近代光信息处理第7章空间光调制器.ppt

2023/6/27,1,第七章,空 间 光 调 制 器(Spatial Light Modulator),2023/6/27,光学信息处理,2,第七章 空间光调制器,71 概论72 磁光空间光调制器(MOSLM)73 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶 显示器(TFTLCD)74 液晶显示器在非相干光信息处理中的 应用大屏幕投影电视75 液晶光阀76 线性电光效应和PROM器件77 数字微反射镜器件(DMD)和数字化投影,2023/6/27,光学信息处理,3,7.1 概 论,7.1.1 空间光调制器的意义及分类空间光调制器(SLM)在信源信号的控制下，能对光波的某个参量进行调制，例如通过吸收调制振幅、通过折射率调制相位、通过偏振面的旋转调制偏振态等等，从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中。1、空间光调制器的意义(1)输入器件电光转换和串行并行转换非相干光相干光转换波长转换,2023/6/27,光学信息处理,4,(2)处理和运算功能器件放大器乘法器与算术运算功能对比度反转量化操作和阈值操作非线性变换逻辑运算(3)存储功能器件例：Pockels 光调制器(PROM)；光折变器件等,2023/6/27,光学信息处理,5,2、空间光调制器的分类按信源信号分类(1)光寻址空间光调制器信源信号是光学信号(2)电寻址空间光调制器信源信号是电学信号 当信源信号是光学信号时，我们称之为“写入光”；照射空间光调制器，并从写入光获取信息的光波称为“读出光”因为它读出了写入信号所荷载的信息经空间光调制器输出的光波又称输出光，它已包含了被写入的信息按读出的方式来分类：透射型、反射型,2023/6/27,光学信息处理,6,7.1.2 空间光调制器的分类及寻址方式,1、按它在系统中的位置来区分 系统的输入器件(I-SLM)，在频谱面上作为滤波器件(P-SLM),系统的输出端(O-SLM),2023/6/27,光学信息处理,7,2、寻址方式,空间光调制器是一个二维器件，可看成一个透过率受到写入信号控制的滤光片。寻址(adressing)：写入信号把信息传递到SLM上相应位置，以改变SLM的透过率分布的过程。(1)电寻址空间光调制器（EA-SLM）采用电寻址的方法来控制SLM的复数透过率常用的电寻址的方式是通过SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法，把信号加到对应的单元上去电寻址又称为矩阵寻址像素(Pixel)：一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成SLM的最小单元，它给出SLM的分辨率极限,2023/6/27,光学信息处理,8,EA-SLM是用得最多的空间光调制器，它将光学信息处理与近代电子技术特别是计算机-多媒体技术结合起来，构成光-电混合处理系统，应用非常广泛。电寻址的SLM的缺点：(1)电寻址是串行寻址，处理速度下降，失去了光学信息并行处理的重要特色(2)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，影响了SLM的分辨率,2023/6/27,光学信息处理,9,例如：磁光空间光调制器(MOSLM)：256256，液晶空间光调制器(LCD):640480像素与电视信号VGA模式相匹配，800600像素与电视信号SVGA模式相匹配1024768像素与电视信号XGA模式相匹配更高分辨率的器件也在研制中，以满足高清晰度电视(HDTV)的要求(3)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积之比开口率较低，光能利用率不高,2023/6/27,光学信息处理,10,数字式微反射镜器件(DMD)一种新型的电寻址空间光调制器特点：高效率、高对比度、多灰阶(256个灰阶)、高色保真度等。具有VGA、SVGA、XGA、SXGA(12801024)等多种规格的像素单元，与16：9宽屏幕电视匹配的20481152单元的超高分辨器件也已问世特别是该器件是全数字化的，亦即它的灰阶、色饱和度均由数字信号控制，不仅适用于高清晰度投影电视，并符合未来的电视技术数字化趋势，称为“数字化投影技术的革命”。