光寻址空间光调制器电寻址空间光调制器实验(浙大)
空间光调制器DMD多级谱复频成像的研究觹
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拍 摄 系 统 ， 在 Ｄ Ｄ 上 输 入 数 十 幅 分 立 时 间 序 列 的数 字 图 Ｍ 像 ，采 用纵 向 面积 分 割 法 在 感 光版 上 记 录 系 列 的 子 全 息 图
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１引 言
空间光调制器特性及其在数字全息中的应用
空间光调制器特性及其在数字全息中的应用孙萍;邵明华;叶淼【摘要】空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验，教学内容丰富，包括空间光调制器的性质，如像素尺寸测量、振幅调制特性测定、相位调制特性测定和黑栅效应消除，还包括空间光调制器的实际应用———数字全息实验。
通过该实验的学习学生可以掌握空间光调制器的基本工作原理，并了解其在数字全息中的应用。
%T his paper introduced a novel physical experiment ——— the characteristics of spatial light modulator (SLM ) and its application in digital holography .The contents of the experiment in‐cluded the characteristics of SLM such as pixel size measurement ,amplitude modulation ,phase modu‐lation and elimination of pixeliation effect .The experiment also included the practical application of SLM such as digital holography .Through this experiment the students could master the basic princi‐ple of SLM ,and understand its application in digital holography .【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2016(036)011【总页数】6页(P1-6)【关键词】空间光调制器;数字全息;振幅调制;相位调制;黑栅效应【作者】孙萍;邵明华;叶淼【作者单位】北京师范大学物理系，北京100875;北京方式科技有限责任公司，北京100012;北京方式科技有限责任公司，北京100012【正文语种】中文【中图分类】TN761;O438.1空间光调制器(Spatial light modulator,SLM)是一类能将信息加载于一维或二维的光学数据场，以便有效地利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件. 这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间光分布的振幅、相位和偏振态，或者把非相干光转化成相干光. 由于液晶制作成品率高且成本低，因此液晶SLM应用广泛，如光学信息处理和光计算机中的图像转换、光束整形、显示和存储等[1-3]. 数字全息术是光学全息技术、计算机技术和电子成像技术相融合的新兴的成像技术，随着电子图像传感器件性能与分辨力的提高和计算机技术的飞速进步，数字全息术得以迅速发展. 目前，数字全息术已成功地应用于显微成像、粒子场的测试、图像加密、活体生物成像等众多领域[4]. 近年来，SLM技术在全息领域中发挥了重要的作用[5].目前，有些厂商面向高等学校已经研发出有关空间光调制器的原理及应用的实验，如大恒新纪元科技股份有限公司和北京杏林睿光科技有限公司. 北京师范大学自主研发了“空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验”，并于2010年投入到近代物理实验专题研究课程中. 该实验的目的是：学习液晶SLM的振幅和相位调制原理，掌握SLM振幅和相位调制曲线的测试方法；了解SLM黑栅效应，并学会采用空间滤波方法消除黑栅效应；学习数字全息的原理，并能够将SLM应用于数字全息技术中. 2016年，北京师范大学与北京方式科技有限责任公司合作，生产出空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验仪. 该仪器将光学器件SLM 和数字全息技术结合，使学生在物理实验中学习前沿的高新技术，从而达到培养创新型人才的目的.1.1 振幅调制应用液晶的旋光效应可实现振幅调制[6]. 以90°扭曲向列型液晶盒为例，振幅调制原理如图1所示. 起偏器和检偏器的透光方向分别平行于液晶盒的上下基板. 当不加电场时，起偏器的偏振方向与上基板表面处液晶分子指向矢平行，经起偏器获得的入射线偏光射入液晶层后会随着液晶分子的逐步扭曲而同步旋转. 