1、空間光調(diào)制器研究進展空間光調(diào)制器研究進展專業(yè)：電子科學與技術答辯人：05101090 黨青亮指導老師：孫艷玲 副教授內(nèi)容安排研究背景及意義研究背景及意義1234 空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器的應用空間光調(diào)制器的應用電子電路光學信息處理與計算1.研究背景及意義信息能量物質(zhì)系統(tǒng) 串行處理工藝 芯片制造材料 芯片本身1.研究背景及意義電子電路光調(diào)制光束獨自傳播，并行處理光波頻率高達10Hz信息量大光速快1. 研究背景及意義1. 研究背景及意義光學信光學信息處理息處理與與計算計算光學光學探探測、測、控控制制圖象處圖象處理、顯理、顯示示模式

2、識模式識別別光互連、光互連、計算計算廠礦、港口、機場、森林、水庫大壩、海岸線的自動監(jiān)視診斷系統(tǒng)內(nèi)容安排研究背景及意義研究背景及意義1234 空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器的應用空間光調(diào)制器的應用發(fā)展史定義功能參數(shù)分類2. 空間光調(diào)制器簡介之發(fā)展史萌芽 1968美國RCA公司第一臺液晶顯示熒幕電尋LC-SLM。 SLM1971休斯公司第一個光導型透射式液晶光調(diào)制器，發(fā)展 1971扭曲絲狀液晶場效應，液晶顯示技術迅速發(fā)展。 1975交流反射式液晶光閥，混合場效應 1984，超扭曲向列LCD和薄膜晶體管TFT-LCD現(xiàn)狀 數(shù)字微反射鏡(D

3、MD) 微通道板空間光調(diào)制器（MSLM） 普克爾讀出空間光調(diào)制器 液晶光閥（LCLM）德國HOLOEYE 素數(shù)最素數(shù)最高高，1920192010801080 衍射效率一般衍射效率一般美國BNS 衍射效率幾乎達衍射效率幾乎達100%100% 像素單元很大像素單元很大日本濱松 相位調(diào)制國際領相位調(diào)制國際領先，幾乎能達到先，幾乎能達到線性調(diào)制，有效線性調(diào)制，有效面積、填充因子面積、填充因子都還不錯都還不錯 最高像素僅為最高像素僅為8008006006002. 空間光調(diào)制器簡介之發(fā)展史大恒科技大恒科技華工科技華工科技 威創(chuàng)股份威創(chuàng)股份利達光電利達光電定義定義 SLM：Spatial Light Mod

4、ulator利用電或光信號在時間或空間上控制另外光源的振幅、相位或偏振態(tài)等傳播狀態(tài)利用電或光信號在時間或空間上控制另外光源的振幅、相位或偏振態(tài)等傳播狀態(tài)以便有效地利用光的固有速度、高頻率、并行性和互連能力的一種主動型器件以便有效地利用光的固有速度、高頻率、并行性和互連能力的一種主動型器件一個透過率通過寫入信號實時控制的濾光片一個透過率通過寫入信號實時控制的濾光片, ,表征為：表征為：T(x,y) = Tx(t),y(t)T(x,y) = Tx(t),y(t)Tx(t),y(t)Tx(t),y(t)表示在時刻表示在時刻t t時空間光調(diào)制器在（時空間光調(diào)制器在（x,y)x,y)處的復數(shù)透過率。處的

5、復數(shù)透過率。基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 獨立單元：像素獨立單元：像素包括：包括： 寫入信號寫入信號-控制信號控制信號； 讀出光讀出光-輸入信號輸入信號； 輸出光輸出光-輸出信號輸出信號;2. 空間光調(diào)制器簡介之定義2. 空間光調(diào)制器簡介之功能輸入器件輸入器件電電-光轉(zhuǎn)換光轉(zhuǎn)換波長轉(zhuǎn)換波長轉(zhuǎn)換串行串行-并行轉(zhuǎn)換并行轉(zhuǎn)換非相干光非相干光-相干光轉(zhuǎn)換相干光轉(zhuǎn)換處理與運算器件處理與運算器件放大器放大器乘法器乘法器對比度反轉(zhuǎn)對比度反轉(zhuǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換存儲器件存儲器件Pockels Pockels 光調(diào)制器光調(diào)制器 (PROM)(PROM) 光折變器件等光折變器件等2. 空間光調(diào)制器簡介之性能參數(shù)輸入特性輸

