毕业设计(论文)BSO空间光调制器.doc

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1、目 录摘 要ABSTRACT1 前 言1.1空间调制器的特点与研究意义11.2现在空间调制器的研究现状22 空间光调制器 2.1空间光调制器的定义及分类32.2空间光调制器技术42.3空间光调制器的研究背景53 空间光调制器的发展状况3.1 液晶空间光调制器的发展状况83.2 光折变空间光调制器的发展状况94 常见空间光调制器4.1 液晶空间光调制器104.1.1 液晶及其特性104.1.2 液晶光调制器的调制原理114.1.3 液晶光调制器的应用124.2 BSO的空间光调制器164.2.1 BSO光电调制实现图像的写入读出174.2.2 BSO基光寻址空间光调制器调制传递函数的理论分析18

2、4.2.3 对称结构和非对称结构空间光调制器204.3 硫化镉的空间光调制器224.4 氢化非晶硅铁电液晶(aSi:HFLC)器件234.5 采用电光晶体的空间光调制器244.6 声光调制器244.7 磁光调制器244.8 数字微反射镜空间光调制器255空间光调制器未来展望26结 论27谢 辞28参考文献29摘 要在现代光学信息处理系统中,空间光调制器一直是一个很关键的部件,它性能的好坏直接决定了系统的处理能力,作为主要部件构成的联合变换相关器可以应用于医学、军事、厂矿、港口、机场、森林、水库大坝、海岸线等的自动监视诊断识别系统的核心部件。本文通过对主要介绍了空间光调制器的原理、分类、功能特性

3、以及几种常见的空间光调制器,着重介绍了几种日常常用空间光调制器,重点掌握液晶空间光调制器的调制特性以及应用. BSO空间光调制器通过光调制实现图像的写入与读出,并对未来空间光调制器的发展趋势作了简要地介绍。关键词:空间光调制器;液晶;BSO;硫化镉 Spatial light modulator researchABSTRACTSpatial light modulator has been a critical component, In modern optical information processing systems. its performance has a direct d

4、etermines the system processing capacity. as the main components consisting of the joint transform correlator can be used in medical, military, factories and mines , ports, airports, forests, dams, coastline and other automatic identification systems to monitor the core component of diagnosis.This p

5、aper describes the main principles of spatial light modulator, classification, several common features, and spatial light modulator, This paper focusing on several everyday common spatial light modulator, Through the study of this article we learn liquid crystalspatial light modulator and modulation

6、 characteristics application. BOS spatial light modulator make the image write and read though optical modulation .and made brief presentation of the trend of the future development of spatial light modulator.Key Words: spatial light modulator; LCD; BSO; CDS1 前 言1.1 空间光调制器特点及研究意义光信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科

7、。它是在20世纪60年代随着激光器的问世而发展起来的。光学信息是指光的强度(或振幅)、相位、波长和偏振态等。光学信息处理是基于光学频谱分析,利用傅立叶变换效应,通过空问光调制器对光学信息进行处理的过程。光学信息处理有处理速度快、信息流量大等许多特点。因为,与其他形态的信号相比,光波作为信息载体具有特别显著的优点:其一,光波的频率可达1011 以上,这就允许信号本身有很宽的带宽,即具有极大的信息容量;其次,光波的传播具有独立性,光束在空间传播不互相干扰,光波以并行方式传递它所荷载的信息。基于此,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。能实时地

8、或快速地二维输入、传出传感器以及具有运算功能的二维器件 空间光调制器便应运而生。在现代光学信息处理系统中,空间光调制器一直是一个很关键的部件,它性能的好坏直接决定了系统的处理能力。相关器是现代光学信息处理系统中必不可少的关键器件,只有构造性能良好的相关器,才能发挥出光学信息处理的速度和容量优势。光学相关识别作为光学信息处理的主要方向之一,自提出以来一直倍受人们的关注。现在各种相关器从理论、器件到单元结构经过多年的探索阶段已经进入成熟发展阶段。光折变晶体具有响应速度快、空间分辨率高、体积小、存储容量大等优点,如果将光折变晶体与联合变换相关器相结合构成光折变联合变换相关器,就可以充分发挥二者的优势