当到达下基板时，其偏振面旋转达到90°，此时其偏振方向变成与检偏器的偏振方向平行，这样该线偏光就可以穿过检偏器而获得最大透过率；当给液晶盒施加电场时，并且电压大于阈值Vth时，正性向列相液晶分子的扭曲结构就会被破坏，变成沿电场方向排列，这时液晶的旋光性消失，正交偏振片之间的液晶盒失去透光作用，从而获得最小透过率. 当外加电压在0～Vth之间时，穿过液晶盒的透过率位于最大和最小之间,实现了用液晶盒两端电压的大小来控制出射光强的强弱，即实现了振幅调制.1.2 相位调制将液晶视为单轴晶体，液晶能对穿过它的光产生双折射效应，这是SLM可以实现相位调制的主要原因. 液晶的分子轴就是光轴，液晶分子轴平行方向和垂直方向的折射率不同. 光波穿过平行排列的向列液晶层，过球体中心垂直传播方向的中心截面为椭圆，椭圆长轴为非常光折射率ne，短轴是寻常光折射率no. 当在厚度为d 的液晶盒上下基板施加电场时，液晶分子沿电场方向倾斜偏转，不同的电场使液晶分子偏转角度不同. 液晶分子的有效折射率为[7]其中，z轴是液晶层的法线方向，θz是液晶分子相对于z轴的倾角.有效光程差为对应的相位为可见，液晶对光波的相位延迟由外加电压决定，通过改变外加电压可以实现相位调制.1.3 黑栅效应消除电寻址SLM的接收部分是由单个分离的像素组成的二维平面，其相邻像素之间为控制电路部分，都是不透光的，被形象地称之为“黑栅”. “黑栅”效应降低了光的利用效率，影响了生成的光学数据场的质量. 因此，人们采用各种办法消除“黑栅”效应[8-10]. 基于“黑栅”效应的特点，本实验采用4f滤波系统消除“黑栅”效应. 在4f 系统光路中有2个焦距为f的透镜，距离为2f，物距和像距都为f [11]. 4f 系统的滤波原理是：物面上的输入函数f(x, y)经过第1个透镜后实现光学傅里叶变换；在2个透镜的共同的焦平面处得到物函数的傅里叶变换频谱F(u,v)，在该平面，F(u,v)与滤波函数H(u,v)相乘；相乘后的函数再经过第2个透镜后实现光学傅里叶逆变换，得到滤波后的函数g(x, y). 可用数学公式描述这一滤波过程：1.4 数字全息原理同传统的光学全息相同，数字全息术也是通过记录物光波和参考光波干涉光场的强度达到记录物光波的振幅和相位信息的目的，同样分为全息图的记录和再现2个过程. 但是，数字全息的记录使用光敏电子成像器件代替传统全息记录材料记录全息图，常用的记录器件为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS).若全息图的记录元件是CMOS，设CMOS感光面积为Lx×Ly，包含Nx×Ny个像元，且像元大小为Δx×Δy，则有Δx=Lx/Nx，Δy= Ly/Ny. 当用CMOS记录菲涅尔全息图时，数字全息图的强度分布为[4],其中，k和l为整数，且表示二维脉冲函数，表示CMOS感光面的面积.在菲涅耳衍射近似条件下，光学全息再现像面上光波的复振幅分布为其中，A为复常量，λ为入射光波波长，d为再现距离. 当再现距离等于记录距离时，可得到清晰的再现像. 本实验将CMOS记录的全息图加载在SLM上，然后用光学方法再现全息图.傅里叶变换计算全息图是对物波函数进行傅里叶变换，对得到的频谱的振幅和相位进行编码，生成谱的透射函数作为全息图，然后利用光学傅里叶特性还原图像. 将傅里叶变换计算全息图加载在SLM上，也可用光学方法再现全息图. 具体原理见文献[12-13].在实验中所用到的仪器及光学元件有：液晶SLM(大恒新纪元科技股份有限公司生产，分辨率为1 024 pixel×768 pixel，对比度为1 000∶1，像元大小为26μm×26 μm)、CMOS摄像机(大恒新纪元科技股份有限公司生产，分辨率为1280 pixel×1 024 pixel，像元大小为5.2 μm×5.2 μm)、半导体激光器(输出波长为650 nm)、功率计、空间针孔滤波器、偏振片、半波片、衰减片、光阑、傅里叶变换透镜、计算机. 图2为实验仪器实物图.2.1 SLM像素尺寸测量采用夫琅禾费衍射法测量SLM像素大小，图3(a)为实验装置图. SLM可以视为二维光栅，在接收屏上可以观察到在水平和竖直方向上一系列等间隔的亮点[图3(b)]，亮点之间亮度有强弱之分，而且上下左右都是在第5个亮点处强度最弱. 根据衍射公式[14], 像素尺寸为，其中，λ=650 nm，f=215 mm，x=5.33 mm为实际测量的亮点间的距离. 测量得到像素尺寸为26.2 μm，实际像素尺寸为26 μm，测量的相对偏差为1%.2.2 振幅调制特性测定图4为振幅调制特性测定实验装置. 半导体激光器后面置偏振片，使得输出的是偏振方向竖直向下的线偏振光，输出光依次通过半波片、SLM、检偏器后，入射到功率计的光电探测器上.将半波片分别旋转20°，40°,80°和90°(对应起偏角分别为40°，80°,160°和180°)；旋转检偏器使其从0°～180°变化，每次改变10°，每旋转1次检偏器，将SLM加载一系列灰度值从0～255变化的图像，灰度变化量为25灰度，对应每一灰度值用功率计记录功率值. 分别在4个起偏角的数据中找出1组对比度最高、透过的激光功率变化最大的数据作图分析. 