空间光调制器

 空间光调制器

1. 空间光调制器介绍

2. 空间光调制器应用

3. SLM空间光调制器分类

4. 液晶空间光调制器介绍

5. 尖丰光电产品介绍

6. SLM空间光调制器应用问题

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一. 空间光调制器介绍

      通常我们把能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的一类器件称为空间光调制器(SLM,Spatlal Light Modulator)。空间光调制器可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM)

     施加信息量于一维或二维光学数据场的器件。在时域电信号驱动下,或在空域光信号作用下,它可以空间地改变一维或二维光场的相位、偏振、强度、甚至波长分布,还可以实现非相干光和相干光的转换。空间光调制器可有效地利用光固有的高速度、并行性和互连能力,是在光信息处理、光计算、光神经网络系统中起关键作用的基本器件。空间光调制器有反射型和透射型之分。而按其输入的控制信号的性质,可以分为光寻址 (O-SLM)和电寻址 (E-SLM)的两类。前者多为模型(非独立象素)的构件,其基本结构和功能主要取决于所选用的材料及其效应。例如,就绝大多数O-SLM而言,通常是在两个基板的透明电极之间,依次采用光导层、光隔离层、介质反射镜和电光调制材料,构成一个多层的夹心结构。光导层通常采用CaS(Se)、非晶硅、硅平面二极管列阵等。调制材料有电光晶体、铁电陶瓷、液晶(包括铁电液晶)等。E-SLM是实时电光转换接口的基本元件。例如,小型平板液晶电视、磁光空间光调制器等。许多电寻址器件与相应的光寻址器件紧密相关,可以采用相同的调制材料。例如,在微通道板空间光调制器中,放置于电光晶体前的微通道板增强电子束并与电控光阴极联合,能提供光寻址和电寻址的双功能器件。迄今,国外已经研制成功的空间光调制器,约有40多种以上,包括电光、声光、磁光材料和器件,液晶材料和器件,光折变材料和器件,微机械与变形薄膜材料和器件,以及人造工程材料(半导体多量子阱、非线性聚合物等)和器件。我国已经研制成功的空间光调制器有各种LCLV、电导址阴极射线管液晶光阀(CRT-LCLV)、SEED、Si-LCLV、MSLM、泡克耳斯读出光调制器(PROM)、半导体多量子阱空间光调制器等。在空间光调制器的诸多应用中,可以概括为几个方面光信息处理,数据指令发送、数据输入,以及信息的存储和显示。

     空间光调制器含有许多独立单元, 它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制, 利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等) 改变自身的光学特性, 从而对照明在其上的光波进行调制。

二. 空间光调制器应用

• 光谱分析
• 光学数据处理与储存
• 图像滤波
• 光束整形
• 光开关
• 波前校正
• 光相干器
• 电子分划板
• 图像处理与分析
• 场景动态模拟
• 可变成振幅掩膜
• 光束控制
• 拼接式目标图像仿真模块

三. SLM空间光调制器分类

•  一般按照读出光的读出方式不同, 可以分为反射型和透射型；
• 按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA - SLM ) 和电寻址( EA - SLM )。

四. 液晶空间光调制器介绍( liquid crystal spatial lightmodulator )

         目前液晶空间光调制器在空间光调制器中已经占有主导地位。它可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二维分布的实时空间调制。

• 典型的液晶空间光调制器有硫化镉( CdS) 向列型液晶光阀。
• LC-SLM，用于光电导材料有Cd、α-Si、c-Si、GaAs、Bi12SiO20 等半导体。液晶材料采用扭曲向列型TN（Twisted Nematic）、铁电液晶FLC等。
• 硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon）简称（LCOS），是一种全新的数码成像技术。采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，CMOS芯片上涂有薄薄的一层液晶硅，控制电路置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而实现更大的光输出和更高的分辨率。LCOS技术最大的优点是分辨率高。