,2023/6/27,光学信息处理,11,(2)光寻址空间光调制器(OA-SLM),当写入信号为光信号时，空间光调制器首先具备检测这一光学信号的功能，把光学信号对应的光强分布转化成电荷分布、折射率分布等等，也就是首先把光学信号写入光寻址空间光调制器中，然后由读出光通过各种效应，例如电光效应、双折射效应等，读出这一信号因此具有连续的寻址机构和调制机构，事实上是光探测器和光调制器的组合OA-SlM的空间分辨率通常高于EA-SlM例如:液晶光阀LCLV的分辨率达60线对/mm，面积为50mm50mm，相当于 30003000个像素,2023/6/27,光学信息处理,12,OA-SLM的最大优点 在于并行寻址方式把写入图像成像或投影到OA-SLM上是在瞬间完成的，所以具有高度并行的特点然而高度并行并不等于高速处理，因为光探测效应的响应速度往往不快 采用光寻址时，通常SLM做成反射式，写入光射入SLM的一个端面，把信息写入SLM，读出光射入SLM的另一端面，信息通过SLM转移到读出光中，并反射输出因此通常在OA-SLM中有一个隔离层，使读出光和写入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,2023/6/27,光学信息处理,13,光寻址空间光调制器常用非相干光写入，用相干光读出 许多信号是用非相干光记录的，用非相干光写入，可以避免相干噪声，获得较高的分辨率，用相干光读出，又可以采用相干光处理系统对信号进行处理因为相干光处理技术比非相干光处理技术成熟得多,2023/6/27,光学信息处理,14,7.1.3 常用的空间光调制器,(一)电寻址空间光调制器1.薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)；2.磁光空间光调制器(MOSLM)；3.数字微反射镜器件(DMD)(二)光寻址空间光调制器 1.铁电液晶空间光调制器(FLC-SLM)；2.液晶光阀(LCLV)及阴极射线管-液晶光阀(CRTLCLV)；3.微通道板空间光调制器(MSLM)；4.Pockels光调制器(PROM).,电寻址空间光调制器,光寻址空间光调制器,2023/6/27,光学信息处理,17,7.2 磁光空间光调制器(MOSLM),MOSLM是根据法拉第磁光效应设计的.图7.1 MOSLM像素结构示意图在图中还有局部减小矫顽力的离子注入区,2023/6/27,光学信息处理,18,先通过线圈，在MOSLM上加上均匀的外磁场，当撤去外磁场后，每个像素的磁性薄膜内都具有剩磁，它起到了记忆原来的外磁场方向的作用,图7.2 MOSLM器件侧视图,2023/6/27,光学信息处理,19,图7.3给出一对行、列电极Ll，L2中的电流及它们所产生的磁场方向，A，B，C，D为它们交点处(即寻址坐标)的四个像素单元,2023/6/27,光学信息处理,20,设原在MOSLM所加的均匀外磁场，其方向从纸面向外加上图中所示的寻址电流后，A，C单元中行、列电极的电流生成的磁场方向相反，正好抵消，对剩磁状态没有影响；B单元的磁场与剩磁方向一致，也不会改变剩磁状态；只有D单元的外场与剩磁方向相反，若写入信号产生的磁场足够大，超过矫顽力，则D单元内剩磁的方向反转，即D单元被寻址。而远离L1，L2交点的单元则因磁场强度太小而不起作用,外磁场,2023/6/27,光学信息处理,21,图7.4 MOSLM 的工作示意图,2023/6/27,光学信息处理,22,两个薄膜单元的剩磁磁场已被写入信号调制成相反方向，一个沿光波传播方向，另一个与之相反当线偏振光沿磁光薄膜单晶的晶轴方向通过薄膜后，由于晶体中的磁光效应(=Vd H l)，线偏振光的振动方向分别沿顺时针和逆时针方向旋转 角，它们的夹角为 2 设检偏器方向与其中一个振动方向正交时，该像素即处于关态，另一像素的光强为 Iosin2(2)，这里未计入薄膜的吸收损失这样，MOSLM 就可以实现二元光调制，当=45o 时反差最大 若检偏器方向与起偏器正交，则两个像素的透过率相同，但通过它们的光波具有180o 的相位差，这种配置可以实现相位调制,2023/6/27,光学信息处理,23,MOSLM器件的性能,优点:写入速度快，单个像素开关速度达10 ns量级，帧频高于100 Hz。像素为128 128的阵列器件帧频达 2000 Hz。它的存储特性非常稳定。对比度高于200:1，速度可达1000:1。现有阵列像素数有128128、256 256和512 512 等多种。主要的缺陷:对读出光能利用率比较低。MOSLM的这一限制，是由于它本质上是一个二元器件，每个像素只有两个状态可供选择，不能进行多灰阶操作。MOSLM 已在光学模式识别、白光信息处理、图像编码、光学互连及可编程光学器件等方向得到应用。