1、174第 6 章 空间光调制器6.1 概述人们已经认识到，光波作为信息载体具有特别显著的优点。其一，是光波的频率高达1014Hz 以上，比现有的信息载波，如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。因此，它有极大的带宽，或者说具有极大的信息容量。光纤通信正是以此为基础，得到迅猛发展的。其二，是光波的并行性。光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰。这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。原有的、以串行输入/输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求，能实时的或快速的二维输入、输出的传感器，以及具有运算功能的二维器件便应运而生。这些器件即
2、为空间光调制器。它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。6.1.1 空间光调制器的基本结构与分类 6-16-4空间光调制器是由英语的 Spatial light Modulator 直译过来的，常缩写成 SLM。顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。空间光调制器能对光波的某种或某些特性(例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等) 的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。换句话说，其输出光信号是随控制（电的或光的）信号变化的空间和时间的函数。空间光调制器结构的基本特点在于,它是由许多基本的
3、独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等） ，从而实现对输入光波的空间调制或变换。习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素” ，把控制像素的光电信号称为“写入光” ，或“写入（电）信号” ，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光” ，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光” 。显然，读出光应该能照明空间光调制器的所有像
4、素，并能接收写入光或写入电信号传递给它的信息，经调制或变换转换成输出光。按读出光工作方式分，可有透射式，如图6.1（a）和(b)所示，或反射式，如图 6-1 (c)和(d)所示。而写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相175应像素位置上去的过程称为“寻址” （或“编址” ） 。如果采用写入光实现这一过程，称为光寻址，采用写入电信号时，称为电寻址。光寻址通常采用一个二维光强分布（如一幅图像）作为写入光，使其成像在空间光调制器的像素平面上，并使写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应，从而实现寻址。光寻址时，所有像素的寻址同时完成，所以它是一种并行寻址。其特点是寻
5、址速度最快，而且像素的大小，原则上只受写入光成像光学系统分辨率的限制。采用光寻址时，要防止写入光与读出光之间的串扰。常见的方法是采用反射式空间光调制器，在调制器内部设置一个光隔离层，使写入光与读出光位于调制器两侧，如图 6-1（b）和(d) 所示。对于透射式，读出光和写入光可以使用不同的波长，再利用滤光片除去输出光中的写入光，从而消除它们之间的串扰。写 入 光 读 出 光 输 出 光 （ a） 透 射 式 光 编 址 写 入 光 读 出 光输 出 光(b) 反 射 式 光 编 址读 出 光 写 入 （ 电 ） 信 号 输 出 光(c) 透 射 式 电 编 址 写 入 （ 电 ） 信 号 读 出