结果表明：当起偏角度为160°时，激光功率变化最大，所以最佳的起偏角为160°. 当起偏角度为160°时，检偏器为70°或160°时，光功率随灰度变化的曲线如图5所示. 当灰度从0～255变化时，光功率随灰度变化而改变，此时空间光调制器为振幅调制模式，其调制区间为灰度0～255.2.3 相位调制特性测定图6为相位调制特性测定实验装置. 1束激光被分束器分成2束平行的相干光束.在 SLM上加载一系列图像，图像分成2部分，如图7所示. 左右两部分分别被2束光照射. 这2束光在经过SLM相位调制后，通过合束器发生干涉，CMOS记录下干涉条纹. 由于SLM的右侧的灰度值由小到大变化，因此，右侧光束的相位也随之发生变化，这样便导致干涉条纹产生相移. 图8清晰地表示出光的传播情况.调节半波片的旋转角度为25°(即起偏角为50°)，旋转检偏器使得检偏角为0°. 在SLM上加载左右不对称的灰度图像，左侧灰度保持0灰度不变，右侧灰度从0～255变化，间隔为25灰度. 每改变1次灰度，采集1次条纹图案. 图9为记录的灰度为(0,255)时的干涉条纹.通过Matlab编程计算对应每幅图像条纹相对于灰度为(0,0)的第1幅图像条纹的相移，作相移与灰度的关系曲线，结果如图10所示.从图10可见，当灰度从0～255变化时，相位有不同程度的移动，说明不同灰度值对相位的调制不同，灰度在25～225区间内，相移随灰度基本呈现线性变化，相移变化量为145°. 因此，SLM相位调制角度为145°.2.4 黑栅效应消除图11为消除黑栅效应实验装置图. 设计五角星图像，如图12(a)所示. 将其加载在SLM上，若不经过4f系统滤波，得到如图12(b)所示的图像. 可见，由于黑栅效应叠加了网格，使得图像模糊，如图12(c)所示. 本实验利用4f系统滤波，滤波器为小孔光阑，将其置于2个透镜的焦平面处. 旋转检偏器，从0°～360°，每旋转20°记录1次图像，得到图12(d)～(v)的结果. 可见，经过4f系统滤波后，图像没有了多级衍射的影响，轮廓清晰，像质有了很大的提升；当检偏角不同时，图像由正像到负像周期性变化. 图12(d)和(m)相同，由于每20°记录1次图像，所以变化周期为180°. 可以明显地看出图像的变化：正像[图12(d),(e),(m),(n)]、负像[图12(h),(i),(p),(s)]和微分像[图12(g),(k),(o),(u),(v)]. 因此，与数值滤波方法相比[8-9]，4f系统模拟滤波方法提取的图像多样化，丰富了教学实验内容.2.5 液晶空间光调制器在数字全息中的应用首先，采用文献[4]的方法获得分辨率板的全息图. 然后，利用图13所示装置获得该全息图的再现像，结果如图14所示. 再现时通过小孔光阑获取离轴光束，可以得到较清晰的离轴全息. 利用SLM获取傅里叶变换计算全息图的再现像的方法可参考文献[13-14].空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验仪是新型的物理实验教学仪器，实验教学内容新颖、丰富，仪器结构紧凑，操作灵活. 除了本文的实验内容，还可以做其他实验，如液晶的扭曲角测量、光的干涉和衍射、微光学元件设计等. 教学实践表明：该实验仪将液晶空间光调制器与现代数字全息技术联系在一起，使学生在物理实验中接触到高新技术，有利于创新型人才的培养.【相关文献】[1] 于凯强,王新柯,孙文峰,等. 基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制[J]. 光谱学与光谱分析，2015,35(5):1182-1186.[2] 翟中生,吕清花,严昌文,等. 干涉法测量液晶空间光调制器的相位调制特性[J]. 光电子技术，2015,35(4):222-226.[3] 邱基斯,樊仲维,唐熊忻,等. 基于液晶空间光调制器整形的重频100 mJ全固态1 053 nm钕玻璃激光放大器[J]. 红外与激光工程，2012,41(10):2637-2643.[4] 魏祎雯,罗玉晗,王众, 等. 记录条件优化与再现像去噪提高数字全息像质[J]. 应用物理，2012,2(1):1-6.[5] 夏军,常琛亮,雷威. 基于液晶空间光调制器的全息显示[J]. 物理学报，2015,64(12):124213-1-5.[6] 刘振国,张涛,王健. 振幅型空间光调制器的设计与实现[J]. 光学仪器，2012,34(3):79-82.[7] 刘永军,宣丽,胡立发,等. 高精度纯相位液晶空间光调制器的研究[J]. 光学学报，2005,12(12):1682-1686.[8] 荆汝宏,黄子强. 数字化光学元件中黑栅效应的研究[J]. 应用光学，2010,31(1):47-50.[9] Yang Guo-zhen, Dong Bi-zhen, Gu Ben-yuan, et al. Gerchberg-Saxton and Yang-Gu algorithms for phase retrieval in a nonunitary transform system: a comparison [J]. Appl. Opt., 1994,33(2):209-218.[10] 田劲东,郑剑峰,李东. 一种可以消除黑栅效应的纯相位空间光调制[J]. 仪器仪表学报, 2010,31(增):211-214.[11] 张超,谭建军,黄小霞,等. 用于ICF光路调整的分光照明元件设计[J]. 光散射学报，2013,25(2):214-218.[12] 孙萍，王众，罗玉晗，等. 傅里叶变换计算全息彩色再现[J]. 物理实验，2012,32(10):1-5.[13] 孙萍. 液晶光阀实时图像变换实验的新内容[J]. 物理实验，2005,25(11):4-7.[14] 哈里德. 物理学基础[M]. 张三惠, 李椿，译. 北京：机械工业出版社，2011：953-954.。
