 (a)輸入的灰度； (b)視頻信號(hào)波形圖 15 如圖 33所示是視頻信號(hào)進(jìn)入 CXA2111R中的處理過(guò)程。通過(guò)伽瑪校正可以調(diào)節(jié)不同灰度位置的增益大小、改變?cè)鲆媲€，從而來(lái)保證圖像無(wú)失真。為防止液晶屏的老化，采用方向交替變化的交流電場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)方式，在 CXA2111R芯片內(nèi)部建立反轉(zhuǎn)放大器，從而避免液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向總是不變。首先將整個(gè) 輸出的視頻信號(hào)抬升 1V， FRP信號(hào)的電壓幅度大約為 ，可以將 FRP信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)成 2V。 CXA3160AQ 是內(nèi)部有振蕩器和計(jì)數(shù)器的鎖相環(huán)控制器，如表 31 所示計(jì)數(shù)器設(shè)置倍率可以通過(guò)寄存器設(shè)置值來(lái)給出。 17 圖 36 SVGA模式下的工作時(shí)序 圖 將 CXA3106AQ產(chǎn)生的外部同步信號(hào) MCLK輸給 CXA2111R作為像素采樣時(shí)鐘。 數(shù)字同步信號(hào)處理 AT89S52是一種具有 8K系統(tǒng)可編程的 Flash存儲(chǔ)器的 8位 CMOS微控制器，其優(yōu)點(diǎn)是高性能、低功耗，且與工業(yè) 80C51產(chǎn)品引腳和指令能 完全兼容，可在常規(guī)編程器中使用。 軟件設(shè)計(jì) 利 用 AT89S52來(lái)設(shè)置 CXA2111R、 CXA3106AQ和 CXD3500R的寄存器值。 (2) SPI總線： 串行外圍接口設(shè)備 SPI總線技術(shù)是 Motorola公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一種同步串行接口的三線同步總線。 圖 37 控制程序流程圖 開(kāi)始 初始 化 CXD3500R 初始化 CXA3106R 初始化 CXA2111R 收到 PC 指令 指令解析 功能執(zhí)行 否 是 19 系統(tǒng)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的要求執(zhí)行，使用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)對(duì)各寄存器讀寫(xiě)的程序，一定要注意芯片的初始順序的要求，程序執(zhí)行流程圖如圖 37所示。用串聯(lián)電阻的方法來(lái)降低電路信號(hào)邊沿的跳變速率且盡量讓時(shí)鐘芯片周圍的電動(dòng)勢(shì)為零等原則來(lái)繪制原理圖。為抑制噪聲干擾，在本系統(tǒng)中主要采取了以下幾個(gè)措施： (1)采用多層電路板 為了有效地減小干擾可以采用增大布地面積的方法，電路板的布線難度隨著各種元器件的小型化、封裝密集化而增加，使用多層電路板可以讓電源和地的布線變得更簡(jiǎn)單。為消除多種頻率成分造成的開(kāi)關(guān)噪聲，可以主線上放盡量多的且容量不同的電容。 (3)信號(hào)線的設(shè)計(jì) 信號(hào)線應(yīng)看成是傳輸線，如果信號(hào)線之間的阻抗不匹配，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在信號(hào)線上產(chǎn)生很大的反射。因此從感性和容性耦合的角度分析，消除串?dāng)_的最有效的方法就是增大并行線間的間 距，同時(shí)盡量減小并行線的長(zhǎng)度。 研究空間光場(chǎng)，一般是從相位、光強(qiáng)、振幅等方面進(jìn)行分析。本章首先研究了 如何利用液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)純相位調(diào)制，然后利用純相位液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)相位光柵的制作并對(duì)其中一些參量進(jìn)行測(cè)量與討論。計(jì)算機(jī) 1用來(lái)控制液晶屏，并給液晶屏添加需要顯示的灰度圖像。如圖 42所示，光路中要求液晶屏表面和偏振片都與 xy平面平行，圖 42分別標(biāo)出了液晶屏前22 后表面分子的取向，兩者相差大約為 90176。,0176。)情況下，液晶屏加載圖像灰度為 0、 1 180、 250時(shí)的條紋移動(dòng)干涉圖，可以看出上半部的條紋移動(dòng)接近一個(gè)條紋，即 2 。 在驅(qū)動(dòng)電路中，加載在液晶分子兩側(cè)的電壓限制在 0~， 以認(rèn)為是 液晶分子的光學(xué)轉(zhuǎn)變閾值電壓。這樣即可按照設(shè)計(jì)需要，對(duì)讀出光波進(jìn)行任意的位相調(diào)制。 由圖 45 可以看出，衍射方向與光柵條紋方向相反，當(dāng)光柵條紋是垂直方向時(shí)，衍射沿著水平方向；當(dāng)光柵條紋是水平方向時(shí)，衍射沿著垂直方向，兩種光柵的衍射效應(yīng)都隨著光柵周期的增大而減弱。 圖 46 光柵實(shí)驗(yàn)光路圖 在這里，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本文利用制作的位相進(jìn)行了光衍射實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量衍射斑的空間位置。 本文中所采用的液晶屏像素為 600個(gè)，垂直方向尺寸為 ，光柵周期 d為兩個(gè)像素，由此可以算出光柵周期 ? ?1 3 .9 6 0 0 2 0 .0 4 6 3 0d m m? ? ? HeNe激光器的波長(zhǎng) 30 .6 3 2 8 1 0 mm? ??? 根據(jù)光柵方程 sindm??? ，取 m=1，即可計(jì)算得到 sin?? ，測(cè)得 L=，可算出 X0=，與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得一級(jí)衍射斑的空間位 X00=。二者的區(qū)別在于相鄰環(huán)帶是否全部透明，并且環(huán)帶之間是否有相位差 。, 39。 21 , ( n 1 , 3 , 5 , )nf R n?? ? ? ? ? () 相位型正弦波帶片的透射率為式 ()所示： ? ? ? ?21e x p c o s 2t R it k R d? () 計(jì)算機(jī)模擬菲涅爾波帶片 相位型正弦波帶片可以由球面波與平面波相干疊加得到，在計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，對(duì)正弦波帶片的某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)值，則可以生成相位型矩形波帶片，如圖 47 所示即為計(jì)算機(jī)生成的陣列菲涅爾波帶片