第5篇 光波场的调制.pdf

第5 章 光波场的调制 光学信息处理具有大容量、高速度的特点。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、光学信息处理的大容量和并行性的要求，能实时地或快速地二维输入、输出 的传感器以及具有运算功能的二维器件便应运而生，这些器件即为空间光调制器。它们已经成为 光互连、光学信息处理、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。 §1 概述 1.1 空间光调制器及其分类 空间光调制器 （Spatial Light Modulator，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 （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。 空间光调制器结构的基本特点在于，它是由许多基本的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”。 按读出光工作方式不同可分透射式和反射式两种。 写入光或写入电信号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应像素位置 上去的过程称为“寻址”。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，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。 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。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；但目前它是光学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。 由于空间光调制器是相干光和非相干光处理的关键器件，近年来国际国内已开发出几十种空 间光调制器，它们的工作原理不同，结构不同，特性也不尽相同。空间光调制器中能用于调制或 变换的物理效应很多，例如，泡克尔斯效应（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。常用的空间光调制器主要有：一、 电寻址空间光调制器：薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD ）、磁光空间光调制器（MOSLM ）、数字 微反射镜器件（DMD ）和量子阱空间光调制器（Quantum-well SLM）；二、光寻址空间光调制器： 液晶光阀（LCLV ）、铁电液晶电寻址空间光调制器（FLC-SLM ）、泡克耳斯效应读出光调制器 （PROM ）和微通道板电寻址空间光调制器（MSLM ）等。本章介绍一些典型空间光调制器的工作 原理、结构及特性。 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系统中的位置，它们可用做系统的输入以及处理和运算器件。 1. 输入器件 其功能主要是将待处理的信息转换成光学信息处理系统所要求的输入形式。主要实现以下几 种转换。 （1）电-光转换和串行-并行转换 一个随时间变化的串行电信号 （如计算机输出的图像信号），输入到一个光学处理系统中去， 需将串行输入方式转换成并行方式，且将电信号转换成光信号。用一束