【正文】 、高速的同步通信總線，節(jié)約了芯片管腳，這種簡易特性使得越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。 表 31 倍率與基準(zhǔn)時(shí)鐘 模式 分辨率 FSYNC/kHZ FCLK/MHZ 計(jì)數(shù)器設(shè)置 Cl/μF R1/Ω VGA 800600 1056 3300 CXD3500R芯片產(chǎn)生 SVGA、 XGA等 視頻信號(hào)和 NTSC、 PAL等電視信號(hào)所需的掃描控制時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)通過外部 SPI通信接口可以控制其工作模式。如果想要無失真的重現(xiàn)光學(xué)圖像，就必須讓液晶屏輸入灰度與輸出灰度成線性關(guān)系，也就是說視頻信號(hào)的傳輸特性曲線為線性，這由CXXA2111R的伽瑪校正來決定。 13 第三章 液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 空間光調(diào)制器 系統(tǒng)的工作過程是接受來自計(jì)算機(jī)的顯卡輸出，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將視頻信號(hào)顯示在晶體管液晶屏上，這整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成 [20]。 圖 26 空間調(diào)制器示意圖 (a)透射型電尋址 (b)反射型電尋址 (c)透射型光尋址 (d)反射型光尋址 電尋址液晶 空間光調(diào)制器 常見的電尋址液晶空間光調(diào)制器有兩種：一種是矩陣尋址式液晶光閥，另一種是電荷耦合器尋址式液晶光閥 。 (6) 混合場效應(yīng) 混合場效應(yīng)，其實(shí)就是指電致雙折射效應(yīng) 與扭曲效應(yīng) 的結(jié)合。之間。如 圖 23(b)所示，光沿著光軸入射，光的傳播方向同樣不會(huì)改變。 液晶內(nèi)部發(fā)生的彈性形變一般有三種基本形式（圖 22）：展曲 (splay)、扭曲(twist)和彎曲 (bend)。 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。計(jì)算全息是利用計(jì)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。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的輸出激光脈沖脈寬為 100μs、 波長為、光功率為 800W。至此世界掀起了研究液晶的熱潮。 一般情況下，組成 SLM 的單元可以獨(dú)立的 在 信號(hào)源信號(hào)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(shí)現(xiàn)非相干光到相干光的轉(zhuǎn)換等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空域和時(shí)域的變換或調(diào)制。液晶空間光調(diào)制器相對(duì)于其他的空間光調(diào)制器而言，制作簡單，成本較低，且能高效率 地實(shí)現(xiàn)對(duì)光波進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制。能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)或多級(jí)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。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。為取得更好效果的衍射相位圖，可以對(duì)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(duì)取樣光束進(jìn)行實(shí)時(shí) 校正。 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。 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。 (1) 動(dòng)態(tài)散射效應(yīng) 動(dòng)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(shí)，液晶分子的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得紊亂，從而使得各處折射率隨時(shí)間發(fā)生變化，入射光發(fā)生散射的現(xiàn)象。 由于 液晶的雙折射特性，液晶分子在被施加電壓時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生電致雙折射效應(yīng)。如圖 24(b)所示，由于液晶分子的取向會(huì)受電場的影響，因此當(dāng)在液晶盒上施加一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，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(huì)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。 需要指出的是 ： (1) 光尋址 時(shí) 實(shí)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(gè)二維光強(qiáng)進(jìn)行分布成像，使調(diào)制器與寫入信號(hào)的像素在空間上一一對(duì)應(yīng)，以此 來實(shí)現(xiàn)尋址 。 S L M 寫入 （電）信號(hào) 讀出光 輸出光 S L M 寫入（電）信號(hào) 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(dòng)態(tài)散射效應(yīng)、混合場效應(yīng) 等等。 (3)電源信號(hào)：包括行場掃描所需要的兩個(gè)電源及公共的 電極電壓信號(hào)。 利用一個(gè)高速 視頻放大器 AD811構(gòu)成的加減法電路來處理視頻信號(hào)。 18 本電路系統(tǒng)中的寄存器很多很繁亂，而在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)僅僅需要調(diào)節(jié)其中某個(gè)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(duì)寄存器值進(jìn)行調(diào)整。噪聲干擾會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能，因此必須要抑制噪聲干擾。 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果 表明： 在設(shè)計(jì) 光學(xué)系統(tǒng)的光路 中使用液晶空間光調(diào)制器 時(shí)， 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(jì)算全息方法 生成 圖片來 實(shí)現(xiàn) ， 并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)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) 。