空間光調制器

1. 空間光調制器介紹

2. 空間光調制器應用

3. SLM空間光調制器分類

4. 液晶空間光調制器介紹

5. 尖豐光電產品介紹?

6. SLM空間光調制器應用問題

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一. 空間光調制器介紹

通常我們把能將信息加載于一維或兩維的光學數據場上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互連能力的一類器件稱為空間光調制器(SLM,Spatlal Light Modulator)。空間光調制器可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間分布的振幅或強度、相位、偏振態以及波長，或者把非相干光轉化成相干光。空間光調制器一般按照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射式和透射式；而按照輸入控制信號的方式不同又可分為光尋址(OA-SLM)和電尋址(EA-SLM)

施加信息量于一維或二維光學數據場的器件。在時域電信號驅動下,或在空域光信號作用下,它可以空間地改變一維或二維光場的相位、偏振、強度、甚至波長分布,還可以實現非相干光和相干光的轉換。空間光調制器可有效地利用光固有的高速度、并行性和互連能力,是在光信息處理、光計算、光神經網絡系統中起關鍵作用的基本器件。空間光調制器有反射型和透射型之分。而按其輸入的控制信號的性質,可以分為光尋址 (O-SLM)和電尋址 (E-SLM)的兩類。前者多為模型(非獨立象素)的構件,其基本結構和功能主要取決于所選用的材料及其效應。例如,就絕大多數O-SLM而言,通常是在兩個基板的透明電極之間,依次采用光導層、光隔離層、介質反射鏡和電光調制材料,構成一個多層的夾心結構。光導層通常采用CaS(Se)、非晶硅、硅平面二極管列陣等。調制材料有電光晶體、鐵電陶瓷、液晶(包括鐵電液晶)等。E-SLM是實時電光轉換接口的基本元件。例如,小型平板液晶電視、磁光空間光調制器等。許多電尋址器件與相應的光尋址器件緊密相關,可以采用相同的調制材料。例如,在微通道板空間光調制器中,放置于電光晶體前的微通道板增強電子束并與電控光陰極聯合,能提供光尋址和電尋址的雙功能器件。迄今,國外已經研制成功的空間光調制器,約有40多種以上,包括電光、聲光、磁光材料和器件,液晶材料和器件,光折變材料和器件,微機械與變形薄膜材料和器件,以及人造工程材料(半導體多量子阱、非線性聚合物等)和器件。我國已經研制成功的空間光調制器有各種LCLV、電導址陰極射線管液晶光閥(CRT-LCLV)、SEED、Si-LCLV、MSLM、泡克耳斯讀出光調制器(PROM)、半導體多量子阱空間光調制器等。在空間光調制器的諸多應用中,可以概括為幾個方面光信息處理,數據指令發送、數據輸入,以及信息的存儲和顯示。

空間光調制器含有許多獨立單元, 它們在空間上排列成一維或二維陣列。每個單元都可以獨立地接受光學信號或電學信號的控制, 利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應、光折變效應等) 改變自身的光學特性, 從而對照明在其上的光波進行調制。

二. 空間光調制器應用

空間光調制器是一種對光波的光場分布進行調制的元件，廣泛地應用于光信息處理、光束變換、輸出顯示等諸多應用領域。液晶空間光調制器(SLM)以制作簡單，價格低，耗能低，易控制，易制成二維器件，且易構成并行光學信息處理器件等優點，倍受國內外研究學者的關注。液晶空間光調制器又稱光學快門陣列(OSAs) ,它將液晶層作為光調制材料,液晶層采用向列型液晶的混合場效應工作模式，在晶層上各區域施加不同的電場,可以引起液晶分子排列方向和位置的變化,從而導致其光學性質的變化,實現對光信號的調制。該產品目前在光鑷技術、螺旋位相相襯成像、飛秒脈沖整形、自適應光學、光學投影等方面都有許多應用。

上海尖豐光電技術有限公司的空間光調制器主要是基于透射或反射類型的液晶微顯示技術，通過液晶分子的旋光偏振性和雙折射性來實現入射光束的波面振幅和相位的調制（如圖1），可作為動態光學元件，實時地調制光強和相位的空間分布。尖豐光電SLM系列產品一般可分為相位型、振幅型和振幅相位復合型。純相位型調制范圍都可達2π以上，振幅型對比度典型值為2500:1，LC-R 1080可達10000:1。尖豐光電SLM系列產品分辨率高，像素單元小，填充因子高，衍射效率高，這樣，實際應用中可獲得高精度的波前控制。同時，幀頻可達到180Hz，有利于實時控制。該產品還提供了良好的軟件控制界面，通過灰度圖象控制SLM面板像素單元對應的相位或振幅。目前，尖豐光電的空間光調制器已在許多領域得到應用，下面僅作一些簡單的介紹。