9、。利用光折变晶体可以制作匹配滤波器并实现实时匹配滤波相关识别,也可以利用光折变晶体记录联合变换功率谱,以实现联合变换相关识别。 在军事上 ,如果以这样的联合变换相关器作为导弹导引头的关键部件,那将大大提高导引头的响应速度和精度,从而在很大程度上提高导弹的飞行速度、生存概率和打击精度。此外,在联合变换相关器中的应用也将会导致光学信息处理系统在无人驾驶侦察飞机、无人驾驶侦察战车、雷达目标识别等战场自动目标识别方面得到广泛应用,以取代目前笨重、慢速而昂贵的电子自动目标识别系统。除了军事方面的应用以外,在其他方面也具有广阔的应用前景。比如,以光折变晶体作为主要部件构成的联合变换相关器可以应用于医学中,

10、作为各种病毒、细胞等的自动识别和诊断设备的关键部件。同样,它也可以应用于厂矿、港口、机场、森林、水库大坝、海岸线等的自动监视诊断系统的主要部件。1.2 空间光调制器现在研究现状公元前140年汉朝时期我国出现的“影戏”中的“影人”也算是一种空间光调制。随着科学的的发展,1946年美国人John W Mauchiy和J.Presper Eckert研制出了真正意义上的电子计算机,怎么把计算机监视的图像投影至屏幕上成为一个广泛研究的课题。这种需要-促进了现代意义意义上的空间光调制器的发展。1888年,奥地利的植物学家FriedrichR einitzer发现了液晶,1961年,美国无线电公司RCA普

11、林斯顿研究所从事微波固体研究的海尔梅尔(G Heilmeier),将电子学知识用于液晶光学特性的研究取得进展,1968年,海尔梅尔和他的同事发现液晶的第一个电光效应一一动态散射效应,此后又先后发现液晶的其他多种电光效应:宾主效应和相变效应。1971年 美国休斯公司J.D.Margerum等人提出了第一个光导型透射式液晶光调制器(LC-SLM,Li quidc rystalsp atiallig htm odulator),它采用ZnS作光导层,直流电压驱动,取名SLM,从此空间调制器得到了广泛的应用。1972年 ,TD.Bemd等人研制成液晶作光导层,交流电压驱动的反射读出液晶光阀。这种结构解

12、决了直流驱动带来的影响,并且使写入光与读出光隔开,避免了两者相互干扰,为实用化器件的发展奠定了基础。1975年,J.GrinbergIO等人研制了用液晶作光导层,CdTe作光隔离层的交流反射式液晶光阀,使液晶工作于混合场效应(即向列液晶的扭曲效应和双折射效应)之中。现在沿用的液晶空间光调制器基本上都采用这种结构.寻址液晶空间光调制器发展的同时电寻址液晶空间光调制器同样也飞速发展,它直接导致了最后液晶显示器(LCD,L iquidc rystaldis play)的实用化。在发现动态散射效应的当年即,1968年,美国RCA公司发明了世界第一台液晶显示荧幕,即第一台电寻LC-SLM. 1971年,

13、瑞士罗切公司的海尔弗里奇(W.Helfrich )与夏德特(Schadt)一起,发现了扭曲丝状液晶场效应,这一发现使液晶显示技术在全世界迅速发展。但如同阴极射线管一样,液晶显示也是被日本公司夏普(Sharp)和索尼(Sony)发扬光大的。夏普于1973年研制出世界上第一台液晶电子计算器LCMATE,标志着液晶显示器真正实现工业化。这一时期LCD普遍采用单纯矩阵驱动扭曲向列LCD (TN-LCD,TwistedNematic-LCD),但由于它的扭曲角度小90度,多用于小尺寸黑白文字显示类LCD。1984年,欧美提出了超扭曲向列LCD( STN-LCD,SuperT N-LCD)其液晶分子扭曲角