光场操控与光学调制研究报告
光场操控与光学调制研究报告研究报告摘要：本研究报告主要探讨了光场操控与光学调制的相关研究进展。
通过综述和分析了国内外学者在该领域的研究成果，总结了光场操控与光学调制的基本原理、应用领域以及未来的发展方向。
研究发现，光场操控和光学调制技术在信息通信、光学成像、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
未来的研究重点应该放在提高光场操控和光学调制技术的分辨率、速度和可靠性，以满足日益增长的应用需求。
1. 引言光场操控和光学调制是光学领域的重要研究方向，具有广泛的应用前景。
光场操控技术通过调节光场的相位、振幅和极化等参数，实现对光波的精确操控。
光学调制技术则是利用光学材料的光学特性，调制光波的相位、振幅和频率等参数。
这两种技术在信息通信、光学成像、光学传感等领域发挥着重要作用。
2. 光场操控的基本原理光场操控的基本原理是通过改变光波的相位、振幅和极化等参数，实现对光波的操控。
常用的光场操控方法包括空间光调制、相位调制和振幅调制等。
空间光调制是利用空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）对光波进行调制，实现光波的空间分布控制。
相位调制则是通过改变光波的相位分布，实现对光波的相位操控。
振幅调制则是改变光波的振幅，实现对光波的振幅操控。
3. 光学调制的基本原理光学调制的基本原理是通过改变光波的相位、振幅和频率等参数，实现对光波的调制。
常用的光学调制方法包括电光调制、声光调制和光纤调制等。
电光调制是利用电场的作用，改变光波的相位或振幅。
声光调制则是利用声波的作用，改变光波的相位或振幅。
光纤调制是利用光纤的非线性特性，改变光波的频率或相位。
4. 光场操控与光学调制的应用光场操控和光学调制技术在信息通信、光学成像、光学传感等领域具有广泛的应用。
在信息通信领域，光场操控和光学调制技术可以用于光纤通信、光学存储和光学交换等方面，提高通信速率和容量。
在光学成像领域，光场操控和光学调制技术可以用于超分辨成像、三维成像和光学显微镜等方面，提高成像质量和分辨率。
1.4 磁光调制
作业： P81：3，4，7 上机可选题： 做出角度调制的频谱图（p7） 用傅立叶变换方法，Matlab编程பைடு நூலகம்
磁光调制器的信息读出
第一章 小结及重点
要掌握的知识要点: 电光效应、强度电光调制器（纵向电光调制器、横向电 光调制器）、电光相位调制器；声光效应、声光调制器、 磁光效应、磁光调制器；电光偏转、模拟电光偏转、数 字电光偏转、声光偏转 要熟悉的知识要点 调制的基本概念、各种调制形式简介 要求了解的知识点 电光调制器的电学性能、声光调制器的设计考虑；声光 调Q器件的结构与设计
1.6 空间光调制器 1.6.1 定义 光学寻址 光学寻址的应用 电学寻址 电学寻址的应用
空间光调制器示意图
1.6.2 空间光调制器的基本功能
变换器功能 放大功能 运算功能 阈值操作功能
光学寻址空间光调制原理
1.6.3 典型的空间光调制器 泡克耳斯读出光调制器
结构 工作原理
反射式硅酸铋空间光调制器结构示意 图:1,6-透明电极;2,5-绝缘层;3-双色 反射层;4-硅酸铋晶体
磁光调制示意图
H 0 sin(ω H t ) θ = θs L0 H dc
1.5
直接调制
利用调制讯号直接控制激 光器的泵浦电源来调制激 光器的输出参数（一般激 光强度），一般在半导体 激光器中应用。 半导体激光器直接调制
半导体激光器调制 (a)电原理图;(b)调制特性曲线
半导体激光器的输出特性及光谱特性
1.4 磁光调制
1.4.1 磁光效应：
光通过磁化的物体时，其传播特性发生变化。 法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应 法拉第旋转效应 利用有些晶体材料（如YIG钇铁石榴石）等在外加磁场作用下， 可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转，旋转的角度θ与沿光 束方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比。 θ=VHL 式中 V—磁光系数，也称范德特常数， L —晶体的通光长 度， H ——磁场强度。
光寻址液晶空间光调制器用于激光光束整形的可控系统和设计算法
