液晶空间光调制器
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 。
空间光调制器教材
DVI端口
DVI-I双通道 数字/模拟 可转换VGA DVI-I单通道 数字/模拟 可转换VGA DVI-D双通道 数字 不可转换VGA DVI-D单通道 数字 不可转换VGA
HDMI接口 制作：Alan
HDMI是基于DVI（Digital Visual Interface）制定的，是High Definition Multimedia Interface（高分数字多媒体接 口）的简称，可以看作是DVI的强化与延伸， 两者可以兼容。HDMI在保证高品质的情况 下能够以数码形式传输未经压缩的高分辨率 视频和多声道音频数据。HDMI可以支持所 有的ATSC HDTV标准，不仅能够满足目前 最高画质1080p的分辨率，还可以支持 DVDAudio等最先进的数字音频格式，支持 八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传 递，而且只用一条HDMI线连接，可以用于 免除数码音频接线。与此同时HDMI标准所 具备的额外扩展空间，它允许应用在日后升 级的音频或视频的格式中。与DVI相比 HDMI接口的体积更小而且支持同时传输音 频及视频信号。
制作： Alan
其它配件 制作：Alan
高精度纯相位LCOS显示面板
RS232数据线
DVI数据线
软件部分 制作：Alan
HOLOEYES 的调制器可以直接通过 显卡的DVI 接口连接到计算机上。空间 光调制器能如此方便使 用离不开在 windows 平台上的灵活高效的帧速率图 形卡。该空间光调制器由HOLOEYE 软 件驱动， 该软件可工作在所有版本的 windows 操作平台上。该软件能方便的 控制所有相关的图像参数， 另外，精心 设计的空间光调制器软件能实现多种光 学函数，像，光栅、透镜、轴锥体和光 圈， 并且能够根据用户设定的图像设计 衍射光学器件（DOE）。完整的套件包 括调制器、视频分配器 和图像处理的所 有相关器件。由于它小的尺寸，可以容 易的被集成到光学系统中。为保证器件 的光学质量（如：相位调制）， HOLOEYE 对每个器件都进行了测量。
透射式液晶空间光调制器结构
透射式液晶空间光调制器结构透射式液晶空间光调制器是一种利用液晶材料的光学特性来调制光波的装置。
它主要由液晶层、透明电极、对位层和玻璃基板等部分组成。
本文将从结构、工作原理、应用等方面对透射式液晶空间光调制器进行详细介绍。
一、结构透射式液晶空间光调制器的结构相对简单，主要包括液晶层、透明电极、对位层和玻璃基板。
其中，液晶层是关键组成部分，它由液晶分子组成，可分为向列型和扭曲型两种。
透明电极用于施加电场，对位层则用于控制液晶分子的取向。
玻璃基板则提供了装置的机械支撑和保护。
二、工作原理透射式液晶空间光调制器的工作原理是利用液晶分子对电场的响应来调制光波。
当施加电场时，液晶分子会发生取向变化，从而改变光的传播状态。
液晶分子的取向可以通过对位层来控制，通过改变电场的强弱和方向，可以实现对光波的调制。
具体来说，液晶分子在电场作用下会发生取向的变化，从而改变其对光的折射率。
通过控制电场的强弱，可以实现对光波的相位调制。
当电场为零时，液晶分子的取向保持不变，光波可以正常通过。
而当施加电场时，液晶分子会发生取向变化，光波的传播状态会发生改变，从而实现对光波的调制。
三、应用透射式液晶空间光调制器具有广泛的应用前景，主要应用于光通信、光显示和光计算等领域。
在光通信中，透射式液晶空间光调制器可以实现光信号的调制和解调，用于传输和接收光信号。
在光显示中，透射式液晶空间光调制器可以实现图像的显示和切换，广泛应用于液晶显示器等设备。
在光计算中，透射式液晶空间光调制器可以实现光的逻辑运算和信息处理，用于光计算和光信息处理。
总结：透射式液晶空间光调制器是一种利用液晶材料的光学特性来调制光波的装置。
它通过对液晶分子的取向进行控制，实现对光波的调制。
透射式液晶空间光调制器具有结构简单、工作可靠、应用广泛等特点，主要应用于光通信、光显示和光计算等领域。
随着科技的不断发展和进步，透射式液晶空间光调制器将会在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。
基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法
第37卷第5期2022年5月Vol.37No.5May2022液晶与显示Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法隋晓萌，何泽浩，曹良才*，金国藩（清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，精密仪器系，北京100084）摘要：波前编码过程将计算全息所得的复振幅波前变换为与显示器件匹配的调制函数，是计算全息显示的关键技术之一。
现有的计算全息显示器件大多只能实现单一振幅或单一相位调制，因此需要将复振幅波前编码为相应的振幅型或相位型全息图。
本文围绕基于液晶空间光调制器的计算全息显示，综述了相位优化编码与复振幅转化编码的基本原理与算法步骤，分析了常见的波前编码方案框架，针对不同编码方法的适用范围进行讨论，为计算全息图波前编码提供方法选择参考。