6、 光输 出 光(d) 反 射 式 电 编 址图 6.1 空间光调制器示意图采用电寻址时，因为电信号是一个时间序列，原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去，所以电寻址是一种串行寻址方式。实现电寻址有多种形式。例如，在空间光调制器的表面设置两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法使写入电信号作用到相应的像素上去，完成寻址。再如，利用电荷耦合器（CCD）和一个附加的电荷转移机构，把写入电信号转换成调制器上的电压分布来完成寻址的。电寻址与光寻址相比有一些弱点。由于串行方式，使它的信息处理速度降低；由于电极几何尺寸和透过率的限制，其分辨率和填充176系数（像素的有效通光面积与像素的总面积之比）都有所降低
7、。但目前它是光信息处理与现代电子技术、特别是计算机-多媒体技术相结合，构成光电混合系统的有效方式，已得到了广泛的应用。目前，国际上报道的已实用化的空间光调制器大约不下 40 余种，它们的工作原理不同、结构不同、特性也不尽相同。对这些空间光调制器还没有一个统一的分类方法。除上述按寻址方式和读出方式分类外，有时也按其工作原理来分。空间光调制器中能用于调制或变换的物理效应很多，例如，普克尔斯效应（即线性电光效应） 、克尔效应（即二次电光效应） 、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等等。能够利用这些物理效应的材料也很多，例如，液晶、各种光电晶体、声光晶体、磁光材料、铁电陶瓷等等。本章以
8、所利用的物理效应为主线索，选择一些空间光调制器作代表，介绍它们的工作原理、结构及特性。限于篇幅，光折变效应空间光调制器将在第七章光信息存储技术中介绍, 声光空间光调制器和其他空间光调制器及其应用举例可参见参考文献6-16-6。6.1.2 空间光调制器的功能按空间光调制器在光学信息处理或光互连系统中的位置来区分，它们可用作系统的输入器件，也可在系统中用作变换或运算器件。原则上也可以用于系统输出端，但这类器件的行为，目前尚未完全研究清楚 6-1。一、 输入器件空间光调制器作为输入器件，其功能主要是将待处理的信息转换成光学处理系统所要求的输入形式。它们主要能实现以下几种转换。1 电-光转换和串行-
9、并行转换一个随时间变化的串行电信号（例如摄像机或计算机输出的模拟图像信号） ，输入到一个光学处理系统中去，往往需要作两方面的转换。一是将串行输入方式转换成并行方式，即转换成在空间上排列成一维或二维阵列的形式；二是将电信号转换成光信号。电寻址空间光调制器可以同时完成这两种转换。例如，用一束光强均匀的光波作为写入光，串行的模拟图像电信号作为写入信号，并用它控制空间光调制器上相应的各个像素的透射率或反射率，这样一来输出光的光强就形成了一个携带输入信息（即图像）的空间分布，从而可以输入到光学处理系统中。2 非相干光-相干光转换177一般地说，实际物体的像是非相干图像。而实时光学处理系统一般只能处理相干
10、图像。利用光寻址空间光调制器可以将非相干图像转换成相干图像。用一束振幅均匀的光波作为写入光，用非相干光组成的图像作为写入光，并用其光强分布控制上各像素的振幅透过率或反射率，这样一来输出光便是一束携带写入图像的相干光束，可以输入给实时光处理系统。3 波长转换有时待处理的图像是在一特定的波长下获得的，而光学处理系统必须在另一波长下工作，这样就必需由一个传感器来完成波长的转换。利用空间光调制器可以实现这一转换。例如，待处理的是红外图像，用它作为写入光，用一束均匀的单色光作为读出光，其波长恰好满足光学处理系统的要求，这样输出光就获得了所需波长的图像信息。二、 处理和运算功能器件1放大器当写入光较弱时，
11、采用一束空间分布均匀、光强大的光束作为读出光，这时可得到信息被放大的输出光。这时的空间光调制器可看作一维或二维的光放大器，或者图像增强器。普通的像增强器只能增强非相干图像。而空间光调制器可以获得增强的相干光图像，还可以同时完成波长变换。2乘法器与算数运算功能对大多数空间光调制器来说，信号相乘是其固有的性能。如果读出光携带一个矢量或一个矩阵的信息，写入光或写入电信号携带一个矩阵信息，并用它控制空间光调制器的透过率或反射率，则输出光在空间光调制器表面上的光强分布即等于读出光信号与写入光或写入电信号的乘积，即实现了矢量-矩阵或矩阵矩阵之间的乘法。如果写入光（或电信号）和读出光携带的是图像信息，则可以