Ｃｏ ｔ ｏ ｌ ｂｌ ｙ ｔ ｍ ｎｄ ｄ ｓｇ ｌ ｏ ｉｈｍ ｏ ａ ｅ ａ ｈ ｐｉ ｇ ｎ ｒ ｌａ ｅ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｉ ｎ ａ ｇ ｒ ｔ ｆ ｒ ｌ ｓ ｒ ｂｅ ｍ ｓ ａ ｎ ｕｓｎｇ ｏ ｉ ａ ｄｄ ｅ ｓｎｇ ’ ｉ ｒ ｓａ ｐ ｔａ ｉ ｈ ｏ ｕ ａ ｏ ｉ ｐｔｃ ｌａ ｒ ｓ ｉ ｉ ｄ ｃ ｙ ｔ ｌｓ ａ ｉ ’ｌ ｔ ｍ Ｕ ｔ ｒ ｌ ｑｕ ｌｉ ｇ ｄ ｌ
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陈 晓 西 ， 子 强 ， 文 君 黄 杨
（ 子科技 大学 光 电信 息学 院 ， 川 成都 ６０５ ） 电 四 １０ ４ 摘 要 ：提 出 了 一 种 利 用 光 寻 址 液 晶 空 间 光 调 制 器 （ Ｃ—Ｌ ） 实 现 实 时 可 控 的 激 光 光 束 整 形 Ｌ ＳＭ 来
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。
光学实验二—_电光、声光和磁光调制实验指导书
电光调制实验一 实验原理电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。
电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。
（一）电光调制原理某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。
电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。
（2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。
本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。
图1 横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：rE n n 30=∆式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。
n 0为晶体对寻常光的折射率。
当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率10910~10１的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπλπδ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。
当相差πδ=时，所加电压l d r n U U 302λπ== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。
液晶空间光调制器及其应用
图3 螺旋位相光束在成像中用于提高边缘对比度的实验装置
图4 相位物体的对比增强 A-C为明场成像，B-D为螺旋位相滤波成像
（2）光学投影 光学投影，特别是三维成像，可以利用空间光调制器通 过全息计算生成。
图5 图象的全息重建实验示意图
（3）自适应光学 自适应光学技术，是一种能够实时校正光学系统随机
几种Holoeye空间光调制器
LC2002
LC-R720
LC-R1080
PLUTO
PLUTO型LC-SLM性能参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Holoeye SLM不同型号性能参数对比
Holoeye空间光调制器的几个应用
（1）螺旋位相相衬成像 在光学显微镜中，暗场或相衬方法常被用来提高物体成 像的对比度。实质上，这些方法都可看作是傅立叶平面 上的光学滤波。类似于微分干涉相差显微技术，螺旋位 相相衬法也是利用对相移的敏感性来提高成像的清晰度， 特别是边缘。由于光束的对称性， 还可以对各向均匀介质物体成像进行对比增强。
（a）透射型SLM
（b）反射型SLM
(c)透射型光寻址SLM原理图 (d)反射型光寻址SLM原理图 图2 SLM器件的不同工作方式
空间光调制器的主要功能 (1)作为电光转换的实时接口器件 (2)模拟乘法和加法以及信号的转换 (3)非线性运算 (4)光逻辑
LC-SLM及其应用
目前LC-SLM在空间光调制器中已经占主导地位。它 可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二 维的实时空间调制。Holoeye SLM系列产品分辨率高， 像素单元小，填充因子高，衍射效率高，实际应用中 可获得高精度的波前控制，帧频可达到180Hz，有利 于实时控制。
空间光调制器
空间光调制器的定义 空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLMs）是 指能将信息加载于一维或者二维的光学数据场上，以 便有效地利用光的固有速度、并行性和互联能力，并 在构成实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等 系统中作为基本的构造单元或关键的主动器件。
