液晶空間光調(diào)制器

1、液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器張望平張望平 2012.04.03主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、空間光調(diào)制器的發(fā)展歷史二、空間光調(diào)制器的原理三、液晶材料簡(jiǎn)介四、液晶空間光調(diào)制器的主要參數(shù)五、扭曲向列液晶的調(diào)制原理六、液晶屏的光調(diào)制特性測(cè)量與分析七、液晶空間光調(diào)制器的應(yīng)用 一一 、發(fā)展歷史、發(fā)展歷史1888年奧地利植物學(xué)家萊尼采爾(F.Reinitezer）發(fā)現(xiàn)了液晶20世紀(jì)初，液晶的研究進(jìn)入高峰期，主要成就是發(fā)現(xiàn)了液晶的一些物理性質(zhì)1961年美國(guó)無(wú)線電公司(RCA)普林斯頓研究所的海麥爾(GH.Heilmeier)從微波固體元件研究方向轉(zhuǎn)入有機(jī)半導(dǎo)體方向1963年RCA的威廉斯發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)影響液晶的分子排

2、列1964年他們發(fā)現(xiàn)了液晶的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)(dynamieseattering),為液晶在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門,因此海麥爾成為液晶顯示的先驅(qū)1971年美國(guó)休斯公司J.D.Margerum等人提出了第一個(gè)光導(dǎo)型透射式液晶光調(diào)制器,這種器件工作在動(dòng)態(tài)散射模式,用ZnS作為光導(dǎo)層,直流驅(qū)動(dòng)比較容易引起液晶與電極間的電化學(xué)反應(yīng)從而降低器件的壽命1972年,T.D.Bemd等人研制成CdS作光導(dǎo)層,交流電壓驅(qū)動(dòng)的反射讀出型液晶光閥,為實(shí)用化器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)1975年,J.Grinbery等人報(bào)道了用CdS作光導(dǎo)層,CdTe作光隔離層的交流反射式液晶光閥,是液晶工作在混合場(chǎng)效應(yīng)(向列相液晶的扭曲效應(yīng)

3、和雙折射效應(yīng))模式二、空間光調(diào)制器原理二、空間光調(diào)制器原理 1 概念概念： 空間光調(diào)制器空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator-SLM)是一種對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件。一般地說(shuō)，空間光調(diào)制器由許多獨(dú)立單元許多獨(dú)立單元組成，它們?cè)诳臻g上排列成一維或二維陣列，每個(gè)單元都可以獨(dú)立地接受光學(xué)信號(hào)或電學(xué)信號(hào)的控獨(dú)立地接受光學(xué)信號(hào)或電學(xué)信號(hào)的控制制，并按此信 號(hào)改變自身改變自身的光學(xué)性質(zhì)，從而對(duì)照明在其上的對(duì)照明在其上的光波進(jìn)行調(diào)制光波進(jìn)行調(diào)制。2 SLM分類分類 按照寫入方式的不同：按照寫入方式的不同： ESLMSLMOSLMSLM電寫入的光寫入的按照調(diào)

4、制方式的不同：按照調(diào)制方式的不同： 相位調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制按照讀出方式的不同：按照讀出方式的不同：反射式透射式3 SLM中的三光中的三光寫入光/信號(hào)：控制像素的光或者信號(hào)讀出光：照明整個(gè)器件并被調(diào)制的光波輸出光：被像素單元調(diào)制后的輸出光波4 兩種寫入方式兩種寫入方式電寫入的電寫入的SLM：代表待輸入系統(tǒng)的信息的電信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)器件（空間光調(diào)制器），方式是控制其吸收或相移的空間分布。光寫入的光寫入的SLM：信息一開始是以光學(xué)圖像的形式，而不是以電子的形式輸入到SLM，在這種情況下，SLM的功能是將非相干的光圖像轉(zhuǎn)化為相干的光圖像，接著用相干光學(xué)系統(tǒng)做下一步的處理。5 尋址（尋址（adressing）