6、入特性對比度對比度靈敏度靈敏度灰度等級灰度等級輸入輸入- -輸出輸出特性曲線特性曲線空間特性空間特性調(diào)制函數(shù)調(diào)制函數(shù)開關功耗開關功耗空間寬帶積空間寬帶積空間分辨率空間分辨率時間特性時間特性響應速度響應速度高的幀頻高的幀頻信息流量信息流量存儲時間存儲時間2. 空間光調(diào)制器簡介之分類系統(tǒng)中的位置：系統(tǒng)的輸入器件系統(tǒng)中的位置：系統(tǒng)的輸入器件(I-SLM)(I-SLM)， 在頻譜在頻譜面上作為濾波器件面上作為濾波器件(P-SLM), (P-SLM), 系統(tǒng)的輸出端系統(tǒng)的輸出端(O-SLM)(O-SLM)讀出光的讀出方式讀出光的讀出方式：反射型和透射型；反射型和透射型；輸入控制信號的方式輸入控制信號的方

7、式：光尋址光尋址(OA-SLM(OA-SLM）和電尋址和電尋址（EA-SLM EA-SLM ）工作原理工作原理：如普克爾斯效應（線性電光效應）、如普克爾斯效應（線性電光效應）、克爾效應（二次電光效應）、聲光效應、磁光克爾效應（二次電光效應）、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應、光折變效應。效應、半導體的自電光效應、光折變效應。2. 空間光調(diào)制器簡介之分類 空間光調(diào)制器分類空間光調(diào)制器分類(一) 電尋址空間光調(diào)制器1. 薄膜晶體管液晶顯示器 (TFT-LCD)；2. 磁光空間光調(diào)制器 (MOSLM)；3. 數(shù)字微反射鏡器件 (DMD)(二)光尋址空間光調(diào)制器 1. 鐵電液晶空間光調(diào)制器 (F

8、LC-SLM)；2. 液晶光閥(LCLV)及陰極射線管-液晶光閥(CRTLCLV)；3. 微通道板空間光調(diào)制器 (MSLM)； 4. Pockels光調(diào)制器 (PROM).2. 空間光調(diào)制器簡介之分類2. 空間光調(diào)制器簡介之分類 DMD DMD芯片的反射鏡陣列芯片的反射鏡陣列TFT-LCDTFT-LCD的等效電路的等效電路DMDDMD像素展開圖像素展開圖2 2個個DMDDMD像素圖像素圖2. 空間光調(diào)制器簡介之分類各類液晶空間光調(diào)制器相關比較各類液晶空間光調(diào)制器相關比較內(nèi)容安排研究背景及意義研究背景及意義1234空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空

9、間光調(diào)制器的應用空間光調(diào)制器的應用全息顯示光束整形調(diào)制動態(tài)紅外景象投影微透鏡陣列制備壓縮感知關聯(lián)成像3. 3. 全息顯示之全息顯示之數(shù)字合成全息系統(tǒng)數(shù)字合成全息系統(tǒng)裴闖于裴闖于20132013年針對目前三維物體計算全息算法數(shù)據(jù)量大、計年針對目前三維物體計算全息算法數(shù)據(jù)量大、計算速度慢及共軛像影響再現(xiàn)效果問題，提出一種全息體視圖算速度慢及共軛像影響再現(xiàn)效果問題，提出一種全息體視圖計算方法計算方法。迭代傅立葉變換算法計算過程迭代傅立葉變換算法計算過程方案采用方案采用HoloeyeHoloeye公司反射型液晶空間光調(diào)制器（像公司反射型液晶空間光調(diào)制器（像素尺寸素尺寸8m8m，分辨率為，分辨率為192