14、度为180度到270度。几乎同时薄膜晶体管LCDFTLCD下Film Transistor-LCD技术也被提出。在80年代末日本掌握了下LCD生产技术,液晶显示器开始向廉价低成本的方向发展。尽管当下LCD是近年开发的,但作为非相干光SLM,它却率先投入大批量生产,并己完全商品化。以下LCD作为空间光调制器的计算机控制投影仪和液晶大屏幕投影电视LCD-PTVLCD-projection TV,己大批量生产完全实用化,成为光学信息处理实用化的极个别的例子之一。随后双层超扭曲向列相LCD (DSTN-LCD, Doublela yerST N-LCD)诞生。液晶电视成为电寻址液晶空间光调制器的主力。

15、同时另一种利用光寻址液晶空间光调制器制成的电寻址SLM也在人们的视线中出现。1987年休斯公司第一次成功演示了CCD-LCLV电荷耦合器件寻址的液晶光阀。90年代日本Hamamatsu Photonics公司演LCD-PAL-SLM (LCD coupled Parallel-Lligned nematic- Liquid-crystal SpatialLight Modulator),它是一种利用透射型LCD进行电寻址的空间光调制器。同时期我国中国科学院西安光机所研制出一种阴极射线管祸合液晶光阀(C RT-LCLV,C athode-RayR ubeL iquidC rystalLi ght

16、V alve)。这些电寻址液晶空间光调制器在对比度、空间分辨率、亮度上都优于液晶电视。而且这些器件结构做成可拆分式,使得它既可以组合在一起作为电寻址空间光调制器使用,也可以单独作为光寻址SLM使用,大大提高了应用范围、降低了成本。 2 空间光调制器2.1 空间光调制器的定义及分类空间光调制器的英文名称即ailLight Mdeluaotr,常缩写为SLM,它是一种对光波的空间分布进行调制的器件。具体来讲,空间光调制器是指能够将信息加载于一维或者二维的光学数据场上,以便有效的利用光的固有速度、并行能力的一类器件称为空间光调制器。这类器件可以在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下,改变空间光分

17、布的振幅、强度、相位、偏振态和波长,或者把非相干光转换成相干光等空间光调制器一般按照读出光的方式不同可以分为反射式和透射式;按照它们所利用的光学效应来讲,主要分为以下几类:电光效应SLMs、磁光效应SLMs、声光效应SLMs、电吸收效应SLMs、热效应SLMs、机械效应SLMs;按照输入控制信号的不同可以分为光寻址(0-SLMs)和电寻址(E-SLMs)。前者多为模拟的非像素单元构成,主要用于光光的转换器件;后者主要式由单个分离的元素或像素组成,主要用作电光实时接口器件,所以从应用的角度可以分为模拟和数字两类。透射式空间光调制器其作用类似于一个两维的薄膜片,当光通过时在空间上调制光的模式,该两

18、维器件上每个点的调制度大小由那一点上的光的透过率决定。反射式空间光调制器除了由材料的每一点上的反射率控制光的调制度以外,与透射式的操作式类似的。 图2.1 透射型电寻址空间光调制器 图2.2 反射型电寻址空间光调制器 图2.3 透射型光寻址空间光调制器 图2.4 反射型光寻址空间光调制器空间光调制器的分类这里需要指出的是:如上图2.3与图2.4光寻址时,实际上是利用适当的光学系统把一个二维光强分布成像在空间光调制器的像素平面上,便可以使写入信号的像素与调制器的像素在空间上一一对应,以实现寻址。因为在时间上所有像素的寻址是同时完成的,所以光寻址是一种并行寻址方式。其特点是寻址速度最快,而且像素的

