空间光调制器
3.7-空间光调制器资料
c ,c m,c 2m
时间调制器
电光调制器：电场控制 （克尔效应或泡克耳斯效应）
磁光调制器（磁光效应）
声光调制器：用超声信号驱动
幅度大而速度快的光强时间调制器可 作光开关
幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器
空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化， 进行调制，可产生光强的某种空间分布。
A(x,y)＝A0T(x,y)
或者是形成随坐标变化的相位分布 A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
y x
或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义， 这是一种对光波的空间分布进行调制的器件。它的英文名 称是Spatial Light Modulator(SLM)。
空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成 一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光信号或电 信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反 射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这 些单元光学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以 是光信号也可以是电信号，射入器件并被调制的光波称为 “读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输出 光”。实时的二维并行处理。
3.电光数字式扫描
由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图5所示。
图中S为KDP晶体，B为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振
光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔 b为分裂度，为分裂角（也
称离散角）。
纵向电光调制器及其工作原理
T
Io Ii
sin 2
2
sin
2
2
V V
上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字扫描器， 入射的线偏振光随电光晶体上加和不加半波电压而分别占据两 个“地址”之一，分别代表“0”和“l”状态 。
空间光调制器原理
空间光调制器原理
空间光调制器是一种利用光的相位、强度或偏振进行光信号调制的设备。
它可以将电信号转换为光信号，并对光信号进行调制，实现光通信、光传感、光计算和光存储等应用。
空间光调制器的原理可以分为两类：光学调制器和光电调制器。
光学调制器是利用物质的光学非线性效应来实现光信号调制的。
通过在光学材料中加入控制电场，可以改变材料的折射率、吸收系数或光学路径长度，从而实现对光信号的调制。
常用的光学调制器包括Mach-Zehnder插入波导调制器和热光调制器等。
光电调制器则是利用光电效应来实现光信号调制的。
光电调制器通常由光探测器和电调制器两部分组成。
光探测器将光信号转化为电信号，而电调制器则利用电信号对光信号进行调制。
常用的光电调制器包括光电晶体管、光电导和光电效应晶体等。
空间光调制器在光通信系统中起着重要的作用。
它可以将电信号转换为光信号，并调制光信号的相位、强度或偏振，实现光信号的编码、解码和传输。
同时，空间光调制器还可以用于光存储和光计算等领域，广泛应用于光学信息处理、光学传感和光纤通信等领域。
总之，空间光调制器是一种重要的光学器件，它通过光学调制或光电调制的方式对光信号进行调制，用于实现光通信、光传感、光计算和光存储等应用。
空间光调制器的应用领域
空间光调制器的应用领域嘿，朋友！想象一下这样一个场景：在一个宽敞明亮的实验室里，一群科学家正围绕着一台看似神秘的设备，神情专注又兴奋。
这台设备，就是我们今天要聊的主角——空间光调制器。
这空间光调制器啊，就像是一个神奇的“光影魔术师”，在各个领域大显身手。
先来说说在显示技术领域吧，你有没有想过，为什么我们在电影院看 3D 电影时，那画面仿佛要从屏幕里冲出来扑到你脸上？这背后可少不了空间光调制器的功劳。
它能够精准地控制光线的传播方向和强度，让图像变得更加逼真、生动。
就好像它给每一束光都下达了准确的指令，让它们在屏幕上排列组合，为我们呈现出一场视觉的盛宴。
再走进医疗领域瞧瞧。
在眼科治疗中，空间光调制器就像是一位精准的“手术助手”。
医生们利用它来控制激光的强度和形状，进行精确的眼部手术。
想象一下，这就像是拿着一把无比精细的“光刀”，小心翼翼地切除病变组织，却不会伤害到周围的健康部分。
是不是觉得特别神奇？在通信领域，空间光调制器也是一把好手。
它能够快速地调整光信号的参数，让信息像插上翅膀一样，在光纤中飞速传输。
这速度，简直比孙悟空的筋斗云还快！难道你不觉得这就像是在信息的高速公路上，空间光调制器是那个掌控交通的“交警”，让一切都井井有条、高效运行？还有在光学测量领域，它就像是一个极其敏锐的“探测器”。
能够精确地测量物体的形状、表面粗糙度等参数。