dmd空间光调制器激光损伤阈值
一、概述当今社会，激光技术已经广泛应用于军事、医疗、通信、工业等领域，而激光损伤阈值是评定激光设备性能的重要指标之一。
而在激光损伤阈值的研究中，dmd空间光调制器也被广泛应用。
本文将探讨dmd空间光调制器在激光损伤阈值研究中的应用。
二、dmd空间光调制器简介1. dmd空间光调制器是一种基于数字微镜片技术的高精度光电器件，它可以通过调制光的相位和振幅来实现对光的空间分布控制。
2. dmd空间光调制器具有高反射率、高光学质量、快速响应等特点，被广泛用于激光领域的研究和应用。
三、dmd空间光调制器在激光损伤阈值研究中的应用1. 激光损伤阈值是评估材料对激光辐射的耐受能力的重要参数。
传统的激光损伤阈值测试需要大量的人力物力，并且测试效率低下。
2. dmd空间光调制器可以根据需要实现对激光的空间分布进行调节，可以很好地模拟不同材料在不同激光条件下的受损情况，从而大大提高了激光损伤阈值的测试效率和准确性。
3. 通过对不同材料在不同激光条件下的损伤情况进行模拟实验，研究人员可以更加全面地了解材料的激光损伤特性，为材料的选用和激光设备的设计提供科学依据。
四、dmd空间光调制器在激光损伤阈值研究中的优势1. 高精度：dmd空间光调制器可以精确控制光的相位和振幅，可以满足不同激光损伤阈值测试的需求。
2. 高效性：相比传统的激光损伤阈值测试方法，dmd空间光调制器可以大大提高测试效率，节约时间和成本。
3. 灵活性：dmd空间光调制器可以根据实际需求灵活调整激光的空间分布，适用于不同材料在不同激光条件下的损伤研究。
五、结论dmd空间光调制器在激光损伤阈值研究中具有重要的应用前景和广阔的市场需求。
随着激光技术的不断发展，dmd空间光调制器将会在激光领域中发挥越来越重要的作用，为激光设备的性能评定和材料的选择提供更加科学的依据。
六、 dmd空间光调制器在激光损伤阈值研究中的实际应用案例在激光技术领域，dmd空间光调制器在激光损伤阈值研究中得到了广泛的实际应用。
振幅型空间光调制器的设计与实现
空间光调制器系统的工作过程是接收来 自计算机的显卡输 出， 对信 号进行处理， 将视频信号显示在
０ ９英寸 薄膜 晶体管 液 晶屏 （ｈｎｆｍ ａｓｓｏ ｑ ｉ ｒｓａ ｄｓｌｙ Ｔ Ｔ Ｌ Ｄ） 。整机 系统有 硬件部 ． ｔｉ ｌ ｔ ｎｉ ｒｉｕｄｃｙｔｌ ｉ ａ ， Ｆ －Ｃ 上 ｉ ｒ ｔ ｌ ｐ
ｌ ｈ ｄ ｌｔ ｒ ａ ｅ ｉ ｕ ｔａ ｅ ． Ｖｉ ｅ ｉｎ ｌ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｒ ｃ ｄ ｒ ｉ ｎ ｌｓ ｄ， ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｉ ｔｍｏ ｕ ａｏ ｒ ｌ ｓｒ ｔｄ ｇ ｌ ｄ ｏ ｓｇ ａ ｒ ｃ ｓ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅ ｓ ａ ａｙ ｅ ｈ ｅ ｉｎ
ｉ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔｕ ｅ ｏｍ ｏ ｕ ａ ｅｔ ｅｐ ｒ ｓ ｆ ｉ ｈ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｆ ｈ ｓｒ ｓ ａ ｃ ｓｓｇ ｉ ｃ ｎ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｕ ｎ ｓ ｄ ｔ ｄ ｌ ｔ ｈ ｈ ａ ｅｏ ｇ ｔ ｌ ｅ ｒ ｓ ｌ ｏ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｉ ｎ ｆ ａ ｔｔ ｈ ｔ ｉ ｓ ｕ ｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｃ ｙ ｔ ｌｓ ａ ｉ ｌ ｉ ｈ ｏ ｕ ａ ｏ ． ｔ ｄ ｎ ｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ｒ ｓ ａ ｐ ｔａ ｇ ｔｍ ｄ ｌ ｔ ｒ ｌ Ｋｅ ｒ ｓ ｈ ｓ ｏ ｕ ａ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ：ｐ ａ ｅｍ ｄ ｌ ｔ ；Ｇａ ｍａ ｃ ｒ ｅ ｔ ｍ ｏ ｒ ｃ ；ＰＬＬ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｍ ｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｒ ｃ ｄ ｒ ｆ ｑ ｉ ｒ ｓ ａ ｐ ｔ ｌ ｅ ｄ ｓｇ ｒｎ ｉ ｌ ｎ ｔ ｏ ｎ ｈ ｒ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅｏ ｌ ｕ ｄ ｃ ｙ ｔ ｌ ａ ｉ ａ ｉ ｓ ａ