19、大小原则上只受寻址光学成像系统分辨率的限制。但要防止写入光和读出光之间的串扰(crosstalk),通常空间光调制器做成反射式的,在其中有一个隔离层,使两束光互不干扰;也可以使用不同波长的光,利用滤光片消除它们之间的串扰;图2.1与图2.2电寻址时,一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成像素,由于电信号是串行信号,所以电寻址是串行寻址,一旦在光信息处理链中有一个电寻址,二维并行串行处理就被一维串行处理代替,处理速度立即降下来。另外,电寻址是通过条状电极来传递信息的,电极尺寸的减小有一个限度,所以像素尺寸也有限度,即有一个分辨率极限。由于电极本身不透明,所以像素的有效通光面积与像素总面

20、积之比开口率(fill factor)较低,光能利用率不高。空间光调制器的基本功能是充当实时的一维或者二维光学传感器件和运算器件。由于在光学信息和光计算系统中,系统对传感、运算器件功能的要求是多种多样的,虽然空间光调制器很难完全满足系统的所有要求,但是它对于系统的一部分要求是必不可少的,而且这些要求往往是关键所在。一般来讲,电寻址的空间光调制器以视频信号或以数字计算机的电平信号输入作为电光转换的实时接口器件;而光寻址空间光调制器以光光转换形式在光学频率域或输入输出面上可完成多种有效的运算。空间光调制器可以实现的功能主要由以下几种:(1)光学实时匹配相关滤波器。在光学匹配滤波相关识别中,采用光学

21、全息方法或计算全息方法制作滤波器,较复杂且不具备实时性,会大大影响识别系统的时效性。而利用液晶空间光调制器的实时光学调制特性,通过在LCSLM上输入二值化的位相滤波器,即可实现实时的光学识别。在光学相关识别中,利用它的位相调制特性可实现实时的二元化联合变换相位器,提高对光的利用效率,增强对图像的相关识别能力。(2)可调控的二元光学元件。利用液晶空间光调制器的位相调制特性,可以通过计算机输入不同的数据而在LCSLM上获得所需的二元光学元件,如位相型矩形菲涅尔波带片(FZP)、二元光栅等。将计算机实时生成或储存于计算机中的阵列FZP数据,根据LCSLM的位相调制特性,通过输入不同的信号,即可在LC

22、SLM上获得所需的实时可控阵列菲涅尔波带片。(3)光学运算。利用液晶空间光调制器,通过输入不同的信号,可以实现各种光学运算。如在光学并行逻辑门中的应用,在光学逻辑系统中的应用,可实现各种逻辑运算和算术运算,以及线性代数的运算等。利用液晶光阀的实时转换特性,通过调整液晶光阀的工作电压,使其处于非线性变换态即可完成对图像的实时微分运算。利用液晶光阀作为光学二值图像邻域处理器,可完成对图像的扩、蚀和边缘检测等形态变换操作等。(4)波面补偿。由于液晶空间光调制器可以对通过它的波面产生一定的位相调制,并且调制程度可以通过输入信号来加以控制。因此,它可以用于对畸变波面的补偿。首先对波面产生的畸变进行检测,

23、然后根据需要在液晶空间光调制器上输入一相应的信号,则可以实现对波面的补偿和控制。2.2 空间光调制器技术空间调制技术是将信息加载在一维或二维的数据场上,有效的利用了光的固有速度,并行性和互联能力来实现实时光信息处理的技术。作为空间调制技术直接体现的空间光调制器则可以在电驱动信号的控制下或者另一种空间光强分布的作用下改变空间上输入光的相位,偏振,振幅乃至波长,或者是非相干光到相干光的转换。这项技术被广泛应用于光逻辑运算,光互联,阀值开关,数据格式化,输入储存,输出显示等诸多领域。近年来,随着微电子和光电子集成技术的飞速发展以及两者的紧密结合,空间光调制技术得到大大的促进和发展。各种新型光调制器层

