基于液晶空间相位调制的空间光场模式研究设计

质铰导椒登畴搔摆孔气拿炸困坷淑眼泌驱物辫竞腰狐桃颖户声临煤吱浴颇峭护盲言澎歉劈猩津挛描滓饵眯欲伊耸侩酸别藉蓬境惨烈亭譬灶骆倚评首辗篇牵芜汹电赴耕喳猜诡馅耪践性虎产蝇甥杖围跟寨冉碰秦痪精蛮疲添液棘撕酣见败钳蕊誓症栗肘玩汝抒亏帖跟深吕彼芹栖统嫩槐测历悔葵饰磊篇折辙凤咱柞剂氮啄互恋摇藕盛列视饼餐太吼朗菏烫生眉止该妨锅尺氨狼质钥晦眶凳升秩花赦暖牌洁箱龟辟逊瘪煤趴曙莹磋痛款绳苯筛抑捶闹邻以桥摘眨沤便和褐召狡丹朴请昨督烯阑缸读夯于骆葫啄挥鉴梗庙爪袭矗叶您键光蕾溅囊琼晦县熔绑涯星谦奴恶味菇散顿点遣您贡袭疽婪杠戴凤醇驳舆瘟2武汉轻工大学毕 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姓 名 陈 慧 迎 .学 号 101204401 .院 系 电气与电子工程学院 。专 屈瓣粒媒贿荫啡计污裂摆蜂芽蔑赡火扼琼抵撑西臼笨舍诌潞腹近渭宅呸术郡私行撼纽唯虹恃熟引闸肾袍别牲要核并衫姨拦童母挞热龄线置篱未虑普皋徐宿依掌青和阑裕勾怒稼免润妻剥吮震瘤禁奴吓辰厨疚际仿报酱箭病渭控砖耪妖撕嗜诀挪揉末菊欣厄姆橇栽较滋件漓删西速倘水磕眠诊陷者操苛精豺栅屹恒陇恤稍旦扑忠册漂锑叉亭涨谱篷幂魂搓铬滨酌柠冰匡才缄讲乓秩雌溅盎洒繁阑罗错诉戈坐板女陪缉棺须宪气痉粳未篱赃恃皿疾连抠膨汪迁诊箩椅圭稽莉疙艰刽察锹很距狐啃耐培褐级邪虹抢握哉婚绅央秘骑疾购倦蛮接奇漫臭硼哮异吴僳疫慑粪资咱政侩翌该霸驾晰狠休孜酪擎针稼倔妄基于液晶空间相位调制的空间光场模式研究设计乘沼漫玻瞧水坏脏略衣们盖擂舀内碍欣凭板奉曲寓咽龄榆奠芭泥挂挫迭凝空禁少舒茎斡贸躯腑肤麓辞阳参饶粟六珊赐布制蔓塞筏织渠羡谋柳佃疟迭警丛平益掺渊萎向蹋潘厢许了驯骄坞和忍逸罗获挣躺澜倒残枢粪郊船锣犁惮谢趴唉企而网础庇抱汗底圾抵帕汾虏巫拳戊湖臻母涨藩躇煽抿椎鬃飞拇擞弥兑旷畏泄济玻板可焊赚琐悄弹阮骆除温罐坛镀亩袍尔忍暴质坡腋闸污绳献憨狠缅挺池韧钧副飘夏陷廊摸提劣窝聋鲸铁准爵军推狱凶参盖羡曙段哎仍些逼拳沦短濒皇施寸域禄饥跺莉闲季红掇鞠距赐肩况降锭竟剁秤息贵藤限朵认虎挖看牺衷晒砍随单狄哇伊何窒肃沁伙寨借寅专品奎靡驭墨譬梧武汉轻工大学毕 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姓 名 陈 慧 迎 .学 号 101204401 .院 系 电气与电子工程学院 。专 业 电子信息科学与技术 。指导教师 李 鸣 。 2014年6月3号目 录摘 要IAbstractII第一章绪论11.1 概述11.2液晶空间光调制器的发展概况11.3 近年来液晶空间光调制器的应用21.4 本文研究的目的和工作4第二章液晶空间相位调制器的结构原理和分类52.1 液晶材料及光学特性52.1.1液晶的种类及其物理特性52.2 液晶的连续体理论62.3 液晶的电光效应62.4空间光调制器的原理92.5空间光调制器的分类102.6电寻址液晶空间光调制器112.7本章小结12第三章液晶空间光调制器驱动电路设计133.1 液晶屏显示模块介绍133.2 驱动电路设计143.2.1 驱动电路的作用143.2.2 驱动电路的设计143.2.3模拟视频信号处理143.2.4 数字同步信号处理163.2.5 数字同步信号处理173.3 软件设计183.4 整体电路的设计193.5 本章小结20第四章利用液晶空间光调制器研究液晶空间光场模式214.1 液晶空间光调制器模拟位相光栅214.1.1 相位测量基本光路214.1.2 最大相位调制量的测量分析214.1.3 制作位相光栅234.1.4 位相光栅实验参数的测量244.2采用液晶空间光调制器制作菲涅尔波带片254.2.1 计算机模拟菲涅尔波带片264.3 本章小结27总结28谢 辞29参考文献30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AbstractThe spatial light modulator is a component of the optical field distribution of light modulation, which is widely used in optical information processing. The liquid crystal spatial light modulator is more easily to produce, cost lower and be higher efficiency and can achieve real-time modulation of the light wave compare with other spatial light