【導(dǎo)讀】院系電氣與電子工程學(xué)院。專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)。

　　

【正文】 不相同的電容，然后在電源和地的主干線上均勻地放置一些大電容。將 在每個中小規(guī)模的集成電路器件附近 ，尤其是管腳較多、功耗較大的器件周圍應(yīng)多放幾個小電容。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]。 (3)信號線的設(shè)計 信號線應(yīng)看成是傳輸線，如果信號線之間的阻抗不匹配，就會導(dǎo)致信號在信號線上產(chǎn)生很大的反射。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(yīng)。另外在輸出、輸入端連接匹配電阻來實現(xiàn)阻抗匹配的目的。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。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，同時盡量減小并行線的長度。 本章 小結(jié) 設(shè)計 液晶 空間光調(diào)制器的硬件電路和軟件程序，并進行硬件電路制板、焊接、組裝和軟硬件調(diào)試，最后進行系統(tǒng)功能 的 驗證，完成要求的設(shè)計功能。 設(shè)計的液晶空間光調(diào)制器能夠 將 計算機 VGA 接口輸出的圖像 清晰且 實時地顯示 出來 ， 其 工作模式為 XGA 模式，刷新頻率為 60 Hz。 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 與 空間光調(diào)制器， 修改 空間光 調(diào)制器的相應(yīng)參數(shù) 。 研究空間光場，一般是從相位、光強、振幅等方面進行分析。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。在后文中會詳細介紹利用液晶空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性設(shè)計制作位相光柵，利用位相光柵進行光的衍射實驗，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得到聚焦效果較好的陣列透鏡， 得到焦面光強分布。 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。本章首先研究了 如何利用液晶空間光調(diào)制器實現(xiàn)純相位調(diào)制，然后利用純相位液晶空間光調(diào)制器實現(xiàn)相位光柵的制作并對其中一些參量進行測量與討論。本章第二部分則是介紹了利用液晶空間光調(diào)制器制作菲涅爾波帶片模擬陣列透鏡，測得聚焦效果以及光強分布。 液晶空間光調(diào)制器模擬位相光柵 相位測量基本光路 測量 液晶空間光調(diào)制器的相位調(diào)制 特性有很多方法 [2227]，而在本文中采用的是MachZenhder雙光束干涉光路，其光路原理如圖 41所示。 圖 41 MachZenhder雙光束干涉光路圖 經(jīng)過擴束準(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)參考光的光強和偏振態(tài)，使干涉條紋清晰。計算機 1用來控制液晶屏，并給液晶屏添加需要顯示的灰度圖像。計算機 2用來顯示 CCD采集所獲取的干涉圖。如果在 P2后添加擋住參考光的功率計，就可以對 SLM進行振幅調(diào)制的測試。 最大相位調(diào)制量的測量分析 只有相位調(diào)制量達到 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。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。偏振片角度定義是逆著光的傳播方向看，Ф1是液晶屏前表面分子的方向到 P1偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)的角度， Ф2是液晶屏后表面分子的方向到 P2偏振方向逆時針旋轉(zhuǎn)的角度。 圖 42 液晶屏及表面分子取向 實驗中相位的變化沒有什么規(guī)律，這可能與實驗中使用的儀器如偏 振片的質(zhì)量有一定的關(guān)系，與此同時實驗結(jié)果與外界光源、地面振動以及前后偏振片的角度也有一定的關(guān)系。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。)時，相位的調(diào)制量最大。如圖 43所示，圖中給出了偏振片在配置為 (170176。,0176。)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 。 圖 43 CCD 采集的干涉條紋圖像 (a)上部灰度為 0 (b)上部灰度為 120 (c)上部灰度為 180 (d)上部灰度為 250 P1 P2 Ф1 Ф2 Y X Z 23 制作 位相光柵 位相光柵是一種 調(diào)制 入射光 位相 實現(xiàn)薄面分割 的衍射光學(xué)元件 ，理論上來說能夠部分避免甚至完全避免振幅光柵帶來的吸收損耗，從而提高衍射效率。光柵必須引入一定的位相差分布到入射光中，才能實現(xiàn)對入射光的位相調(diào)制。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。 