24、出不穷,例如量子阱铁电液晶和磁光器件以及聚合材料的器件都在朝着实用化方向发展,特别是已经实用的各种液晶空间光调制器的飞速发展,便是实时光学信息处理成功应用的典型例子,而且表现出来了很大的市场前景。当前,空间光调制材料的研究,器件的设计加工,以及系统的应用三者结合,形成了整个空间光调制技术的研究与发展的主题,并越来越引起科技界的高度重视和浓厚兴趣。2.3 空间光调制器的研究背景随着我国向空间战略的发展和迅速推进,各种航天飞行器和空间自主打击武器将逐渐的得到研究和利用,为了确保空间复杂情况下各种航天飞行器的飞行安全,以及确保各种空间自主打击武器的杀伤力,需要对空间目标进行快速而准确的识别。只有能够

25、对空间目标快速准确的识别,才有可能准确的操纵飞行器,提高自主打击武器的飞行速度自主反应能力反应速度和打击精度。迄今为止,对空间目标的识别基本基于“CCD电子计算机/电子电路计算和对比得到识别结果”的模式。这种基于电子计算识别模式具有可编程行强,精确度高是自化程度高等优点,尤其是电子计算机和数字信号电子处理器性能的提高及软件技术的发展,使得这种识别技术得到大量的军事应用。随着对目标识别精度的提高,势必要求识别过程处理更多的信息。但是由于电子电路本身的局限性,使得电子计算机/电子电路不可能实现真正意义上的并行处理,同时由于芯片制造工艺和芯片本身的局限性,电子计算机/电子电路处理速度的提高的步伐也将

26、受到阻滞,这就使的这种识模式在不久得将来不能满足空间目标的识别和高精度的要求。随着飞行器飞行速度、操控熊方面的提高和合精确自主打击武器的飞行速度、自主反应能力、反应速度和打击精度要求的提高对空间目标的识别的精度和速度也会提出更高的要求,也就对对实现目标识别的计算机的处理能力提出更高的要求。而出于电子计算机/电子电路本身的局限性,为了提高处理能力,基本上是通过增加系统的复杂性来获得,而这种方式势必会增加系统的体积和重量,并降低系统的可靠性,这与飞行器和精确自主打击武器的小型化的发展方向是相互矛盾的的。众所周知,由于光具有优越特性,并行光计算具有并行性、高速度和大容量的特点。基于光计算的并行特性,

27、只要对光计算系统进行合理设计,就可以实现在增大光信息的情况下同样会保证计算速度。这样,如果以光学方法实现空间目标的识别,采用基于光计算的识别模式,将有可能解决基于电子计算的识别模式中所遇到的困难。值得注意的是为了充分的利用光的优越特性,光计算系统基本采用相干光的工作模式。3 空间光调制器的发展状况公元前140年汉朝时期我国出现的“影戏”中的“影人”也算是一种空间光调制。随着科学的的发展,人们发明了电光源.透镜.到了十七世纪欧洲人根据投影的原理设计出来带有透镜的投影机,把图片装在玻璃上装入结构简单的幻灯机,然后把图像的影像用灯光投射到一个半透明的布幕上,方便认得演示和观看。自从1946年美国人J

28、ohn W Mauchiy和J.Presper Eckert研制出了真正意义上的电子计算机,怎么把计算机监视的图像投影至屏幕上成为一个广泛研究的课题。这种需要-促进了现代意义意义上的空间光调制器的发展。3.1 液晶空间光调制器的发展状况 1888年,奥地利的植物学家,FriedrichR einitzer从植物中提炼出一种化合物并意外的发现此种化合物具有两个不同温度的熔点。而它的状态介于一般所熟知的液态与固态物质之间,有点类似肥皂水的胶状溶液,但它在某一温度范围内却具有液体和结晶双方性质的物质,这就是液晶。不过,虽然在1888年就被发现,但直到80多年后才广泛地进入应用研究领域。1961年,美