        根据传播方式可分为透过型和反射型，根据作用量可分为纯相位型、振幅型或相位振幅混合型。

技术参数：

• 分辨率
• 填充因子
• 衍射效率
• 对比度或相移范围

五. 尖丰光电产品介绍

5.1  低温型LCOS空间光调制器(Low temperature type LCOS spatial light modulator)

尖丰光电为满足客户提出的大显示面积，小像元，高分辨率，小体积的要求，自助开发研制了拼接式目标图像仿真模块，该模块技术成熟，性能可靠。本方案主要是将两片分辨率为1920*1080的LCOS液晶光阀，通过偏振分光棱镜实现无缝拼接，实现等效像素点阵为1920*2160的高分辨率液晶光阀，该技术是通过一个信号输入口驱动两片LCOS光阀可以实现两片无色差，高对比度，小型化。获得客户的好评。

产品技术指标：

此款产品，我们团队解决了液晶光阀在低温环境不能正常工作的难题，在-40°C到55°C范围内工作正常，获得用户好评。

5.2  反射式空间光调制器(Reflection type spatial light modulator)

产品介绍：用于空间光调制器反射式液晶光阀是LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术，反射式液晶光阀作为新型SLM具有高对比度，高光效、高分辨率、省电等诸多优势。因为反射式液晶光阀技术借硅基CMOS集成电路技术，在单晶硅片上CMOS阵列取代a-SiTFT-LCD中玻璃基板上a-SiTFT阵列，而且可以周边驱动电路集成一体，甚至可以集成信息处理系统。反射式的空间光调制器不仅可以对振幅进行调制，而且可以实现纯相位调节。更多关于空间光调制器的信息请咨询上海尖丰光电技术有限公司。

产品特点：

• 采用美国LCOS的液晶光阀
• 具有优良的反射波前特性（每一片液晶光阀都通过干涉仪进行严格的检验）
• 高光学效率（一般都能达到60%以上）
• 开口率高（一般都能达到90%以上）
• 高对比度（一般都能达到2000:1以上）
• 高衍射效率
• 灵活的系统配置
• 安静、低振动操作
• 全固态器件结构
• 即插即用简易安装
• 安全的低电压操作
• 有好的图形界面
• 全用户编程

 系统配置表：

 

• 根据客户需要选定适合的LCOS液晶光阀
• 选择配套的驱动控制器
• 高性能PBS（可选配件）
• 连接组件：/1.5m串口电缆1.5m视频电缆
• 基于Windows XP/Windows 2000系统下控制软件
• 电源适配器：DC+4.5V~+5.5V/2A
• 空间光调制器使用说明书，控制软件的数据光盘

 

型号参数一：

型号	RSLM-HD70-A/P	RSLM-2K55-A/P	RSLM-4K70-A	RSLM-4K70-P
调制类型	振幅兼相位	振幅兼相位	振幅调制	纯相位
液晶类型	反射式	反射式	反射式	反射式
灰度等级	8位，256阶	8位，256阶	8位，256阶	8位，256阶
像素数	1920×1080	1920×1080	4096×2400	4096×2400
像元大小	8.0μm	6.4μm	3.74μm	3.74μm
有效像面尺寸	15.36mm×8.64mm	12.29mm×6.91mm	15.32mm×8.98mm	15.32mm×8.98mm
相位范围		2π 632mm		2π 632mm
对比度	＞2000:1	＞1000:1	＞1000:1	＞1000:1
填充因子	＞87%	＞93%	＞89%	＞89%
帧频	60Hz	60Hz 120Hz 240Hz 480Hz	60Hz 120Hz 240Hz 480Hz	60Hz 120Hz 240Hz 480Hz
使用温度	-5°C-55°C	-5°C-55°C	-5°C-55°C	-5°C-55°C
衍射效率	75% 550mm	75% 550mm	75% 550mm	75% 550mm
最大光强	2w/cm2	2w/cm2	2w/cm2	2w/cm2
光谱范围	420nm-1100nm	420nm-1100nm	420nm-1100nm	420nm-1100nm
数据接口	DVI	HDMI	HDMI	HDMI

 

