【正文】 圖 31 TFT LCD的結(jié)構(gòu)示意圖 14 液晶屏的輸入端共有 24個信號端子，可分為以下三類： (1)行場方向的同步信號：顯示屏 顯示的控制信號， 包括 行和場方向的各種觸發(fā)信號及時鐘信號。選用的液晶屏分辨率為 800600 點(diǎn)，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。最后制作出符合要求的印制電路板 (PCB)板。本章首先介紹液晶屏像素掃描及構(gòu)造原理。電尋址空間光調(diào)制器的像素分辨率可以通過調(diào)節(jié)電極尺寸等方法進(jìn)行調(diào)整，在后文中，將會詳細(xì)介紹制作電尋址液晶空間光調(diào)制器的過程。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。 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。 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。 除此之外還有采用性能較好的鐵電晶體制成的表面穩(wěn)定鐵電液晶光閥。 矩陣尋址液晶光閥的特點(diǎn)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。在時鐘脈沖的控制下 MOS單元中的所有電荷可以整行轉(zhuǎn)移到相鄰單元中區(qū)，不斷重復(fù)就會形成電荷的面陣，簡單來說， CCD電路是一個結(jié)構(gòu)單元，它可以實現(xiàn)串行輸入電壓信號到電荷面陣的轉(zhuǎn)變。 CCD是一種陣列器件，內(nèi)部有許多 MOS結(jié)構(gòu)單元。 由于電極本身不透明，因此像素的有效通光面積與像素總面11 積之比即開口率較低，光能利用率不高 [15]。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 。 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)_。 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 。當(dāng)寫入光的光強(qiáng)達(dá)到一定值時，光導(dǎo)體電阻急劇下降， 液晶層上電壓迅速增大，盒里的液晶分子在電場的作用下會逐漸沿電場方向排列 ， 軸向與表面垂直的方向偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)程度與電場強(qiáng)度有關(guān)。 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。通?！跋袼亍笔侵附M成空間光調(diào)制器的獨(dú)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(diào)制的輸出光波被稱為“讀出光”， “輸出光”則是指經(jīng)過空間光調(diào)制器后岀射的光波；10 形象的說，空間光調(diào)制器可以看 做是一塊能夠按照需要快速調(diào)節(jié)透射率或其它光學(xué)參數(shù)分布的透明片，顯然，寫入信號應(yīng)含有控制調(diào)制器各個像素的信息，把這些信息分別傳送到相應(yīng)像素位置上去的過程，即被稱為“尋址” [14]。通過 是否施加電壓 控 制液晶器件的“開關(guān) ” 狀態(tài)。這類晶體的軸與光矢量位置的相對變化會導(dǎo)致岀射光彩的變化。 (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)。在無外加電場時 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)。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。當(dāng)光波通過液晶盒后，其偏振方向?qū)D(zhuǎn) 90176。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。垂直入射光經(jīng)過液晶盒時產(chǎn)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(guān)，因此電控雙折射產(chǎn)生的相位調(diào)制也和液晶兩端所加電壓有關(guān)。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。~90176。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。此時極化的液晶分子會受到一個轉(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)果會使液晶盒對入射偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。 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)。通常，入射光既含有圖 23(c)所示的偏振光方向，也含有圖 23(d)所示的偏振光8 方向。對液晶來說 ， 光線向分子軸方向偏折。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(jìn)。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。如圖 23(a)所示， 即使 是 折射率不同， 當(dāng)光線垂直射到 兩個均勻的各向同性介質(zhì)界面時，光線 的 傳播方向仍然 不會發(fā)生改變。 (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。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(yīng)多應(yīng)用于液晶顯示和存儲。 (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。 液晶的電光效包括動態(tài)散射效應(yīng)、電控雙折射效應(yīng)、扭曲效應(yīng)、賓主效應(yīng)、熱7 光學(xué)效應(yīng)等等。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。 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。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。實際應(yīng)用中，把通過施加外力改變分子排列狀態(tài)過程中的液晶看成一個在外力作用下會發(fā)生彈性形變的彈性連續(xù)體。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。液晶的電導(dǎo)各向異性反應(yīng)的是液晶的導(dǎo)電性。 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。之后，分子排列就會又回到初始取向了。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。在二維空間的平面內(nèi)分子是可以滑動的，但是不能超出垂直層。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。向列相液晶最大特點(diǎn)是在電場、磁場、機(jī)械力和表面力的影響下，分子排列全部朝著同一方向。 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。 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。 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。首先選擇合適的液晶屏，本文選擇的是 SONY 公司型號為 LCX026BLT 的商用液晶屏，然后根據(jù)設(shè)計要求對液晶屏進(jìn)行一些調(diào)整，如將加載在液晶分子兩側(cè)的電壓設(shè)定在可以實現(xiàn)純相位調(diào)制的區(qū)域，同時修改電源結(jié)構(gòu)、縮 小線路板的尺寸，最后完成整個電路的設(shè)計。 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。 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(shè)計的型號為 LCX026 的液晶屏，因 此主要是用在強(qiáng)度調(diào)制，伴隨有相位調(diào)制等方面。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]。 圖 12 利用計算全息重現(xiàn)預(yù)想圖像 4 液晶空間光調(diào)制器可以動態(tài)控制光束的偏轉(zhuǎn)，生成可以重現(xiàn)遠(yuǎn)場預(yù)想圖像的計算全息圖。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。利用液晶空間光調(diào)制器實時調(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。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。 飛秒激光脈沖 是 用望遠(yuǎn)鏡 對光束進(jìn)行 擴(kuò)束 ，然后利用半波片調(diào)節(jié)其在液晶光閥上的偏振方向。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(diǎn)，且分辨率為 100μm。 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(jìn)行整形。 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 。 20xx 年 ， J. Bourderion 等人報道了關(guān)于利用內(nèi)腔液晶光閥對激光空間模式進(jìn)行控制的實驗。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%。 1998 年， B. Loiseaux 等人采用光尋址液晶空間光調(diào)制器對一束激光光束進(jìn)行相位和振幅的控制 [7]。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。 九十年代日本濱松光電 公司研制出透射型 LCD 電尋址的 SLM。 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。由于在直流電壓下，液晶分子和電極之間容易產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng) ，損害器件，降低器件的使用壽命，因此這種液晶光調(diào)制器并沒有得到廣泛應(yīng)用。 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]。直到此時，液晶被發(fā)現(xiàn)近一個世紀(jì)后，“液晶”和“顯示器”這兩個專業(yè)術(shù)語才被聯(lián)系在一起，“液晶顯示器 (LCD)”才成為行業(yè)的專業(yè)名詞。 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。 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。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。其中，液晶是比較便宜也是較容易獲得的，既可實現(xiàn)對光波的相位調(diào)制又可實現(xiàn)對光波的振幅調(diào)制。 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。 近年來，計算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，很大程度地促進(jìn)了 SLM 的發(fā)展。 SLM 的控制信號既可以是光學(xué)信號，也可以是電學(xué)信號。利用光的并行性、固有速率以及互連能力，在一維或二維的光學(xué)數(shù)據(jù)場上加載 SLM 的信息，可以構(gòu)成實時光學(xué)信息處理、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光計算