空間光調(diào)制器研究進(jìn)展

1、空間光調(diào)制器研究進(jìn)展空間光調(diào)制器研究進(jìn)展 專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 答辯人：05101090 黨青亮 指導(dǎo)老師：孫艷玲 副教授 內(nèi)容安排 研究背景及意義研究背景及意義1 2 3 4 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介 空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望 空間光調(diào)制器的應(yīng)用空間光調(diào)制器的應(yīng)用 電子電路光學(xué)信息處理與計(jì)算 1.研究背景及意義 信息 能量物質(zhì) 系統(tǒng) 串行處理 工藝 芯片制造 材料 芯片本身 1.研究背景及意義 電子 電路 光調(diào) 制 光束獨(dú)自傳播， 并行處理 光波頻率高達(dá) 10Hz信息量大 光速快 1. 研究背景及意義 1. 研究背景及意義 光學(xué)信光學(xué)信 息處理息處理 與與計(jì)算

2、計(jì)算 光學(xué)光學(xué)探探 測(cè)、測(cè)、控控 制制 圖象處圖象處 理、顯理、顯 示示 模式識(shí)模式識(shí) 別別 光互連、光互連、 計(jì)算計(jì)算 廠礦、港口、機(jī)場(chǎng)、 森林、水庫(kù)大壩、 海岸線的自動(dòng)監(jiān)視 診斷系統(tǒng) 內(nèi)容安排 研究背景及意義研究背景及意義1 2 3 4 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介 空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望 空間光調(diào)制器的應(yīng)用空間光調(diào)制器的應(yīng)用 發(fā)展史定義功能參數(shù)分類 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之發(fā)展史 萌芽 1968美國(guó)RCA公司第一臺(tái)液晶顯示熒幕電尋LC-SLM。 SLM1971休斯公司第一個(gè)光導(dǎo)型透射式液晶光調(diào)制器， 發(fā)展 1971扭曲絲狀液晶場(chǎng)效應(yīng)，液晶顯示技術(shù)迅速發(fā)展。

3、1975交流反射式液晶光閥，混合場(chǎng)效應(yīng) 1984，超扭曲向列LCD和薄膜晶體管TFT-LCD 現(xiàn)狀 數(shù)字微反射鏡(DMD) 微通道板空間光調(diào)制器（MSLM） 普克爾讀出空間光調(diào)制器 液晶光閥（LCLM） 德國(guó)HOLOEYE 素?cái)?shù)最素?cái)?shù)最高高，1920192010801080 衍射效率一般衍射效率一般 美國(guó)BNS 衍射效率幾乎達(dá)衍射效率幾乎達(dá)100%100% 像素單元很大像素單元很大 日本濱松 相位調(diào)制國(guó)際領(lǐng)相位調(diào)制國(guó)際領(lǐng) 先，幾乎能達(dá)到先，幾乎能達(dá)到 線性調(diào)制，有效線性調(diào)制，有效 面積、填充因子面積、填充因子 都還不錯(cuò)都還不錯(cuò) 最高像素僅為最高像素僅為 800800600600 2. 空間光調(diào)

4、制器簡(jiǎn)介之發(fā)展史 大恒科技大恒科技 華工科技華工科技 威創(chuàng)股份威創(chuàng)股份 利達(dá)光電利達(dá)光電 定義定義 SLM：Spatial Light Modulator 利用電或光信號(hào)在時(shí)間或空間上控制另外光源的振幅、相位或偏振態(tài)等傳播狀態(tài)利用電或光信號(hào)在時(shí)間或空間上控制另外光源的振幅、相位或偏振態(tài)等傳播狀態(tài) 以便有效地利用光的固有速度、高頻率、并行性和互連能力的一種主動(dòng)型器件以便有效地利用光的固有速度、高頻率、并行性和互連能力的一種主動(dòng)型器件 一個(gè)透過(guò)率通過(guò)寫(xiě)入信號(hào)實(shí)時(shí)控制的濾光片一個(gè)透過(guò)率通過(guò)寫(xiě)入信號(hào)實(shí)時(shí)控制的濾光片, ,表征為：表征為：T(x,y) = Tx(t),y(t)T(x,y) = Tx(t)

