基于液晶空间相位调制的空间光场模式研究毕业设计论文.docx

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基于液晶空间相位调制的空间光场模式研究毕业设计论文

毕业设计（论文）

毕业题目：

基于液晶空间相位调制的空间光场模式研究

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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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摘要

空间光调制器是一种对空间光场分布进行调制的元件，广泛地应用于各个领域。

液晶空间光调制器相对于其他的空间光调制器而言，制作简单，成本较低，且能高效率地实现对光波进行实时调制。

基于液晶空间光调制器的诸多优势，本文设计了液晶空间光调制器，利用液晶空间光调制器来实现对空间光场的研究。

首先设计制作液晶空间光调制器，在确定选用的液晶屏之后，在前人的基础上根据液晶屏的电光调制特性及驱动结构，改进驱动电路并对寄存器进行调整，将加载在液晶分子两侧的电压设定在能够实现纯相位调制的区域，同时对电源结构进行了修改，使液晶空间光调制器处理信号更加稳定。

在液晶空间光调制器系统设计完成后，首先将液晶空间光调制器调制到纯相位，然后根据相位调制特性制作位相光栅，利用位相光栅进行衍射实验，并测量了衍射斑的空间位置；然后在液晶空间光调制器的相位调制模式中写入菲涅尔波带片，模拟透镜的聚焦作用，测得列阵矩形和正弦两种相位型波带片的聚焦效果及焦面光强分布。

关键词:

液晶空间光调制器；位相光栅；空间光场模式

Abstract

Thespatiallightmodulatorisacomponentoftheopticalfielddistributionoflightmodulation,whichiswidelyusedinopticalinformationprocessing.Theliquidcrystalspatiallightmodulatorismoreeasilytoproduce,costlowerandbehigherefficiencyandcanachievereal-timemodulationofthelightwavecomparewithotherspatiallightmodulator.Basedonthemanyadvantagesofliquidcrystalspatiallightmodulator,wedesignaliquidcrystalspatiallightmodulatortostudythespaceopticalfieldmodel.

AliquidcrystaldisplayfittingforSLMischosen.Basedontheformerresearches,thedrivercircuitismodified,thevaluesinregistersaresetandthemoduleofvideosignalprocessingisaddedintermsofthedrivingstructureandtheopticalpropertiesoftheLCD.Thevoltageonthemoleculeoftheliquidcrystaldisplayislimitedintheperiodwhichcanachievephase-onlymodulating.Thestructureofpowersupplyismodifiedtomakethesignalprocessingmorestable.Thesizeofprintedcircuitboardissmaller.Itisoperatedmoreconvenientlybymodulatingofmicrocomputerunitandserialinterfacecontrol.

 Theliquidcrystalspatiallightmodulatorhasbeendesignedcompletely.Firstly,weusetheliquidcrystalspatiallightmodulatortoproduceaphasegratingfortheopticaldiffractionexperimentaccordingtothephasemodulationcharacteristics.Wealsotakemeasurethespacelocationofdiffractionspots.ThenweusetheliquidcrystalspatiallightmodulatortomakeFresnelWalpolestripwhichcansimulatethefocusingeffectofthelens.

Keywords:

LiquidCrystalSpatialLightModulator;Phasegrating；Spaceopticalfieldmodel

第一章绪论

1.1概述

空间光调制器（SpatialLightModulator,SLM）是一种对空间光场分布进行调制的器件。

利用光的并行性、固有速率以及互连能力，在一维或二维的光学数据场上加载SLM的信息，可以构成实时光学信息处理、光学神经网络和光计算等系统中基本的构造单元甚至是重要的器件。

一般情况下，组成SLM的单元可以独立的在信号源信号的控制下，通过改变自身的光学性质来改变空间光场分布的相位、强度、振幅、波长以及偏振态，或是实现非相干光到相干光的转换等，从而实现对空域和时域的变换或调制。

SLM的控制信号既可以是光学信号，也可以是电学信号。

按照控制信号的不同，SLM可以分为光寻址[1]和电寻址[2]两类。

近年来，计算机技术以及电子技术的飞速发展，很大程度地促进了SLM的发展。

SLM能实时地在空域上调制光束，因而在光学/数字混合相关、自动模式识别和机器人视觉系统等的光逻辑运算、光电实时接口、阈值开关、数据格式化、输入存储、高速互连、输出显示等领域中有着广泛的应用，成为光电、光学混合系统进行光学控制、光互连、图像处理、显示技术、光学检测等中的基本元件和关键器件[3]。

