光信息處理第5章

第五章空間光調(diào)制器（SpatialLightModulator

）光學(xué)信息處理的理論基礎(chǔ)光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波相干光學(xué)信息處理非相干光學(xué)信息處理白光信息處理光學(xué)信息處理的實(shí)際應(yīng)用空間光調(diào)制器光信息的采集和顯示技術(shù)光信息傳輸技術(shù)光信息存儲(chǔ)技術(shù)

5.1概述光波頻率高，可允許信號(hào)本身有很寬的帶寬。光波是獨(dú)立傳播，兩束或多束光可以在空間交叉而互不干擾。信息可以多通道并行或交叉?zhèn)鞑?。光波荷載信息的特點(diǎn)：光波以并行方式傳遞所載荷的信息。信息處理具有大容量、高速度的特點(diǎn)。一.空間光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

空間光調(diào)制器：即SpatialLightModulator(SLM)，是一種對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件。相位振幅（強(qiáng)度）頻率（波長(zhǎng)）偏振態(tài)光波的特性空間光調(diào)制器的輸出光信號(hào)是隨控制信號(hào)變化的空間和時(shí)間的函數(shù)。即表示在時(shí)刻t

，空間光調(diào)制器在（x，y）處的復(fù)數(shù)透過(guò)率。

空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)在于：它是由許多基本的獨(dú)立單元組成的一維線陣或二維陣列。

每個(gè)單元都可以獨(dú)立地接收光信號(hào)或電信號(hào)的控制，并按此信號(hào)改變自身的光學(xué)性質(zhì)（相位、振幅、頻率、偏振態(tài)），從而對(duì)通過(guò)它的光波進(jìn)行空間調(diào)制。這些獨(dú)立單元稱(chēng)為空間光調(diào)制器的像素?？刂葡袼氐墓怆娦盘?hào)稱(chēng)為：寫(xiě)入信號(hào)（光信號(hào)或電信號(hào)）

照明整個(gè)器件并被調(diào)制的輸入光波稱(chēng)為：讀出光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器后出射的光波稱(chēng)為：輸出光寫(xiě)入光或?qū)懭腚娦盘?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(chēng)為尋址。采用寫(xiě)入光實(shí)現(xiàn)的尋址過(guò)程，稱(chēng)為光尋址；采用寫(xiě)入電信號(hào)實(shí)現(xiàn)的尋址過(guò)程，稱(chēng)為電尋址。寫(xiě)入光讀出光反射式光尋址輸出光寫(xiě)入光讀出光透射式光尋址輸出光按照讀出光工作方式的不同分為反射式或透射式寫(xiě)入電信號(hào)讀出光透射式電尋址讀出光反射式電尋址輸出光輸出光寫(xiě)入電信號(hào)寫(xiě)入信號(hào)尋址方式尋址速度空間分辨率光尋址二維光強(qiáng)分布并行尋址快高電尋址時(shí)間串行信號(hào)串行尋址慢低

空間光調(diào)制器的分類(lèi)按照讀出方式的不同分為：反射式SLM透射式SLM按照輸入控制信號(hào)的方式：光尋址(OA-SLM)電尋址(EA-SLM)按照在系統(tǒng)中的位置區(qū)分：input-SLMprocessor-SLM

output-SLM按照工作原理的不同分為：電光效應(yīng)SLM聲光效應(yīng)SLM磁光效應(yīng)SLM光折變效應(yīng)SLM

空間光調(diào)制器是光學(xué)信息處理系統(tǒng)與外界信息交換的界面或接口，是光學(xué)信息處理、光互連、光計(jì)算及光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)中最基本的功能器件之一。