5、,y(t) Tx(t),y(t)Tx(t),y(t)表示在時(shí)刻表示在時(shí)刻t t時(shí)空間光調(diào)制器在（時(shí)空間光調(diào)制器在（x,y)x,y)處的復(fù)數(shù)透過(guò)率。處的復(fù)數(shù)透過(guò)率。 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 獨(dú)立單元：像素獨(dú)立單元：像素 包括：包括： 寫(xiě)入信號(hào)寫(xiě)入信號(hào)-控制信號(hào)控制信號(hào)； 讀出光讀出光-輸入信號(hào)輸入信號(hào)； 輸出光輸出光-輸出信號(hào)輸出信號(hào); 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之定義 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之功能 輸入器件輸入器件 電電-光轉(zhuǎn)換光轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換串行串行-并行轉(zhuǎn)換并行轉(zhuǎn)換非相干光非相干光-相干光轉(zhuǎn)換相干光轉(zhuǎn)換 處理與運(yùn)算器件處理與運(yùn)算器件 放大器放大器乘法器乘法器對(duì)比度反轉(zhuǎn)對(duì)比度反轉(zhuǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬

6、數(shù)字轉(zhuǎn)換 存儲(chǔ)器件存儲(chǔ)器件 Pockels Pockels 光調(diào)制器光調(diào)制器 (PROM)(PROM) 光折變器件等光折變器件等 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之性能參數(shù) 輸入特性輸入特性 對(duì)比度對(duì)比度 靈敏度靈敏度 灰度等級(jí)灰度等級(jí) 輸入輸入- -輸出輸出 特性曲線特性曲線 空間特性空間特性 調(diào)制函數(shù)調(diào)制函數(shù) 開(kāi)關(guān)功耗開(kāi)關(guān)功耗 空間寬帶積空間寬帶積 空間分辨率空間分辨率 時(shí)間特性時(shí)間特性 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 高的幀頻高的幀頻 信息流量信息流量 存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之分類 系統(tǒng)中的位置：系統(tǒng)的輸入器件系統(tǒng)中的位置：系統(tǒng)的輸入器件(I-SLM)(I-SLM)， 在頻譜在頻譜 面上作為濾

7、波器件面上作為濾波器件(P-SLM), (P-SLM), 系統(tǒng)的輸出端系統(tǒng)的輸出端(O-SLM)(O-SLM) 讀出光的讀出方式讀出光的讀出方式：反射型和透射型；反射型和透射型； 輸入控制信號(hào)的方式輸入控制信號(hào)的方式：光尋址光尋址(OA-SLM(OA-SLM）和電尋址和電尋址（EA-SLM EA-SLM ） 工作原理工作原理：如普克爾斯效應(yīng)（線性電光效應(yīng)）、如普克爾斯效應(yīng)（線性電光效應(yīng)）、 克爾效應(yīng)（二次電光效應(yīng)）、聲光效應(yīng)、磁光克爾效應(yīng)（二次電光效應(yīng)）、聲光效應(yīng)、磁光 效應(yīng)、半導(dǎo)體的自電光效應(yīng)、光折變效應(yīng)。效應(yīng)、半導(dǎo)體的自電光效應(yīng)、光折變效應(yīng)。 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之分類 空間光調(diào)制器分類