型号参数二：

型号	RSLM-HD70-VIS	RSLM-HD70-NIR	RSLM-HD70-NIR2	RSLM-HD70-TELCO
调制类型	纯相位调制	纯相位调制	纯相位调制	纯相位调制
液晶类型	反射式	反射式	反射式	反射式
灰度等级	8位,256阶	8位,256阶	8位,256阶	8位,256阶
像素数	1920×1080	1920×1080	1920×1080	1920×1080
像元大小	8.0μm	8.0μm	8.0μm	8.0μm
有效像面尺寸	15.36mm×8.64mm	15.36mm×8.64mm	15.36mm×8.64mm	15.36mm×8.64mm
相位范围	2π	2π	405mm 7.7π	2π
			543mm 4.9π
			633mm 3.7π
			850mm 2.7π
			1064mm 2π
对比度				≥2000:1
填充因子	＞87%	87%	87%	90%
帧频	60Hz	60Hz	60Hz	60Hz
响应时间	25ms	30ms	30ms	40ms
衍射效率	60%	60%	60%	60%
最大光强	2W/cm2	2W/cm2	2W/cm2	2W/cm2
光谱范围	420nm-700nm	1000nm-1064nm	400nm-1100nm	1550nm
数据接口	DVI	DVI	DVI	DVI

 5.2  透射式空间光调制器

产品简介：透射式液晶光阀是利用薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵型的液晶板外加其配套的驱动电路组成的。液晶板其内部也集成部分驱动电路使得驱动方式更为稳定可靠。和驱动配套控制配套可以方便的实现和计算机的标准接口传输调制信息。从而实现通过计算机来方便的控制空间光的振幅或相位的变化。

关于空间光调制器更多的信息请咨询上海尖丰光电技术有限公司。

特点：

• 采用进口的高温多晶硅TFT的液晶光阀
• 具有优良的投射波前特性(每一片液晶光阀都通过干涉仪进行严格的检验)
• 高光学效率
• 高对比度
• 光路结构简单
• 无机械可移动部件
• 灵活的系统配置
• 安静、低振动操作
• 全固态器件结构
• 即插即用简易安装
• 安全的低电压操作
• 有好的图形界面
• 全用户编程

系统配置表：

• 根据客户需要选定适合的液晶光阀
• 选择配套的驱动控制器
• 一对偏振方向正交99.99%偏振片(但没有波前精度，不适合于相位调制)
• 连接组件：1.5m串口电缆/1.5m视频电缆；
• 基于Windows XP/Windows 2000系统下控制软件
• 开关电源：16V1A
• 空间光调制器使用说明书，控制软件的数据光盘 

型号与参数一：

型号	TNSLM029-A	TNSLM023-A		TNSLM017-A	TNSLM016-A
调制类型	振幅型	振幅型相位型		振幅型	振幅型
液晶类型	TN型TFTLCD	TN型TFTLCD		TN型TFTLCD	TN型TFTLCD
像素数	1024×768	1024×768		1024×768	800×600
像元大小	18μm	26μm		36μm	33μm
像面尺寸	0.9' 18.3mm×13.7mm	1.3' 26.4mm×19.8mm		1.8' 36.6mm×27.4mm	1.3' 26.4mm×19.8mm
光学利用率	21%(632nm)	26%(632nm)		36%(632nm)	33%(632nm)
对比度	400:1	400:1		400:1	200:1
开口率	54%	67%		70%	60%
光谱范围	380nm-1200nm
表面反射率	减反膜小于Ravg＜1%(380nm-750nm或750nm-1200nm)
投射波前	λ/3-λ/5
损伤阈值	2w/cm2
响应时间	17ms开启，30ms关闭
配套的驱动控制器参数和功能	数据接口		VGA接口(基本)，DVI接口(可选)，USB接口(可选)
	图像切换频率		60HZ,70HZ,75HZ,80HZ
	像素时钟频率		66MHZ
	参数初始化接口		RS-232串口
	主要功能		具有软件通过串口修改调制器的对比度，亮度，相位，上下颠倒，左右反转，图像位置，gamma校正等功能
			具有电位器修改调制器的对比度，亮度功能
			具有设置图像切换频率的功能
偏振片配置特性	起偏		和液晶光阀要求入射方向一致
	检偏		和液晶光阀要求入射方向垂直