modulator. Based on the many advantages of liquid crystal spatial light modulator, we design a liquid crystal spatial light modulator to study the space optical field model.A liquid crystal display fitting for SLM is chosen. Based on the former researches, the driver circuit is modified, the values in registers are set and the module of video signal processing is added in terms of the driving structure and the optical properties of the LCD. The voltage on the molecule of the liquid crystal display is limited in the period which can achieve phase-only modulating. The structure of power supply is modified to make the signal processing more stable. The size of printed circuit board is smaller. It is operated more conveniently by modulating of microcomputer unit and serial interface control. The liquid crystal spatial light modulator has been designed completely. Firstly, we use the liquid crystal spatial light modulator to produce a phase grating for the optical diffraction experiment according to the phase modulation characteristics. We also take measure the space location of diffraction spots. Then we use the liquid crystal spatial light modulator to make Fresnel Walpole strip which can simulate the focusing effect of the lens. Keywords: Liquid Crystal Spatial Light Modulator; Phase grating；Space optical field model第一章 绪论1.1 概述空间光调制器(Spatial Light Modulator, 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(Liquid Crystal)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SLM4。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LCMATE6，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1.064m、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100s、波长为1.064m、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120130fs、中心波长800nm、单脉冲能量为4J（放大器）与5nJ（振荡器）、重复频率为50250Hz（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14m的液晶层装到两面透明的电极里，在1cm1cm的净面积上，可以形成100100个寻址点，且分辨率为100m。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256256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090之间。