这对于制造高精度的零件，那可太重要啦！你看，这空间光调制器在这么多领域都发挥着至关重要的作用，它是不是超级厉害？它就像是一把万能钥匙，打开了一扇扇通往科技前沿的大门，为我们的生活带来了无数的便利和惊喜。
所以说，空间光调制器的应用领域广泛且重要，它在不断推动着科技的进步，为我们创造更美好的未来。
空间光调制器
高光学效率
DLP光学系统的光学效率
DMD象素单元的光学效率
对比度 500∶1 2000∶1
反射镜上反射的光束与光轴的夹角为4θL,接近50度，被仪 器四壁专门设计的吸收介质吸收，只有少量散射光进入投影 物镜
响应时间
10µｓ
扭臂梁非常薄(约0.05—0.1µｍ),微型反射镜的重量很轻， 转动惯量极小，因此响应时间非常快
DMD的特点 的特点
高分辨率
ＤＭＤ有640×480 (ＶＧＡ)，800×600(ＳＶＧＡ),1024×768(ＸＧＡ)及1280×1024(ＳＸＧＡ) 等多种解析度规格，特别是适用于高宽比16∶9宽屏幕电视的ＤＭＤ，器件尺寸37×22ｍｍ,像素 尺寸为17×17µｍ，一个ＤＭＤ上的像素数为1920×1080，
帧频 信息流量 单幅信息容量与帧频乘积 存储时间 写入信号撤除后被调制量减小到最大值的a倍时所需时间
液晶显示器
液晶分类 液晶是一种介于各向同性液体和各向异性晶体之间的物质状态。在一定温度 范围内，它既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的热（ 热效应）、光（光学各向异性）、电（电光效应）、磁（磁光效应）等物理 性质。 按液晶分子的排列方式，分为三种：
基本结构与分类
独立单元：像素 独立单元：
包括： 包括： 写入信号------控制信号； 控制信号； 写入信号 控制信号 读出光---------输入信号； 输入信号； 读出光 输入信号 输出光---------输出信号 输出信号; 输出光 输出信号
分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址； 分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址；反射式电寻址 寻址概念； 寻址概念；光寻址与电寻址特点
数字微反镜DMD 数字微反镜DMD—Digital Micromirror Device DMD
空间光调制器 入射光 非平行光
空间光调制器入射光非平行光空间光调制器是一种能够控制光的相位、振幅或极化状态的器件。
它通常由一个光学晶体或半导体材料制成，利用外加电压来改变光传播中的折射率，从而实现光的调制。
空间光调制器常用于光通信、光信息处理和光计算等领域。
它具有调制速度快、带宽高、噪声低等优点，因此在光纤通信系统中被广泛应用。
当入射光为非平行光时，即光束的入射角度不等于0度时，空间光调制器仍然可以正常工作。
然而，非平行光的入射会引入一些额外的问题和挑战。
首先，非平行光的入射会导致光束在空间光调制器中出现偏移。
这是由于光在空间光调制器内部传播时，会受到晶体的非线性折射率变化的影响，导致光线发生弯曲。
这种偏移现象对于一些需要高精度定位的应用来说是一个重要的问题，需要通过调整器件结构或采用补偿措施来解决。
其次，非平行光的入射会引入光束的散斑效应。
散斑是光束经过不规则结构或介质时产生的干涉现象，会导致光的相位和振幅分布不均匀。
在光调制过程中，散斑效应会降低调制的效果，并增加系统的噪声。
因此，需要对非平行光的散斑效应进行精确的建模和校正。
除了上述问题之外，非平行光的入射还会导致光在空间光调制器中的传播路径变长，从而增加光的传播损耗。
这是由于非平行光的入射角度增加，光束在晶体中的传播距离也相应增加。
为了降低传播损耗，可以选择合适的晶体材料，优化器件结构，或者采用增益介质来增强光传播的强度。
总之，非平行光的入射对空间光调制器的性能和表现会产生一定的影响。
为了解决这些问题，需要采取适当的措施和方法，包括优化设备结构、改善材料性能、设计合理的校正算法等。
通过克服这些挑战，空间光调制器可以更好地应用于实际的光学系统中，为光通信和光信息处理领域的发展提供支持。
液晶空间光调制器
2 SLM的分类
电写入的 SLM ESLM 光写入的 SLM OSLM
写入方式
调制方式
相位调制 强度调制
3 SLM的结构特点： 它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。 ①有物理边界 ②无物理边界 ③小单元可以独立改变自身光学特性
4 SLM的“三光”
写入光/信号：控制像素的光信号或者电信号。
cos2 sin2 2 2 n2 ne nm 1
则各向异性表示为：
n ne - no
施加电压后，相位差 是外加电压的函数，可以表示为
2 d 2d V, n V ， a z n dz nV o 0
液晶光阀具有多层膜 结构，它由光导层和 光阻层组成的光敏层 和扭曲向列型液晶和 介质反射镜的反射式 光调制层组成，所有 膜层都加在两透明电 极之间。反射镜在这 里的作用是：将写入 光和读出光分开，这 样就可以同时进行写 入和读出。两定向层 之间的向列型液晶分 子呈45度扭曲。
液晶光阀是利用无电压时候向列型液 晶扭曲效应和外加电压大于阈值时候 的双折射效应来工作的。当无写入光 照射时光导层呈高阻状态电压主要降 落在光导层上。液晶上电压很小，不 足以引起双折射效应，液晶显示扭曲 效应。线偏振读出光两次经过液晶两 次，偏振态没有改变。通过正交检偏 器，呈现暗场。线偏振光经当有写入 光照射时候光导层呈低阻状态。液晶 上压降曾大，出现双折射效应。此时 偏振读出光被液晶调制为椭圆偏振光。 通过正交检偏器时候呈现亮场。