在驅(qū)動電路中，加載在液晶分子兩側(cè)的電壓限制在 0~， 以認為是 液晶分子的光學(xué)轉(zhuǎn)變閾值電壓。因此在設(shè)定的電壓范圍內(nèi)，將調(diào)制信號的電壓值線性的轉(zhuǎn)化為液晶對讀出光波的位相延遲，液晶屏可以近似產(chǎn)生純相位調(diào)制。 位相調(diào)制的動態(tài)范圍在 π以上，利用液晶的純相位調(diào)制效應(yīng)可以制作不同的衍射光學(xué)元件以及二元光學(xué)元件。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)。這樣即可按照設(shè)計需要，對讀出光波進行任意的位相調(diào)制。 本文利用液晶屏制作了一維實時矩形波位相 光柵 (圖 44(a)(b))，也可等效為一個鋸齒形透鏡（圖 44(c)） 。 (a) (b) (c) 圖 44 矩形光柵 (a)垂直方向的矩形光柵 (b)水平方向的矩形光柵 (c)等效透鏡 本文利用制作的兩種位相光柵進行了衍射實驗，測得垂直方向位相光柵的光柵周期分別為 2 個 (圖 45(a))、 4 個 (圖 45b))和 8 個 (圖 45(c))像素大小時的衍射效應(yīng)。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。 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，衍射沿著水平方向；當(dāng)光柵條紋是水平方向時，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。 24 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 45 CCD 采集的 位相 光柵的衍射圖像 由實驗現(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，衍射圖形越擴展，衍射效應(yīng)就越強。簡單一點來說就是，光柵周期 越小， 衍射現(xiàn)象越明顯，反之，衍射現(xiàn)象就越模糊。 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進行頻譜光斑的采集。 圖 46 光柵實驗光路圖 在這里，根據(jù)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。 CCD 激光器 擴束準(zhǔn)直 玻片 P1 LCD P2 傅里葉透鏡 25 圖 47 衍射光路圖 如圖 47所示，以兩個像素作為光柵周期的情況為例，在接收屏上接收到由位相光柵產(chǎn)生的衍射圖案，衍射級次 m為 177。1 ，從衍射效應(yīng)圖可知衍射圖案是與 0級衍射相對稱的，因此，只需要計算 m=1時衍射斑的空間位置。 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。 本文中所采用的液晶屏像素為 600個，垂直方向尺寸為 ，光柵周期 d為兩個像素，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 30 .6 3 2 8 1 0 mm? ??? 根據(jù)光柵方程 sindm??? ，取 m=1，即可計算得到 sin?? ，測得 L=，可算出 X0=，與實際試驗測得一級衍射斑的空間位 X00=。 采用液晶空間光調(diào)制器制作菲涅爾波帶片 利用液晶空間光調(diào)制器的光學(xué)調(diào)制特性，制作陣列數(shù)與焦長可調(diào)控的陣列菲涅爾波帶片 (FZP)。 波帶片是一種衍射成像的光學(xué)元件。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 。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 。由于本文是基于相位調(diào)制來進行實驗研究的 ，因而本文主要討論相位型 FZP。 經(jīng)常使用的波帶片有矩形波帶片和正弦波帶片兩種：相位型矩形波帶片的振幅透射率為 ? ? ? ? 2 2 2 2 2 222 1 1 1 1220 112 2 2 3 2e x pmm R m R R R m R Rt R i re c t re c tRR? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ???? ? ? ?? ? ? ???? () 式 ()中 Ф表示光束入射到不同環(huán)帶的相位變化 ；第一個 rect函數(shù)表示環(huán)帶有相位突變，第二個 rect函數(shù)則是表示環(huán)帶無相位變化。 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。, 39。, e x p 39。 39。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。 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(shù)進行設(shè)值，則可以生成相位型矩形波帶片，如圖 47 所示即為計算機生成的陣列菲涅爾波帶片。 (a) (b) 圖 47 計算機生成的 44 陣列菲涅爾波帶片 (a)正弦型 (b)矩形 根據(jù)式 ()可利用計算機模擬焦平面的光強分布，主焦點處的光強最大，計算機程序搜索到最大光強處的衍射距離為 Z=fa 時，因此 fa 為焦距，將焦距 fa 代入式()中得到焦平面的光強分布。如圖 48 為計算機得出焦長為 f=120mm 的波帶片焦27 平面光強分布三維圖。 (a)