关键词：波前编码；三维显示；计算全息；液晶空间光调制器中图分类号：O753+.2文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2022-0047Wave-front encoding method of computer-generated holography based on liquid-crystal spatial light modulatorSUI Xiao-meng，HE Ze-hao，CAO Liang-cai*，JIN Guo-fan（State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments，Department of Precision Instruments，Tsinghua University，Beijing100084，China）Abstract：Wavefront encoding is a crucial step in computer-generated holography，which converts the complex-amplitude wavefront on the hologram plane into a holographic modulating function.Since the digi‐tal element for complex-amplitude modulation is not yet available，current implementations of holographic wavefront modulation are carried out by phase-type or amplitude-type elements.The holograms are rela‐tively converted to amplitude-only or phase-only forms.Herein，the phase optimization encoding and com‐plex-amplitude converting methods of computer-generated holography based on liquid crystal spatial light modulators are introduced.The basic principle，range of applications，and algorithm flows are discussed，providing feasible strategies for various holographic implementations.Key words：wave-front encoding；three-dimensional display；computer-generated holography；liquid crystal spatial light modulator1引言现阶段以平板显示为主的显示技术主要受限于显示器件与显示观感。
近代物理实验 液晶空间光调制器的振幅调制 实验报告
近代物理实验液晶空间光调制器的振幅调制实验报告在光通信、显微和望远等成像系统、自适应光学、光镊等许多应用领域中，都会涉及到光相位的调制，这时就需要用到一种新型的可编程光学仪器——空间光调制器。
空间光调制器是采用LCOS（LiquidCrystalOnSilicon,硅基液晶）芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。
LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。
对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制得就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。
从早期的铁电物质和扭曲向列液晶结构开始，到利用光电寻址。
滨松的中央研究所和固体事业部致力于空间光调制技术已有30多年的历史了。
其空间光调制器目前主要在高端市场中，以高线性度、高光利用率、高衍射效率等性能著称。
对于滨松空间光调制器LCOS本身的性质来说，它只改变光的相位，而不影响光的强度和偏振状态（振幅/光强的调制需要通过光路来实现）。
通过改变电压来改变液晶的排列方式，相位调制随着液晶的排列方式而变化。
通过CMOS背板和PC输出的DVI信号，液晶的排列是单像素可控的。
选择分辨率和像元大小LCOS是由像素阵列组成的，目前滨松可以提供两种分辨率：792×600，1272×1024；对于792×600分辨率的产品，还有两种像元大小可供选择：20μm，12.5μm。
不同的分辨率和像元大小以系列表示在产品型号的前半部分，如X10468-08，X10468指的就是该型号的产品分辨率为792×600，像元大小为20μm。
表中的“有效面积（Effecttiveareasize）”是指LCOS头上可以对光进行调制的液晶面的面积。
而用户在选型时，需要考虑该面积是否可以容纳下所需调制的光斑大小。
“填充因子（Fillfactor）”则是指单个像素有效面积占总面积的百分比，它在影响光利用率方面比较关键。
1x12,288线阵相位型SLM简介
• • • •
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模式:反射式 偏转角:±4-7° 相位阶:2π相移500-1000线性阶（最小） 相位调制行程（双通）:用户指定激光谱线， 典型值2π 像元大小:1.0μm 反射波前畸变（rms）:λ/10 反应时间:5-30ms 空间分辨率:TBD 开关频率:30-200Hz
专业源自专注