 型号与参数二：

型号	TNSLM14U-A	TNSLM16U-A	TNSLM07U-A
调制类型	振幅型	振幅型	振幅型
液晶类型	TN型TFTLCD	TN型TFTLCD	TN型TFTLCD
像素数	2048×1536	1920×1080	1920×1080
像元大小	14μm	19μm	8.5μm
有效像面尺寸	1.4' 28.7mm×21.5mm	1.6' 36.5mm×20.5mm	0.74' 16.3mm×9.18mm
光学利用率	30%(632nm)	30%(632nm)	20%(632nm)
对比度	400:1	380:1	600:1
开口率	64.70%	62.20%	57%
响应时间	7ms开启，25ms关闭	7ms开启，25ms关闭	7ms开启，20ms关闭
光谱范围	380nm-1200nm
表面反射率	减反膜小于Ravg＜1%(380nm-750nm或750nm-1200nm)
透射波前	λ/3-λ/5
损伤阈值	2w/cm2
配套的驱动控制器参数和功能	数据接口	DVI接口(基本)，USB接口（可选）
	图像切换频率	60HZ
	像素时钟频率	140MHZ
	参数初始化接口	RS-232串口
	主要功能	具有软件通过串口修改调制器的对比度，亮度，相位，上下颠倒，左右反转，图像位置，gamma校正等功能
		具有电位器修改调制器的对比度，亮度功能
		具有设置图像切换频率的功能
偏振片配置特性	起偏	和液晶光阀要求入射方向一致
	检偏	和液晶光阀要求入射方向垂直

六. SLM空间光调制器应用问题

1. 一台电脑控制多台SLM，且用一个软件控制，如何实现？

我们的SLM都可以作为普通的显示器由电脑控制。但是，多控制一个SLM需要配置相应的显卡接口，普通电脑无法实现。Holoeye提供特殊的视频分束机，使用该分束机，改变目前显卡输出口只能控制一台SLM的状况，可以同时控制三台SLM，并且，三台SLM能够独立或者配合工作，例如彩色图像工作模式。对于市面上出现的一个显卡带三个数字输出口的器件，目前，没有试验证明其可行。另外，可以不用软件驱动SLM，SLM的液晶面板可以当显示屏来直接工作。

2. 使用三台SLM做彩色全息，三原色标定，面型修正的方法？

在彩色全息中，由于不同波长对应不同的相移，需要分别对红，绿，蓝色进行标定（即伽玛校准），以得到较好的全息效果。例如，用一台SLM实现三原色校准，首先，校准最长的波长到2Pi相移，取整个灰度阶部分，以实现较短波长到2Pi相移的标定。还可以使用校准软件interface里的选项，改变LC分子电压，微调相移。现在液晶面板的反射波前已经相当平，一般并不需要波前校正工作。如果实验精度要求较高，可以使用迈克尔逊干涉方法测得曲面，并得到该曲面对绝对平面的补偿函数，在要加载的光学函数里整合上该补偿函数。

3. 为什么不能做到100%的填充因子？

填充因子，是像元的有效面积，因为像元与像元间会存在不透光的间隙。对于非常高的空间频率信号，需要较高的校准相移深度，以补偿相邻像素的互相影响。如果相邻像素间的高电压梯度存在（在0-2Pi相阶中），会产生像素与像素间的串扰。对于如此小的像元（8µm），并不能完全分开相邻的电压域，这也是不能做到100%填充因子（已经实现尽可能小的填充间隙）的原因。 

4.  8bit与16bit解释

8 bit是标准的DVI数据口。16bit 对应65536阶灰度，但事实上，一次不可能上载如此庞大的灰度阶。8bit，0-2Pi可以准确对应256个相位阶；16bit远没有使用上其标称的精度。理论上，可能的优点是减少需要的SLM的数量。如可以将一个SLM分成两块1080x960pixel的面板，加载不同的涡旋函数。Holoeye的SLM也可以方便的实现，并且无需特殊的显卡和软件，仅仅使用普通的笔记本电脑就可以操作。16bit并不比8bit有太多优势。