5、的概念）的概念 寫入光或?qū)懭胄盘?hào)應(yīng)含有控制調(diào)制器各個(gè)像素的信息。把這些信息分別傳送到相應(yīng)像素位置上去的過(guò)程稱為尋址。如果采用寫入光實(shí)現(xiàn)，稱為光尋址，采用寫入電信號(hào)，稱為電尋址。電尋址方式是光電混合處理系統(tǒng)。有以下缺點(diǎn)電尋址方式是光電混合處理系統(tǒng)。有以下缺點(diǎn) ： 電信號(hào)是時(shí)間串行信號(hào)，所以電尋址是串行尋址。電信號(hào)是時(shí)間串行信號(hào)，所以電尋址是串行尋址。 電尋址通過(guò)條狀電極來(lái)傳遞信息，電極尺寸的減小有一個(gè)限度電尋址通過(guò)條狀電極來(lái)傳遞信息，電極尺寸的減小有一個(gè)限度，所以像素尺寸也有限度。，所以像素尺寸也有限度。 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電極本身不透明，所以像素的有效通光面

6、積與像素總面積之比開口率較低，光能利用率比較低。開口率較低，光能利用率比較低。6 SLM的具體功能 輸入器件 電-光轉(zhuǎn)換和串行-并行轉(zhuǎn)換 非相干光-相干光轉(zhuǎn)換 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 處理和運(yùn)算功能器件 放大器 乘法器與算數(shù)運(yùn)算功能三、液晶材料簡(jiǎn)介三、液晶材料簡(jiǎn)介液晶液晶材料材料：最為廣泛的一種電光效應(yīng)材料。：最為廣泛的一種電光效應(yīng)材料。介于固態(tài)和液態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種物態(tài)，它具備液體的流動(dòng)性，又具備固態(tài)晶體的之間的一種物態(tài)，它具備液體的流動(dòng)性，又具備固態(tài)晶體的排列性質(zhì)。液晶狀態(tài)可以向排列性質(zhì)。液晶狀態(tài)可以向結(jié)晶態(tài)和液態(tài)相變結(jié)晶態(tài)和液態(tài)相變。變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)。變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)時(shí)，不僅具有分子取向的有序性，而且分子

7、重心具有周期平時(shí)，不僅具有分子取向的有序性，而且分子重心具有周期平移性；變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，失去分子重心周期平移性，也失去了分移性；變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，失去分子重心周期平移性，也失去了分子取向的有序性，成為完全無(wú)序狀態(tài)子取向的有序性，成為完全無(wú)序狀態(tài)。 液晶以凝集構(gòu)造的不同可分成三種：液晶以凝集構(gòu)造的不同可分成三種：向列型（向列型（nematic）液晶液晶近晶型（近晶型（smectic）液晶液晶膽甾醇型（膽甾醇型（cholesteric）液晶液晶向列型（向列型（nematic）液晶液晶 液晶分子大致以長(zhǎng)軸方向平行配的，因此具有一維空間液晶分子大致以長(zhǎng)軸方向平行配的，因此具有一維空間的規(guī)則性排列。此類型液晶的的

8、規(guī)則性排列。此類型液晶的粘度小，應(yīng)答速度快粘度小，應(yīng)答速度快，是最早，是最早被應(yīng)用的液晶，普遍的使用于被應(yīng)用的液晶，普遍的使用于液晶電視、筆記本電腦液晶電視、筆記本電腦以及各以及各類型類型顯示元件顯示元件上。上。近晶型（近晶型（smectic）液晶液晶具有二維空間的層狀規(guī)則性排列，各層間則有一維的順向排列。具有二維空間的層狀規(guī)則性排列，各層間則有一維的順向排列。一般而言，此類分子的一般而言，此類分子的黏度大黏度大，印加電場(chǎng)的應(yīng)答速度慢印加電場(chǎng)的應(yīng)答速度慢，比較，比較少應(yīng)用于顯示器上，多用于少應(yīng)用于顯示器上，多用于光記憶材料光記憶材料的發(fā)展上。的發(fā)展上。膽甾型（膽甾型（cholesteric）液

9、晶液晶此類型液晶是由多層向列型液晶堆積所形此類型液晶是由多層向列型液晶堆積所形成，為向列型液晶的一種，也可以稱為旋成，為向列型液晶的一種，也可以稱為旋光性的向列型液晶光性的向列型液晶,因分子具有非對(duì)稱碳中因分子具有非對(duì)稱碳中心，所以心，所以分子的排列呈螺旋平面狀的排列分子的排列呈螺旋平面狀的排列，面與面之間為互相平行，而分子在各個(gè)平面與面之間為互相平行，而分子在各個(gè)平面上為向列型面上為向列型，液晶的排列方式，由于各液晶的排列方式，由于各個(gè)面上的分子長(zhǎng)軸方向不同，即兩個(gè)平面?zhèn)€面上的分子長(zhǎng)軸方向不同，即兩個(gè)平面上的分子長(zhǎng)軸方向夾著一定角度；當(dāng)兩個(gè)上的分子長(zhǎng)軸方向夾著一定角度；當(dāng)兩個(gè)平面上的分子長(zhǎng)軸