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. '. 实验报告
课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 成绩：___ ____ 实验名称： 液晶光阀用于光学图像实时处理 实验类型：综合型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议
一、实验目的和要求 1、了解液晶光阀的工作原理和使用方法； 2、掌握采用液晶光阀实现非相干光——相干光图像转换和图像反转的工作原理和方法； 3、掌握应用液晶光阀进行光学图像实时相减和实时微分的方法，加深对光学图像实时处理的理解。
二、实验内容和原理 1. 液晶特性 (1) 液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向特性，又有液体的流动性。 (2) 当液晶分子有序排列时表现出光学各项异性：光矢量沿分子长轴方向时具有较大的非常光折射率ne；而垂直分子长轴方向位寻常光折射率no(针对p型液晶材料）。 (3) 晶轴方向即为分子长轴方向。在组成液晶盒的两玻璃间加一电压，其中的液晶分子在电场作用下会沿着电场方向排列，即光轴方向沿电场方向偏转。电场控制了双折射效应的变化。 (4) 液晶光阀正是利用此特点而制成的器件。 2. 液晶光阀结构示意
1--玻璃基片 2--透明电极 3--光导层 4--挡光层 5--介质反射膜 6--定向层 7--液晶层 8--衬垫 E--低压音频电源 K--开关 3. 液晶光阀工作原理 (1) 如液晶光阀结构图所示，工作时将待处理的非相干图像从右侧成像在光电导层上，把它作为写入光。读出光束从左侧入射，经起偏器使其偏振方向与液晶左侧分子指向方向一致。经透明电极、液晶盒之后，在右侧的介质反射膜处返回，再次穿过液晶层经偏振分光镜后，通过一个透光轴方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器，成为输出光束。 (2) 由于光阻挡层和反射膜都很薄，交流阻抗很小，因而加在两透明电极之间的外电压主要落在液晶层和光电导层上。控制液晶电光效应的实际电压值就由光电导层与液晶层的实际阻抗之比来决定，即取决于光电导层上的光照情况。 (3) 对写入光图像上的暗区：光电导层上的光照很少，电阻很大，外电压主要分配在光电导层上，而液晶层上
E 1 8 1 5 4 6 7 6 2 3 K 2
写入光 读出光 偏振分光镜
输出光
专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211 .
'. 电压较小，不足以产生电光效应，从而未受到调制，输出光束保持较小输出；对写入光图像上的亮区：相应的光电导层阻抗小，电压大部分落在液晶层相应像区上，由于混合场效应，使在该区域输出光达到最大输出。这样，输出光束的光强空间分布就按照写入光的图像的空间分布而受到调制，显然，它实现了非相干--相干光图像转换功能。 4. 液晶光阀图像转换工作原理
La—He-Ne激光器，L1—扩束镜，L2—准直透镜，PBS—偏振分光棱镜 LCLV—液晶光阀，L3—成像透镜，A—图象透明片，S—观测屏，Lamp—卤钨灯 (1) 当液晶光阀加上交流驱动电压，成像透镜L3把非相干光照射的图像成像到液晶光阀的光导层上，光导层电阻根据图像的强弱产生相应的电阻分布，同时，液晶层中的取向也产生相应的调制。 (2) 氦氖激光器通过扩束准直后的平行激光束通过偏振分束棱镜后经光阀反射，其偏振态发生变化，形成了与液晶取向相应的图像。 (3) 接着再逆向通过偏振分光棱镜后，只有S光能反射出，因而其输出读出光也呈现出相应的图像，可在观察屏上进行观察。 (4) 如果各光路调整得好，可在观察屏上看到清晰的激光图像，与非相干光照射的图像相对应。 5. 液晶光阀的工作曲线 (1) 按照液晶光阀的工作原理，也可以从电学特性的角度考虑，将液晶层、介质高反膜、光阻隔层和光导层都相应地看作电阻和电容的组合，从而得出结论：LCLV不能在直流状态下工作，也不能在高频状态下工作，对于一个特定的光阀而言，存在一个最佳工作点。 (2) 在上图中，透镜L4的焦面上放上光电接收器接收输出光，实验表明，液晶光阀的读出光与写入光，即输出光强与输入光强有关，在一定的输入光强范围内，输出光强与输入光强呈线性关系。 (3) 称无写入光时液晶光阀的输出光强与液晶光阀上所加的驱动电压的关系曲线为液晶光阀的工作曲线，该曲线存在多峰，输出光强在驱动电压取得某些值时出现极小值；而取另外一些值时，输出光强出现极大值。极小值处为正像工作点，极大值处为负像工作点，在做图像反转实验时。为了使正负图像对比度最好，可以选取极大值、极小值处为图像反转实验的工作点。 6. 光学图像的实时微分、相减原理
La—He-Ne激光器，L1—扩束镜， L2—准直透镜，PBS—偏振分光棱镜 LCLV—液晶光阀，L3，A—图象透明片，S—观测屏，Lamp—卤钨灯
Lamp A L3 LCLV PBS L2
L1 S
La
Lamp 物1 L3 LCLV PBS L2 L1 La 物2 λ/4
接收屏 .