基于CMOS阵列的另一优点是其在半导体制造。 已经实现了规模经济。当填充零扭曲相列 （ZTN）液晶的时候，该器件可用作全编程的 一维衍射光束偏转阵列。通过在阵列上载变阶 的相位契形图，即可实现非机械式的光束偏转， 其相当于一个可编程的衍射相位光栅。液晶光 束偏转器的主要优点是无机械移动（因此没有 光束指向偏差与不稳定的问题），随机存取指 向，通光孔径足够大，光学头轻便并具有大规 模制造以实现低成本的可能。
1x12K线阵相位型SLM简介
专业源自专注
专注成就未来
Contents
SLM简介 SLM特点 SLM应用 SLM参数
SLM 简介
• 美国Meadowlark-BNS公司提供的1x12,288线 阵相位型液晶空间光调制器是光束偏转与 印刷系统的理想器件。这一器件运用了基 于CMOS技术的标准液晶技术。基于CMOS 结构的阵列为实现最先进的高分辨率光刻 技术提供了有效的工具，由于其像素更小， 从而能为光束偏转应用提供更大的偏转角 度。此外，CMOS芯片上的电路大大简化了 寻址，随机存取转向，任意波前控制等过 程。
专注成就未来
SLM特点
特点 • 高光学效率 • 无机械移动 • 高速相位控制 • 安全，低电压操作 • 用户界面友好
SLM 应用
• • • • • • • 应用 光束控制， 衍射光学， 超快脉冲整形， 光谱调谐/处理， 可编程相位栅格， 可编程振幅栅格
液晶空间光调制器
液晶空间光调制器简介液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，简称LC-SLM）是一种基于液晶技术的光学器件，用于在光路中对光进行调制、调控和控制。
它利用液晶材料在电场的作用下产生折射率变化以及光学相位调制效应，可以实现空间分布上的光学信号调制。
液晶空间光调制器在广泛的光学和光电领域中有着重要的应用，如激光显示、光场计算、光学存储等。
工作原理液晶空间光调制器的工作原理基于液晶材料的电光效应和相位调制效应。
当施加电场时，液晶分子将进行重新排列，从而改变光的传播特性。
常见的液晶材料一般是向列相、螺旋相或拧曲相，电场的作用可以使液晶分子在空间上排列有序，从而产生局部折射率变化，从而实现对光信号的空间调制。
液晶空间光调制器通常由透明的玻璃基板、液晶层和透明电极组成。
通过在电极上施加电压，可以改变液晶材料的折射率，从而实现对光的调制。
根据电场的分布和电压的大小，液晶空间光调制器可以实现不同程度的相位调制，从而实现对光波的相位变化。
应用领域液晶空间光调制器在许多光学和光电设备中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：光学显示液晶空间光调制器在光学显示设备中起着重要的作用。
通过控制液晶分子的排列，可以实现光的透射、反射和吸收等特性的调制。
液晶空间光调制器常用于液晶显示器、投影仪和头戴式显示设备中，可以实现高对比度、高分辨率的图像显示效果。
光场计算液晶空间光调制器可以模拟和重构光场，用于光学衍射、干涉和焦平面调制等应用。
通过改变液晶材料的相位和振幅分布，可以实现光学信号的空间调制和光学信号的重构，从而实现光学计算和光学信息处理。
光学存储液晶空间光调制器在光学存储领域也有着广泛的应用。
通过控制液晶材料的相位和振幅分布，可以实现光学存储介质中信息的读取和写入。
液晶空间光调制器常用于光存储器件、光盘读写头和光学存储系统中，可以实现高速、大容量的光学存储。
光学通信液晶空间光调制器在光学通信中也有着重要的应用。
液晶空间光调制器原理
液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）是一种利用液晶材料来调制光波相位或强度的光学器件。
它在光学和光电子应用中广泛使用，包括光通信、光信息处理、全息术、激光技术等领域。
液晶空间光调制器的工作原理如下：
液晶是一种具有液态和晶体态之间性质的物质，它的分子具有长程有序性和定向性。
液晶空间光调制器通常由一块透明的基底、液晶材料和电极组成。
1. 光束入射：光束从液晶空间光调制器的一侧进入，照射到液晶层上。
2. 液晶分子排列：液晶层中的分子排列受到电场的影响。
当没有电场施加时，液晶分子通常处于无序状态。
但是，当电场施加在液晶层上时，液晶分子会发生定向排列。
3. 电场调制：通过在液晶层上施加电场，可以改变液晶分子的排列方式。
电场可以通过透明的电极在液晶层上施加，从而调制光波通过液晶层时的相位或强度。
4. 光波调制：液晶层中的分子排列改变会引起光波的相位或强度的调制。
液晶分子的定向和排列会改变光波通过液晶层时的折射率，从而改变光波的相位。
通过调节电场的大小和分布，可以控制液晶分子的定向和排列，从而实现对光波的相位或强度的调制。
液晶空间光调制器可以通过调节电场的强弱和空间分布，实现对光波的高精度调制。
它可以用于光学干涉、光学相位调制、光学图像处理等应用中。
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1.定义：利用调制信号去改变激光强度，使光强按调制信号 的规律变化。
2电.方光法调制：利I用(t)晶 体I20 的(1电m光p s效in应m和t) c偏os光2 的ct干涉原m理p 使 1Ｉ——
Ｖ变化
I
I0
sin2
2
1 2
I0 (1 cos)
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 。
1. 机械扫描
机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。 如果只需要改变光束的方向，即可采用机械扫 描方法。 机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件 的旋转或振动实现光束扫描。