圖1 相位調制特性測量示意圖

2.1 全息光鑷

光鑷技術是利用光的力學效應實現對微觀粒子的操控，具有非接觸、無損傷特性，在分子生物學、膠體科學、實驗原子物理等領域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發展并產生許多衍生光鑷技術。利用全息元件或空間光調制器（SLM）所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優勢，為光鑷技術走向實用化、規模工業生產打開了新局面，是目前光鑷家族活力的成員。

利用空間光調制器，可以靈活地實現光束的變換，獲得所需的阱域分布。所謂阱域，就是具有高梯度光強分布的區域，該區域可形成對微粒的三維束縛（如圖2）。該實驗中，為解決一般光鑷系統高數值孔徑物鏡帶來的短工作距離問題，設計出Twin雙光束技術，即另一部分光通過載波片的反射，形成與原會聚光對應的反向會聚光。這樣，可以減小散射光的影響，提高軸向作用力，在低數值孔徑物鏡下也可形成光阱。另外，通過SLM可以產生多個阱域^2，3），實現多粒子的操控，并且還可用于微粒間相互作用力的測量。值得一提的是，利用SLM可將基模Gaussian光束轉換成Laguerre-Gaussian光束，由于Laguerre-Gaussian具有軌道角動量，可以實現對微粒的旋轉操控，該研究引起了廣泛的興趣^4）。

圖2 Twin光阱全息光鑷裝置

2.2 螺旋位相相襯成像

在光學顯微鏡中，暗場或相襯方法常被用來提高物體成像的對比度。實質上，這些方法都可看作是傅立葉平面上的光學濾波。類似于微分干涉相差顯微技術，螺旋位相相襯法也是利用對相移的敏感性來提高成像的清晰度，特別是邊緣。由于光束的對稱性，還可以對各向均勻介質物體成像進行對比增強。并且，較傳統相差顯微成像，邊緣對比度要提高幾個量級。如圖3，Severin.F等采用了Holoeye 3000反射型SLM，分辨率1920×1080，像元大小10um。通過它產生閃耀光柵執行濾波處理⁵⁾。這里，進行螺旋相位濾波的全息光柵，中心有一個分叉，對應于位相不連續奇點。

圖3 螺旋位相光束在成像中用于提高邊緣對比度的實驗裝置

圖4 相位物體的對比增強。A-C為明場成像，B-D為螺旋位相濾波成像

2.3飛秒脈沖整形

飛秒脈沖整形的基本原理是頻域和時域是互為傅里葉變換的，所需要的輸出波形可由濾波實現。圖5是脈沖整形的基本裝置⁶⁾，它是由衍射光柵、透鏡和脈沖整形模板組成的4f系統。超短激光脈沖照射到光柵和透鏡上被色散成各個光頻成份。在兩透鏡的中間位置上插入一塊空間模式的模板或可編程的空間光調制器，目的是調制空間色散的各光頻成份的振幅和位相遙，光柵和透鏡看作是零色散脈沖壓縮結構。超短脈沖中的各光頻成份由個衍射光柵角色散，然后在個透鏡的焦平面聚焦成一個小的、衍射有限的光斑。這里的各光頻成份在一維方向上空間分離，在光柵上從不同角度散開，在個透鏡的后焦平面上進行了空間分離，個透鏡實現了一次傅里葉變換。第二個透鏡和光柵把這些分離的所有頻率成份重新組合，這樣就得到了一個整形輸出脈沖，這個輸出脈沖的形狀由光譜面上模板的模式給出。

這里，E.Frumker等只使用了一個透鏡和光柵進行脈沖整形。其中，SLM為Holoeye HEO 1080P，承受功率密度可大于2W/cm²。在制冷的狀態下，可進一步提高光功率。

圖5 飛秒脈沖整形實驗光路圖

2.4 自適應光學

自適應光學技術，是一種能夠實時校正光學系統隨機誤差并使系統始終保持良好工作性能的新技術，早期在天文觀測中是用來修復大氣湍流等因素對光波波前的扭曲，通過動態地對波前誤差的實時探測-控制-校正，來改善成像質量。目前，在眼底視網膜成像、大視場顯微成像等方面也得到應用。自適應光學系統中，關鍵部件是哈特曼波前傳感器與變形鏡⁷⁾或空間光調制器（圖6）。