在现代光学领域中SLM具有越来越重要的地位和价值。

目前，SLM的种类有很多，有液晶空间光调制器、可变形镜器件、微通道板、自光电效应器件、磁光器件等四十余种。

其中，液晶是比较便宜也是较容易获得的，既可实现对光波的相位调制又可实现对光波的振幅调制。

因此液晶在显示技术、传感器等许多应用研究中都得到了广泛应用。

能够实现连续或多级分布的相位或振幅调制的纯相位型液晶空间光调制器就是基于液晶显示技术制成的。

也正是由于液晶的这些特性，液晶空间光调制器一直以来都是备受瞩目的，近年来在衍射光学、激光光镊及数字全息等研究领域中的应用也越来越活跃。

1.2液晶空间光调制器的发展概况

液晶很早就被发现了，十九世纪末期，奥地利植物学家弗里德里希从植物中提炼出一种介于液体和晶体之间的物质，在宏观上它具有液体的流动性和连续性，在微观分子排列上又具有晶体的有序性，因此该物质被称为液态的晶体（LiquidCrystal）即液晶。

然而直到二十世纪初，液晶才被广泛地应用于研究领域。

1963年，美国无线电公司的威廉等人发现在电场的影响下液晶分子会发生偏转，同时发现光射到液晶中会发生折射现象，并且在一年后研制了以动态散射方式工作的液晶显示器件。

五年后即1968年该公司发表了全球第一台利用液晶特性来显示画面的屏幕，即电寻址SLM[4]。

直到此时，液晶被发现近一个世纪后，“液晶”和“显示器”这两个专业术语才被联系在一起，“液晶显示器（LCD）”才成为行业的专业名词。

至此世界掀起了研究液晶的热潮。

1971年美国的休斯公司展示了首台光导型投射式液晶光调制器[5]。

这种液晶光调制器采用直流电压驱动，以ZnS作为光导层。

由于在直流电压下，液晶分子和电极之间容易产生电化学反应，损害器件，降低器件的使用寿命，因此这种液晶光调制器并没有得到广泛应用。

直到同年瑞士罗切公司的沙特等人发现扭曲丝状液晶场效应，液晶显示技术才得以在全世界范围内迅速发展。

1973年英国大学教授葛雷发现联苯液晶可以制作LCD，使得日本夏普研制出第一台液晶电子计算器LCMATE[6]，标志着LCD真正步入工业化，推进了LCD产业的崛起。

1987年休斯公司成功展示了电荷耦合器件寻址液晶光阀，至此利用光寻址液晶空间光调制器制成的电寻址液晶空间光调制器也逐渐出现在人们的视线中。

九十年代日本滨松光电公司研制出透射型LCD电寻址的SLM。

同时期我国也成功研制出一种阴极射线管耦合液晶光阀。

这些电寻址液晶空间光调制器结构可拆分，可以单独作为光寻址使用，也可以组合在一起作为电寻址空间光调制器使用，大大提高了应用范围又降低了成本。

1.3近年来液晶空间光调制器的应用

近年来，随着液晶空间光调制器的发展，液晶空间光调制器在很多领域都有着广泛的应用。

1998年，B.Loiseaux等人采用光寻址液晶空间光调制器对一束激光光束进行相位和振幅的控制[7]。

激光的脉宽为10ns、波长为1.064μm、重复频率为30Hz，整形的面积是1cm2。

液晶分子平行排列，为双折射模式，所用液晶空间光调制器响应时间大约为20ms，对偏振光峰值的透过率大于70%。

若是用于对偏振光的整形，透过率则会降低至35%。

2003年，J.Bourderionnet等人报道了关于利用内腔液晶光阀对激光空间模式进行控制的实验。

实验中被整形的Nd：

YAG（钇铝石榴石晶体）激光采用的是808nm的半导体光端面泵浦，实验结果得到的输出激光脉冲脉宽为100μs、波长为1.064μm、光功率为800W。

根据激光震荡器的增益与损耗的平衡，把液晶光阀放到腔内，可以明显提高泵浦能量利用率和整形后输出的激光能量。

然而这种做法也有不足之处，那就是腔内功率密度较高，光路比较复杂，且极容易损害光阀。

2005年，N.Sanner等人利用光寻址液晶光阀对飞秒脉冲的光束截面进行整形。

实验采用的是脉宽为120~130fs、中心波长800nm、单脉冲能量为4μJ（放大器）与5nJ（振荡器）、重复频率为50~250Hz（放大器）与76Hz（振荡器）的Ti：