,2023/6/27,光学信息处理,24,7.3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器,7.3.1 液晶 液晶是某些有机高分子物质在一定的条件下呈现的一种特殊的物质状态，其结构介于液体、固体之间，称为中间态，或中间相。液晶分子一般呈长棒状，个别呈盘状、碗状，它们的分子排列介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间每个液晶分子的中心在液晶空间中的分布是随机的，但分子的取向具有有序性，亦即长棒状分子的长轴方向或盘状、碗状分子的法线方向在一定的温度范围内倾向于彼此平行，该方向称液晶分子的指向矢量方向。,图7.5 三种重要的液晶分子结构示意图液晶具有双重性质：液体的流动性，晶体所特有的各向异性液晶各向异性：导致电、磁、光、力学的各向异性液晶流动性：使液晶的各向异性在外场下会发生显著变化（远比各向异性晶体强烈）,例如：KDP晶体的半波电压9.3 kV，BSO晶体的半波电压为3.9 kV(=632.8 nm)，半波电压是晶体线性电光效应的一个特征参量，在振幅调制中，当外加电压达到半波电压时，调制器的透过状态从开态转成关态，而表征液晶电光效应的特征参量开关电压约为5 V,比晶体半波电压小三个数量级，这正是液晶的流动性和各向异性双重特性的综合效果 此特性，使我们可以把液晶作为调制介质，构成低能耗、低电压的空间光调制器LCLV和(TFT-LCD)尽管TFTLCD是近年开发的，但作为非相干空间光调制器，它却率先投入大批量生产，并已完全商品化以TFT-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-projection TV，LCD-PTV)，已大批量生产，完全实用化，成为光学信息处理实用化的极个别的例子之一,7.3.2 偏振光在扭曲介质中的传播,如果把向列相液晶放在一个经特殊处理的盒中，可以构成具有特殊的扭曲效应的液晶盒TN液晶盒，其结构见图7.6.图7.6 TN液晶盒的结构和工作原理,2023/6/27,光学信息处理,28,偏振光在扭曲介质中传播的扭曲效应：,在弱扭曲的情况下，当入射线偏振光的振动方向与扭曲介质表面的局部光轴一致时，振动方向将锁定在光轴的方向上，随着光轴旋转，出射光波仍是线偏振光，振动方向与扭曲介质出射表面的光轴一致，这就是偏振光在扭曲介质中传播时的扭曲效应，这一效应常常被称为旋光效应。,2023/6/27,光学信息处理,29,7.3.3 扭曲向列液晶盒的工作原理,图7.7 TN-LCD的电光特性曲线 除此之外常用的还有超扭曲向列液晶盒(STN)，STN-LCD它的特性曲线比TN-LCD盒的更为陡峭,7.3.4 有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD),电寻址的空间光调制器多采用矩阵寻址的方案 通常在一块玻璃板上，形成互相绝缘的行电极和列电极，在它们的交点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体管 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，所有像素共用一个电极，两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶,2023/6/27,光学信息处理,31,图7.8 TFT-LCD的等效电路,2023/6/27,光学信息处理,32,当某一像素的行、列电极同时加上电信号时，TFT型场效应管接通，该像素透光顺序选通各行电极，并同步地选通列电极，就可以控制各像素的明暗，电压的大小可控制灰阶,图7.9 TFT-LCD的结构示意图,2023/6/27,光学信息处理,33,全彩色 TFT-LCD 液晶板,2023/6/27,光学信息处理,34,液晶空间光调制器特点:,驱动电压低(5V)；功耗小(W/m2量级)；有效地消除了相邻像素之间的干扰（由于场效应管隔离）；方便地实现彩色显示；成品率高，成本越来越低，广泛应用。NEC用“超精细TFT”技术生产出分辨率为12801024的产品；夏普的TFT Super-VLCD平板对比度可达 300：1，亮度达 250 cd/m2，功率却只有10W；最近推出40英寸彩色TFT-LCD；日立的13.3英寸LCD视角可达140o；响应速度为50 ms的TFT产品也已面市。