10、方向相同時(shí)，這兩個(gè)平平面上的分子長(zhǎng)軸方向相同時(shí)，這兩個(gè)平面之間的距離稱為一個(gè)面之間的距離稱為一個(gè)pitch(螺距）。螺距）。cholesteric液晶液晶pitch的長(zhǎng)度會(huì)隨著溫度的不的長(zhǎng)度會(huì)隨著溫度的不同而改變，因此會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的選擇性同而改變，因此會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的選擇性反射，產(chǎn)生不同的顏色變化，故常用于反射，產(chǎn)生不同的顏色變化，故常用于溫溫度感測(cè)器度感測(cè)器。液晶的基本性質(zhì)液晶的基本性質(zhì)液晶的取向效應(yīng)液晶的取向效應(yīng) 液晶具有光學(xué)各向異性，沿分子長(zhǎng)軸方向上的折射液晶具有光學(xué)各向異性，沿分子長(zhǎng)軸方向上的折射率不同于沿短軸方向上的折射率。率不同于沿短軸方向上的折射率。 如果沿分子長(zhǎng)軸方向上的折射

11、率大于沿短軸方向上如果沿分子長(zhǎng)軸方向上的折射率大于沿短軸方向上的折射率，稱為的折射率，稱為正性液晶正性液晶，反之稱為，反之稱為負(fù)性液晶。負(fù)性液晶。 對(duì)基片表面處理，可使液晶分子平行于基片且容易對(duì)基片表面處理，可使液晶分子平行于基片且容易排成同一方向。如：摩擦定向方法。排成同一方向。如：摩擦定向方法。液晶的電光效應(yīng)液晶的電光效應(yīng) 由于液晶分子具有液體的流動(dòng)性，亦即是說(shuō)其沒(méi)有固定的排列,可以自由移動(dòng)，且液晶分子具有介電各向異性和電導(dǎo)各向異性的電學(xué)特性，故而在外電場(chǎng)的作用下,液晶分子的排列狀態(tài)也將隨之發(fā)生變化。又因?yàn)橐壕Х肿拥墓鈱W(xué)特性也是各向異性的,從而使得整個(gè)液晶盒的光學(xué)效應(yīng)隨之改變,這就是液晶盒

12、電場(chǎng)影響其光學(xué)特性的原理。另外由于液晶分子的雙折射特性,使得液晶盒顯現(xiàn)出光散射、光干涉和旋光等特殊的光學(xué)性質(zhì)液晶的電光效應(yīng)主要包括：電控雙折射效應(yīng)、扭曲效應(yīng)、賓主效應(yīng)、動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)、熱光學(xué)效應(yīng)等。向列型液晶的扭曲效應(yīng)向列型液晶的扭曲效應(yīng)液晶分子是夾在兩片玻璃之間的，兩片玻璃面向分子的一面都經(jīng)過(guò)了預(yù)處理，有溝槽，使液晶分子順著溝槽整齊排列，當(dāng)上下兩塊玻璃沒(méi)有施加電壓時(shí)，液晶排列會(huì)依照兩塊配相膜而定，兩配相膜角度差為90度，液晶分子會(huì)自下而上旋轉(zhuǎn)90度再通過(guò)檢偏器。當(dāng)兩玻璃間加上電壓時(shí)，液晶分子層的旋轉(zhuǎn)角發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致偏振光與檢偏器的夾角發(fā)生變化，從而使透射光收到幅度和相位調(diào)制。四、液晶空間光調(diào)制

13、器的主要參數(shù)四、液晶空間光調(diào)制器的主要參數(shù)(1) 輸入輸出特性曲線:指的是空間光調(diào)制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系。比如電尋址空間光調(diào)制器做位相調(diào)制使用時(shí)指的就是輸入電壓與出射波位相延遲之間的關(guān)系,光尋址空間光調(diào)制器做振幅調(diào)制使用時(shí)指的就是輸入光與出射光振幅之間的關(guān)系輸入輸出特性曲線又稱為響應(yīng)曲線 (2) 靈敏度:對(duì)于不同種類的空間光調(diào)制器來(lái)說(shuō),靈敏度的含義也略有不同，大致可以分為三類：一是閾值靈敏度,反應(yīng)的是透過(guò)率或反射率剛好能夠產(chǎn)生可觀察到的變化時(shí)所需的信號(hào)大小,其倒數(shù)稱為器件的靈敏度,跟它相似的一個(gè)參量是開關(guān)能量,此參數(shù)反應(yīng)的是使器件能夠操作時(shí)單個(gè)像素所需要的寫入信號(hào)能量;二是指定值靈