29、国无线电公司RCA普林斯顿研究所从事微波固体研究的海尔梅尔(G Heilmeier),将电子学知识用于液晶光学特性的研究取得进展。他于1963年发现电场影响液晶分子排列,并在1964年研制了动态散射方式工作的液晶显示器件,掀起了研究液晶的高潮。1968年,海尔梅尔和他的同事发现液晶的第一个电光效应一一动态散射效应,此后又先后发现液晶的其他多种电光效应:宾主效应和相变效应。宾主效应是多色染料分子与向列液晶(主)在电场作用下重新排列,导致吸收特性的改变从而引起颜色变化(即“开”“关”的变化)。动态散射效应是指当施加于液晶盒两端的电压超过一定值时,液晶分子产生紊乱运动,盒内折射率随时间而变化,因而对

30、外界入射光发生散射。相变效应是指液晶盒两端电压超过阐值时,液晶形变发生胆甾相一相列相相变现象。当光照射到两端相互正交的偏振镜的液晶盒时,它的出射光强(或反射光强)将依赖于液晶两端的电压。这些电光效应的发现极大地推动了液晶器件的发展。1971年美国休斯公司J.D.Margerum等人提出了第一个光导型透射式液晶光调制器(LC-SLM,Li quidc rystalsp atiallig htm odulator),它采用ZnS作光导层,直流电压驱动。但这种形式的空间光调制器处在直流工作状态下,容易引起液晶与电极之间的电化学反应,降低器件的使用寿命;同时透射工作方式使写入光与读出光相互干扰,影响器

31、件性能。因此这种系统的SLM,并没有得到广泛应用。1972年,TD.Bemd等人研制成液晶作光导层,交流电压驱动的反射读出液晶光阀。这种结构解决了直流驱动带来的影响,并且使写入光与读出光隔开,避免了两者相互干扰,为实用化器件的发展奠定了基础。1975年,J.Grinberg等人研制了用液晶作光导层,CdTe作光隔离层的交流反射式液晶光阀,使液晶工作于混合场效应(即向列液晶的扭曲效应和双折射效应)之中。现在沿用的液晶空间光调制器基本上都采用这种结构。 1968年,美国RCA公司发明了世界第一台液晶显示荧幕,即第一台电寻LC-SLM. 1971年,瑞士罗切公司的海尔弗里奇(W.Helfrich )

32、与夏德特(Schadt)一起,发现了扭曲丝状液晶场效应,这一发现使液晶显示技术在全世界迅速发展,但如同阴极射线管一样,液晶显示也是被日本公司夏普(Sharp)和索尼(Sony)发扬光大的。80年代末日本掌握了下LCD生产技术,液晶显示器开始向廉价低成本的方向发展。尽管当下LCD是近年开发的,但作为非相干光SLM,它却率先投入大批量生产,并己完全商品化。90年代日本Hamamatsu Photonics公司演LCD-PAL-SLM (LCD coupleParallel-Lligned nematic- Liquid-crystal SpatialLight Modulator),它是一种利用透

33、射型LCD进行电寻址的空间光调制器。同时期我国中国科学院西安光机所研制出一种阴极射线管祸合液晶光阀(C RT-LCLV,C athode-RayR ubeL iquidC rystalLi ghtV alve)这种光调制器有优异的性能,良好的对比度和分辨率,既可以为电寻址空间光调制器使用,也可以单独作为光寻址SLM使用有很强的适应性!3.2 光折变空间光调制器的发展状况1966年,贝尔实验室的Ashkin等首先发现了光折变效应。光折变效应是光诱导折射率变化效应的简称。它是指电光材料中的电子或空穴在非均匀光的照射下再分布引起的材料折射率变化的一种现象。这种折射率变化可以通过均匀光照射或加热晶体的

34、办法得到恢复。1968年F.S.Chen首次认识到这种光折变材料是一种优良的光存储材料。1973年D.Casasent提出了一种电寻址DKDP-SLM (DeuteratalPo tassium-dihydrogen-phosphateS LLM) 结构(如图3.1)。图3.1 光寻址DKDP-SLM结构为了得到高存储能力,晶体被冷却至-50摄氏度。在同一期杂志上,J.Donjon等也提出了一种光寻DKDP-SLM。其结构与LC-SLM的交流使用型结构非常类似。同样晶体也工作在一50摄氏度下。其结构如 LZT 也是一种优良的光折变材料。1972年美Smith和Land将PLZT进行热压烧结成型

