【正文】 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? () 計算機模擬菲涅爾波帶片 相位型正弦波帶片可以由球面波與平面波相干疊加得到，在計算機模擬時，對正弦波帶片的某些參數進行設值，則可以生成相位型矩形波帶片，如圖 47 所示即為計算機生成的陣列菲涅爾波帶片。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 。 圖 46 光柵實驗光路圖 在這里，根據實驗，本文利用制作的位相進行了光衍射實驗，并測量衍射斑的空間位置。這樣即可按照設計需要，對讀出光波進行任意的位相調制。)情況下，液晶屏加載圖像灰度為 0、 1 180、 250時的條紋移動干涉圖，可以看出上半部的條紋移動接近一個條紋，即 2 。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分別標出了液晶屏前22 后表面分子的取向，兩者相差大約為 90176。本章首先研究了 如何利用液晶空間光調制器實現純相位調制，然后利用純相位液晶空間光調制器實現相位光柵的制作并對其中一些參量進行測量與討論。因此從感性和容性耦合的角度分析，消除串擾的最有效的方法就是增大并行線間的間 距，同時盡量減小并行線的長度。為消除多種頻率成分造成的開關噪聲，可以主線上放盡量多的且容量不同的電容。用串聯(lián)電阻的方法來降低電路信號邊沿的跳變速率且盡量讓時鐘芯片周圍的電動勢為零等原則來繪制原理圖。 (2) SPI總線： 串行外圍接口設備 SPI總線技術是 Motorola公司開發(fā)設計的一種同步串行接口的三線同步總線。 數字同步信號處理 AT89S52是一種具有 8K系統(tǒng)可編程的 Flash存儲器的 8位 CMOS微控制器，其優(yōu)點是高性能、低功耗，且與工業(yè) 80C51產品引腳和指令能 完全兼容，可在常規(guī)編程器中使用。 CXA3160AQ 是內部有振蕩器和計數器的鎖相環(huán)控制器，如表 31 所示計數器設置倍率可以通過寄存器設置值來給出。為防止液晶屏的老化，采用方向交替變化的交流電場作為驅動方式，在 CXA2111R芯片內部建立反轉放大器，從而避免液晶分子的偏轉方向總是不變。 模擬視頻信號處理 (a) (b) 圖 32 輸入的灰度及其對應的信號波形 (a)輸入的灰度； (b)視頻信號波形圖 15 如圖 33所示是視頻信號進入 CXA2111R中的處理過程。液晶屏內 置 去串擾 、 行列驅動器、鬼像電路以及圖像上 /下、左 /右反轉功能。 本文中選用的是液晶來制作調制器，液晶的分辨率 并不高，因而決定制作電尋址空間光調制器。這樣一來將適當的電信號加在兩組柵條電極上，就可以分別控制每個像素的透過率，從而實現對光波的調制。 此 外， 由于縮小電極尺寸 有一個限度， 而 電尋址傳遞信息是通過條狀電極來完成的， 因此 像素尺寸也有限度，即有一個分辨率極限 。在 寫入光強度較低時 ，光導體的電阻很高，電壓幾乎都加在光 導層上，液晶層上電壓降很小。另一些晶體，光矢量平行于分子長軸時，吸收某波長的光，與長軸垂直時，吸收另外波長的光。 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，在液晶盒內，起偏器 P產生的線偏振光的偏振方向始終與液晶分子的長軸方向平行。 外場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軸的偏轉方向，其值在 0176。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。 (a) (b) (c) (d) 圖 23 射入液晶的光線的前進方向 (a)垂直入射均勻介質 (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 液晶是光學各向異性的物質， 分子軸平行 與 垂直 兩個方向上的折射率是不 同的，液晶分子軸即 是光軸。液 晶分子的雙折射特性，使得液晶盒顯現出許多獨特的光學性質，如光散射、光干涉和旋光等 [11]。 液晶分子的排列主要受三個 力的作用：分子間作用力、外力以及界面力。當分子長軸沿著螺旋方向 變化 360176。 根據分子排列狀態(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。 第三章說明設計制作液晶空間光調制器的過程。還可以利 用“光鑷子”測量單個肌肉蛋白分子，進而研究動物肌肉活動 [8]。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高達 80%。若是用于對偏振光的整形，透過率則會降低至 35%。 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制器制成的電尋址液晶空間光調制器也逐漸出現在人們的視線中。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]。目前， SLM 的種類有很多，有液晶空間光調制器、可變形鏡器件、微通道板、自光電效應器件、磁光器件等四十余種。 Phase grating； Space optical field model 1 第一章 緒論 概述 空間光調制器 (Spatial Light Modulator, SLM)是一種對空間光場分布進行調制的器件。 專 業(yè) 電子信息科學與技術 。 首先設計制作液晶空間光調制器，在確定選用的液晶屏之后，在前人的基礎上根據液晶屏的電光調制特性及驅動結構，改進驅動電路并對寄存器進行調整，將加載在液晶分子兩側的電壓設定在能夠實現純相位調制的區(qū)域，同時對電源結構進行了修改，使液晶空間光調制器處理信號更加穩(wěn)定。 近年來，計算機技術以及電子技術的飛速發(fā)展，很大程度地促進了 SLM 的發(fā)展。 