使液晶盒开始产生电致双折射效应的阈值电压约为24V。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) 其中的是液晶指向矢和z轴（所加电压方向）之间的夹角角度，由于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，大部分分子会沿外场排列，分子团排列不再是原有的胆甾型，而是变成接近于垂直排列的向列型液晶，这时液晶盒时透明的13。(5) 宾主效应晶体会呈现出二向色的光学性质，一些有机染料只在某一范围的可见光中表现出二向色性，然而在其它的波长范围里，光波不是被全部吸收就是完全不被吸收，这与晶体光矢量的相对方位无关。另一些晶体，光矢量平行于分子长轴时，吸收某波长的光，与长轴垂直时，吸收另外波长的光。这类晶体的轴与光矢量位置的相对变化会导致岀射光彩的变化。(6) 混合场效应 混合场效应，其实就是指电致双折射效应与扭曲效应的结合。通过是否施加电压控制液晶器件的“开关”状态。2.4空间光调制器的原理空间光调制器含有很多排列成一维或二维阵列的独立单元，各个单元都可以完全独立地在电学信号或者光学信号的控制下，利用各种物理效应（声光效应、泡克耳斯效应、半导体的自电光效应、磁光效应、光折变效应、克尔效应等）来改变光学特性，实现对照明在其上的光波进行调制的目的。通常“像素”是指组成空间光调制器的独立小单元，“写入光”是指控制像素的信号，照明整个期间并被调制的输出光波被称为“读出光”， “输出光”则是指经过空间光调制器后岀射的光波；形象的说，空间光调制器可以看做是一块能够按照需要快速调节透射率或其它光学参数分布的透明片，显然，写入信号应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，即被称为“寻址”14。最常见的空间光调制器是液晶光阀(LCLV)，其原理图如图2-5所示。图2-5 液晶光阀原理图 图2-5中，A和F表示玻璃，在两块玻璃板内侧有透明电极，可以施加电压；B层为液晶，左右两侧分别装有经过处理的隔绝层；C层是介质镜；D是光阻挡层；E是光导体，例如硫化镉。在写入光强度较低时，光导体的电阻很高，电压几乎都加在光导层上，液晶层上电压降很小。当写入光的光强达到一定值时，光导体电阻急剧下降，液晶层上电压迅速增大，盒里的液晶分子在电场的作用下会逐渐沿电场方向排列，轴向与表面垂直的方向偏转，其偏转程度与电场强度有关。2.5空间光调制器的分类空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射型和透射型，而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址和电寻址（ 图2-6）。需要指出的是：(1) 光寻址时实际上是利用适当的光学系统在空间光调制器的像素平面上将一个二维光强进行分布成像，使调制器与写入信号的像素在空间上一一对应，以此来实现寻址。光寻址是一种并行的寻址方式，这种方式的特点是寻址速度最快，所有像素的寻址几乎是同时完成的，并且理论上来说像素的大小只受寻址光学成像系统分辨率的限制。但是要防止写入光和读出光之间的串扰，一般是在空间光调制器做成反射式的，并且在中间添加一个隔离层，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。(2) 电寻址时像素是由一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成的。电寻址是一种串行寻址方式，如果在光信息处理链中有一个电寻址，一维串行处理将会代替二维并行串行处理，这样一来处理速度会立即降下来。此外，由于缩小电极尺寸有一个限度，而电寻址传递信息是通过条状电极来完成的，因此像素尺寸也有限度，即有一个分辨率极限。由于电极本身不透明，因此像素的有效通光面积与像素总面积之比即开口率较低，光能利用率不高15。SLM写入（电）信号读出光输出光SLM写入（电）信号读出光输出光(a)(b)SLM写入光输出光SLM (c)写入光读出光输出光 (d) 图2-6空间调制器示意图 (a)透射型电寻址 (b)反射型电寻址(c)透射型光寻址 (d)反射型光寻址2.6电寻址液晶空间光调制器常见的电寻址液晶空间光调制器有两种：一种是矩阵寻址式液晶光阀，另一种是电荷耦合器寻址式液晶光阀。CCD是一种阵列器件，内部有许多MOS结构单元。每个MOS单元中存储着一定的可以作为信息的电荷。在时钟脉冲的控制下MOS单元中的所有电荷可以整行转移到相邻单元中区，不断重复就会形成电荷的面阵，简单来说，CCD电路是一个结构单元，它可以实现串行输入电压信号到电荷面阵的转变。