14、敏度,顧名思義,它指的是使液晶透過(guò)率或者反射率的變化到達(dá)指定值所需的信號(hào)大小;三是特性曲線斜率,它反應(yīng)的是透過(guò)率改變量和輸入信號(hào)的改變量的比值,也就是透過(guò)率對(duì)信號(hào)的微商,用這個(gè)參數(shù)來(lái)表示透過(guò)率對(duì)輸入信號(hào)的靈敏度(3) 對(duì)比度:對(duì)比度又稱反差,指的是最大值與最小值的比值比如振幅或強(qiáng)度型空間光調(diào)制器,它的對(duì)比度指的是最大輸出振幅與最小輸出振幅的比值在實(shí)際應(yīng)用中還經(jīng)常對(duì)對(duì)比度取對(duì)數(shù),稱這個(gè)參數(shù)為動(dòng)態(tài)范圍 (4) 灰階數(shù):灰階數(shù)又叫光學(xué)密度,他其實(shí)是透過(guò)率的另外一種表達(dá)方式。由于器件噪聲和光學(xué)均勻性等問(wèn)題的影響,即使寫入信號(hào)是穩(wěn)定的,同一像素的透過(guò)率還是會(huì)在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化。所以對(duì)一個(gè)器件而言,能分

15、辨的灰階數(shù)是有限的 (5) 調(diào)制傳遞函數(shù)與分辨率:傳遞函數(shù)(MTF)指的是寫入信號(hào)的調(diào)制度比上輸出光的調(diào)制度的值一般的,空間頻率值越大,傳遞函數(shù)值越小常把傳遞函數(shù)值等于0.5 時(shí)空間頻率的值稱為截止頻率或帶寬分辨率指的是輸出光在通過(guò)器件后所能夠分辨之最大空間頻率,對(duì)于光尋址的空間光調(diào)制器,常選用 MTF 在零附近時(shí)的空間頻率為其分辨率(6) 空間帶寬積:對(duì)于不同方向分辨率相同的空間光調(diào)制器,在分辨率以 pixel/mm為單位時(shí),空間帶寬積等于分辨率的平方和工作面積相乘,此參數(shù)無(wú)量綱。對(duì)電尋址空間光調(diào)制器,空間帶寬積就等于其像素?cái)?shù)目,為了對(duì)不同的器件用相同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量,把其他類型空間光調(diào)制器的像

16、素?cái)?shù)也用空間帶寬積來(lái)標(biāo)定。 (7) 響應(yīng)速度:其指的是寫入信號(hào)發(fā)出到器件響應(yīng)此信號(hào)對(duì)輸出光進(jìn)行響應(yīng)調(diào)制所用的時(shí)間常用擦除時(shí)間和寫入時(shí)間來(lái)反應(yīng)空間光調(diào)制器響應(yīng)速度 (8) 幀頻:它體現(xiàn)的是空間光調(diào)制器的速度,指的是其在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的圖片幀數(shù)(9) 信息流量:其等于幀頻與單幅信息容量的乘積五、扭曲相列液晶的調(diào)制原理五、扭曲相列液晶的調(diào)制原理扭曲向列液晶(TwistedNematicLiquldCrystal,TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一種各向異性的媒質(zhì),可以看作是同軸晶體,它的光軸與液晶分子的長(zhǎng)軸平行TNLC分子自然狀態(tài)下扭曲排列,在電場(chǎng)作用下會(huì)沿電場(chǎng)方向傾斜,過(guò)程中對(duì)空間光的強(qiáng)

17、度和相位都會(huì)產(chǎn)生調(diào)制。N.Konforti等人對(duì)它的解釋是：當(dāng)液晶盒上電壓逐漸增加,大于Freedericksz轉(zhuǎn)變閾值,而小于光學(xué)閾值的時(shí)候,液晶分子開始旋轉(zhuǎn),有效的雙折射作用逐漸減小,但液晶分子的扭曲還保持著當(dāng)初的格局,此時(shí)液晶盒相當(dāng)于光波導(dǎo),在這個(gè)區(qū)域內(nèi)相位調(diào)制占據(jù)主要因素。而當(dāng)電壓大于光學(xué)閉值,分子將沿電場(chǎng)方向排列,雙折射和光波導(dǎo)作用都很小,為強(qiáng)度調(diào)制區(qū)域。圖1 液晶分子電壓區(qū)域強(qiáng)度調(diào)制原理強(qiáng)度調(diào)制原理 自然狀態(tài)下的扭曲向列液晶分子在液晶盒里面呈扭曲排列,此時(shí)方向是沿光的透過(guò)方向旋轉(zhuǎn) 。在加上電場(chǎng)之后,液晶分子會(huì)順著電場(chǎng)的方向傾斜。如圖2所示,液晶盒的厚度設(shè)為d,圖中的 為液晶分子受到