液晶空間光調制器的 發(fā)展概況 液晶很早就被發(fā)現了，十九世紀末期，奧地利植物學家 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，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，因此該物質被稱為液態(tài)的晶體 (Liquid Crystal)即液晶。由于在直流電壓下，液晶分子和電極之間容易產生電化學反應 ，損害器件，降低器件的使用壽命，因此這種液晶光調制器并沒有得到廣泛應用。 1998 年， B. Loiseaux 等人采用光尋址液晶空間光調制器對一束激光光束進行相位和振幅的控制 [7]。 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行整形。利用液晶空間光調制器實時調制光學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，還能以復雜的相位調制方式，如螺旋相位濾波，得到新的顯微圖像。 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計的型號為 LCX026 的液晶屏，因 此主要是用在強度調制，伴隨有相位調制等方面。 液晶 材料 及 光學 特性 液晶的種類及其物理特性 目前發(fā)現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。在二維空間的平面內分子是可以滑動的，但是不能超出垂直層。液晶的電導各向異性反應的是液晶的導電性。 液晶 分子具有液體的流動性，即沒有固定的排列，能夠自由移動。在低溫的條件下記憶功能的持續(xù)時間會比較長，甚至可持續(xù)幾個月，因此動態(tài)散射效應多應用于液晶顯示和存儲。這時入射光的振動方向垂直于光線、 光軸組成的平面 ，因而該光線是 o光即尋常光 ，遵守折反射定律，照直前進。此時極化的液晶分子會受到一個轉矩產生旋轉的現象，使得液晶分子不再是按照扭曲結構排列，破壞分子原有的排列，結果會使液晶盒對入射偏振光產生雙折射效應。垂直入射光經過液晶盒時產生的 e光和 o光之間的相位差可以由公式 ()與 ()得到： ? ? 0021 d ezd n d nd???? ??? ? ?????? () ? ? 022s in c o seeennn n? ???? ? () 其中的 θ是液晶指向矢和 z軸（所加電壓方向）之間的夾角角度，由于 θ角的大小和液晶兩端所施加的電壓有關，因此電控雙折射產生的相位調制也和液晶兩端所加電壓有關。在無外加電場時 膽甾型 液晶內部呈現分子團結構，不同分子團的排列方向是各不相同的，所以液晶總體呈現乳白色不透明狀態(tài)。通常“像素”是指組成空間光調制器的獨立小單元，“寫入光”是指控制像素的信號，照明整個期間并被調制的輸出光波被稱為“讀出光”， “輸出光”則是指經過空間光調制器后岀射的光波；10 形象的說，空間光調制器可以看 做是一塊能夠按照需要快速調節(jié)透射率或其它光學參數分布的透明片，顯然，寫入信號應含有控制調制器各個像素的信息，把這些信息分別傳送到相應像素位置上去的過程，即被稱為“尋址” [14]。 但是要防止寫入光和讀出光之間的串擾 ，一般是在 空間光調制器 做成反射式的，并且在中間添加一個隔離層， 也可以使用不同波長的光，利用濾光片消除它們之間的串擾。在時鐘脈沖的控制下 MOS單元中的所有電荷可以整行轉移到相鄰單元中區(qū)，不斷重復就會形成電荷的面陣，簡單來說， CCD電路是一個結構單元，它可以實現串行輸入電壓信號到電荷面陣的轉變。 兩種空間光調制器各有特點：光尋址空間調制器是并行尋址，電尋址空間光調制器則是串行尋址，就尋址速度而言，光尋址比電尋址的要快得多。最后制作出符合要求的印制電路板 (PCB)板。 驅動電路設計 驅動電路的作用 SLM 對光的折射率與驅動電壓呈單調性關系，實際的應用中，可以將調制器做成與 LCD 的像素陣列類似的結構，一個電壓單獨地控制一個像素點，這樣一來就可以實現整個調制器控制一個光陣列的折射率，之后再將光信號傳輸到調制器的表面，因為像素的折射率都不相同，所以 折射后的光線就相當于完成了一次二維矩陣矢量運算，這種運算可以在一個電壓轉換期間完成對數據的乘積、加權運算，因此與普通的 CPU 相比，這種光信號處理器效率更高，功耗更低，更加適合應用到今后的高速低功耗信號處理中。而實現伽瑪校正既能通過對內部寄存器值的設置也可以通過芯片外部引腳電平來調整。由于 FRP信號觸發(fā)視頻信號的反轉，此時可以將抬升 1V后的視頻信號減去 FRP信號，減去的部分正好就是直流偏置電壓的視頻信號 IN。CXA2111R具有調整像素時鐘相位的功能，因而能實現高精確且穩(wěn)定地控制像素采樣時鐘。不同寄存器的設置方式并不相同，對于視頻信號前置處理芯片 CXA2111R，本文使用 12C總線的通信方式，而對于時鐘發(fā)生器 CXD3500R及鎖相環(huán) CXA3106AQ則采用 SPI三線制通信方式。 整體電路的設計 驅動 電路原理設計完成之后開始生成 PCB 板，在實際制作 PCB 板的過程中，需要注意很多問題， 根據設計的驅動電路原理圖制成 PCB板如圖 38 所示。值得注意的是，當焊盤和過孔比較密集時，通孔和過孔會將地層打斷，地層變得不連續(xù)，因此在過孔布線時應該將盡可能多的網絡在元件面布通，來減少20 過孔 數目。為消除反射就要盡量減小高速傳輸線的長度，減小信號線的傳輸效應。在本文中，采取的是從相位和光強分布兩個方面來研究光場的空間分布。計算機 2用來顯示 CCD采集所獲取的干涉圖。)時，相位的調制量最大。因此在設定的電壓范圍內，將調制信號的電壓值線性的轉化為液晶對讀出光波的位相延遲，液晶屏可以近似產生純相位調制。 24 (a) (b) (c) (d) (e)