空間光調(diào)制器的主要材料和物理效應(yīng)空間光調(diào)制器物理效應(yīng)選用材料1電光效應(yīng)SLMKerr效應(yīng)Pockels效應(yīng)液晶、硝基苯、KDP2磁光效應(yīng)SLMFaraday效應(yīng)Cotton效應(yīng)YIG、GGG3聲光效應(yīng)SLM聲光效應(yīng)LiNbO3、LiTaO34光折變效應(yīng)SLM光折變效應(yīng)Bi12SiO20、BaTiO35電子躍遷吸收SLM半導(dǎo)體光吸收GaAs、InGaAs/InP6機(jī)械效應(yīng)SLM材料宏觀形變多晶硅、鋁膜7熱效應(yīng)SLM材料溫度特性熱塑薄膜、液晶8光致聚合物SLM光化學(xué)反應(yīng)聚醋酸乙烯酯常用的空間光調(diào)制器電尋址空間光調(diào)制器薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）磁光空間光調(diào)制器（MOSLM）數(shù)字微反射鏡器件（DMD）

硅基底上的液晶空間光調(diào)制器（LCOS）量子阱空間光調(diào)制器（QWSLM）光尋址空間光調(diào)制器鐵電液晶空間光調(diào)制器（FLC-SLM）液晶光閥（LCLV）

、陰極射線管-液晶光閥（CRT-LCLV）微通道板空間光調(diào)制器（MSLM）Pockels效應(yīng)讀出光調(diào)制器（PROM）二.空間光調(diào)制器的功能輸入器件將待處理信息轉(zhuǎn)換為光信息處理系統(tǒng)要求的輸入形式。主要實(shí)現(xiàn)以下幾種轉(zhuǎn)換：電-光轉(zhuǎn)換串行-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術(shù)運(yùn)算對(duì)比度反轉(zhuǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換三.空間光調(diào)制器的基本性能參數(shù)1.輸入-

輸出特性曲線2.靈敏度特性曲線靈敏度指定值靈敏度閾值靈敏度輸出光寫(xiě)入信號(hào)理想輸出模擬輸出IHILIt3.對(duì)比度動(dòng)態(tài)范圍4.灰階數(shù)5.調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制度定義為6.分辨率指通過(guò)器件后輸出光所能分辨的最大空間頻率7.空間帶寬積（SBP）空間帶寬積＝

分辨率平方×工作面積8.單幅信息容量N

為灰階數(shù)指當(dāng)空間光調(diào)制器的所有像素都受到寫(xiě)入信號(hào)的調(diào)制并保持穩(wěn)定時(shí)，輸出光所能攜帶的最大信息容量。9.響應(yīng)速度指寫(xiě)入信號(hào)作用到器件直至輸出光產(chǎn)生所需的時(shí)間當(dāng)寫(xiě)入信號(hào)撤除后，被調(diào)制量減小到最大值的a倍時(shí)所需的時(shí)間。10.幀頻指空間光調(diào)制器在單位時(shí)間里所能處理的圖像幀數(shù)11.信息流量信息流量＝

單幅信息容量×幀頻12.存儲(chǔ)（記憶）時(shí)間5.2液晶光閥一.液晶的光電特性1.液晶結(jié)構(gòu)液晶是一種介于各向同性液體和各向異性晶體之間的物質(zhì)狀態(tài)。在一定溫度范圍內(nèi)，它既有液體的流動(dòng)性、粘度、形變等機(jī)械性質(zhì)，又具有晶體的熱（熱效應(yīng)）、光（光學(xué)各向異性）、電（電光效應(yīng)）、磁（磁光效應(yīng)）等物理性質(zhì)。按液晶分子排列的有序性區(qū)分，可分為三類(lèi)：近晶相液晶向列相液晶膽甾相液晶近晶相液晶近晶相液晶具有宏觀的電學(xué)各向異性和光學(xué)各向異性。近晶相液晶分子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，近晶相液晶分子的黏度大，對(duì)電場(chǎng)的應(yīng)答速度慢，較少應(yīng)用于顯示器，多用于光記憶材料方面。近晶相液晶向列相液晶向列相液晶向列相液晶分子的排列比較雜亂、不再分層，但分子取向大體一致，因此具有一維空間的規(guī)則排列。向列相液晶的粘度小，應(yīng)答速度快，是最早被應(yīng)用的液晶，普遍應(yīng)用于液晶電視、筆記本電腦以及各類(lèi)型顯示元件上。膽甾相液晶膽甾相液晶