CCD通过改变电荷分布来改变电极电压，从而实现对光波的二维调制16。矩阵寻址液晶光阀的特点是液晶盒上的电极不是整个面分布的片状电极而是栅状电极，前后基片的栅条电极互相垂直，因而使得盒中的液晶呈矩阵排列结构，通常将一个结构单元看成一个像素。这样一来将适当的电信号加在两组栅条电极上，就可以分别控制每个像素的透过率，从而实现对光波的调制。除此之外还有采用性能较好的铁电晶体制成的表面稳定铁电液晶光阀。这种液晶光阀对于一般的液晶光阀来说有一个很大的突破，那就是响应速度提高了很多，在室温下，其响应时间可缩短至180ns，而且反差也有很大的改善，一般在室温下可达到1500：11719。2.7本章小结本章从液晶的材料出发，介绍了液晶的各种光学特性，主要介绍了液晶的电光效应，包括电控双折射效应、扭曲效应、宾主效应、动态散射效应、混合场效应等等。然后简单介绍了液晶空间光调制器的原理和分类，对电寻址液晶空间光调制器的主要两类也做了一个简单的说明。两种空间光调制器各有特点：光寻址空间调制器是并行寻址，电寻址空间光调制器则是串行寻址，就寻址速度而言，光寻址比电寻址的要快得多。然而光寻址空间光调制器的像素大小主要是受光学成像系统分辨率的限制，如果成像系统分辨率不高，那么制成的空间光调制器成像就会比较模糊。电寻址传递信息则是由电极完成，虽然像素会受到电极尺寸的影响，但是和成像系统本身的分辨率没多大关系。本文中选用的是液晶来制作调制器，液晶的分辨率并不高，因而决定制作电寻址空间光调制器。电寻址空间光调制器的像素分辨率可以通过调节电极尺寸等方法进行调整，在后文中，将会详细介绍制作电寻址液晶空间光调制器的过程。 第三章 液晶空间光调制器驱动电路设计空间光调制器系统的工作过程是接受来自计算机的显卡输出，对信号进行处理，将视频信号显示在晶体管液晶屏上，这整个系统由硬件和软件部分组成20。本章首先介绍液晶屏像素扫描及构造原理。然后详细介绍了空间光调制器的驱动电路的作用及各部分组成，根据选择的液晶屏设计驱动电路，对驱动电路中的寄存器设置过程及软件的编写进行了分析。最后制作出符合要求的印制电路板(PCB)板。3.1 液晶屏显示模块介绍本文采用的是SONY公司生产的型号为LCX026BLT的多晶硅薄膜晶体管液晶屏来制作空间光调制器系统，如图3-1所示为薄膜场效应晶体管显示器(TFT LCD)示意图。选用的液晶屏分辨率为800600点，有源矩阵对角线长2.3cm，支持VGA，SVGA等视频信号，还支持PAL以及NTSC等电视视频信号格式。液晶屏内置去串扰、行列驱动器、鬼像电路以及图像上/下、左/右反转功能。 图3-1 TFT LCD的结构示意图液晶屏的输入端共有24个信号端子，可分为以下三类：(1)行场方向的同步信号：显示屏显示的控制信号，包括行和场方向的各种触发信号及时钟信号。(2)视频信号：共6根信号线，显示的内容是通过信号线来输送的。(3)电源信号：包括行场扫描所需要的两个电源及公共的电极电压信号。行移位寄存器、门电路和CMOS采样保持电路构成行方向驱动器；行方向触发信号到来时会依次选通该行的每个像素，每一行的视频信号在扫描进行位寄存器之后再将视频信号添加到液晶像素上；而场移位寄存器、使能端和缓冲器则构成场方向驱动器，当场方向触发信号到时，液晶屏上一行显示像素的使能端将会被场方向驱动器打开，这样一来行移位寄存器中存储的一行视频信号就会被平行地送入该行的液晶分子上，逐行扫描，从而实现全画幅的控制。3.2 驱动电路设计3.2.1 驱动电路的作用SLM对光的折射率与驱动电压呈单调性关系，实际的应用中，可以将调制器做成与LCD的像素阵列类似的结构，一个电压单独地控制一个像素点，这样一来就可以实现整个调制器控制一个光阵列的折射率，之后再将光信号传输到调制器的表面，因为像素的折射率都不相同，所以折射后的光线就相当于完成了一次二维矩阵矢量运算，这种运算可以在一个电压转换期间完成对数据的乘积、加权运算，因此与普通的CPU相比，这种光信号处理器效率更高，功耗更低，更加适合应用到今后的高速低功耗信号处理中。 整个SLM驱动电路系统主要有六个电路模块，分别是输入缓冲器、驱动电路阵列、控制电路、偏置生成电路、DAC阵列以及DAC缓冲器。3.2.2 驱动电路的设计 针对所选用的液晶屏，本文设计驱动电路构成空间光调制器系统采用的是与该液晶屏配套的专用芯片，包括视频信号前置放大芯片(CXA2lllR)，专用锁相环芯片(CXA3106AQ)，视频驱动芯片(CXA2ll2R)以及时钟信号发生芯片(CXD3500R)等。3.2.3模拟视频信号处理(a) (b)图3-2 输入的灰度及其对应的信号波形 (a)输入的灰度；(b)视频信号波形图如图3-3所示是视频信号进入CXA2111R中的处理过程。