但是在主要的配置點(diǎn)附近反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到當(dāng)偏振片配置為 (170176。水平方向位 相光柵周期為 2 個(gè)、 4 個(gè)和 8 個(gè)像素對(duì)應(yīng)的衍射效應(yīng)圖如 45(d)、 (e)、 (f)所示。 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。, e x p 39。 24 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 45 CCD 采集的 位相 光柵的衍射圖像 由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，衍射方向和受到限制的方向相同，受限制程度越大，衍射圖形越擴(kuò)展，衍射效應(yīng)就越強(qiáng)。)時(shí)，相位的調(diào)制量最大。在本文中，采取的是從相位和光強(qiáng)分布兩個(gè)方面來研究光場的空間分布。值得注意的是，當(dāng)焊盤和過孔比較密集時(shí)，通孔和過孔會(huì)將地層打斷，地層變得不連續(xù)，因此在過孔布線時(shí)應(yīng)該將盡可能多的網(wǎng)絡(luò)在元件面布通，來減少20 過孔 數(shù)目。不同寄存器的設(shè)置方式并不相同，對(duì)于視頻信號(hào)前置處理芯片 CXA2111R，本文使用 12C總線的通信方式，而對(duì)于時(shí)鐘發(fā)生器 CXD3500R及鎖相環(huán) CXA3106AQ則采用 SPI三線制通信方式。由于 FRP信號(hào)觸發(fā)視頻信號(hào)的反轉(zhuǎn)，此時(shí)可以將抬升 1V后的視頻信號(hào)減去 FRP信號(hào)，減去的部分正好就是直流偏置電壓的視頻信號(hào) IN。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的作用 SLM 對(duì)光的折射率與驅(qū)動(dòng)電壓呈單調(diào)性關(guān)系，實(shí)際的應(yīng)用中，可以將調(diào)制器做成與 LCD 的像素陣列類似的結(jié)構(gòu)，一個(gè)電壓單獨(dú)地控制一個(gè)像素點(diǎn)，這樣一來就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)制器控制一個(gè)光陣列的折射率，之后再將光信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)制器的表面，因?yàn)橄袼氐恼凵渎识疾幌嗤?，所?折射后的光線就相當(dāng)于完成了一次二維矩陣矢量運(yùn)算，這種運(yùn)算可以在一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換期間完成對(duì)數(shù)據(jù)的乘積、加權(quán)運(yùn)算，因此與普通的 CPU 相比，這種光信號(hào)處理器效率更高，功耗更低，更加適合應(yīng)用到今后的高速低功耗信號(hào)處理中。 兩種空間光調(diào)制器各有特點(diǎn)：光尋址空間調(diào)制器是并行尋址，電尋址空間光調(diào)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。 但是要防止寫入光和讀出光之間的串?dāng)_ ，一般是在 空間光調(diào)制器 做成反射式的，并且在中間添加一個(gè)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?dāng)_。在無外加電場時(shí) 膽甾型 液晶內(nèi)部呈現(xiàn)分子團(tuán)結(jié)構(gòu)，不同分子團(tuán)的排列方向是各不相同的，所以液晶總體呈現(xiàn)乳白色不透明狀態(tài)。此時(shí)極化的液晶分子會(huì)受到一個(gè)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，使得液晶分子不再是按照扭曲結(jié)構(gòu)排列，破壞分子原有的排列，結(jié)果會(huì)使液晶盒對(duì)入射偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。在低溫的條件下記憶功能的持續(xù)時(shí)間會(huì)比較長，甚至可持續(xù)幾個(gè)月，因此動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)多應(yīng)用于液晶顯示和存儲(chǔ)。液晶的電導(dǎo)各向異性反應(yīng)的是液晶的導(dǎo)電性。 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。利用液晶空間光調(diào)制器實(shí)時(shí)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。 1998 年， B. Loiseaux 等人采用光尋址液晶空間光調(diào)制器對(duì)一束激光光束進(jìn)行相位和振幅的控制 [7]。 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(dòng)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。 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。 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)空間光場分布進(jìn)行調(diào)制的器件。五年后即 1968 年該公司發(fā)表了全球第一臺(tái)利用液晶特性來顯示畫面的屏幕，即電尋址 SLM[4]。若是用于對(duì)偏振光的整形，透過率則會(huì)降低至 35%。還可以利 用“光鑷子”測量單個(gè)肌肉蛋白分子，進(jìn)而研究動(dòng)物肌肉活動(dòng) [8]。 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。 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) (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。 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(zhuǎn)方向，其值在 0176。另一些晶體，光矢量平行于分子長軸時(shí)，吸收某波長的光，與長軸垂直時(shí)，吸收另外波長的光。 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條狀電極來完成的， 因此 像素尺寸也有限度，即有一個(gè)分辨率極限 。 本文中選用的是液晶來制作調(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。 模擬視頻信號(hào)處理 (a)