膽甾相液晶分子的排列呈螺旋平面層狀排列，層與層之間相互平行，分子在各個(gè)層面上為向列型，兩相鄰層面上的分子長(zhǎng)軸方向依次轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。當(dāng)兩個(gè)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(chēng)為一個(gè)螺距（pitch）。

膽甾相液晶液晶螺距的長(zhǎng)度會(huì)隨著溫度的不同而改變，因此會(huì)產(chǎn)生對(duì)不同波長(zhǎng)的選擇性反射，呈現(xiàn)不同的顏色變化，常用于溫度傳感器。目前空間光調(diào)制器中應(yīng)用最多的是向列相液晶，液晶分子取向可通過(guò)外界條件來(lái)控制。一種方法是通過(guò)電磁場(chǎng)控制，另一種是通過(guò)液晶表面處理方式控制。對(duì)基片表面處理，可使液晶分子平行于基片且分子長(zhǎng)軸方向沿同一方向排列?；蛄邢嘁壕?.雙折射效應(yīng)

方解石雙折射現(xiàn)象

一束光入射到各向異性的介質(zhì)后出現(xiàn)兩束折射光線的現(xiàn)象。

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，因此光束在通過(guò)液晶時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。3.扭曲效應(yīng)向列相液晶扭曲形變示意圖由于液晶的扭曲形變而使特定方向線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度的現(xiàn)象，稱(chēng)為扭曲效應(yīng)。4.混合場(chǎng)效應(yīng)外加電場(chǎng)對(duì)于液晶分子的扭曲形變有顯著影響，在中等強(qiáng)度電場(chǎng)作用下，液晶同時(shí)出現(xiàn)雙折射效應(yīng)和扭曲效應(yīng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為混合場(chǎng)效應(yīng)。V起偏器檢偏器橢圓偏振透射光出射光非偏振入射光線偏振入射光混合場(chǎng)效應(yīng)原理示意圖（V>

Vc）在外加電場(chǎng)作用下，入射的線偏振光通過(guò)液晶后，變成含有兩個(gè)正交偏振方向的分量（o光和e光）的橢圓偏振光。由于液晶分子的傾斜對(duì)于正、逆方向傳播的光的非對(duì)稱(chēng)性，經(jīng)反射后再次通過(guò)液晶盒的偏振光，可以有一部分通過(guò)檢偏器，透過(guò)的光強(qiáng)與外加電壓的大小有關(guān)。液晶盒二.光學(xué)尋址液晶光閥1.液晶光閥的結(jié)構(gòu)液晶透明電極寫(xiě)入光讀出光/輸出圖像玻璃襯底玻璃襯底光電導(dǎo)層光阻擋層基片透明電極介質(zhì)反射膜~V這種液晶光閥的主要功能是實(shí)現(xiàn)圖像的非相干-相干轉(zhuǎn)換。液晶透明電極寫(xiě)入光讀出光/輸出圖像玻璃襯底玻璃襯底光電導(dǎo)層光阻擋層基片透明電極介質(zhì)反射膜~V2.液晶光閥的工作原理