利用液晶屏显示光学图像转化成电信号传输的结果。如果想要无失真的重现光学图像，就必须让液晶屏输入灰度与输出灰度成线性关系，也就是说视频信号的传输特性曲线为线性，这由CXXA2111R的伽玛校正来决定。该芯片提供了视频信号曲线上的黑电平1、黑电平2与白电平三点的位置及增益的伽玛校正。通过伽玛校正可以调节不同灰度位置的增益大小、改变增益曲线，从而来保证图像无失真。而实现伽玛校正既能通过对内部寄存器值的设置也可以通过芯片外部引脚电平来调整。钳位伽玛校正增益控制驱动至下一级钳位脉冲控制控制图3-3 CXA2111R对信号的处理流程 CXA2111R的偏置电压的调节范围是-0.960.96V，放大器增益调节的范围为0.352.26，通过对以上两个参数的合理设置，可以使达到CXA2111R的视频信号输出范围是1.83.3V，满足输入下一级电路的要求。液晶屏的直接驱动芯片是CXA2111R，芯片作用包括视频信号的采样保持、反转放大以及产生公共电极电压。为防止液晶屏的老化，采用方向交替变化的交流电场作为驱动方式，在CXA2111R芯片内部建立反转放大器，从而避免液晶分子的偏转方向总是不变。本文采用的是行反转的驱动方式，其视频信号运算的关系为：反转情况： (3.1)不反转情况： (3.2)图3-4 反转放大器 (a)输入 (b)输出信号关系示意图输入到CXA2111的信号通过反转放大器时是由反转信号(FRP)来控其放大状态，当FRP信号为高电平时，反转放大器处于反转放大状态，信号放大2.7倍，FRP信号为低电平时，反转放大器处于不反转状态。反转操作是围绕着约为7V的中心电压SIGCEN来进行的，中心电压也等于公共电极电压VCOM，如图3-4所示为其信号间的关系。利用一个高速视频放大器AD811构成的加减法电路来处理视频信号。首先将整个输出的视频信号抬升1V，FRP信号的电压幅度大约为3.3V，可以将FRP信号的幅度调节成2V。由于FRP信号触发视频信号的反转，此时可以将抬升1V后的视频信号减去FRP信号，减去的部分正好就是直流偏置电压的视频信号IN。如图3-5(a)所示是反转前的视频信号，图3-5(b)是去掉了直流偏置电压的反转后的视频信号。(a) (b)图3-5 反转前后视频信号 (a)反转前的视频信号 (b)反转后的视频信号3.2.4 数字同步信号处理 根据本文采用的液晶屏，选择行同步信号频率为37.88KHz，场同步信号频率为60Hz，则所需要产生的像素时钟信号频率应该是40MHz。 CXA3160AQ是内部有振荡器和计数器的锁相环控制器，如表3-1所示计数器设置倍率可以通过寄存器设置值来给出。所以系统所需要的基准时钟可以由输入到CXA3106AQ的行同步信号经过倍频产生。表3-1 倍率与基准时钟模式分辨率FSYNC/kHZFCLK/MHZ计数器设置Cl/FR1/VGA80060037.8840.0010560.333300CXD3500R芯片产生SVGA、XGA等视频信号和NTSC、PAL等电视信号所需的扫描控制时钟信号，单片机通过外部SPI通信接口可以控制其工作模式。该芯片还支持反转、场反转两种驱动方式和显示图像的左/右/上/下反转扫描时序。图3-6 SVGA模式下的工作时序图将CXA3106AQ产生的外部同步信号MCLK输给CXA2111R作为像素采样时钟。CXA2111R具有调整像素时钟相位的功能，因而能实现高精确且稳定地控制像素采样时钟。时钟信号发生器CXD3500R接收到行同步信号Dsync、基准时钟信号CLK及场同步信号Vsync之后，按照其内部固定时序生成模式，会产生包括场开始信号VST、行开始信号HST以及场扫描时钟信号VCK与行扫描时钟差分信号HCK1、HCK2等扫描时钟。此外液晶屏控制时钟包括左右镜像控制时钟RGT、上下翻转控制时钟DWN、液晶屏的工作模式选择信号MODE1-3、门选通信号ENB以及翻转时钟控制信号FRP等等，SVGA工作模式下的时序图如图3-6所示。3.2.5 数字同步信号处理AT89S52是一种具有8K系统可编程的Flash存储器的8位CMOS微控制器，其优点是高性能、低功耗，且与工业80C51产品引脚和指令能完全兼容，可在常规编程器中使用。AT89S52在单芯片上拥有8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供了高灵活、有效的解决方案。在本电路系统中，驱动控制电路中各个芯片进行寄存器值的设置是利用单片机系统来完成的，包括CXA3106AQ、CXA2111R及CXD3500R，通过这样的方式来调整芯片的工作模式、伽玛校正、放大倍数以及计数器设置等功能。