另外，SLM還可用來模擬大氣擾動，為實驗室里研究大氣中光學成像提供有力支持⁸⁾。

圖6 光波前閉環控制示意圖

2.5 光學投影

光學投影，特別是三維成像，可以利用空間光調制器通過全息計算生成。Alexander.J認為物光的復振幅光場由兩個相位衍射模式P1,P2組成⁹⁾，分別處于4f系統中的兩個共軛平面上，P1通過跌代優化建立傅立葉平面上的振幅分布，P2用來建立所需要的相位分布函數。如圖7，P1，P2都是由Holoeye HEO 1080 SLM來完成，凹面反射鏡類似透鏡作用進行傅立葉變換。實驗上，建立了一個Logo圖象。與一般衍射元件相比較，SLM可以對成像方便地進行優化處理。

圖7 圖象的全息重建實驗示意圖

液晶空間光調制器，隨著加工工藝的提高，將會在更多的領域發揮其優勢。

2.6 其他方面應用：

• 光譜分析
• 光學數據處理與儲存
• 圖像濾波
• 光束整形
• 光開關
• 波前校正
• 光相干器
• 電子分劃板
• 圖像處理與分析
• 場景動態模擬
• 可變成振幅掩膜
• 光束控制
• 拼接式目標圖像仿真模塊

三. SLM空間光調制器分類

• 一般按照讀出光的讀出方式不同, 可以分為反射型和透射型；
• 按照輸入控制信號的方式不同又可分為光尋址(OA - SLM ) 和電尋址( EA - SLM )。

四. 液晶空間光調制器介紹( liquid crystal spatial lightmodulator )

目前液晶空間光調制器在空間光調制器中已經占有主導地位。它可對光束的相位、偏振態、振幅或強度進行一維或二維分布的實時空間調制。

• 典型的液晶空間光調制器有硫化鎘( CdS) 向列型液晶光閥。
• LC-SLM，用于光電導材料有Cd、α-Si、c-Si、GaAs、Bi12SiO20 等半導體。液晶材料采用扭曲向列型TN（Twisted Nematic）、鐵電液晶FLC等。
• 硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon）簡稱（LCOS），是一種全新的數碼成像技術。采用半導體CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片，CMOS芯片上涂有薄薄的一層液晶硅，控制電路置于顯示裝置的后面，可以提高透光率，從而實現更大的光輸出和更高的分辨率。LCOS技術大的優點是分辨率高。

根據傳播方式可分為透過型和反射型，根據作用量可分為純相位型、振幅型或相位振幅混合型。

技術參數：

• 分辨率
• 填充因子
• 衍射效率
• 對比度或相移范圍

五. 尖豐光電產品介紹

5.1 低溫型LCOS空間光調制器(Low temperature type LCOS spatial light modulator)

尖豐光電為滿足客戶提出的大顯示面積，小像元，高分辨率，小體積的要求，自助開發研制了拼接式目標圖像仿真模塊，該模塊技術成熟，性能可靠。本方案主要是將兩片分辨率為1920*1080的LCOS液晶光閥，通過偏振分光棱鏡實現無縫拼接，實現等效像素點陣為1920*2160的高分辨率液晶光閥，該技術是通過一個信號輸入口驅動兩片LCOS光閥可以實現兩片無色差，高對比度，小型化。獲得客戶的好評。

產品技術指標：

此款產品，我們團隊解決了液晶光閥在低溫環境不能正常工作的難題，在-40°C到55°C范圍內工作正常，獲得用戶好評。

5.2 反射式空間光調制器(Reflection type spatial light modulator)

產品介紹：用于空間光調制器反射式液晶光閥是LCD與CMOS集成電路有機結合的反射型新型顯示技術，反射式液晶光閥作為新型SLM具有高對比度，高光效、高分辨率、省電等諸多優勢。因為反射式液晶光閥技術借硅基CMOS集成電路技術，在單晶硅片上CMOS陣列取代a-SiTFT-LCD中玻璃基板上a-SiTFT陣列，而且可以周邊驅動電路集成一體，甚至可以集成信息處理系統。反射式的空間光調制器不僅可以對振幅進行調制，而且可以實現純相位調節。更多關于空間光調制器的信息請咨詢上海尖豐光電技術有限公司。