18、電場(chǎng)的影響所產(chǎn)生的傾斜角。 .此圖即為扭曲向列液晶液晶的對(duì)光波的扭曲效應(yīng)對(duì)比圖,它實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波的強(qiáng)度調(diào)制。/2圖2 液晶盒加電壓的情況表1 液晶分子加載電壓變化描述表相位調(diào)制原理相位調(diào)制原理由于液晶分子的雙折射效應(yīng),當(dāng)其沿著電場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)時(shí),還能夠?qū)獾南辔贿M(jìn)行調(diào)制。雙折射的產(chǎn)生原理如圖3所示。圖3 射入液晶的光線表二 液晶分子的光的相位調(diào)制描述六、液晶屏的光調(diào)制特性測(cè)量與分析六、液晶屏的光調(diào)制特性測(cè)量與分析1、液晶屏表面分子取向的測(cè)量、液晶屏表面分子取向的測(cè)量圖4 液晶屏的透射原理圖5 反射式液晶空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖6 SLM強(qiáng)度調(diào)制特性測(cè)量光路圖2、強(qiáng)度調(diào)制特性測(cè)量、強(qiáng)度調(diào)制特性測(cè)量圖7 反射

19、型液晶空間光調(diào)制器振幅調(diào)制特性測(cè)量光路圖3、相位調(diào)制特性的測(cè)量、相位調(diào)制特性的測(cè)量當(dāng)液晶屏上未加灰度圖像或者加等灰度圖像的時(shí)候,產(chǎn)生的干涉條紋是等間距的,由物理光學(xué)中光的干涉原理可知:兩束光發(fā)生干涉的時(shí)候,干涉條紋記錄了兩束光波迭加時(shí)的光強(qiáng)分布,干涉場(chǎng)中的光強(qiáng)度可表示為:204cos (/ 2)II其中 是固定點(diǎn)上的兩束光的相位差， 為單束光在這一點(diǎn)的強(qiáng)度。由公式可知，光強(qiáng)度 的周期為 。即干涉條紋中兩亮條紋或兩暗條紋的間距代表它們之間的相位差為 這樣我們就可以利用這個(gè)特性來(lái)分析液晶屏的相位調(diào)制特性0II22為此,我們可以在液晶屏上加一幅灰度不同的圖像,由于不同的灰度其對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制量不同,因

20、此,這樣CCD接受的干涉條紋圖對(duì)應(yīng)部分也必然有相對(duì)的移動(dòng)。從條紋的移動(dòng)我們可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制量。如果知道條紋的周期 和條紋的相對(duì)移動(dòng)量 相位的改變量可以用以下公式來(lái)計(jì)算:0LxL02/xLL 圖8 透射型空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性測(cè)試光路圖9 反射型相位調(diào)制特性測(cè)量光路圖 （a） （b）圖10灰度圖和干涉條紋圖11 相位調(diào)制特性曲線POL:30度圖12 線性校正后的相位調(diào)制特性曲線圖13 強(qiáng)度調(diào)制特性曲線POL：-30度七、液晶空間光調(diào)制器的應(yīng)用七、液晶空間光調(diào)制器的應(yīng)用全息光鑷全息光鑷光鑷技術(shù)是利用光的力學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀粒子的操控，具有非接觸、無(wú)損傷特性，在分子生物學(xué)、膠體科學(xué)、實(shí)驗(yàn)原子

21、物理等領(lǐng)域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發(fā)展并產(chǎn)生許多衍生光鑷技術(shù)。利用全息元件或空間光調(diào)制器（SLM）所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優(yōu)勢(shì)，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没?、?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面，是目前光鑷家族極具活力的成員。利用空間光調(diào)制器，可以靈活地實(shí)現(xiàn)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(qiáng)分布的區(qū)域，該區(qū)域可形成對(duì)微粒的三維束縛（如圖12Andreas.H等的實(shí)驗(yàn)裝置中1） 采用了Holoeye HEO 1080P II SLM，其分辨率為19201080像元大小8um。 該實(shí)驗(yàn)中，為解決一般光鑷系統(tǒng)高數(shù)值孔徑物鏡帶來(lái)的短工作距離問(wèn)題，設(shè)計(jì)出Twin雙光束技術(shù)，