8、空間光調(diào)制器分類 (一) 電尋址空間光調(diào)制器 1. 薄膜晶體管液晶顯示器 (TFT-LCD)； 2. 磁光空間光調(diào)制器 (MOSLM)； 3. 數(shù)字微反射鏡器件 (DMD) (二)光尋址空間光調(diào)制器 1. 鐵電液晶空間光調(diào)制器 (FLC-SLM)； 2. 液晶光閥(LCLV)及陰極射線管-液晶光閥 (CRTLCLV)； 3. 微通道板空間光調(diào)制器 (MSLM)； 4. Pockels光調(diào)制器 (PROM). 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之分類 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之分類 DMD DMD芯片的反射鏡陣列芯片的反射鏡陣列 TFT-LCDTFT-LCD的等效電路的等效電路 DMDDMD像素展開(kāi)圖像素展開(kāi)

9、圖 2 2個(gè)個(gè)DMDDMD像素圖像素圖 2. 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介之分類 各類液晶空間光調(diào)制器相關(guān)比較各類液晶空間光調(diào)制器相關(guān)比較 內(nèi)容安排 研究背景及意義研究背景及意義1 2 3 4 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介 空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望 空間光調(diào)制器的應(yīng)用空間光調(diào)制器的應(yīng)用 全息顯示 光束整形 調(diào)制 動(dòng)態(tài)紅外 景象投影 微透鏡陣 列制備 壓縮感知 關(guān)聯(lián)成像 3. 3. 全息顯示之全息顯示之?dāng)?shù)字合成全息系統(tǒng)數(shù)字合成全息系統(tǒng) 裴闖于裴闖于20132013年針對(duì)目前三維物體計(jì)算全息算法數(shù)據(jù)量大、計(jì)年針對(duì)目前三維物體計(jì)算全息算法數(shù)據(jù)量大、計(jì) 算速度慢及共軛像影響再現(xiàn)效果問(wèn)題

10、，提出一種全息體視圖算速度慢及共軛像影響再現(xiàn)效果問(wèn)題，提出一種全息體視圖 計(jì)算方法計(jì)算方法。 迭代傅立葉變換算法計(jì)算過(guò)程迭代傅立葉變換算法計(jì)算過(guò)程 方案采用方案采用HoloeyeHoloeye公司反射型液晶空間光調(diào)制器（像公司反射型液晶空間光調(diào)制器（像 素尺寸素尺寸8m8m，分辨率為，分辨率為1920192010801080）構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)）構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng) 3. 3. 全息顯示之全息顯示之?dāng)?shù)字合成全息系統(tǒng)數(shù)字合成全息系統(tǒng) 基于空間光調(diào)制的基于空間光調(diào)制的 全息體視圖再現(xiàn)系統(tǒng)全息體視圖再現(xiàn)系統(tǒng) 從不同角度拍攝獲得了從不同角度拍攝獲得了 沒(méi)有共軛像干擾沒(méi)有共軛像干擾, ,各角度各角度 高質(zhì)量再現(xiàn)的具有

11、良好高質(zhì)量再現(xiàn)的具有良好 的三維顯示效果再現(xiàn)圖的三維顯示效果再現(xiàn)圖 3. 3. 全息顯示之全息顯示之再現(xiàn)像放大再現(xiàn)像放大 基于基于SLMSLM的的CGHCGH顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng) 20132013年中國(guó)科學(xué)院光電研究院年中國(guó)科學(xué)院光電研究院 的王皓等利用傅里葉變換的相的王皓等利用傅里葉變換的相 似性定理基于純相位空間光調(diào)似性定理基于純相位空間光調(diào) 制器的計(jì)算全息顯示系統(tǒng)在理制器的計(jì)算全息顯示系統(tǒng)在理 論算法和實(shí)驗(yàn)光路兩方面得到論算法和實(shí)驗(yàn)光路兩方面得到 2.72.7倍不受中央零級(jí)影響的清倍不受中央零級(jí)影響的清 晰再現(xiàn)像晰再現(xiàn)像 20092009年，年，南開(kāi)南開(kāi)王曉雷提出王曉雷提出了了基于空間光調(diào)制