,2005年前各类产品用LCD的增长(增长最快的领域包括下一代电视、车载设备、电子图书、液晶监视器等),7.4 液晶显示器应用大屏幕投影电视,S：金属化卤钨灯 L：投影物镜F1：透蓝绿光反红光滤色片 C1C2：聚光镜F2：适蓝光反绿光滤色片 Ml，M2：宽波段全反镜F3：透红光反绿光滤色片 UVIR：透可见光反红外F4：透红绿光反蓝光滤色片 紫外光滤色片,2023/6/27,光学信息处理,37,7.5 液晶光阀,矩阵寻址液晶显示器TFT-LCD是利用寻址电信号直接加在被寻址的液晶盒TN-LCD上，改变它的透过率，将扫描电信号转换成空间光的强度分布器件工作的基本原理，在于外加电场在一定程度上抵消了扭曲效应，从而改变了线偏振光的振动方位对扭曲介质局部光轴旋转的跟随特性矩阵寻址是外部电寻址方式 如果采用光学寻址方式，则器件就是光寻址空间光调制器，通常称为液晶光阀(1iguid crystal light valve，简称LCLV)。,2023/6/27,光学信息处理,38,7.5.1 混合场效应,混合场效应(美国休斯顿实验室):由于入射到TN-LCD盒上的线偏振光的振动平面跟随扭曲介质光轴转过90o，出射光波的振动平面与检偏器正交，使TN-LCD处于关态如果在TN-LCD盒上加纵向电压，扭曲效应将被双折射效应部分抵消，使TN-LCD处于开态，这一效应称为混合场效应.在液晶盒中，由于分子问的相互作用，各层的分子呈线性扭曲排列，在TN-LCD盒中共旋转90o,2023/6/27,光学信息处理,39,当我们在液晶盒上加纵向电压时，长形分子作为电偶极子，将趋向于电场排列，从而使局部光轴方向发生变化，这就是液晶的电光效应在电压足够高时，几乎所有的液晶分子都趋于电场方向，扭曲效应彻底破坏，液晶的光轴将转向z方向，从而沿z轴入射的线偏振光的偏振状态将不受液晶的影响图7.12(a)TN-LCD盒未加电压时的钮曲效应(b)加电压后，扭曲效应消失,当所加的外电压较小，尚未彻底破坏扭曲效应时，在TN-LCD盒中呈现出复杂的情况：靠近电极处，扭曲效应仍占主要的地位；越接近TN-LCD盒中心，扭曲效应基本上不存在；在边界层和中心区之间：液晶分子的长轴取向见图7.13(a)扭曲角 作为z 的函数(b)倾斜角作为z 的函数虚线表示未加电压的情况,在入射面附近(z0)光波的电场Eo沿x 轴方向，与液晶光轴 同向，近似为e光；在中心附近(z=d/2)光轴趋向于z 轴方向，因此E与光轴近似垂直，为o光；在z d 附近E”与光轴 的夹角近似为45o，分解为e光和o光，并在这一区段获得相位差形成椭圆偏振光 一般在z=d处镀反光膜使光波折回，它再次通过液晶层后相位差加倍,图7.15 LCLV的读出光路：PBC为偏振分光棱镜读出光是PBC的p偏振分量，当外电压V=0时从LCLV的反射光为p偏振分量，输出为0；当V0时反射光为椭圆偏振光，其中的s分量为输出光.但输出信号强度与电压不成正比，当电压V过大时，绝大部分液晶分子都沿z方向排列，z=d 附近沿45o方向排列的液晶层变得很薄，从而偏振光在这一区域获得的相位差反而变小,7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理：,在写入图像的暗区，光导层的电阻很大，外电压主要降落在光导层上，液晶层上的电压降很小，不足以产生明显的电光效应，扭曲效应仍是主要的，光波振动平面跟随液晶介质局部光轴旋转，从器件输出的反射光仍然是p分量，全部透过PBC，反射光强近似为0；,图7.16 LCLV的结构,在写入图像的亮区，由于光电效应，光导层的电阻变小，它的电压降变小，液晶层上的电压降相应加大，从而引起电光效应，输出光成为椭圆偏振光，从PBC反射的光强不为0在写入图像亮度不同的区域，输出光强也不同，写入图像通过LClV的混合场效应调制了读出光,图7.16 LCLV的结构,7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理：,通常写入光可以是非相干光，而读出光则为相干光，从PBC输出的光信号直接进入相干光处理系统,图7.17 LCLV透过率T 与外加电压V 的关系,LCLV的反差高达100:1，电源电压5-10V，分辨率高达几十线对/mm到100线对/mm，通光孔径50 mm但它的响应速度不快，这是由于液晶分子在外场作用下的取向变化滞后于外场的变化，滞后时间约在10 ms的量级，而且器件的电容较大，作为整体的响应速度与电视图像大体匹配,7.5.3 阴极射线管耦合液晶光阀(CRT-LCLV),将CRT与LCLV通过光纤面板结合起来，使CRT的输出图像作为LCLV的写入信号，就构成CRT-LCLV，其结构如图7.18所示CRT的图像通过光纤面板直接照射LCLV的光导层，就可以完成写入操作 CRT-LCLV能够实时地将计算机输出的图像转换成光学图像它的亮度大、分辨率高，对比度好，特别适宜于光电混合处理,7.5.4 CCD-LCLV,CCD代替CdS-LCLV中的光电导层和光阻挡层.,7.6 线性电光效应和PROM器件,电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在电光效应方面主要以电致旋光效应、克尔效应和泡克耳效应来获得光偏振调制。