35、,所得陶瓷研磨的薄片具有电控双折射、电控可变光散射等特性,可用作关阀、电光调制器和光记忆元件,PUT是一种很有价值的新型电子材料,是20世纪70年代铁电陶瓷的重大进展。4 常见空间光调制器随着科技信息技术的发展,光空间调制器越来越多的出现在我们的生活当中,比较常见的空间光调制器有液晶空间调制器,BOS空间光调制器,硫化镉的空间光调制器氢化非晶硅铁电液晶(aSi:HFLC)器件,采用电光晶体的空间光调制器等调制器件,以下主要对液晶空间调制器与BOS空间光调制器的性能,功能的实现与应用进行详细的介绍。4.1 液晶空间光调制器4.1.1 液晶及其特性1888年,奥地利的植物学家,Friedrich

36、Reinitzner 从植物中提取出一种化合物并意外的发现这种化合物的两个不同的温度的熔点,这种高分子化合物在一定的条件下呈现特殊的状态,它打破了人们对物质三态的常规概念,他的状态介于现有的固态和液态之间,有点类似于肥皂水的胶状溶液。1889年德国德国物理学家费曼发现这种物质具有双折射现象,即光学光学各项性,他阐明了这种现象并提出了“液晶”术语。 液晶是有机高分子物质在一定的条件下呈现的一种特殊物质的物质状态,其结构介于固体,液体之间,称为中间态或中间相。液晶分子一般分为长棒状,盘状或碗状,分子排列介于完全排列晶体和各相同性的液体之间。它具备以下特点:(1)每一个液晶分子的中心在液晶空间的分布

37、是随机的;(2)分子的取向具有顺序性,长棒状分子的长轴方向或盘状、碗状的分子的法线方向在一定的温度范围内倾向于彼此平行,该方向称为液晶分子的指向分量方向。现在已经知道的液晶化合物就有几千种,根据分子的排列方式,大致可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种。近晶相液晶分子呈现棒状,分层叠合,每一层长轴互相平行(如图4.1);向列相液晶分子也呈现棒状,分子长轴互相平行,但并不成层,分子的长轴方向就是光轴,(如图4.2) ;胆甾相液晶分子也是分层排列的,相邻两层之间分子长轴逐层一次沿着一定的方向有一个微小的扭角约十五度,(如图4.3) 图4.1 .近晶相 图4.2 向列相 图4.3 胆甾相4.1.2 液晶

38、光调制器的调制原理液晶是一种完全不正常的状态,各状态之间可以警醒相变,因此具有双重特质:既有液体的流动性又有晶体所具有的各相异性。液晶的各相异性在外场下会发生显著的变化,这种变化比各相异性强烈。当施加电场时,液晶分子的空间分布将发生改变,从而改变其电光物理性质,这种效应称为向列液晶的电光效应(如图4.4)。它主要包括:扭曲效应、电控双折射效应、动态散射效应以及混合场效应等。液晶空间光调制器正是利用液晶分子的电光效应而实现对光波的空间调制。 (a) (b)(4.4) 施加电压前后的液晶分子(a)施加电压前的液晶分子 (b)施加电压后的液晶分子(1)扭曲效应: 液晶分子是加在两片玻璃之间的,如图4

39、.5所示,这两片玻璃在接触液晶的那一面,经过预处理有锯齿状的沟槽,目的是使得液晶分子顺着沟槽整齐地排列,在实际的制造过程中,一般会在玻璃的表面涂上一层配向膜,其作用是让液晶分子不在杂乱分布而是按照预定的顺序排列。当上下两块玻璃之间没有施加电压时,液晶的排列会依照两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶调制器来说,上下配向膜的角度差为90度,液晶分子的排列会自上而下自动旋转90度,所以入射的偏振光通过起偏器后被液晶层旋转90度,再通过检偏器射出。当上下两块玻璃之间施加电压时,液晶分子层的旋转角发生扭曲,导致偏振光与检偏器的夹角发生变化,从而使透射光受到振幅和位相调制。(2)电控双折射率效应: 液晶