12、器的基于空間光調(diào)制器的 一步相移數(shù)字全息術(shù)，可用于實(shí)時(shí)記錄和表征物一步相移數(shù)字全息術(shù)，可用于實(shí)時(shí)記錄和表征物 體動(dòng)態(tài)變化特性體動(dòng)態(tài)變化特性, ,在生物細(xì)胞活體觀測(cè)、粒子場(chǎng)動(dòng)在生物細(xì)胞活體觀測(cè)、粒子場(chǎng)動(dòng) 態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景 一步相移數(shù)字全息圖提取示意圖一步相移數(shù)字全息圖提取示意圖 3. 3. 全息顯示全息顯示之一步相移 圖示為圖示為一步相移獲得傳統(tǒng)時(shí)間相移數(shù)字全息四次記一步相移獲得傳統(tǒng)時(shí)間相移數(shù)字全息四次記 錄的信息錄的信息。利用。利用型號(hào)為型號(hào)為X10468-01 X10468-01 向列型純相位型向列型純相位型 空間光調(diào)制器一步實(shí)現(xiàn)參考光四種相位延遲

13、空間光調(diào)制器一步實(shí)現(xiàn)參考光四種相位延遲, ,獲取獲取 了含有四種相移信息的單幅復(fù)合數(shù)字全息圖了含有四種相移信息的單幅復(fù)合數(shù)字全息圖 3. 3. 全息顯示全息顯示之一步相移 20142014年上海大學(xué)的高洪躍基年上海大學(xué)的高洪躍基 于全息復(fù)用技術(shù)和摻偶氮染于全息復(fù)用技術(shù)和摻偶氮染 料液晶混合物形成超薄的液料液晶混合物形成超薄的液 晶薄膜，利用紅綠藍(lán)（晶薄膜，利用紅綠藍(lán)（RGBRGB） 三色激光作為讀出光獲得了三色激光作為讀出光獲得了 無(wú)串?dāng)_噪聲紅綠藍(lán)三色全息無(wú)串?dāng)_噪聲紅綠藍(lán)三色全息 響應(yīng)在毫秒量級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)在毫秒量級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) 全息顯示視頻全息顯示視頻 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯

14、示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3. 3. 全息顯示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示全息顯示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示 圓圓（方）（方）光束輸出。光束輸出。(a)PMA (a)PMA 算法輸出算法輸出圓（方）圓（方） 光束；（光束；（b b）平滑修正法輸出圓）平滑修正法輸出圓（方）（方）光束；光束； （c c）混合算法輸出圓）混合算法輸出圓（方）（方）光束光束 20122012年，于曉晨采用相位混年，于曉晨采用相位混 合算法（合算法（PMAPMA）與平滑修正法）與平滑修正法 相結(jié)合的混合算法，對(duì)激光相結(jié)合的混合算法，對(duì)激光 發(fā)出的高斯光束進(jìn)行整形發(fā)出的高斯光束進(jìn)行整形， 得到頂部不均勻度和均方誤得到頂部不均勻度和均方誤 差都低于，能量集中度差都低

15、于，能量集中度 在在9090以上的輸出光束。以上的輸出光束。 光束整形實(shí)驗(yàn)裝置圖光束整形實(shí)驗(yàn)裝置圖 3. 3. 基于空間光調(diào)制器的光束整形基于空間光調(diào)制器的光束整形 數(shù)字微鏡器件用于光束空間整形數(shù)字微鏡器件用于光束空間整形 填充因子由填充因子由3333提高為提高為6565，光場(chǎng)調(diào)制度由，光場(chǎng)調(diào)制度由5252降為降為2828 光束近場(chǎng)調(diào)制度一次整形后光束近場(chǎng)調(diào)制度一次整形后1.851.851 1降到降到1.331.331 1改善改善28.128.1 基于液晶空間光調(diào)制器的光束調(diào)制基于液晶空間光調(diào)制器的光束調(diào)制 產(chǎn)生艾麗光束產(chǎn)生艾麗光束 產(chǎn)生產(chǎn)生三光學(xué)勢(shì)阱三光學(xué)勢(shì)阱 3. 3. 基于空間光調(diào)制器的