振幅调制：光强受外加电压的调制实验表明，偏振光通过晶体后两束光产生光程差为式中 L 为光在晶体中经过的长度，b 为晶体的泡克耳常数。通过检偏器的光强为,2023/6/27,光学信息处理,49,泡克耳斯效应(Pockels):平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象,且两个主折射率之差与外电场强度成正比,这种电光效应即为泡克耳斯效应,当=/4，=3/4，输出光强度为,当施加园频率为交变电压，则有,电光调制工作点的选择,选在 U=U/2/2 处曲线线性段较为适宜。式中 U/2/2 是对应 I/I0 正弦数 波长点的电压。,实际偏置方法 把“/4 波片”放在起偏振器和KDP晶体之间，且使波片的光轴与KDP晶体的光轴一致，而与起偏振器主方向成/4 角。工作点选在 U=0 处，相当于无/4波片时，工作点选在U/2/2的情况。,2023/6/27,光学信息处理,51,相位调制 设晶体是与xy平行的晶片，沿z 方向的厚度为L，在输出端放一个与z 方向平行的起偏振器，入射光波沿z 方向传播，且沿x 方向偏振，射入晶体后，它分解成，方向的偏振光(见图)。如果输入光波的振动平面沿 方向，则沿x轴方向的外电场V仅仅使光波产生一个附加相位在调制晶体为BSO的情况下，=2n L/-bU/=2n L/-U/2U外加电压调制了附加相位的大小，称相位调制,PROM 器件的结构及工作原理,1、PROM 器件结构 如图7.21所示.它利用BSO晶体作为调制介质，其表面垂直于(001)方向，厚度约数百 m.它的两边分别有一个绝缘层 INSl，INS2，通常是对二甲苯基，厚度约几个m；在BSO和INS2之间有一个二向色反射镜，镀上短波通膜层，它能反射红光、透射蓝光；绝缘层外面用溅射法涂以氧气钢锡ITO，构成透明电极,图7.2l PROM器件构造示意图 IR，IR为入射和反射的红光；IB为入射的蓝光；M为二向色反射镜(反射红光，透过蓝光)；,2023/6/27,光学信息处理,53,2、PROM的工作原理(1)擦除与激发,2023/6/27,光学信息处理,54,(2)写入 我们用短波长的蓝色图像从右边照射晶体。蓝色图像将透过二向色反射镜，射入BSO晶体，在图像的亮区，由于光电导效应产生电子-空穴对，电子在电场的作用下向BSO的左端面移动，正、负电荷分离后形成的内电场将抵消一部分外电场使这些区域的压降减小；在图像的暗区则由于电子-空穴对很少，压降基本维持Vo不变 这样，空间光强分布经光电导效应转换成空间的电压分布，或者说用蓝色光写入的光强图样转化为电压图样,2023/6/27,光学信息处理,55,电压V与曝光量置的关系：V=Voe-KE(31)即BSO上暗区的压降大，亮区的压降小图7.23 PROM器件的电压降与曝光量的关系,2023/6/27,光学信息处理,56,(3)读出 读出光一般用长波长的红光，例如He-He光。光电导效应的灵敏度强烈地依赖于光波波长，对于BSO晶体，=633 nm的红光的灵敏度仅为=400 nm蓝紫光灵敏度的1/200左右，因此可以近似认为读出光不产生光电导效应，不会影响蓝光写入的电压图形 He-Ne激光为线偏振光，振动方向沿x轴，它透过BSO后被二向色反射镜M反射，再透过BSO晶体，由于Pockels 效应，在不同的区域，由于不同的电压降V，引起了不同的相位差，如果在输出端加上沿y方向的检偏器，则输出光强将遵循公式(28)，再度将电压分布转换成光强分布，或者说红光读出了原来蓝光写入的图形这样就实现了光寻址的空间光调制器的能,2023/6/27,光学信息处理,57,PROM器件是通过短波长光的光电导效应写入图像(把空间光强分布转换成空间电压分布)，又通过长波长光的线性电光效应读出图像(把空间电压分布恢复成空间光强分布)对于理想的PROM器件，在写入图像的暗区，读出光两次经过BSO获得最大的光强透过率；在亮区，读出光的透过率很低，因此读出的是负像 