10、0192010801080）構(gòu)建光學系統(tǒng)）構(gòu)建光學系統(tǒng)3. 3. 全息顯示之全息顯示之數(shù)字合成全息系統(tǒng)數(shù)字合成全息系統(tǒng)基于空間光調(diào)制的基于空間光調(diào)制的全息體視圖再現(xiàn)系統(tǒng)全息體視圖再現(xiàn)系統(tǒng)從不同角度拍攝獲得了從不同角度拍攝獲得了沒有共軛像干擾沒有共軛像干擾, ,各角度各角度高質(zhì)量再現(xiàn)的具有良好高質(zhì)量再現(xiàn)的具有良好的三維顯示效果再現(xiàn)圖的三維顯示效果再現(xiàn)圖3. 3. 全息顯示之全息顯示之再現(xiàn)像放大再現(xiàn)像放大基于基于SLMSLM的的CGHCGH顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng)20132013年中國科學院光電研究院年中國科學院光電研究院的王皓等利用傅里葉變換的相的王皓等利用傅里葉變換的相似性定理基于純相位空間光調(diào)似性定

11、理基于純相位空間光調(diào)制器的計算全息顯示系統(tǒng)在理制器的計算全息顯示系統(tǒng)在理論算法和實驗光路兩方面得到論算法和實驗光路兩方面得到2.72.7倍不受中央零級影響的清倍不受中央零級影響的清晰再現(xiàn)像晰再現(xiàn)像20092009年，年，南開南開王曉雷提出王曉雷提出了了基于空間光調(diào)制器的基于空間光調(diào)制器的一步相移數(shù)字全息術，可用于實時記錄和表征物一步相移數(shù)字全息術，可用于實時記錄和表征物體動態(tài)變化特性體動態(tài)變化特性, ,在生物細胞活體觀測、粒子場動在生物細胞活體觀測、粒子場動態(tài)測量等領域有著廣泛的應用前景態(tài)測量等領域有著廣泛的應用前景一步相移數(shù)字全息圖提取示意圖一步相移數(shù)字全息圖提取示意圖3. 3. 全息顯示全

12、息顯示之一步相移圖示為圖示為一步相移獲得傳統(tǒng)時間相移數(shù)字全息四次記一步相移獲得傳統(tǒng)時間相移數(shù)字全息四次記錄的信息錄的信息。利用。利用型號為型號為X10468-01 X10468-01 向列型純相位型向列型純相位型空間光調(diào)制器一步實現(xiàn)參考光四種相位延遲空間光調(diào)制器一步實現(xiàn)參考光四種相位延遲, ,獲取獲取了含有四種相移信息的單幅復合數(shù)字全息圖了含有四種相移信息的單幅復合數(shù)字全息圖3. 3. 全息顯示全息顯示之一步相移20142014年上海大學的高洪躍基年上海大學的高洪躍基于全息復用技術和摻偶氮染于全息復用技術和摻偶氮染料液晶混合物形成超薄的液料液晶混合物形成超薄的液晶薄膜，利用紅綠藍（晶薄膜，利用

13、紅綠藍（RGBRGB）三色激光作為讀出光獲得了三色激光作為讀出光獲得了無串擾噪聲紅綠藍三色全息無串擾噪聲紅綠藍三色全息響應在毫秒量級的實時動態(tài)響應在毫秒量級的實時動態(tài)全息顯示視頻全息顯示視頻實時動態(tài)全息顯示實驗系統(tǒng)實時動態(tài)全息顯示實驗系統(tǒng)3. 3. 全息顯示實時動態(tài)顯示全息顯示實時動態(tài)顯示圓圓（方）（方）光束輸出。光束輸出。(a)PMA (a)PMA 算法輸出算法輸出圓（方）圓（方）光束；（光束；（b b）平滑修正法輸出圓）平滑修正法輸出圓（方）（方）光束；光束；（c c）混合算法輸出圓）混合算法輸出圓（方）（方）光束光束20122012年，于曉晨采用相位混年，于曉晨采用相位混合算法（合算法（

14、PMAPMA）與平滑修正法）與平滑修正法相結(jié)合的混合算法，對激光相結(jié)合的混合算法，對激光發(fā)出的高斯光束進行整形發(fā)出的高斯光束進行整形，得到頂部不均勻度和均方誤得到頂部不均勻度和均方誤差都低于，能量集中度差都低于，能量集中度在在9090以上的輸出光束。以上的輸出光束。光束整形實驗裝置圖光束整形實驗裝置圖3. 3. 基于空間光調(diào)制器的光束整形基于空間光調(diào)制器的光束整形數(shù)字微鏡器件用于光束空間整形數(shù)字微鏡器件用于光束空間整形 填充因子由填充因子由3333提高為提高為6565，光場調(diào)制度由，光場調(diào)制度由5252降為降為2828 光束近場調(diào)制度一次整形后光束近場調(diào)制度一次整形后1.851.851 1降到