液晶光阀
液晶光阀是一种比较成熟的SLM，在实时光学信息处理系统中可作为实时 图像输入,转换，显示和记录的器件。是一种比较成熟的空间光调制器。具 有广泛的应用前景。
优点：结构简单，工作电压小，造价低，性能好等。 1 液晶光阀的结构和工作原理：
空间光调制器
第6章空间光调制器6.1概述人们已经认识到，光波作为信息载体具有特别显著的优点。
其一，是光波的频率高达1014Hz以上，比现有的信息载波，如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。
因此，它有极大的带宽，或者说具有极大的信息容量。
光纤通信正是以此为基础，得到迅猛发展的。
其二，是光波的并行性。
光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰。
这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。
原有的、以串行输入/输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求，能实时的或快速的二维输入、输出的传感器，以及具有运算功能的二维器件便应运而生。
这些器件即为空间光调制器。
它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。
本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。
6.1.1空间光调制器的基本结构与分类[6-1~6-4]空间光调制器是由英语的Spatial light Modulator直译过来的，常缩写成SLM。
顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。
空间光调制器能对光波的某种或某些特性(例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。
换句话说，其输出光信号是随控制（电的或光的）信号变化的空间和时间的函数。
空间光调制器结构的基本特点在于,它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。
习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的光电信号称为“写入光”，或“写入（电）信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。
空间光调制器
第6章空间光调制器6.1概述人们已经认识到，光波作为信息载体具有特别显著的优点。
其一，是光波的频率高达1014Hz以上，比现有的信息载波，如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。
因此，它有极大的带宽，或者说具有极大的信息容量。
光纤通信正是以此为基础，得到迅猛发展的。
其二，是光波的并行性。
光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰。
这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。
原有的、以串行输入/输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求，能实时的或快速的二维输入、输出的传感器，以及具有运算功能的二维器件便应运而生。
这些器件即为空间光调制器。
它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。
本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。
6.1.1空间光调制器的基本结构与分类[6-1~6-4]空间光调制器是由英语的Spatial light Modulator直译过来的，常缩写成SLM。
顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。
空间光调制器能对光波的某种或某些特性(例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。
换句话说，其输出光信号是随控制（电的或光的）信号变化的空间和时间的函数。
空间光调制器结构的基本特点在于,它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。
习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的光电信号称为“写入光”，或“写入（电）信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。
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M ( I max I min ) /( I max I min )
C=SBP*log2N bit
响应速度
指写入信号作用到器件直至输出光产生所需时间 帧频 信息流量 单幅信息容量与帧频乘积 存储时间 写入信号撤除后被调制量减小到最大值的a倍时所需时间
液晶显示器