12、实现图像相乘。如果同时输入两个相干光图像或数字化的光强，空间光调制器还可以实现图像相加或相减。另外，空间光调制器还可以进行一些与基本相乘功能有关的操作，例如，可编程匹配滤波、波前共轭、用计算机或用光学方法控制的可重建互连等等。3对比度反转在减法运算或逻辑“非”运算中，需要使二维图像的对比度反转，即写入光的亮区在输出光（图像）中转变成暗区，反之，写入光中的暗区在输出光中变为亮区。这种功能是利用特殊设计的光调制特性来实现的。例如，在表面形变空间光调制器中，写入光光强大178的像素（即亮区）上可变形材料形成的浮雕光栅槽深度变浅，读出光照射后衍射效率变低，从而使输出光相应像素变成暗区。再如，利用像素材
13、料的双折射性质，并在像素材料前后两侧放置一对偏振器，则可实现对读出光强度的调制。若两偏振器的透光轴方向平行，透射率随写入信号增大而增大；反之，两偏振器透射轴方向正交时，透射率随写入信号增强大而减小，从而可实现对比度反转。4量化操作和阈值操作量化操作即是把连续变化的写入模拟信号按大小分成若干分立的等级值，即模拟数字转换。最简单的量化操作是把写入信号分成两个输出值（0，1） ，即设定一个值（称为阈值） ，当写入信号大于此值时，输出为“1” （例如具有一定大小的光强） ；当写入信号小于此值时，输出为“0” （无输出光） 。这种操作称为阈值操作。量化操作和阈值操作在数字计算、数字图像处理中特别重要，它
14、可使处理后的信号减小失真。利用空间光调制器实现量化操作和阈值操作，要求空间光调制器对写入光具有很陡的响应特性，或者说具有很陡的输入-输出特性曲线，如图 6.2 所示。当写入信号小于某一值时，输出基本为零；当写入信号大于这个值时，输出很快就达到极大（饱和）值。在许多空间光调制器中三个基本参数，输入阈值光强（或电平）I t、低输出光强 IL、和高输出光强IH，都是可调的。输出光 理 想 输 出模 拟 输 出写 入 光IHIL It图 6.2 理想的阈值特性此外，有些空间光调制器还可实现某些非线性变换，逻辑运算，包括与（AND） 、或（OR） 、非（NOT） 、异或（ XOR）等等；PROM 器件、
15、光折变器件等空间光调制器还有存储功能。这些功能将在相应的章节中介绍。1796.1.3 空间光调制器的基本性能参数一般说来，器件性能包括一般性能和具体技术性能参数。对空间光调制器，一般性能可指工作方式为光寻址或电寻址、读出光是透射式或反射式、是振幅型或位相型（即只对读出光的振幅、强度分布进行调制或只对读出光的位相分布进行调制） 、读出光和写入光的工作波长或波长范围以及有效工作面积等。空间光调制器功能不同，描述其性能具体技术性能参数也不同，也不能要求每个性能参数都最佳。就它们的主要技术性能参数介绍如下。1输入-输出特性曲线空间光调制器的透射率或输出光强随写入信号的变化曲线称为输入-输出特性曲线，简
16、称特性曲线或响应曲线。如图 6.2 所示，其纵坐标为透（反）射率或输出光的（相对）强度；横坐标为写入信号的大小，对光寻址空间光调制器其单位用光能密度单位（J/m 2）或光功率密度单位（W/m 2） ，对电寻址空间光调制器其单位为信号电压单位（V）或电流单位（A） 。2灵敏度不同类型的空间光调制器，其灵敏度的含义也不同。大致可有三种定义：阈值灵敏度、指定值灵敏度和特性曲线斜率。阈值灵敏度是指使透（反）射率产生刚可察觉的变化所需要的最小写入信号大小，其倒数又称为器件灵敏度。与其含义相似的另外一个参数是开关能量，它是指使器件能够操作的、每个像素所需的最小写入信号能量，单位用皮焦耳（pJ）或微焦耳(J