图1所示为一简单的机械扫描原理装置，激光束入射到一 可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光 束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。
电光扫描是利用电光效应来改变光束在空 间的传播方向，其原理如图2所示。
x L
A
d B
A 光束的偏转方向
B
y
图2 电光扫描原理图
光束沿y方向入射到长度为L，厚度为d的电光晶 体，如果晶体的折射率是坐标x的线性函数，即
n(x) n n x
d
用折射率的线性 dn dx
变化代替
n d
， 偏转角 可根
据折射定律 sin /sin n 求得（ sin ）1。
率为nA
no
1 2
no3rቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3Ez
。而在下棱镜中，B线“经历”的
折射率n为B
no
1 2
no3r63Ez
。于是上、下折射率之差
（ n nB nA）为 no3r63Ex 。得
L d
no3r63Ez
例题：
取 L=d=h=1cm，r63=10.510-12m／V，no=1.51，V= 1000V。
则得 =3510-7rad。可见电光偏转角是很小的，很难
反射镜 扫描光束
入射光束
图1 机械扫描装置示意图 机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描角度大 而且受温度影响小，光的损耗小，而且适用于各种光波长的 扫描。因此，机械扫描方法在目前仍是一种常用的光束扫描 方法。它不仅可以用在各种显示技术中，而且还可用在微型 图案的激光加工装置中。
2. 电光扫描
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。
若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式 扫描。图6所示为一个三级数字式扫描器，使入射光分离为23个 扫描点的情况。
要使可扫描的位置分布在二维方向上，只要用两个彼 此垂直的n级扫描器组合起来就可以实现。这样就可以得 到2n2n个二维可控扫描位置。
3.7 空间光调制器
前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用， 而且对与光传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是相同的。 空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率
达到实用的要求。
为了使偏转角加大，而电压又不致太高，因此常将若 干个KDP棱镜在光路上串联起来，构成长为mL、宽为 d、高为h的偏转器，如图4所示。
两端的两块有一个角为/2，中间的几块顶角为的等腰三角
棱镜，它们的z轴垂直于图面，棱镜的宽度与z轴平行，前后 相邻的二棱镜的光轴反向，电场沿z轴方向。
n-n h
n L n L dn
d
dx
式中的负号是由坐标系引进的，即 由y转向x为负。
图3所示的是根据这种原理作成的双KDP楔形棱镜扫描器。 它由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x、y和z
轴方向，但两块晶体的z轴反向平行。光线沿方向传播y且沿
方x向偏振。外电场沿Z方向（横向效应）。
上部的A线完全在上棱镜中传播，“经历”的折射
13
~
Ir Iw
Io
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
硫化镉液晶光阀示意图：1.介质膜；2, 12.平板玻璃；3, 11.透明电极； 4.,7.液晶分子取向膜层；5.液晶；6.隔圈； 8.多层介质膜反射镜；9.隔 光层；10.光导层； 13.电源
第3章小结
调制：
激光调制：利用要传递的信息作为调制讯号去改变激 光的某一参数，使其参数按调制信号的规律变化过程， 参数振幅、强度、相位、频率等。
液晶空间光调制器
有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相 态，这时，它一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特 性(如光学、力学、热学的各向异性)，这种过渡相态称之为 “液晶”。
液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成， 具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外 场(电、热、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位 置就会发生变化，即改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场， 它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。
n+n
n-n n+n
x
y
图4 多级棱镜扫描器
各棱镜的折射率交替为 no n 和 no n 其
中
n
1 2
no3r63E
。故光束通过扫描器后，总的偏转角为每级
（一对棱镜）偏转角的m倍，
总
m
mLno3r63V hd
一般m为4～10，m不能无限增加的主要原因是 激光束有一定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏 出h之外。