液晶分类 液晶是一种介于各向同性液体和各向异性晶体之间的物质状态。在一定温度 范围内，它既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的热（ 热效应）、光（光学各向异性）、电（电光效应）、磁（磁光效应）等物理 性质。 按液晶分子的排列方式，分为三种：
磁光空间光调制器
表面形变空间光调制器
分类：透射式光寻址；反射式光寻址；透射式电寻址；反射式电寻址
寻址概念；光寻址与电寻址特点
写入（电）光
读出光 读出光 输出光 写入（电）光
输出光
透射式
反射式
空间光调制器的功能
输入器件
电-光转换
波长转换 处理与运算器件 放大器
串行-并行转换
非相干光-相干光转换
乘法器
对比度反转
模拟数字转换
基本性能参数
基本结构
1024×768 DMD
一对偏转＋12o和－12o的DMD单元
DMD单元结构图
DMD单元部件分解图
工作原理
DMD工作原理图
4位二元脉冲宽度调制（PWM）序列图样
信号的每一位代表一个时间段对应入射光的开或关（0或1）这些时独立 的间段对应一定的值：20、21、22、23，或1、2、4、8。最短的时间 段称为最低有效位LSB，LSB占一个帧时的1/（2N-1），N为数据位数。 最长的时间段称为最高有效位（MSB ）。因此、一个帧时（例如1/50秒 ）被分为4个独立的时间段，时间片的长短与该位的二进制的加权值呈比 例，LSB分配到1/15个帧时，LSB+1分配到2/15个帧时，LSB+2分配到
Information Optics
信息光学
第六章 空间光调制器
定义
SLM：Spatial Light Modulator
能对光波的某种特性进行空间和时间的变换或调制。即其输 出光信号是随控制信号变化的空间和时间的函数
基本结构与分类
独立单元：像素
包括： 写入信号------控制信号； 读出光---------输入信号； 输出光---------输出信号;
数字微反镜DMD—Digital Micromirror Device
DL P 是基于微机电系统(MEMS) 的器件,被称为数字微镜器件(DMD - Digital micromirror device) ,DMD由美国德克萨斯仪器公司在1987 年发明。DL P 投 影显示技术的核心是数字微镜器件,它是一种基于半导体制造技术,由高速数字 式光反射开关阵列组成的器件,采用二进制脉宽调制技术能精确地控制光的灰 度等级,加上图像处理、存储器、光源和光学系统便组成DL P 系统,能投射大 屏幕、高亮度、无缝的、高对比度彩色图像。
时间段中DMD处于“关”状态。
DMD的特点
高分辨率
ＤＭＤ有640×480 (ＶＧＡ)，800×600(ＳＶＧＡ),1024×768(ＸＧＡ)及1280×1024(ＳＸＧＡ) 等多种解析度规格，特别是适用于高宽比16∶9宽屏幕电视的ＤＭＤ，器件尺寸37×22ｍｍ,像素 尺寸为17×17μｍ，一个ＤＭＤ上的像素数为1920×1080，
透明电极 液晶
偏振片
吸 收
入射光
吸 收
（可见光）波长
（可见光）波长
（a）未加电压 （b）电压超过阈值
电寻址液晶空间光调制器的基本原理 电寻址的空间光调制器多采用矩阵寻址的方案。通常在一块玻璃板上，形 成互相绝缘的行电极和列电极，在它们的交点上用大规模集成电路技术制 作薄膜晶体管TFT。ＴＦＴ的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极 和显示像素。在另一块玻璃板的表面，所有像素共用一个电极，两块玻璃 板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶。下图为ＴＦＴ-ＬＣＤ的等效电路。 当某一像素的行、列电极同时加上电信号时，ＴＦＴ型场效应管接通，该 像素透光。顺序选通各行电极，并同步地选通列电极，就可以控制各像素 的明暗，电压的大小可控制灰阶。
近晶相液晶
向列相液晶
胆甾相液晶
液晶的光学特性 液晶的双折射性
Δn ne no =0.10.3
方解石 Δn 0.172
石英
Δn 0.008
液晶的扭曲效应
（a）未加电压
（b）电压超过阈值
液晶的宾主效应
玻璃
染料
向列相液晶中掺入少 量二向色性的染料,染 料分子会随同液晶分 子定向排列.
输入-输出特性曲线
输出光
理想输出 模拟输出
写入信号 灵敏度 阈值灵敏度；指定值灵敏度；特性曲线灵敏度；
对比度（反差）
定义
I max / I min
动态范围
DR 10log10
灰阶数
dB
D log10 T
调制传递函数 定义
MTF M o / M w
调制度 分辨率 能分辨的最大空间频率；单位：lp/mm 空间-带宽积（SBP） 像数数目 单幅信息容量
4/15个帧时பைடு நூலகம்LSB+3分配到8/15个帧时。
DMD的二元脉冲宽度调制（以4位为例）
二进制的“1”将驱动DMD微镜偏转到“开”的位置，而“0”将使 DMD微镜偏转到“关”的位置。例如，数字10 在4位二进制 表示为1010，在此种情况下，在LSB＋1时间段和LSB＋3 时间段中，DMD处于“开 ”的状态，在LSB时间段和LSB＋2
高光学效率
DLP光学系统的光学效率
DMD象素单元的光学效率
对比度 500∶1 2000∶1
反射镜上反射的光束与光轴的夹角为4θL,接近50度，被仪 器四壁专门设计的吸收介质吸收，只有少量散射光进入投影 物镜
响应时间
10μｓ
扭臂梁非常薄(约0.05—0.1μｍ),微型反射镜的重量很轻， 转动惯量极小，因此响应时间非常快