對(duì)寫(xiě)入光圖像上的暗區(qū)，光電導(dǎo)層上光照很少、交流阻抗很大，外電壓主要分配到光電導(dǎo)層上，而液晶層上電壓較小，不足以產(chǎn)生有效的電光效應(yīng)，仍保持45°扭曲排列結(jié)構(gòu)，則讀出光在相應(yīng)暗區(qū)像素上基本沒(méi)有受到調(diào)制作用，輸出光保持較小輸出；對(duì)寫(xiě)入光圖像上的亮區(qū)，光電導(dǎo)層阻抗較小，外電壓大部分落在液晶層上，由于混合場(chǎng)效應(yīng)，使該區(qū)輸出光達(dá)到最大輸出。對(duì)于寫(xiě)入光圖像上其他照度區(qū)域，輸出光中相應(yīng)像素的輸出光強(qiáng)介于最大值與最小值之間，這樣輸出光的光強(qiáng)空間分布就按照寫(xiě)入光圖像的空間分布所調(diào)制。結(jié)構(gòu)緊湊、在室溫下操作；驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小；造價(jià)低、性能穩(wěn)定；寫(xiě)入圖像靈敏度高、輸出圖像對(duì)比度高。優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度較慢；空間分辨率不夠高，僅適用于一般的圖像處理。缺點(diǎn)

混合場(chǎng)效應(yīng)液晶光閥是一種光學(xué)并行尋址器，主要功能是實(shí)現(xiàn)圖像的非相干-相干轉(zhuǎn)換。三.電尋址液晶光閥TFT矩陣尋址等效電路數(shù)據(jù)線柵極源極漏極液晶掃描線單個(gè)像素電路圖1.矩陣尋址液晶光閥的結(jié)構(gòu)電尋址的空間光調(diào)制器多采用矩陣尋址的方案。通常在一塊玻璃板上，形成互相絕緣的行電極和列電極，在它們的交點(diǎn)上用大規(guī)模集成電路技術(shù)制作薄膜晶體管（TFT）。TFT的柵極、源極和漏極分別連接行電極、列電極和顯示像素。在另一塊玻璃板的表面，所有像素共用一個(gè)電極，兩塊玻璃板之間充以扭曲型或超扭曲型液晶。2.矩陣尋址液晶光閥的工作原理當(dāng)某一像素的行、列電極同時(shí)加上電信號(hào)時(shí)，TFT型場(chǎng)效應(yīng)管接通，該像素透光。順序選通各行電極，并同步地選通列電極，就可以控制各像素的明暗，電壓的大小可控制灰階。行電極列電極全彩色薄膜晶體管液晶顯示器照射空間光調(diào)制器的光波的透過(guò)率在每一個(gè)像素局部受到電信號(hào)的調(diào)制，稱(chēng)為矩陣尋址。

液晶光閥是一種比較成熟的空間光調(diào)制器，具有多種用途。在光學(xué)信息處理系統(tǒng)中：可作為圖像輸入、波長(zhǎng)變換、串行電信號(hào)與并行電信號(hào)（或圖像）變換器，以及輸入尋址器；可用于實(shí)時(shí)變化的光互連、并行的光學(xué)邏輯運(yùn)算、光學(xué)數(shù)字運(yùn)算、光學(xué)矩陣運(yùn)算等有關(guān)數(shù)學(xué)運(yùn)算；可用于圖像處理，如邊緣增強(qiáng)、圖像相減、光學(xué)相關(guān)和實(shí)時(shí)圖像識(shí)別等。5.3Pockels

讀出光調(diào)制器泡克爾斯讀出光調(diào)制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PROM）是利用BSO等晶體的光電導(dǎo)特性和線性電光效應(yīng)制成的光尋址空間光調(diào)制器。一.PROM的結(jié)構(gòu)IrIoIw絕緣層雙色介質(zhì)反射層（對(duì)藍(lán)光透明，對(duì)紅光反射）透明電極BSO反射式PROM的結(jié)構(gòu)示意圖二.PROM的基本工作原理1.擦除與激發(fā)V0+-V0+-+-V0V0VVV0xVPROM的工作過(guò)程（擦除與激發(fā)）示意圖加電壓光照短路擦除+-O2.寫(xiě)入絕緣層雙色介質(zhì)反射層透明電極BSOIrIoIw（藍(lán)光）將載有輸入圖像信息的藍(lán)光作為寫(xiě)入光，它將成像在BSO晶片的右表面上。在圖像的亮區(qū)，由于光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下向BSO