22、即另一部分光通過(guò)載波片的反射，形成與原會(huì)聚光對(duì)應(yīng)的反向會(huì)聚光。這樣，可以減小散射光的影響，提高軸向作用力，在低數(shù)值孔徑物鏡下也可形成光阱。 另外，通過(guò)SLM可以產(chǎn)生多個(gè)阱域，實(shí)現(xiàn)多粒子的操控，并且還可用于微粒間相互作用力的測(cè)量。值得一提的是，利用SLM可將基模Gaussian光束轉(zhuǎn)換成Laguerre-Gaussian光束，由于Laguerre-Gaussian具有軌道角動(dòng)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的旋轉(zhuǎn)操控，該研究引起了廣泛的興趣。 圖12 Twin光阱全息光鑷裝置microscope objective=顯微物鏡 Object plane=物平面螺旋位相相襯成像螺旋位相相襯成像在光學(xué)顯微鏡中，暗場(chǎng)

23、或相襯方法常被用來(lái)提高物體成像的對(duì)比度。實(shí)質(zhì)上，這些方法都可看作是傅立葉平面上的光學(xué)濾波。類似于微分干涉相差顯微技術(shù)，螺旋位相相襯法也是利用對(duì)相移的敏感性來(lái)提高成像的清晰度，特別是邊緣。由于光束的對(duì)稱性，還可以對(duì)各向均勻介質(zhì)物體成像進(jìn)行對(duì)比增強(qiáng)。并且，較傳統(tǒng)相差顯微成像，邊緣對(duì)比度要提高幾個(gè)量級(jí)。如圖13Severin.F等采用了Holoeye 3000反射型SLM，分辨率19201080，像元大小10um。通過(guò)它產(chǎn)生閃耀光柵執(zhí)行濾波處理。這里，進(jìn)行螺旋相位濾波的全息光柵，中心有一個(gè)分叉，對(duì)應(yīng)于位相不連續(xù)奇點(diǎn)。 圖13 螺旋位相光束在成像中用于提高邊緣對(duì)比度的實(shí)驗(yàn)裝置Laser diode=激

24、光二極管，Sample stage=樣品臺(tái)，Objective=物鏡，Mirror= 反射鏡，Microscope=顯微鏡，Relay lenses=中繼鏡，camera=相機(jī)圖14 相位物體的對(duì)比增強(qiáng)。A-C為明場(chǎng)成像，B-D為螺旋位相濾波成像飛秒脈沖整形飛秒脈沖整形飛秒脈沖整形的基本原理是頻域和時(shí)域是互為傅里葉變換的，所需要的輸出波形可由濾波實(shí)現(xiàn)。圖15是脈沖整形的基本裝置，它是由衍射光柵、透鏡和脈沖整形模板組成的4f系統(tǒng)。超短激光脈沖照射到光柵和透鏡上被色散成各個(gè)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(diào)制器，目的是調(diào)制空間色散的各光頻成份的振幅和位相遙，光柵

25、和透鏡看作是零色散脈沖壓縮結(jié)構(gòu)。超短脈沖中的各光頻成份由第一個(gè)衍射光柵角色散，然后在第一個(gè)透鏡的焦平面聚焦成一個(gè)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，在第一個(gè)透鏡的后焦平面上進(jìn)行了空間分離，第一個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)了一次傅里葉變換。第二個(gè)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(gè)整形輸出脈沖，這個(gè)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(gè)透鏡和光柵進(jìn)行脈沖整形。其中，SLM 為HoloeyeHEO 1080P，承受功率密度可大于2W/cm2。在制冷的狀態(tài)下，可進(jìn)一步提高光功率。 圖15 飛秒脈沖整形實(shí)驗(yàn)光路圖FL=聚焦透鏡，M1,M2=反射鏡，G=光柵，SM=掃描鏡，L1,L2=透鏡自適應(yīng)光學(xué)自適應(yīng)光學(xué) 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，是一種能夠?qū)崟r(shí)校正光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)誤差并使系統(tǒng)始終保持良好工作性能的新技術(shù)，早期在天文觀測(cè)中是用