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

空间光调制器是一种对光波的光场分布进行调制的元件，广泛地应用于光信息处理、光束变换、输出显示等诸多应用领域。液晶空间光调制器(SLM)以制作简单，价格低，耗能低，易控制，易制成二维器件，且易构成并行光学信息处理器件等优点，倍受国内外研究学者的关注。液晶空间光调制器又称光学快门阵列(OSAs) ,它将液晶层作为光调制材料,液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式，在晶层上各区域施加不同的电场,可以引起液晶分子排列方向和位置的变化,从而导致其光学性质的变化,实现对光信号的调制。该产品目前在光镊技术、螺旋位相相衬成像、飞秒脉冲整形、自适应光学、光学投影等方面都有许多应用。

上海尖丰光电技术有限公司的空间光调制器主要是基于透射或反射类型的液晶微显示技术，通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现入射光束的波面振幅和相位的调制（如图1），可作为动态光学元件，实时地调制光强和相位的空间分布。尖丰光电SLM系列产品一般可分为相位型、振幅型和振幅相位复合型。纯相位型调制范围都可达2π以上，振幅型对比度典型值为2500:1，LC-R 1080可达10000:1。尖丰光电SLM系列产品分辨率高，像素单元小，填充因子高，衍射效率高，这样，实际应用中可获得高精度的波前控制。同时，帧频可达到180Hz，有利于实时控制。该产品还提供了良好的软件控制界面，通过灰度图象控制SLM面板像素单元对应的相位或振幅。目前，尖丰光电的空间光调制器已在许多领域得到应用，下面仅作一些简单的介绍。

图1 相位调制特性测量示意图

2.1 全息光镊

光镊技术是利用光的力学效应实现对微观粒子的操控，具有非接触、无损伤特性，在分子生物学、胶体科学、实验原子物理等领域中具有极其重要的作用，光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。利用全息元件或空间光调制器（SLM）所形成的全息光镊，在多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面，是目前光镊家族活力的成员。

利用空间光调制器，可以灵活地实现光束的变换，获得所需的阱域分布。所谓阱域，就是具有高梯度光强分布的区域，该区域可形成对微粒的三维束缚（如图2）。该实验中，为解决一般光镊系统高数值孔径物镜带来的短工作距离问题，设计出Twin双光束技术，即另一部分光通过载波片的反射，形成与原会聚光对应的反向会聚光。这样，可以减小散射光的影响，提高轴向作用力，在低数值孔径物镜下也可形成光阱。另外，通过SLM可以产生多个阱域^2，3），实现多粒子的操控，并且还可用于微粒间相互作用力的测量。值得一提的是，利用SLM可将基模Gaussian光束转换成Laguerre-Gaussian光束，由于Laguerre-Gaussian具有轨道角动量，可以实现对微粒的旋转操控，该研究引起了广泛的兴趣^4）。

图2 Twin光阱全息光镊装置

2.2 螺旋位相相衬成像

在光学显微镜中，暗场或相衬方法常被用来提高物体成像的对比度。实质上，这些方法都可看作是傅立叶平面上的光学滤波。类似于微分干涉相差显微技术，螺旋位相相衬法也是利用对相移的敏感性来提高成像的清晰度，特别是边缘。由于光束的对称性，还可以对各向均匀介质物体成像进行对比增强。并且，较传统相差显微成像，边缘对比度要提高几个量级。如图3，Severin.F等采用了Holoeye 3000反射型SLM，分辨率1920×1080，像元大小10um。通过它产生闪耀光栅执行滤波处理⁵⁾。这里，进行螺旋相位滤波的全息光栅，中心有一个分叉，对应于位相不连续奇点。

图3 螺旋位相光束在成像中用于提高边缘对比度的实验装置

图4 相位物体的对比增强。A-C为明场成像，B-D为螺旋位相滤波成像

2.3飞秒脉冲整形

飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的，所需要的输出波形可由滤波实现。图5是脉冲整形的基本装置⁶⁾，它是由衍射光栅、透镜和脉冲整形模板组成的4f系统。超短激光脉冲照射到光栅和透镜上被色散成各个光频成份。在两透镜的中间位置上插入一块空间模式的模板或可编程的空间光调制器，目的是调制空间色散的各光频成份的振幅和位相遥，光栅和透镜看作是零色散脉冲压缩结构。超短脉冲中的各光频成份由个衍射光栅角色散，然后在个透镜的焦平面聚焦成一个小的、衍射有限的光斑。这里的各光频成份在一维方向上空间分离，在光栅上从不同角度散开，在个透镜的后焦平面上进行了空间分离，个透镜实现了一次傅里叶变换。第二个透镜和光栅把这些分离的所有频率成份重新组合，这样就得到了一个整形输出脉冲，这个输出脉冲的形状由光谱面上模板的模式给出。

这里，E.Frumker等只使用了一个透镜和光栅进行脉冲整形。其中，SLM为Holoeye HEO 1080P，承受功率密度可大于2W/cm²。在制冷的状态下，可进一步提高光功率。

图5 飞秒脉冲整形实验光路图

2.4 自适应光学

自适应光学技术，是一种能够实时校正光学系统随机误差并使系统始终保持良好工作性能的新技术，早期在天文观测中是用来修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲，通过动态地对波前误差的实时探测-控制-校正，来改善成像质量。目前，在眼底视网膜成像、大视场显微成像等方面也得到应用。自适应光学系统中，关键部件是哈特曼波前传感器与变形镜⁷⁾或空间光调制器（图6）。

另外，SLM还可用来模拟大气扰动，为实验室里研究大气中光学成像提供有力支持⁸⁾。

图6 光波前闭环控制示意图

2.5 光学投影

光学投影，特别是三维成像，可以利用空间光调制器通过全息计算生成。Alexander.J认为物光的复振幅光场由两个相位衍射模式P1,P2组成⁹⁾，分别处于4f系统中的两个共轭平面上，P1通过跌代优化建立傅立叶平面上的振幅分布，P2用来建立所需要的相位分布函数。如图7，P1，P2都是由Holoeye HEO 1080 SLM来完成，凹面反射镜类似透镜作用进行傅立叶变换。实验上，建立了一个Logo图象。与一般衍射元件相比较，SLM可以对成像方便地进行优化处理。

图7 图象的全息重建实验示意图

液晶空间光调制器，随着加工工艺的提高，将会在更多的领域发挥其优势。

2.6 其他方面应用：

• 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：

型号参数二：

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：

型号与参数二：

空间光调制器的内部结构：

空间光调制器显示图像实例：

空间光调制器演示实例：

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*分开相邻的电压域，这也是不能做到填充因子（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*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&