3.空間光調制器的分類

空間光調制器一般按照讀出光的讀出方式不同, 可以分為反射型和透射型;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),其示意圖如下:

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除此有時也按工作原理(調制或變化的物理效應)來分, 這里不再贅述。這里需要指出的是:(1)光尋址時, 實際上是利用適當的光學系統把一個二維光強分布成像在空間光調制器的像素平面上, 便可以使寫入信號的像素與調制器的像素在空間上一一對應, 實現尋址。因為在時間上所有像素的尋址是同時完成的, 所以光尋址是一種并行尋址方式。其特點是尋址速度最快, 而且像素的大小原則上只受尋址光學成像系統分辨率的限制。但要防止寫入光和讀出光之間的串擾(crosstalk), 通?？臻g光調制器做成反射式的, 在其中有一個隔離層, 使兩光互不干擾;也可以使用不同波長的光, 利用濾光片消除它們之間的串擾。(2)電尋址時, 一對相鄰的行電極和一對相鄰的列電極之間的區域構成像素, 由于電信號是串行信號, 所以電尋址是串行尋址, 一旦在光信息處理鏈中有一個電尋址, 二維并行串行處理就被一維串行處理代替, 處理速度立即降下來。另外, 電尋址是通過條狀電極來傳遞信息的, 電極尺寸的減小有一個限度, 所以像素尺寸也有限度, 即有一個分辨率極限。由于電極本身不透明, 所以像素的有效通光面積與像素總面積之比——— 開口率(fillfactor)較低, 光能利用率不高。

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4.空間光調制器的功能

空間光調制器的基本功能, 就是提供實時或準實時的一維或二維光學傳感器件和運算器件。在光信息處理系統中, 它是系統和外界信息交換的接口。它可以作為系統的輸入器件, 也可在系統中用作變換或運算器件。作為輸入器件時, 其功能主要是將待處理的原始信息處理成系統所要求的輸入形式。此時, 空間光調制器作為輸入傳感器, 可以實現電-光轉換、串行-并行轉換、非相干光-相干光轉換、波長轉換等。另外, 作為處理和運算器件時, 可以實現光放大、矢量-矩陣或矩陣-矩陣間乘法、對比反轉、波面形狀控制等。除此還有模擬圖像存儲的功能。

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5.幾種空間光調制器的應用簡介

5.1 采用光電晶體的空間光調制器

此空間光調制器是用電光晶體作為光調制材料, 將入射到光電表面的輸入圖像變成電子圖像。光電子經微通道板放大以后, 在晶體表面形成電荷圖像。根據此圖像面產生橫斷晶體電場變化, 并因光電效應, 而發生晶體折射率的變化。對晶體照射激光讀出線偏振光。在晶體電賀積累面形成中介反射鏡發出的反射光往返于晶體之中。根據輸入圖像而調制起相位, 使這種光通過偏振光以進行強度調制, 獲得擁有輸出圖像信息的相關光輸出。

5.2 液晶空間光調制器

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。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, 獲得透明或不透明兩種狀態, 實現對光信號的調制。SLM由許多集成電路控制的單元組成, 以電信號來控制每個單元的1 或0 狀態。液晶作為調制介質, 構成低能耗、低電壓的空間光調制器——— 光尋址的液晶光閥(LCLV) (多把用在光運算場合的叫空間光調制器, 用在顯示器場合的叫光閥)和電尋址的薄膜晶體管驅動液晶顯示器(TFT-LCD)。

典型的液晶空間光調制器是硫化鎘(CdS)向列型液晶光閥其結構如圖2 所示。

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這種液晶光閥的主要功能是實現圖像的非相干/相干轉換。其工作過程是, 將待轉換的非相干圖像通過光學系統(作為寫入光Iw)從器件右側成像到光導層上, 同時有一束線偏振相干光(作為讀出光Ir)從器件左側射向液晶層, 其偏振方向與液晶層左端的分子長軸方向一致, 由于高反射膜的作用, 這束光將兩次通過液晶層, 最后從左方出射, 通過一個偏振軸方向與Ir偏振方向相垂直的檢偏器, 得到輸出光Io。