產品特點：

• 采用美國LCOS的液晶光閥
• 具有優良的反射波前特性（每一片液晶光閥都通過干涉儀進行嚴格的檢驗）
• 高光學效率（一般都能達到60%以上）
• 開口率高（一般都能達到90%以上）
• 高對比度（一般都能達到2000:1以上）
• 高衍射效率
• 靈活的系統配置
• 安靜、低振動操作
• 全固態器件結構
• 即插即用簡易安裝
• 安全的低電壓操作
• 有好的圖形界面
• 全用戶編程

系統配置表：

• 根據客戶需要選定適合的LCOS液晶光閥
• 選擇配套的驅動控制器
• 高性能PBS（可選配件）
• 連接組件：/1.5m串口電纜1.5m視頻電纜
• 基于Windows XP/Windows 2000系統下控制軟件
• 電源適配器：DC+4.5V~+5.5V/2A
• 空間光調制器使用說明書，控制軟件的數據光盤

型號參數一：

型號參數二：

5.2 透射式空間光調制器

產品簡介：透射式液晶光閥是利用薄膜晶體管(TFT)的有源矩陣型的液晶板外加其配套的驅動電路組成的。液晶板其內部也集成部分驅動電路使得驅動方式更為穩定可靠。和驅動配套控制配套可以方便的實現和計算機的標準接口傳輸調制信息。從而實現通過計算機來方便的控制空間光的振幅或相位的變化。

關于空間光調制器更多的信息請咨詢上海尖豐光電技術有限公司。

特點：

• 采用進口的高溫多晶硅TFT的液晶光閥
• 具有優良的投射波前特性(每一片液晶光閥都通過干涉儀進行嚴格的檢驗)
• 高光學效率
• 高對比度
• 光路結構簡單
• 無機械可移動部件
• 靈活的系統配置
• 安靜、低振動操作
• 全固態器件結構
• 即插即用簡易安裝
• 安全的低電壓操作
• 有好的圖形界面
• 全用戶編程

系統配置表：

• 根據客戶需要選定適合的液晶光閥
• 選擇配套的驅動控制器
• 一對偏振方向正交99.99%偏振片(但沒有波前精度，不適合于相位調制)
• 連接組件：1.5m串口電纜/1.5m視頻電纜；
• 基于Windows XP/Windows 2000系統下控制軟件
• 開關電源：16V1A
• 空間光調制器使用說明書，控制軟件的數據光盤

型號與參數一：

型號與參數二：

空間光調制器的內部結構：

空間光調制器顯示圖像實例：

空間光調制器演示實例：

六. SLM空間光調制器應用問題

1. 一臺電腦控制多臺SLM，且用一個軟件控制，如何實現？

我們的SLM都可以作為普通的顯示器由電腦控制。但是，多控制一個SLM需要配置相應的顯卡接口，普通電腦無法實現。Holoeye提供特殊的視頻分束機，使用該分束機，改變目前顯卡輸出口只能控制一臺SLM的狀況，可以同時控制三臺SLM，并且，三臺SLM能夠獨立或者配合工作，例如彩色圖像工作模式。對于市面上出現的一個顯卡帶三個數字輸出口的器件，目前，沒有試驗證明其可行。另外，可以不用軟件驅動SLM，SLM的液晶面板可以當顯示屏來直接工作。

2. 使用三臺SLM做彩色全息，三原色標定，面型修正的方法？

在彩色全息中，由于不同波長對應不同的相移，需要分別對紅，綠，藍色進行標定（即伽瑪校準），以得到較好的全息效果。例如，用一臺SLM實現三原色校準，首先，校準長的波長到2Pi相移，取整個灰度階部分，以實現較短波長到2Pi相移的標定。還可以使用校準軟件interface里的選項，改變LC分子電壓，微調相移。現在液晶面板的反射波前已經相當平，一般并不需要波前校正工作。如果實驗精度要求較高，可以使用邁克爾遜干涉方法測得曲面，并得到該曲面對平面的補償函數，在要加載的光學函數里整合上該補償函數。

3. 為什么不能做到的填充因子？

填充因子，是像元的有效面積，因為像元與像元間會存在不透光的間隙。對于非常高的空間頻率信號，需要較高的校準相移深度，以補償相鄰像素的互相影響。如果相鄰像素間的高電壓梯度存在（在0-2Pi相階中），會產生像素與像素間的串擾。對于如此小的像元（8μm），并不能*分開相鄰的電壓域，這也是不能做到填充因子（已經實現盡可能小的填充間隙）的原因。