Sapphire（掺钛蓝宝石晶体）激光。

将单晶光导体BSO（即硅酸铋晶体片）与光寻址液晶光阀厚14μm的液晶层装到两面透明的电极里，在1cm×1cm的净面积上，可以形成100×100个寻址点，且分辨率为100μm。

由于是光寻址，不存在像素造成的低开口率的问题，因而液晶光阀的光投射系数高达80%。

飞秒激光脉冲是用望远镜对光束进行扩束，然后利用半波片调节其在液晶光阀上的偏振方向。

蓝光（波长450nm）通过256×256的视频投影屏将其相位分布图投射到液晶光阀上。

为取得更好效果的衍射相位图，可以对经过液晶光阀衍射后的光束进行取样，并用相位传感器测量取样部分的相位，然后用适当的光学反馈形式对取样光束进行实时校正。

图1-1光镊子

近年来，经常有关于液晶空间光调制器应用于生物光学显微中的报道。

利用液晶空间光调制器实时调制光学显微中成像光的振幅/相位，不仅可以显微传统的生物样本的相位，还能以复杂的相位调制方式，如螺旋相位滤波，得到新的显微图像。

该方式和光镊技术、荧光显微相结合，大大地丰富了生物显微技术。

图1-1即为生物学中应用较多的“光镊子”，“光镊子”可以细微到细胞程度，比如可以用“光镊子”按住一个细胞，实现对该细胞的人为改造。

还可以利用“光镊子”测量单个肌肉蛋白分子，进而研究动物肌肉活动[8]。

图1-2利用计算全息重现预想图像

液晶空间光调制器可以动态控制光束的偏转，生成可以重现远场预想图像的计算全息图。

计算全息是利用计算机形成的，通过液晶空间光调制器显示其全息图，利用相干光照明重现预想物的图像。

计算机形成全息图通常分为以下几个步骤：

读图、二维离散傅里叶变换、编码[9]。

图1-2是实用计算全息重现的预想图像，中间亮斑是中央零级衍射斑。

1.4本文研究的目的和工作

本文选择的是索尼公司为投影仪设计的型号为LCX026的液晶屏，因此主要是用在强度调制，伴随有相位调制等方面。

本文将对驱动电路进行重新设计，将驱动电压控制在能够实现纯相位调制的区域，从而便于进行空间光场的研究。

本文的章节内容安排如下：

第二章介绍了液晶材料以及各种光学特性，然后，简要分析了电寻址液晶空间光调制器的结构和调制原理。

第三章说明设计制作液晶空间光调制器的过程。

首先选择合适的液晶屏，本文选择的是SONY公司型号为LCX026BLT的商用液晶屏，然后根据设计要求对液晶屏进行一些调整，如将加载在液晶分子两侧的电压设定在可以实现纯相位调制的区域，同时修改电源结构、缩小线路板的尺寸，最后完成整个电路的设计。

第四章在液晶空间光调制器设计完成后，将液晶空间光调制器调制到纯相位，根据相位调制特性制作位相光栅，利用位相光栅进行光衍射实验，并测得衍射斑的空间位置；在液晶空间光调制器的相位调制模式中写入菲涅尔波带片，制作阵列透镜，模拟透镜的聚焦效果，并测得焦面光强分布。