17、)。指定值灵敏度是指使透（反）射率的变化达到某一特定值所需写入信号的大小， “指定值”通常采用最大、最小透（反）射率之差（百分数） 。特性曲线斜率是透（反）射率的改变量与输入信号改变量之比，即透（反）射率对输入信号的微商，它表示透（反）射率随输入信号变化的灵敏度，通常指特性曲线上直线段（线性部分）的斜率。3对比度对比度又称反差。对于振幅或强度调制器，对比度可定义为最大输出与最小输出之比， =/ (6.1)其中 Imax和 Imin分别是在空间均匀的写入信号下的最大和最小光强（或透过率） ，表示对空间求平均。这是由于器件材料和功能的非均匀性造成每个像束的输出特性并非完全一致。180对于这种缺陷往
18、往还可用光学均匀性来描述。对比度还可以用另外一个参数-动态范围（DR）来表示，它是对比度的对数，一般不带单位，也可以分贝（dB）为单位，这时有DR=10log10 （dB ） （6.2）例如，铌酸锂（LiNbO 3）微通道空间光调制器的对比度可达 1001，动态范围为 2 或20dB。4灰阶数透射率（T）的另外一种表述方式为灰度或称为光学密度（D） ，二者之间的关系为D= -log10T （6.3）由于存在光学均匀性和器件噪声的问题，即使在稳定的写入信号作用下，同一像素的透射率也会在一定范围内随机涨落。对整个器件而言，在其动态范围之内，可分辨的灰度值的数目也是有限的。这个灰度值数目称为灰阶数。
19、灰阶数为 2 的器件称为二元的，其余统称为多灰阶的。在许多文献中常出现另一个参数，有用动态范围 R，它定义为R = （ ）/ I (6.4)其中 I 表示当用空间均匀的写入信号输入，并把器件偏置在它的传递函数最灵敏区中心时，输出光强度的空间涨落的均方根值。有时也把 R 称为可分辨的灰度等级数，即灰阶数。5调制传递函数与分辨率空间光调制器的调制传递函数采用写入信号的调制度与输出光的调制度之比来描述。如果写入光强度为正弦分布，则由均匀读出光得到的输出光强度也是同頻率的正弦分布，但二者的调制度一般不再相同。它们的调制度定义为M= A/A0 = （I max Imin）/(I max + Imin)
20、(6.5)其中 A 为余弦光强分布的振幅，A 0 为平均光强，I max、I min 分别为最大和最小光强。那么，器件的调制传递函数可定义为MTF = M0 / M w = (Imax Imin) / M w (Imax + Imin) (6.6)式中 M0、M w、 Imax 和 Imin 分别表示输出光调制度、写入光调制度、和输出光的最大、最小光强。实际上，空间光调制器的调制传递函数 MTF 和调制度 M 都是空间频率的函数。一般来说，空间频率越高，MTF 值越小。往往给出 MTF 随空间频率的变化曲线，同时标出MTF=0 .5 所对应的空间频率。有时，又把这一频率称为截止频率 fc 或带
21、宽。其含义则在于，181当空间频率高于 fc 的信号通过空间光调制器时 ， MTF 值变小，这部分信号被丢失或减少，使信号整体发生较严重的畸变；当空间频率小于 fc 的信号通过空间光调制器时，MTF 值下降较少，丢失的信息较少，较好的保持了写入光的大部分信息。空间光调制器的分辨率是指通过器件后输出光所能分辨的最大空间频率。对光寻址空间光调制器，往往选用 MTF 等于一个接近于零的值（例如 0.05）时所对应的空间频率作为其分辨率，单位为每毫米“线对”数（lp/mm） 。对电寻址空间光调制器，通常用单位长度上的“地址”数（像素数）作为分辨率，单位是 pixel/mm 或 1/mm。一般认为两个像
22、素构成一个线对。6空间带宽积（SBP）对于各个方向的分辨率均相同的器件，若分辨率以 pixel/mm 为单位，空间带宽积等于分辨率平方与工作面积的乘积；若分辨率以 pl/mm 为单位时，空间带宽积等于分辨率平方与工作面积的乘积的四倍。它是一个无量纲参数。对于电寻址器件，空间带宽积恰好等于像素数目；对于其它器件，可以用空间带宽积来衡量像素数目和像素大小。7 单幅信息容量单幅信息容量是指，当空间光调制器的所有像素都受到写入信号的调制并保持稳定时，输出光所能携带的最大信息容量。它等于灰阶数的以 2 为底的对数与空间带宽积的乘积，单位为比特（bit） ，C = SBPlog2 N (bit) (6.7