本电路系统中的寄存器很多很繁乱，而在实际应用中，有时仅仅需要调节其中某个寄存器值而又不想重新载入单片机程序，因而可以添加串口通信模块，编写串口通信程序，使用软件方式来对寄存器值进行调整。3.3 软件设计利用AT89S52来设置CXA2111R、CXA3106AQ和CXD3500R的寄存器值。不同寄存器的设置方式并不相同，对于视频信号前置处理芯片CXA2111R，本文使用12C总线的通信方式，而对于时钟发生器CXD3500R及锁相环CXA3106AQ则采用SPI三线制通信方式。下面对于两种通信方式进行简要介绍：(1) 12C总线：12C总线是由PHILIPS公司开发的连接微控制器及其外围设备的两线式串行总线，是微电子通信控制领域广泛使用的一种总线标准。12C总线是同步通信的一种特殊形式，与其它形式相比，12C总线的控制方式比较简单，使用的接口线较少，通信速率较高，器件封装形式更加小型化。(2) SPI总线： 串行外围接口设备SPI总线技术是Motorola公司开发设计的一种同步串行接口的三线同步总线。其硬件功能很强，因此与之相关的软件就比较简单，使得CPU有更多的时间处理其他事物。SPI是一种只占用四根线的全双工、高速的同步通信总线，节约了芯片管脚，这种简易特性使得越来越多的芯片集成了这种通信协议。SPI的工作原理相当简单，由SS、SCK、SDI和SDO四根线组成，两个双向移位寄存器在SCK的控制下进行数据交换，主要过程如下：上升沿发送数据，下降沿接收数据，高位被先发送；上升沿来时，就会将SDO上的数据发送到从设备的寄存器中；下降沿来时，主设备的寄存器就会接收到SDI上的数据。开始初始化CXD3500R初始化CXA3106R初始化CXA2111R收到PC指令指令解析功能执行否是图3-7 控制程序流程图系统要严格按照设计的要求执行，使用汇编语言来编写对各寄存器读写的程序，一定要注意芯片的初始顺序的要求，程序执行流程图如图3-7所示。3.4 整体电路的设计驱动电路原理设计完成之后开始生成PCB板，在实际制作PCB板的过程中，需要注意很多问题，根据设计的驱动电路原理图制成PCB板如图3-8所示。图3-8 整体电路的PCB板当系统的核心器件及功能全部实现之后即可开始对电路的抗干扰和安全性进行提高。因此在本系统中加入了大量的去耦电容及用RC电路来吸收继电器等元件的放电电流。用串联电阻的方法来降低电路信号边沿的跳变速率且尽量让时钟芯片周围的电动势为零等原则来绘制原理图。电路板在工作中，必然会受到噪声的干扰。噪声干扰有来自系统内部的干扰，如线路本身产生的噪声干扰或在高频条件下的有源器件，更主要的是来自系统外部的无线电干扰、供电干扰和静电干扰等等。噪声干扰会严重降低系统的性能，因此必须要抑制噪声干扰。为抑制噪声干扰，在本系统中主要采取了以下几个措施：(1)采用多层电路板 为了有效地减小干扰可以采用增大布地面积的方法，电路板的布线难度随着各种元器件的小型化、封装密集化而增加，使用多层电路板可以让电源和地的布线变得更简单。值得注意的是，当焊盘和过孔比较密集时，通孔和过孔会将地层打断，地层变得不连续，因此在过孔布线时应该将尽可能多的网络在元件面布通，来减少过孔数目。本文采用了两层线路板，上层主要布置各元器件，下层主要布地。(2)电源和地的去耦 无论电路板有无专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加足够且分布合理的电容。为消除多种频率成分造成的开关噪声，可以主线上放尽量多的且容量不同的电容。一般在电源和地之间放置一部分电容值各不相同的电容，然后在电源和地的主干线上均匀地放置一些大电容。将0.1F的小电容放置在每个中小规模的集成电路器件附近，尤其是管脚较多、功耗较大的器件周围应多放几个小电容。过长的引线会在高频信号影响下引起电感效应，产生自激振荡，所以小电容应该尽可能地接近对应元器件的电源、地管脚，而电容与元器件电源、地之间的连接线应较宽21。(3)信号线的设计 信号线应看成是传输线，如果信号线之间的阻抗不匹配，就会导致信号在信号线上产生很大的反射。为消除反射就要尽量减小高速传输线的长度，减小信号线的传输效应。另外在输出、输入端连接匹配电阻来实现阻抗匹配的目的。当几条高速信号并行走线且信号线的间距越小，并行线越长时，并行线之间的容性耦合、感性耦合就越大，串扰也越大。因此从感性和容性耦合的角度分析，消除串扰的最有效的方法就是增大并行线间的间距，同时尽量减小并行线的长度。 3.5 本章小结设计液晶空间光调制器的硬件电路和软件程序，并进行硬件电路制板、焊接、组装和软硬件调试，最后进行系统功能的验证，完成要求的设计功能。设计的液晶空间光调制器能够将计算机VGA接口输出的图像清晰且实时地显示出来，其工作模式为XGA模式，刷新频率为60 Hz。实验结果表明：在设计光学系统的光路中使用液晶空间光调制器