第二章液晶空间相位调制器的结构原理和分类

本章首先从液晶的基本概念开始，介绍了液晶的一般形态和各种重要的光学特性。

然后给出了液晶连续体理论，最后简单介绍常见的两种电寻址液晶空间光调制器的结构和工作原理。

2.1液晶材料及光学特性

2.1.1液晶的种类及其物理特性

目前发现及人工合成的液晶已有几千种，可以分为溶致液晶和热致液晶两类。

溶致液晶是指结晶晶格由于溶剂而被破坏形成的液晶；热致液晶是指结晶晶格由于加热而被破坏形成的液晶。

在显示领域广泛应用的大多属于热致液晶，本文中用于空间光调制器的所有液晶也都是热致液晶，因此本文主要讨论的就是此类液晶。

根据分子排列状态的不同热致液晶可以分为三种（图2-1）：

向列相液晶（nematic,又称为丝状液晶）；近晶相液晶（smectic,又称为层状液晶）和胆甾相液晶（cholestevic,又称螺旋状液晶），如图2-1所示

（a）（b）（c）

图2-1液晶分子排列模式（a）向列相（b）近晶相（c）胆甾相

向列相液晶分子是条状或棒状的，分子长轴都朝向同一方向，其它排列则毫无规律可言。

向列相液晶最大特点是在电场、磁场、机械力和表面力的影响下，分子排列全部朝着同一方向。

近晶相液晶分子形状与向列相液晶一样，也是条状或棒状的。

与向列相液晶不同的是近晶相液晶分子的排列成层状，每一层中分子的位置完全无序，但却有一定的排列方向，分子的长轴方向与层面垂直或倾斜。

层与层之间可以滑动。

在二维空间的平面内分子是可以滑动的，但是不能超出垂直层。

胆甾相液晶是由扁平状的分子组成，分子排列成层状，同一层中分子的排列方向相同。

如果各层中分子的排列方向发生一定的偏转，分子排列的方向就会与面的法线形成螺旋状。

当分子长轴沿着螺旋方向变化360°之后，分子排列就会又回到初始取向了。

实际各种材料都是在特定的温度下处于特定的相态，即随温度的改变会产生相态的变化[10]。

液晶的物理特性包括有序参量以及介电各向异性：

有序参量反映的是液晶分子排布的有序度；介电各向异性决定电场中液晶分子的行为。

液晶分子长轴方向和短轴方向的介电常数是不一样的。

液晶的电导各向异性反应的是液晶的导电性。

2.2液晶的连续体理论

连续体理论表明物质的宏观物理性质可以通过构成物质的原子、分子的微观状态来描述。

特别是在电磁学、弹性力学以及流体力学等方面使用该理论来解释液晶的宏观特性时，效果非常好。

液晶分子的排列主要受三个力的作用：

分子间作用力、外力以及界面力。

实际应用中，把通过施加外力改变分子排列状态过程中的液晶看成一个在外力作用下会发生弹性形变的弹性连续体。

液晶内部发生的弹性形变一般有三种基本形式（图2-2）：

展曲（splay）、扭曲（twist）和弯曲（bend）。

三种弹性形变的弹性常数各不相同，展曲弹性常数为K11，扭曲弹性常数为K22，弯曲弹性常数为K33，或者总称为弹性常数为Kii。

（a）（b）（c）

图2-2液晶相列弹性形变图（a）展曲（b）弯曲（c）扭曲

2.3液晶的电光效应

液晶的电光效应是指液晶的光学特性会在外电场的作用下发生改变。

液晶分子具有液体的流动性，即没有固定的排列，能够自由移动。

液晶分子又具有电导各向异性和介电各向异性的电学特性，因而液晶分子的排列状态会随着外电场发生变化。

又因为液晶分子具有各向异性的光学特性，因而整个液晶盒的光学效应也会随着外电场发生改变。

液晶分子的双折射特性，使得液晶盒显现出许多独特的光学性质，如光散射、光干涉和旋光等[11]。

液晶的电光效包括动态散射效应、电控双折射效应、扭曲效应、宾主效应、热光学效应等等。

本文讨论的空间光调制器主要利用了电光效应中的电控双折射效应，即在电场作用下液晶指向矢方向会发生变化的效应。

（1）动态散射效应

动态散射效应是指当施加在液晶盒上的交变电场有一定的强度并且频率比较小时，液晶分子的运动会变得紊乱，从而使得各处折射率随时间发生变化，入射光发生散射的现象。

撤除外电场时，某些液晶的动态散射效应不会立刻消失，而是会持续一段时间，这种现象被称为具有记忆功能。