23、)式中 C 为单幅信息容量，SBP 为空间带宽积，N 为灰阶数。8响应速度响应速度或响应时间，粗略地讲，是指写入信号作用到器件上并得到相应的输出光所需时间。对空间光调制器来说，还可用更具体、明确的参数来描述这一特性。除采用与电脉冲相同的前（后）沿时间外，更多地采用写入时间和擦除时间来具体描述空间光调制器的响应速度。9帧頻帧頻是指空间光调制器在单位时间里所能处理的图像帧数，单位为帧/秒（frame/s ） 。从某种意义上说，它反映了空间光调制器处理信息的速度。10信息流量信息流量（throughput）等于单幅信息容量与帧频的乘积。它是空间、时间特性的一个182综合指标，单位为 bit/s。11
24、存储（记忆）时间空间光调制器对读出光的调制作用，在写入光被撤除之后并不会立即消失，而是要继续保持一段时间。把这段时间称为存储时间。严格的定义应为，写入信号撤除后，被调制量减小到最大值的 a（a 为大于 0 小于 1 的某一指定值）倍时所需时间称为器件的存储时间。对于那些用于信息存储的器件，自然希望存储时间越长越好。而对于用于变换和运算等功能的器件则希望存储时间越短越好，以利于提高信息处理速度。上述参数分别描述了空间光调制器三个不同方面的性能。其中 14 项描述了空间光调制器的输入特性，57 项描述了空间光调制器的空间特性，811 项描述了器件的时间特性。62 液晶光阀621 液晶的光电特性1
25、液晶结构有些物质的分子没有固定的排列，可以自由移动，因而具有液体的流动性，但同时它的分子排列取向又存在一定的规律性，因而又具有晶体的各向异性的特点。把这种介于固相和液相之间的相态称为液晶态。把具有液晶相态的物质称为液晶物质，常见的主要是一些有机化合物（例如芳香族化合物）及它们的混合物。这些物质处在液晶相时，就叫做液晶。液晶物质在温度升高时其相变过程是由固相变成液晶相，再到液相。也就是说，存在一个相当宽的温度范围，使它处在固-液相之间的过渡状态，即液晶相态。这种在一定温度范围内呈现液晶相的物资称为热致液晶。还有一种液晶物质，将其溶解于水或有机溶剂中形成浓的溶液而进入液晶相，称为溶致液晶。在空间光
26、调制器中，使用的大多为热致液晶。大部分液晶分子呈长棒状，长度在几个纳米量级，直径在零点几个纳米量级。从分子排列的有序性来区分液晶，大致可分为三类：层状（近晶型） 、丝状（相列型）和螺旋状（胆甾型） 。为讨论方便，引入一个单位矢量 n 来描述液晶分子的排列状态，n 被称为指向矢，它可视为液晶长棒分子的长轴取向。近晶型液晶分子排列的基本特点，是其指向矢 n 在较大范围内有很好的规律性，在各分子位置附近的较小的范围内也有一定规律性，从而使其大体上呈层状排列，每层内的取183向矢 n 互相平行或垂直于层面或成一确定角度，如图 6.3(a)所示。因此，近晶型液晶具有宏观的电学和光学的各向异性特点。实验表
27、明，在光频范围内，近晶型液晶相当于一个正单轴晶体（折射率 none） 。向列型液晶分子的排列比较杂乱，不再分层，但指向矢的方向大体一致，如图 6.3(b)所示。相列型液晶也具有类似于单轴晶体的光学特性。胆甾型液晶的分子也呈分层排列，每层内的分子指向矢大体一致，并平行于层面，但相邻层中分子指向矢的方向依次转过一个角度，总体呈现螺旋结构，如图 6.3(c)。图 6.3 液晶分子排列的三种类型（a ）近晶型， （b） 向列型， （c） 胆甾型目前空间光调制器中应用最多的是向列型液晶。液晶分子指向矢 n 可用外界条件来控制，一种方法是受电磁场控制，另一种是受液晶表面处理方式控制。2液晶盒对分子指向矢的
28、作用在实际使用中，一般是把一薄层液晶注入两片玻璃基片中，构成液晶盒。若用布或其它纤维织物定向打磨基片，可使指向矢 n 顺着打磨方向平行于基片排列。若此时相对的两基片上 n 排列取向互相平行，称为沿面排列液晶盒。若在基片表面涂一层特殊材料（如卵酸脂） ，可使 n 垂直于基片表面排列，这时称垂面排列液晶盒。如果在外部条件作用下液晶中各处的指向矢 n 偏离了它们在平衡状态下的方向，则称液晶发生了形变。发生形变的液晶内部也会象弹性体一样产生一个反抗形变的回复力矩。液晶的形变包括三种类型：展曲、弯曲和扭曲。如果一个沿面排列液晶盒的两个基片做成尖劈形，那么液晶会出现如图 6.4(a）所示的展曲形变；如垂面排列液晶盒的两个基片做成尖劈形，则出现如图 6.4(b）的弯曲形变。如果把一个沿面排列的液晶盒的一个玻璃基片绕