40、是光学异向性的物质,液晶分子轴平行方向和垂直方向的折射率不同,当液晶盒两端施加电压时,电场使得液晶分子被极化,被极化的液晶分子在电场中将受到一个转矩发生旋转,从而使液晶分子的排列发生变化,结果使液晶盒的双折射率发生变化。这种电光效应是通过外加电场控制液晶盒的双折射率而产生,也叫电控双折射效应。当在液晶上的外加电压超过其阈值电压时j液晶分子在电场作用下开始向同一方向倾斜排列,当分子的倾斜处于平行与垂直表面之间时,液晶分子的双折射效应将影响光的偏振性。(3)动态散射效应: 动态散射效应是当施加于液晶上的交变电场频率小于某一临界值,电场强度超过某一临界值时,液晶分子产生紊乱运动,使各处的折射率随时间

41、发生变化,因而外界入射光发生散射。动态散射的阈值电压主要与电源的频率、液晶的电导率和弹性系数,介电常数等参数有关。动态散射效应会造成透镜光能的损失,并降低对比度。(4)混合场效应: 混合场效应是扭曲向列效应和电控双折射效应的组合。尽管液晶有很多电光效应用于对读出光波进行调制,但是在目前的光学信息处理领域,使用最多最广泛的还是混合场效应。混合场效应是美国休斯研究实验室提出来的。简单的说就是利用扭曲向列效应获得光阀的关闭状态,利用外电场的电控双折射效应获得光阀的开启状态。液晶空间光调制器是由液晶片在两边加平行于液晶片的偏振片组成,如图4.5所示,两个偏振片的状态分别由1和2表示,它们是各自的偏振轴

42、与x轴的夹角。图4.5 LcSLM的结构图示液晶薄层两侧的基片做过适当的处理,使分子在两基面表面处都是沿面排列的,但它们的长轴方向相差90。,于是基片间的液晶层进一步分成许多薄层,每一层内分子的取向基本一致,且平行于层面;相邻分子的取向逐渐转过一个角度,从而形成扭曲向列排列方式,当液晶片两端没加电场时,液晶片可看作被分成许多与Z轴正交垂直的薄片,每个薄片都是相同的,如图43所示,当沿着z轴加上电场时,所有的分子朝电场方向转过一个角度p,p是所加电压V的函数: (4.1) (4.2)4.1.3 液晶光调制器的应用随着液晶的发展,液晶己经从实验室逐渐走入寻常百姓家。液晶光阀(LCLV)的应用范围也

43、开始从传统的光学领域进入其他各种应用领域n3151。其工作原理是基于光导层的光电效应和液晶层的电光效应以达到光调制的目的。通常用半导体材料作为光导层,而用液晶作为光调制层。光导层能根据写入的图像形成电荷的空间分布,从而形成空间电场的分布来影响液晶的光学性能。光寻址LCSLM虽然可以利用光的并行处理能力,但是光探测效应的响应速度往往成为高速并行处理能力的瓶颈,从而限制了它的广泛的应用。随着投影仪的发展,一种基于LCSLM的液晶投影电视进入人们的视线,它结构简单、体积小、质量轻、耗电小、屏幕尺寸大,有逐渐淘汰电子显像管的趋势。液晶电视作为空间光调制器具有成本低,灵活性高等特点从而成为人们研究的一个热点,目前液晶显示技术的飞速发展也给它在空间光调制领域的应用开辟了广阔的空间。目前使用最多的是主动寻址的液晶电视,通常在一块玻璃板上,形成相互绝缘的行电极和列电极,在它们的焦点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体TFT。TFT的栅极,源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像素。在另一块玻璃板的表面,所有素共用一个电极,两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶。即每个像素都与一个驱动器件相连接从而避免了交叉效应的产生,使得液晶电视的显示效果得到了大幅提高。薄膜晶体管液

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