在低温的条件下记忆功能的持续时间会比较长，甚至可持续几个月，因此动态散射效应多应用于液晶显示和存储。

实际应用中，加一个临界频率的电场就可以擦除动态散射效应的记忆[12]。

（2）液晶的双折射效应

液晶可以视为一种单轴晶体，能对经过它的光发生双折射（如图2-3），这也是液晶对经过它的光发生调制作用的原因。

（a）（b）（c）（d）

图2-3射入液晶的光线的前进方向（a）垂直入射均匀介质（b）垂直入射液晶（c）垂直纸面的偏振光入射液晶（d）平行纸面的偏振光入射液晶

液晶是光学各向异性的物质，分子轴平行与垂直两个方向上的折射率是不同的，液晶分子轴即是光轴。

如图2-3（a）所示，即使是折射率不同，当光线垂直射到两个均匀的各向同性介质界面时，光线的传播方向仍然不会发生改变。

如图2-3（b）所示，光沿着光轴入射，光的传播方向同样不会改变。

然而对于如图2-3（c）与（d）来说就不仅要考虑液晶的各向异性，还要考虑到液晶分子轴与入射光偏振方向之间的夹角。

图2-3（c）中，入射光是只含有偏振方向与纸面垂直的偏振光。

这时入射光的振动方向垂直于光线、光轴组成的平面，因而该光线是o光即寻常光，遵守折反射定律，照直前进。

图2-3（d）表示的是入射光只含有与纸面平行的偏振光，其振动方向与光线、光轴组成的平面平行，是e光即非常光，这时的光线有偏转角。

对液晶来说，光线向分子轴方向偏折。

这和液晶分子垂直于界面，入射光沿某一角度入射的情况相同。

通常，入射光既含有图2-3（c）所示的偏振光方向，也含有图2-3（d）所示的偏振光方向。

因此一束光入射时既产生e光，也产生o光，即是说光在液晶中传播时会产生双折射。

由于液晶的双折射特性，液晶分子在被施加电压时结构会发生扭转，因此会产生电致双折射效应。

当施加一个电压在液晶盒两端时，液晶分子在电场的作用下会发生极化。

此时极化的液晶分子会受到一个转矩产生旋转的现象，使得液晶分子不再是按照扭曲结构排列，破坏分子原有的排列，结果会使液晶盒对入射偏振光产生双折射效应。

一般来说，在向列扭曲液晶盒两端加上偏振方向互相垂直的偏振片，在不施加电压的情况下，输出光为零。

在液晶盒两端加上电压，因为电致双折射效应，入射光穿过液晶盒后变成椭圆偏振光岀射，因此有一部分光会通过检偏器岀射。

外场的大小和液晶分子间、液晶分子与基片表面间作用力决定了分子长轴的偏转方向，其值在0°~90°之间。

使液晶盒开始产生电致双折射效应的阈值电压约为2~4V。

由于液晶具有电致双折射效应，因而可以通过调节电压来调制液晶产生不同的相位。

垂直入射光经过液晶盒时产生的e光和o光之间的相位差可以由公式（2.1）与（2.2）得到：

（2.1）

（2.2）

其中的θ是液晶指向矢和z轴（所加电压方向）之间的夹角角度，由于θ角的大小和液晶两端所施加的电压有关，因此电控双折射产生的相位调制也和液晶两端所加电压有关。

（3）扭曲向列效应

液晶盒的结构如图2-4所示，基片B1和B2经过摩擦定向处理使得摩擦预定方向互相垂直，从而基片内表面的液晶分子可以沿着预定的互相垂直的方向排列。

在基片B1前放置起偏器P，且使其透光轴方向平行于B1上液晶分子的长轴方向；在基片B2后放置起偏器A，且使其透光轴方向垂直于B2上液晶分子的长轴方向。

如图2-4（a）所示，入射光自左垂直入射到不施加电压的液晶盒时，在液晶盒内，起偏器P产生的线偏振光的偏振方向始终与液晶分子的长轴方向平行。

当光波通过液晶盒后，其偏振方向将会旋转90°,此时偏振方向垂直于检偏器的偏振方向，光波恰好完全不能通过。

如图2-4（b）所示，由于液晶分子的取向会受电场的影响，因此当在液晶盒上施加一个适当的电压时，大多数的液晶分子的长轴将沿着电场方向排列，这基本不会影响到入射的线偏振光的偏振态，因此有一部分光可以完全通过检偏器A。

（a）（b）

图2-4液晶的扭曲（a）液晶盒不加电压时（b）液晶盒加电压时

（4）相变效应

相变效应是指因磁场或电场作用发生的胆甾相—向列相变的电光效应。

在无外加电场时胆甾型液晶内部呈现分子团结构，不同分子团的排列方向是各不相同的，所以液晶总体呈现乳白色不透明状态。

当施加一定值的外电场后，大部分分子会沿外