PROM器件对晶体均匀性的要求很高此外，尽管读出光红光引起的光电导效应并不显著，但它毕竟使晶体上的电压有所降低，因而PROM器件不能在较强的读出光照明下长时间工作,PROM器件的读出光路：从HeNe激光器辐射的线偏振光束在晶体中往返一次后，电压图像转移到光波中成为二维的光强分布，然后再由PBC反射在图像的暗区，光波获得的相位差，在PBC中接近完全反射；在图像的亮区，晶体的电压却被光生电荷产生的电场所抵消，由(28)式，PBC对它的反射率较低因此由PBC反射的正是蓝光写入图像的负像,输出,2023/6/27,光学信息处理,59,3、PROM器件典型性能,(1)灵敏度：工作点在V 处，写入光=488 nm，Io/Ir 下降到其最大值的 1/e 时，所需曝光量为 6 J/cm2；典型PROM需要5-600 J/cm2 的写入光能量。(2)反差(对比度)：500，最大可达104。(3)分辨率：典型值为100 lp/mm.(4)写-读-擦循环周期：1600 s.(5)有效工作面积：约4 cm2，最大35 35 mm2。(6)工作波长：写入光 400 500 nm 读出光 600 800 nm 红光对BSO的光电导效应虽然很弱，但对写入图像还会产生一定破坏，因此PROM不能在读出光长期照明下工作。,微通道板空间光调制器,微通道板空间光调制器(MSLM)的写入端配置了微通道板，对光信号有增益，灵敏度很高，因此很受重视。大多数 MSLM 属于光寻址空间光调制器。1结构,1-真空室窗口；2-光电阴极；3-透明电极；4-微通道板；5-接地电极；6-栅极；7-真空隙；8-介质膜反射镜；9-电光晶体板；10-透明电极；11-真空室,MSLM 结构,整个器件是真空封闭的。其中，光电阴极对不同的写人光波长配以不同材料。光电阴极的作用是将光学图像转换成电图像。微通道板(MCP)是由半导体微孔玻璃构成的，每个微孔即是一个微通道，对应一个像素，排列成阵列。每个微孔的直径为10 m，整个MCP的直径约25 mm。微通道具有电子倍增功能，电子增益为104。如果用两个MCP串接，增益可达107。栅极是一种网格状电极，它对自微通道板射出的电子加速，直接射向介质膜反射镜的表面。介质膜反射镜的左侧表面，接受来自微通道板的电子，同时能反射自右方射来的读出光，构成反射工作模式。电光晶体板大多是采用LiNbO3 或 LiTaO4 晶体，厚度为0.5 mm，大多数情况是利用它的纵向电光效应对读出光进行调制的。图中VK是微通道板高压电源，正端接地，一般电压为1kV左右；VA 为栅极偏压电源；VB 为电光晶体板偏压，可根据需要调节。RK 和RB 为保护电阻。,2023/6/27,光学信息处理,62,2工作过程,用相干或非相干光图像作为写入光，照射在光电阴极上，并形成光电子图像，然后经MCP增强，经栅极加速，投射到介质膜反射镜上后形成电荷图像。该电荷图像与外加电场一起在纵向电光效应作用下，对电光晶体板的折射率进行了空间调制。读出光大多采用相干光(例如=633nm的氨氖激光)，从右侧照射，经电光晶体板后，由介质反射镜反射，再次通过电光晶体板。通过电光晶体板时，由于纵向线性电光效应产生的双折射的作用，对其进行了偏振态调制。在检偏器的配合下，最后输出振幅或强度被调制的相干光图像。,2023/6/27,光学信息处理,63,在电子图像在介质膜反射镜上形成电荷图像的过程中，调节各电压VK、VB 和VA 的大小，可以控制电子的入射动能，从而决定电子是淀积在介质膜上，还是把介质膜上原来淀积的电荷轰出来，使其产生二次电子发射效应。大多数 MCP 写入过程采用电子淀积模式，即采用较低的电压，产生较低电子动能，使电子淀积在介质膜上。而在擦除过程中，采用二次电子发射模式，即采用较高的电压，使电子获得较高动能，依次将原来淀积在介质膜上的电子轰出去，以实现擦除电子图像的目的。,2023/6/27,光学信息处理,64,3性能,市场上商品MSLM的典型特性参数为(1)空间分辨率：20 lpmm(2)对比度：1000(3)灵敏度：30 nJcm2 左右(4)最大读出光强：0.1 Wcm2(5)写入时间响应：10 ms 擦除时间响应：20 ms(6)存储时间：几天(7)输入窗口直径：15 mm MSLM的最大优点是灵敏度十分高，而且还可以直接对写入图像进行多种处理，使用比较灵活。因此，它不仅用于非相干-相干光转换、波长转换，而且还可以直接进行图像加减运算和光学阈值操作。,Si PLZT 空间光调制器,1PLZT 陶瓷 PLZT是一种陶瓷材料，其主要成分是铅(Pb)、镧(La)、锆(Zr)和钛(Ti)。取四种元素符号的第一个字母，构成缩写PLZT。