4. 8bit與16bit解釋

8 bit是標準的DVI數據口。16bit 對應65536階灰度，但事實上，一次不可能上載如此龐大的灰度階。8bit，0-2Pi可以準確對應256個相位階；16bit遠沒有使用上其標稱的精度。理論上，可能的優點是減少需要的SLM的數量。如可以將一個SLM分成兩塊1080x960pixel的面板，加載不同的渦旋函數。Holoeye的SLM也可以方便的實現，并且無需特殊的顯卡和軟件，僅僅使用普通的筆記本電腦就可以操作。16bit并不比8bit有太多優勢。

5. LC-R1080與pluto區別

LC-R1080是*的模擬信號控制，而6001（如pluto）是數字信號。所以LC-R1080更穩定，但是，該款也同樣可以用于科研，因為其閃爍頻率已經遠遠高于人眼覺察范圍。

6. 調制后的原始衍射光成‘十’字形延展，如何改善，減弱該衍射光?

空間光調制器是對衍射光進行波前調制，所以調制圖像可以移動，具體視角跟成像和算法有關。十字衍射是由于空間光調制器固有二維結構所決定（跟填充有關），該分量不發生移動。調制圖像偏轉，偏轉可以通過holoeye自帶軟件控制，在原始衍射圖像左右上下分別移動3-4度；優化光路，通過配合調整入射光和出射光的偏振態，以及光入射角度（小角度），可以減弱原始衍射光。入射光偏振態應該和Lcos的長邊一致，入射角度也會稍微影響到對應關系，同時出射光偏振態調節，可以更好減弱原始衍射光，使圖像效果干擾更少。

7. 序列文件使用說明

序列文件會影響到調制圖像閃爍程度及衍射效率，文件由原廠提供，不可更改，只能選擇合適的文件，配合伽瑪曲線加載。5-5的序列文件較18-6的，調制深度淺，閃爍小，更穩定，因為其使用的精度低。但是應該和伽馬曲線類型相匹配使用。Default類文件對整個波段進行優化，選擇時，使用波長應該對應，也可以嘗試選擇2.1Pi（根據校正曲線狀況），或者linear線性，default linear等文件。比較滿意的圖像效果，需要波長，相移范圍等各個因素匹配，還要配合偏振態調節來實現。

8. 檢查圖像是否加載上儀器

可以通過加載一個高對比的圖片，一個偏振片放于SLM后面，觀察者可以通過偏振片，在普通燈光下，用肉眼觀察液晶上是否有變化（如下圖）。

9. Pluto，已擾亂factory default的設置，儀器無法工作，恢復到出才廠設置的方法。

硬件重啟：打開儀器控制盒外殼，在主板上，連接2根跳線（如下圖，連接好線的管腳位置），需要在此管腳上連接好跳線（其中一個是SLM的正常操作）。然后，啟動SLM，并等待1-2分鐘，直到出廠設置程序重新加載完成。可以通過加載圖片，檢查SLM是否能正常工作，來確定該操作是否完成。確定硬件重啟過程完成后，關閉SLM，將跳線，控制器主板恢復到原來的狀態，重新裝好控制器外殼，正常使用儀器。

10. Pluto的labview語言接口子程序subvi 說明

程序里有一個功能說明。理論上，調用此Subvi子程序，可以從一個的文件夾里以1-20Hz的頻率加載圖像。

11. 光阱應用中，如何考慮像元，波長，發散角等因素，設計在固定位置調制光圖案狀態。

圖像尺寸依賴于編程加載的圖像函數，和使用的光學系統。

衍射角度：sin(a)= λ/d （其中，d為光柵常數，如果像元為8μm，則對應一個8階的閃耀光柵，光柵周期為64μm）編程圖像中應該考慮到光屏位置，使用的顯微鏡的放大率等。

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參考文獻：

1. 液晶空間光調制器的研究

2. 高精度純相位液晶空間光調制器的研究_劉永軍?

3. 基于空間光調制器的飛秒并行加工方法研究_胡勇濤?

4. 基于像素結構空間光調制器的全息再現像問題研究_沈川?

5. 基于液晶空間光調制器的激光束整形_于曉晨?

6. 信息存儲技術及其發展趨勢_胡本浩?

7. 液晶空間光調制器的純相位調制特性研究_劉伯晗?

8. 液晶空間光調制器相位調制測量及波前校正_王治&