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盡管TFT-LCD是近年開發的, 但作為非相干空間光調制器, 它卻率先投入大批量生產, 并已完全商品化。以TFT-LCD 作為空間光調制器的計算機控制投影儀和液晶大屏幕投影電視(LCD projectionTV , 簡寫為LCD -PTV), 已大批量生產, 完全實用化, 成為光學信息處理實用化的極個別的例子之一。由于液晶材料在透光狀態時, 對光有一定的吸收, 而在不透光狀態時。又有部分光能透過, 而且在不同波段, 液晶材料的透過率不同。因此, 液晶空間光調制器易造成信號損失或編碼錯誤。此外, 液晶材料具有非理想化靜態特性和動態特性, 會在信號還原過程中將會造成光譜扭曲。用SLM實現高分辨成像十分困難。

5.3 聲光調制器

聲光調制器是利用聲光效應, 即利用聲波對光波的作用, 來進行光波調制的器件。電信號通過電-聲換能器件, 在固體或液體介質中產生載有寫入信息的聲波。這個聲波作用于聲光介質, 產生內部應力場分布或表面形變分布。通過光彈性效應, 應力場分布又轉化成介質的折射率分布。表面形變分布和折射率分布都構成一種位相型光柵, 讀出光波就是因受到這種光柵的衍射而被調制的, 從而實現光強調制、光波頻率調制、聲光偏轉等。具體有寬頻帶射頻信號的實時頻譜分析、聲光相關器、聲光波面校正器等。

5.4 磁光調制器

磁光調制器利用對鐵磁材料的誘導磁化來記錄寫入信息, 利用磁光效應來實現對讀出光波的調制。其特點是寫入速度比較快, 光學質量高, 制作工藝比較成熟。主要缺陷是對讀出光能利用率較低。磁光調制器的信息讀出如圖3 所示:

5.5 數字微反射鏡空間調制器

數字微反射鏡器件(DigitalMicromirrorDevice, DMD)是一種利用微細加工和大規模集成電路技術、構思極為巧妙的電尋址空間光調制器。它是由美國德克薩斯儀器公司的一名科學家L.J.Hornbeck在198 7 年發明的。它是用硅基片的存儲陣列控制同一基片上的硅微鏡陣列反射而成像的二維空間光調制器。DMD作為光學信息處理系統接口器件的報道并不多, 但是近年來, 它應用于數字投影顯示(digitalprojectiondisplay)及高清晰度電視(HDTV)中顯示出來的優越性能, 卻引起了科技界和工業界的廣泛興趣。DMD作為非相干光調制器, 用于數字投影成像系統, 是一個很好的例子。近幾年還出現有鐵電陶瓷(PLZI)調制器、微通道板(MSLM)調制器、多量子阱調制器等多種空間光調制器, 在此不再一一介紹。另外, 空間光調制器在光學圖像處理、全息技術和相位共扼技術、光神經網絡以及投影顯示等方面有重要的應用。

6.未來展望

設計、開發空間光調制器的初衷是為光學信息處理提供譜面濾波器件?？臻g光調制器在此起到了重要的作用, 但是由于種種限制, 如靈敏度、圖像分辨率、空間均勻性等問題, 光學信息處理或光學計算機并未取得預期的效果。電子工程師看好空間光調制器的應用價值,經過不斷的改進, 開發成功具備實用價值的器件, 并率先應用于投影機獲得成功。經過一代又一代的改進, 投影機或投影電視機性能不斷改善, 歐、美、日各大電器公司無一例外地進入該領域, 終于形成產業。大屏幕光信息顯示系統是典型的非相干光學信息處理系統, 而空間光調制器又是光學信息處理的關鍵器件。因此可以說, 光學信息處理與現代半導體技術相結合形成產業的大屏幕投影電視機產業將更加推動空間光調制器的發展。