其分子式为(Pb1-x La)(ZryTi1-y)1-x/4 O3。改变La的浓度，可以使PLZT呈现各种不同光电特性(线性电光效应或二次电光效应)、光弹效应(即应力双折射效应)和铁电性质(即在外电场作用下发生极化，撤除外电场后分子极化并不消失，存在“电滞效应”)。PLZT陶瓷是一种多晶态材料，宏观上没有确定的主轴方向，但如果沿某一方向在陶瓷材料上加一个外电场，则可呈现单轴晶体的光学性质，且光轴沿外电场方向。由于光波沿光轴方向通过单轴晶体时，其偏振态不变，在Si-PLZT空间光调制器中不能利用纵向电光效应，只能利用横向电光效应，实现电光调制。还有一些 PLZT空间光调制器则是利用光弹效应、铁电性质制成。,2023/6/27,光学信息处理,66,2结构与工作过程,Si-PLZT是一种光寻址空间光调制器，它由许多完全相同的小单元(像素)排成阵列而构成。每个单元中包含有硅光电探测器、功率放大电路和PIZT电光调制器三个主要部分。图6.15 示出了一个单元的构成。,2023/6/27,光学信息处理,67,硅光电探测器将光信号转换成电信号；再由硅功率放大电路将电信号放大，根据需要，还可在此部分增加某些处理功能的电路，如积分、微分电路等；然后，放大电信号以电压形式加在PLZT电光调制器的电极上，并通过横向电光效应对PIZT的折射率进行调制。写入光 Iw 沿垂直纸面方向照明器件，并把写入图像传递到各个光电探测器上。读出光 Ir 也沿垂直于纸面的方向照明器件，如果 Ir 偏振方向平行于电极方向，在通过PLZT电光调制器后，Io 得到相位调制。如果 Ir 偏振方向与电极方向成45o 角，则 Ir 的偏振态受到调制，经检偏器可获得强度调制。,2023/6/27,光学信息处理,68,Si-PLZT也有透射式和反射式两种。反射式，由于读出光两次通过PIZT，受到的调制比透射式大一倍。目前，又开发出一种反射式 PLZT，其写入光和读出光从器件同一侧入射，输出光也从同侧出射。这样，器件的另一侧表面则可覆盖一层大面积金属板，从而减小器件内电路发热对PLZT陶瓷性能的影响。Si-PLZT选用两种材料制作，是为了发挥两种材料的优势。PLZT 是无机物中光电系数很大的材料。因此，用它制作调制器，其半波电压较低(仅几十伏)；而且PLZT价格低廉，加工性能好，可与硅集成。硅具有极为优越的光电特性，光电转换灵敏度高，响应速度快，而且制备工艺成熟，并可集成各种微电子器件。有些文献上把它称为灵巧(smart)空间光调制器。,2023/6/27,光学信息处理,69,7.7 数字微反射镜器件(DMD)和数字化投影,近年来，一种利用微细加工和大规模集成电路技术、构思极为巧妙的电寻址空间光调制器数字微反射镜器件(digital micromirror device)问世了这种器件原来称作变形反射镜器件(deformable mirror device)，两种名称的英文缩写恰好都是DMD，它是由美国德克萨斯仪器公司(T1)的一名科学家LJHornbeck在1987年发明的，DMD作为光学信息处理系统接口器件的报道并不多，但是近年来，它应用于数字投影显示(digital projection display)及高清晰度电视(HDTV)中显示出来的优越性能，却引起了科技界和工业界的广泛兴趣,2023/6/27,光学信息处理,70,7.7.1 DMD的结构和工作原理,图7.25 DMD的结构示意图,1、DMD的结构,DMD的尺寸,2023/6/27,光学信息处理,73,器件工作时，在反射镜上加负偏压，一个寻址电极上加+5V(数字“1”)，另一寻址电极接地(数字“0”)，这样一来，就形成一个差动电压，它产生一个力矩，使反光镜绕拉臂梁旋转，直到触及搭接电极为止在扭转力矩的作用下，反射镜将一直锁定于这一位置，不管它下面的存储器的数据是否变化，直到复位信号出现为止，对应旋转角L=10o这样，每一单元都有三个稳态：+10o、-10o和0o，=0o 对应于没有寻址信号(两个寻址电极都是0)的情况。DMD是通过半导体微细加工技术精密制作的，因此反射镜列阵的三个稳态一致性相当好，对应于DMD的三个平面：与基平面成L 角的倾斜平面及平行于基面的平面。,2、工作原理,当某一像素的反射镜=0或=-L 时，反射光通不过投影物镜 当该像素被寻址时，=L，它反射的光束正好沿光轴方向通过投影物镜，成像到屏上，称此状态为“ON”；=-L 则对应于DMD的状态“OFF”在每一帧的时间内，某一像素处于两种状态的占空比，决定了该像素的灰阶，亦即灰阶是由入射光的二元脉冲宽度调制实现，一般灰阶数为28=256,图7.26 DMD投影仪工作原理图,像素的投影像,2023/6/27,光学信息处理,75,颜色则通过两种方式加到图像中去.