15、降到1.331.331 1改善改善28.128.1基于液晶空間光調(diào)制器的光束調(diào)制基于液晶空間光調(diào)制器的光束調(diào)制 產(chǎn)生艾麗光束產(chǎn)生艾麗光束 產(chǎn)生產(chǎn)生三光學勢阱三光學勢阱3. 3. 基于空間光調(diào)制器的光束整形基于空間光調(diào)制器的光束整形數(shù)字微鏡器件動態(tài)紅外景象投影技術數(shù)字微鏡器件動態(tài)紅外景象投影技術 WAPS PWMWAPS PWM模式產(chǎn)生的紅外圖像模式產(chǎn)生的紅外圖像 OSCOSC公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的DMDDMD紅外景象產(chǎn)生器紅外景象產(chǎn)生器( (分辨率為分辨率為VGA:800VGA:800600)600)已已在美國陸軍航空導彈司令部在美國陸軍航空導彈司令部(AMCOM)(AMCOM)的高級仿真中心的

16、高級仿真中心(ASC)(ASC)投入投入使用使用, ,正在研究高分辨率正在研究高分辨率(XGA:1024:768)(XGA:1024:768)的紅外投影技術的紅外投影技術基于空間光調(diào)制器的微透鏡陣列制備技術基于空間光調(diào)制器的微透鏡陣列制備技術 基于空間光調(diào)制器的微透鏡制作系統(tǒng)基于空間光調(diào)制器的微透鏡制作系統(tǒng) 干涉條紋周期干涉條紋周期1um1um，像素特征尺寸為，像素特征尺寸為3.5um3.5um的縮小干涉光斑圖形的縮小干涉光斑圖形。基于數(shù)字微鏡器件的壓縮感知關聯(lián)成像研究基于數(shù)字微鏡器件的壓縮感知關聯(lián)成像研究 (a1),(a2)(a1),(a2)原物體；原物體；(b1),(b2) CS(b1),

17、(b2) CS所得的圖像；所得的圖像；c1),(c2)c1),(c2)關聯(lián)算關聯(lián)算法所得到的圖像法所得到的圖像 簡化了多光譜成像探測的光電記錄過程簡化了多光譜成像探測的光電記錄過程內(nèi)容安排研究背景及意義研究背景及意義1234空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器簡介空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器未來發(fā)展展望空間光調(diào)制器的應用空間光調(diào)制器的應用相關器件的發(fā)展光尋址透射式三維顯示光子計算機系統(tǒng)器件材料DMDDMD系統(tǒng)與運動平臺間要有相互的同系統(tǒng)與運動平臺間要有相互的同步控制信號。步控制信號。因此如何實現(xiàn)對因此如何實現(xiàn)對DMDDMD的完全自主控制的完全自主控制, ,才是改進其在激光光刻領域應用的根本辦法

18、。才是改進其在激光光刻領域應用的根本辦法。高度并行并不等于高速處理，高度并行并不等于高速處理，被被光探測效應的光探測效應的響應速度響應速度限制限制。在相關器件的性能研發(fā)方面有所突破，避免個體。在相關器件的性能研發(fā)方面有所突破，避免個體“瓶頸瓶頸”限制整體系統(tǒng)。限制整體系統(tǒng)。4.空間光調(diào)制器未來展望 反射式反射式 SLM SLM 隨機分布的干涉條紋，難以消除。電尋址隨機分布的干涉條紋，難以消除。電尋址SLM SLM 分辨率分辨率難以提高。難以提高。光尋址透射式的光尋址透射式的LCSLMLCSLM具有能量利用率高，具有能量利用率高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，將會是結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，將會是SLM SLM 的大勢所趨。的大勢所趨。光尋址透射式光光尋址透射式光敏材料的選擇以及光敏層和液晶材