'. (1) 通常液晶光阀的读出光强与输入光强不是单值对应的。 (2) 利用液晶区域的这种非线性输入输出特性，可以实现图像的微分处理，获得图像的实时边缘增强，通过调整液晶光阀的驱动电压、驱动频率和入射偏振方向，能达到最佳的增强效果。 (3) 右光路中放置有λ/4波片，两图像在输出面上叠加时，相互间存在相位差，适当旋转λ/4波片，两图像在输出面叠加的结果，可以得到一个强度正比于输出图像之差的处理图像。该图像重叠在强度恒定的背景上，于是获得了图像实时相减的结果。 (4) 如果物1和物2是两个完全相同的图像，并且使两路光的放大倍率稍有差别，这时输出面上两图像大小不等，当作相减处理时，也能得到图像的轮廓，从而也可以获取光学图像的微分图像。
三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 本实验选用的是浙江大学生产的水平定向45°扭曲向列型液晶光阀，其分辨率为30线对/mm，以卤钨灯作为非相干光源。 1. 非相干-相干图像转换 (1) 按原理图布置调整好光路。在液晶光阀上加3－5V，1KHz的交流电压。在A处放置图象透明片，用CCD接收经系统后的读出光图象，观察结果。 (2) 使写入光为零，光阀所加电压频率1KHz，将光阀的驱动电压从0V增加到10V，在观察屏处，用光电探测器同时测量光强值。对测量的数值进行处理，可以获得液晶光阀的工作曲线。接着，将电压分别固定在最小光强和最大光强所对应的值处，将光阀的驱动频率从0.5KHz增加到1.5KHz，得到不同条件下的曲线，进行比较。 (3) 根据获得的液晶光阀的工作曲线，确定工作曲线上的光强的极大值对应的液晶光阀上的驱动电压的频率和幅值。把光阀上的驱动电压设置为所获得的频率和幅值。写入一图象，则在观察屏上得到该图象的反转。 2. 光学图像的实时相减、微分 (1) 按原理图调整布置光路。设计制作待处理图像，并置于光路中。 (2) 仔细调整光路，使两待处理图像在液晶光阀输出面上成像。 (3) 图像相减处理：挡住光路2，观察输出面P3上图象1的像，这是一个在强度恒定的背景上的正像，挡住光路1，打开光路2，观察P3上图象2的像。旋转λ/4波片，使图象2的像为反转像。打开光路1，P3上的图象重叠部分光强消失，接近于背景亮度。仔细调节照明输入面P2的光源的亮度，使输出面P3上两图象重叠部分消失，及其亮度与背景亮度完全一致，这时，便得到了相减图象。 (4) 图像微分处理：在输入面P2上改放与图象1完全相同的图象，并调节P2和透镜L2的位置，使P2上的图象在输入面P3上所成的像变得小些，小于P1上的图象在P3上所成的像，但两个像的中心重合。当这两个图象相减时，便得到输入像的轮廓，即微分图象。
四、实验结果记录、数据处理分析 1. 非相干 — 相干光图像转换
2. 光学图像的实时相减、微分
五、思考题 1. 液晶光阀如何实现光调制？对液晶光阀的两个玻璃基片的夹角有何要求？夹角太小时对实验有何影响？
2. 设计一个用两个液晶光阀实现两图实时相减的试验光路，并说明其工作原理。要得到理想的相减图像，对液晶光阀有什么特殊的要求？
六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议（写得好有加分）
. '. 实验报告
课程名称： 光信息综合实验 指导老师： 成绩：________ 实验名称：基于电寻址液晶光阀的光信息综合实验系统 实验类型：综合型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议
一、 实验目的和要求 1、加深对液晶的电光效应的理解。 2、掌握利用LCD 液晶光阀的响应曲线进行图像反转和图像边缘增强的工作原理及方法。 3、了解全息原理和计算全息的特性并学会进行全息图的光学再现。 4、掌握光学傅立叶变换的性质及全息性质。 5、加深对卷积定理的理解和全息成像原理的认识。
二、 实验内容和原理 1. 液晶的电光效应实验 图1所示液晶光阀（LCTV）是利用液晶混合场效应制成的一种透射式电寻址空间光调制器。它是一个由多层薄膜材料组成的夹层结构。在两片玻璃衬底1和8的里面是两层氧化物制成的透明电极2和7。低压电源E就接在透明电极上。液晶层5的两边是液晶分子取向膜层3和6，两取向层的方向互相垂直，起到液晶分子定向和保护液晶层的作用。液晶层5的厚度由衬垫4和9的间隙决定，一般取d<10 um, 很多情况下d仅为2 um。
图1.1 液晶光阀结构示意图 控制液晶像素电光效应的实际电压值，是由液晶光阀驱动以60Hz的频率矩阵式扫描两边的像元电极来决定的。利用90o扭曲向列型液晶的液晶光阀与起偏器、检偏器一起组成一个空间光调制器（LC-SLM），如图1.2
所示。起偏器与检偏器的偏振轴与x轴的夹角分别表示为1和2，由琼斯矩阵算法可以得到输出光束的光强透射率的表达式：
专业： 姓名： 学号： 日期： 地点：玉泉教三209-211室________________