方法1:在照明光路中加一个R，G，B三原色滤色镜的调色盘，它与视频信号严格同步，在每一帧的时间t 内转一圈，在各色盘范围内再分别用像素ON/OFF的占空比调节R，G，B的强度比，从而在一帧的时间t内合成所要求的颜色由于每种颜色的灰阶都是8bit即256种，总共可产生2563约1600万种不同的颜色，色彩是相当丰富的方法2:通过一个分光棱镜系统分成R，G，B三色光，分别以20o角(即2 L角)照射三个DMD，三个DMD用三色电信号分别驱动，三个DMD器件中处于ON态的像素的反射光再通过该棱镜系统重新合成，通过一个变焦物镜投影到屏幕上,7.7.2 DMD制作工艺简介,DMD用大规模集成电路技术制作，大体上可分为以下步骤：(1)用标准的CMOS工艺在硅片上制作记忆单元、寻址电极等(2)在硅片表面覆盖一层高分子聚合物，其厚度相当于反射镜的高度(3)用光刻、溅射法刻透聚合物层，制作支撑柱(4)镀一层薄的铝膜，作为扭臂梁层，镀一层厚的铝膜，作为反射镜层；用光刻法将扭臂梁和反射镜成形(5)用离子刻蚀法除去余下的高分子聚合物层，最后形成架空的微反射镜 当出现寻址信号及负偏压时，薄的扭臂梁扭转变形，厚的反射镜则不变形，只作整体的偏转,2023/6/27,光学信息处理,77,7.7.3 DMD数字式投影仪,DMD数字式投影仪又称DLP投影仪 顺序颜色模式(1-DMD数字式投影仪)图7.27 1-DMD数字式投影仪 Cl，C2为聚光镜；M为电机；CFW为三原色滤光镜盘；P为110英寸屏幕；S为光源,CFW为三原色滤光镜盘,2023/6/27,光学信息处理,80,空间分色模式(3-DMD投影机),7.7.4 DMD数字投影技术的特点,InFocus LP130,InFocus LP130 技术规格,显示技术：美国德州(Texas Instruments)提供的数码光源处理(DLPTu)技术解像度：真正的XGA l024768(无需压缩)数据兼容性：符台所有视频电子标准协会的制式，VGA，SVGA，XGA和85 Hz的SXGA视频容性：全模式NTSC(M 4.43)，PAL(BGHI，M，N)，SECAM(M)，HDTV(720p和1080i；RGBHV光亮度：1300 ANSI 流明对比度比率：400：1投影镜头：1.22：1变焦镜头，投射比率范围0.59：1-0.72：1(按对角线距离)，投射偏差为标准影像的111.3%，手动变焦和对焦,光线信号源：120 W 高压汞弧灯数字校准范围：+/-20o长阔比串：4：3 噪音：37 dB色彩：1.67 千万种色彩自动图像调校：即插即投自动同步协调，自动追踪，自动定位，自动识别视频信号源，自动调校黑白处理；连接：GSV Video，VESA M1-DA(包括RGBHV，并联数字接口和USB接口)控制面板：机身有开关面板，方便使用体积：6.68英寸(高)8.63英寸(宽)2.O英寸(长)(16.97厘米21.92厘米5.08厘米),2023/6/27,光学信息处理,85,重量：3磅(1.36公斤)电源：100-120V 或 200-240V，50-60 Hz功率：160瓦特灯泡：2000小时寿命，UHP白光金属卤素灯泡保修期：两年(包括技术支持和零件保修)。随机标准配置：模拟电缆包括M1-DAl5针VESA模拟视频连接(配备HD和USB连接线)；视频电缆是GSV和RCA复台电缆：遥控器、电源线和手提袋.,2023/6/27,光学信息处理,86,DMD数字投影技术具有以下特点：(1)高分辨率DMD有640480(VGA)、800600(SVGA)、1024768(XGA)及12801024(SXGA)等规格，特别是适用于16：9宽屏幕电视的DMD，尺寸37mm22mm，像素尺寸为17 m17 m，一个DMD上的像素数为20481152，远远超过LCD的像素数，达到N制电视制式器件的五倍以上，完全符合高清晰度电视(HDTV)的要求(2)高亮度 有效反射率达到61，远远高于LCD的光学效率,2023/6/27,光学信息处理,87,(3)对比度、灰阶及色保真度对比度:目前已达到400：1以上灰阶:一般能做到8 bit(256级)甚至10 bit(1024级)，色保真度:三原色各8bit的混合结果产生2563 即1600万种不同的颜色 LCD(或LCLV)是一个模拟式空间光调制器，而DMD则是数字式空间光调制器数字化是今后信息技术发展的大势所趋也是电视技术发展的必然趋势因此在大屏幕投影技术的竞争中，DMD作为数字式空