5. LC-R1080与pluto区别

LC-R1080是完全的模拟信号控制，而6001（如pluto）是数字信号。所以LC-R1080更稳定，但是，该款也同样可以用于科研，因为其闪烁频率已经远远高于人眼觉察范围。

6. 调制后的原始衍射光成‘十’字形延展，如何改善，减弱该衍射光?

空间光调制器是对衍射光进行波前调制，所以调制图像可以移动，具体视角跟成像和算法有关。十字衍射是由于空间光调制器固有二维结构所决定（跟填充有关），该分量不发生移动。调制图像偏转，偏转可以通过holoeye自带软件控制，在原始衍射图像左右上下分别移动3-4度；优化光路，通过配合调整入射光和出射光的偏振态，以及光入射角度（小角度），可以减弱原始衍射光。入射光偏振态应该和Lcos的长边一致，入射角度也会稍微影响到对应关系，同时出射光偏振态调节，可以更好减弱原始衍射光，使图像效果干扰更少。

7. 序列文件使用说明

序列文件会影响到调制图像闪烁程度及衍射效率，文件由原厂提供，不可更改，只能选择最合适的文件，配合伽玛曲线加载。5-5的序列文件较18-6的，调制深度浅，闪烁小，更稳定，因为其使用的精度低。但是应该和伽马曲线类型相匹配使用。Default类文件对整个波段进行优化，选择时，使用波长应该对应，也可以尝试选择2.1Pi（根据校正曲线状况），或者linear线性，default linear等文件。比较满意的图像效果，需要波长，相移范围等各个因素匹配，还要配合偏振态调节来实现。

8. 检查图像是否加载上仪器

可以通过加载一个高对比的图片，一个偏振片放于SLM后面，观察者可以通过偏振片，在普通灯光下，用肉眼观察液晶上是否有变化（如下图）。

 

9.  Pluto，已扰乱factory default的设置，仪器无法工作，恢复到出才厂设置的方法。

硬件重启：打开仪器控制盒外壳，在主板上，连接2根跳线（如下图，连接好线的管脚位置），需要在此管脚上连接好跳线（其中一个是SLM的正常操作）。然后，启动SLM，并等待1-2分钟，直到出厂设置程序重新加载完成。可以通过加载图片，检查SLM是否能正常工作，来确定该操作是否完成。确定硬件重启过程完成后，关闭SLM，将跳线，控制器主板恢复到原来的状态，重新装好控制器外壳，正常使用仪器。

 

10.  Pluto的labview语言接口子程序subvi 说明

程序里有一个功能说明。理论上，调用此Subvi子程序，可以从一个指定的文件夹里以1-20Hz的频率加载图像。

11.  光阱应用中，如何考虑像元，波长，发散角等因素，设计在固定位置调制光图案状态。

图像尺寸依赖于编程加载的图像函数，和使用的光学系统。

衍射角度：sin(a)= λ/d    （其中，d为光栅常数，如果像元为8µm，则对应一个8阶的闪耀光栅，光栅周期为64µm）编程图像中应该考虑到光屏位置，使用的显微镜的放大率等。

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 参考文献：

1. 液晶空间光调制器的研究

2. 高精度纯相位液晶空间光调制器的研究_刘永军

3. 基于空间光调制器的飞秒并行加工方法研究_胡勇涛

4. 基于像素结构空间光调制器的全息再现像问题研究_沈川

5. 基于液晶空间光调制器的激光束整形_于晓晨

6. 信息存储技术及其发展趋势_胡本浩

7. 液晶空间光调制器的纯相位调制特性研究_刘伯晗

8. 液晶空间光调制器相位调制测量及波前校正_王治华

9. 液晶空间光调制器相位调制特性研究及其应用_王启明