的左側(cè)表面遷移，正、負(fù)電荷分離后形成的附加電場(chǎng)將抵消一部分內(nèi)電場(chǎng)，使這些區(qū)域的電壓降減小；在圖像的暗區(qū)，由于電子-空穴對(duì)很少，電壓降變化較小，甚至基本保持V0不變。這樣原來(lái)圖像的空間光強(qiáng)分布，經(jīng)BSO

的光電導(dǎo)效應(yīng)轉(zhuǎn)換為空間電壓分布，即把圖像信息“寫(xiě)入”了PROM。電壓V與曝光量E成指數(shù)關(guān)系，即

BSO上暗區(qū)壓降大，亮區(qū)壓降迅速減小。3.讀出

將紅光作為讀出光，由左側(cè)射入PROM

，并分解為相互垂直的兩個(gè)線偏振分量。由于BSO晶片的雙折射，它們?cè)诰械南辔谎舆t不同，經(jīng)雙色反射層反射后，它們?cè)俅瓮ㄟ^(guò)BSO晶片，且相位延遲的差異加倍，最后由左方射出，形成輸出光；輸出光波面各處的偏振態(tài)受到按寫(xiě)入圖像形成的電場(chǎng)（電壓）分布的調(diào)制。PROM的工作過(guò)程對(duì)于理想的PROM

器件，在寫(xiě)入圖像的暗區(qū)，讀出光兩次經(jīng)過(guò)BSO晶片獲得最大的光強(qiáng)透過(guò)率；在寫(xiě)入圖像的亮區(qū)，讀出光的透過(guò)率很低，因此PROM

輸出的是對(duì)比反轉(zhuǎn)圖像。BSO晶片外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)BSO的擦除和激發(fā)光電導(dǎo)效應(yīng)空間電場(chǎng)（電壓）分布線性電光效應(yīng)光強(qiáng)分布5.4微通道板空間光調(diào)制器微通道板空間光調(diào)制器（簡(jiǎn)稱(chēng)MSLM）是通過(guò)寫(xiě)入端的微通道板實(shí)現(xiàn)對(duì)寫(xiě)入圖像的增益，利用縱向電光效應(yīng)對(duì)讀出光進(jìn)行調(diào)制的空間光調(diào)制器。一.MSLM的結(jié)構(gòu)1.光電陰極光電陰極的作用是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電圖像。2.微通道板微通道板由半導(dǎo)體微孔玻璃構(gòu)成的陣列，具有電子倍增功能。3.柵極柵極是一種網(wǎng)格狀電極，作用是對(duì)由微通道板射出的電子加速。IrIoIw透明電極真空室窗口真空室窗口光電陰極微通道板接地電極柵極真空隙介質(zhì)膜反射鏡電光晶體板透明電極真空室微通道板空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖二.MSLM的工作過(guò)程相干

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非相干光圖像（寫(xiě)入光）光電轉(zhuǎn)換光電子圖像微通道板增強(qiáng)、柵極加速電荷圖像電光晶體板空間調(diào)制、檢偏器相干光圖像（振幅

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強(qiáng)度調(diào)制）三.MSLM器件的特點(diǎn)1.輸入輸出可具有很寬的光譜響應(yīng)范圍；2.可在弱光下工作，記錄強(qiáng)度僅為的可見(jiàn)光圖像；3.選擇高阻的電光調(diào)制材料和介質(zhì)膜，可使器件具有很長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間。4.二次電子發(fā)射特性使MSLM

具有靈活的信息處理能力。5.5磁光空間光調(diào)制器磁光空間光調(diào)制器（簡(jiǎn)稱(chēng)MOSLM）是利用法拉第旋光效應(yīng)對(duì)讀出光進(jìn)行調(diào)制的電尋址空間