16、光束整形基于空間光調(diào)制器的光束整形 數(shù)字微鏡器件動(dòng)態(tài)紅外景象投影技術(shù)數(shù)字微鏡器件動(dòng)態(tài)紅外景象投影技術(shù) WAPS PWMWAPS PWM模式產(chǎn)生的紅外圖像模式產(chǎn)生的紅外圖像 OSCOSC公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的DMDDMD紅外景象產(chǎn)生器紅外景象產(chǎn)生器( (分辨率為分辨率為VGA:800VGA:800600)600)已已 在美國(guó)陸軍航空導(dǎo)彈司令部在美國(guó)陸軍航空導(dǎo)彈司令部(AMCOM)(AMCOM)的高級(jí)仿真中心的高級(jí)仿真中心(ASC)(ASC)投入投入 使用使用, ,正在研究高分辨率正在研究高分辨率(XGA:1024:768)(XGA:1024:768)的紅外投影技術(shù)的紅外投影技術(shù) 基于空間光調(diào)制器的

17、微透鏡陣列制備技術(shù)基于空間光調(diào)制器的微透鏡陣列制備技術(shù) 基于空間光調(diào)制器的微透鏡制作系統(tǒng)基于空間光調(diào)制器的微透鏡制作系統(tǒng) 干涉條紋周期干涉條紋周期1um1um，像素特征尺寸為，像素特征尺寸為3.5um3.5um的縮小干涉光斑圖形的縮小干涉光斑圖形。 基于數(shù)字微鏡器件的壓縮感知關(guān)聯(lián)成像研究基于數(shù)字微鏡器件的壓縮感知關(guān)聯(lián)成像研究 (a1),(a2)(a1),(a2)原物體；原物體；(b1),(b2) CS(b1),(b2) CS所得的圖像；所得的圖像；c1),(c2)c1),(c2)關(guān)聯(lián)算關(guān)聯(lián)算 法所得到的圖像法所得到的圖像 簡(jiǎn)化了多光譜成像探測(cè)的光電記錄過(guò)程簡(jiǎn)化了多光譜成像探測(cè)的光電記錄過(guò)程 內(nèi)

18、容安排 研究背景及意義研究背景及意義1 2 3 4 空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介 空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來(lái)發(fā)展展望 空間光調(diào)制器的應(yīng)用空間光調(diào)制器的應(yīng)用 相關(guān)器件的發(fā) 展 光尋址 透射式 三維顯 示 光子計(jì) 算機(jī) 系統(tǒng)器 件材料 DMDDMD系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)間要有相互的同系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)間要有相互的同 步控制信號(hào)。步控制信號(hào)。因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)DMDDMD的完全自主控制的完全自主控制, , 才是改進(jìn)其在激光光刻領(lǐng)域應(yīng)用的根本辦法。才是改進(jìn)其在激光光刻領(lǐng)域應(yīng)用的根本辦法。 高度并行并不等于高速處理，高度并行并不等于高速處理，被被光探測(cè)效應(yīng)的光探測(cè)效應(yīng)的 響應(yīng)速度響應(yīng)速度限制限制。在相關(guān)器件的性能研發(fā)方面有所突破，避免個(gè)體。在相關(guān)器件的性能研發(fā)方面有所突破，避免個(gè)體 “瓶頸瓶頸”限制整體系統(tǒng)。限制整體系統(tǒng)。 4.空間光調(diào)制器未來(lái)展望 反射式反射式 SLM SLM 隨機(jī)分布的干涉條紋，難以消除。電尋址隨機(jī)分布的干涉條紋，難以消除。電尋址SLM SLM 分辨率分辨率 難以提高。難以提高。光尋址透射式的光尋址透射式的LCSLMLCSLM具有能量利用率高，具有能量利用率高， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)是SLM SLM 的大勢(shì)所趨。的大勢(shì)所趨。光尋址透射式光光尋址透射式光 敏材料的選擇以及光敏層和液