空间光调制器

174第6章空间光调制器6.1概述人们已经认识到，光波作为信息载体具有特别显著的优点。其一，是光波的频率高达1014Hz以上，比现有的信息载波，如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。因此，它有极大的带宽，或者说具有极大的信息容量。光纤通信正是以此为基础，得到迅猛发展的。其二，是光波的并行性。光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰。这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。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，能实时的或快速的二维输入、输出的传感器，以及具有运算功能的二维器件便应运而生。这些器件即为空间光调制器。它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。6.1.1空间光调制器的基本结构与分类[6-1~6-4]空间光调制器是由英语的SpatiallightModulator直译过来的，常缩写成SLM。顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。空间光调制器能对光波的某种或某些特性(例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。换句话说，其输出光信号是随控制（电的或光的）信号变化的空间和时间的函数。空间光调制器结构的基本特点在于,它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的光电信号称为“写入光”，或“写入（电）信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。显然，读出光应该能照明空间光调制器的所有像素，并能接收写入光或写入电信号传递给它的信息，经调制或变换转换成输出光。按读出光工作方式分，可有透射式，如图6.1（a）和(b)所示，或反射式，如图6-1(c)和(d)所示。而写入光或写入电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称为“寻址”（或“编址”）。如果采用写入光实现这一过程，称为光175寻址，采用写入电信号时，称为电寻址。光寻址通常采用一个二维光强分布（如一幅图像）作为写入光，使其成像在空间光调制器的像素平面上，并使写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应，从而实现寻址。光寻址时，所有像素的寻址同时完成，所以它是一种并行寻址。其特点是寻址速度最快，而且像素的大小，原则上只受写入光成像光学系统分辨率的限制。采用光寻址时，要防止写入光与读出光之间的串扰。常见的方法是采用反射式空间光调制器，在调制器内部设置一个光隔离层，使写入光与读出光位于调制器两侧，如图6-1（b）和(d)所示。对于透射式，读出光和写入光可以使用不同的波长，再利用滤光片除去输出光中的写入光，从而消除它们之间的串扰。写入光读出光输出光（a）透射式光编址写入光读出光输出光(b)反射式光编址读出光写入（电）信号输出光(c)透射式电编址写入（电）信号读出光输出光(d)反射式电编址图6.1空间光调制器示意图采用电寻址时，因为电信号是一个时间序列，原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去，所以电寻址是一种串行寻址方式。实现电寻址有多种形式。例如，在空间光调制器的表面设置两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法使写入电信号作用到相应的像素上去，完成寻址。再如，利用电荷耦合器（CCD）和一个附加的电荷转移机构，把写入电信号转换成调制器上的电压分布来完成寻址的。电寻址与光寻址相比有一些弱点。由于串行方式，使它的信息处理速度降低；由于电极几何尺寸和透过率的限制，其分辨率和填充系数（像素的有效通光面积与像素的总面积之比）都有所降低。但目前它是光信息处理与现代电子技术、176特别是计算机-多媒体技术相结合，构成光电混合系统的有效方式，已得到了广泛的应用。目前，国际上报道的已实用化的空间光调制器大约不下40余种，它们的工作原理不同、结构不同、特性也不尽相同。对这些空间光调制器还没有一个统一的分类方法。除上述按寻址方式和读出方式分类外，有时也按其工作原理来分。空间光调制器中能用于调制或变换的物理效应很多，例如，普克尔斯效应（即线性电光效应）、克尔效应（即二次电光效应）、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等等。能够利用这些物理效应的材料也很多，例如，液晶、各种光电晶体、声光晶体、磁光材料、铁电陶瓷等等。本章以所利用的物理效应为主线索，选择一些空间光调制器作代表，介绍它们的工作原理、结构及特性。限于篇幅，光折变效应空间光调制器将在第七章光信息存储技术中介绍,声光空间光调制器和其他空间光调制器及其应用举例可参见参考文献[6-1~6-6]。6.1.2空间光调制器的功能按空间光调制器在光学信息处理或光互连系统中的位置来区分，它们可用作系统的输入器件，也可在系统中用作变换或运算器件。原则上也可以用于系统输出端，但这类器件的行为，目前尚未完全研究清楚[6-1]。一、输入器件空间光调制器作为输入器件，其功能主要是将待处理的信息转换成光学处理系统所要求的输入形式。它们主要能实现以下几种转换。1．电--光转换和串行--并行转换一个随时间变化的串行电信号（例如摄像机或计算机输出的模拟图像信号），输入到一个光学处理系统中去，往往需要作两方面的转换。一是将串行输入方式转换成并行方式，即转换成在空间上排列成一维或二维阵列的形式；二是将电信号转换成光信号。电寻址空间光调制器可以同时完成这两种转换。例如，用一束光强均匀的光波作为写入光，串行的模拟图像电信号作为写入信号，并用它控制空间光调制器上相应的各个像素的透射率或反射率，这样一来输出光的光强就形成了一个携带输入信息（即图像）的空间分布，从而可以输入到光学处理系统中。2．非相干光-相干光转换一般地说，实际物体的像是非相干图像。而实时光学处理系统一般只能处理相干图像。利用光寻址空间光调制器可以将非相干图像转换成相干图像。用一束振幅均匀的光波作为写177入光，用非相干光组成的图像作为写入光，并用其光强分布控制上各像素的振幅透过率或反射率，这样一来输出光便是一束携带写入图像的相干光束，可以输入给实时光处理系统。3．波长转换有时待处理的图像是在一特定的波长下获得的，而光学处理系统必须在另一波长下工作，这样就必需由一个传感器来完成波长的转换。利用空间光调制器可以实现这一转换。例如，待处理的是红外图像，用它作为写入光，用一束均匀的单色光作为读出光，其波长恰好满足光学处理系统的要求，这样输出光就获得了所需波长的图像信息。二、处理和运算功能器件1．放大器当写入光较弱时，采用一束空间分布均匀、光强大的光束作为读出光，这时可得到信息被放大的输出光。这时的空间光调制器可看作一维或二维的光放大器，或者图像增强器。普通的像增强器只能增强非相干图像。而空间光调制器可以获得增强的相干光图像，还可以同时完成波长变换。2．乘法器与算数运算功能对大多数空间光调制器来说，信号相乘是其固有的性能。如果读出光携带一个矢量或一个矩阵的信息，写入光或写入电信号携带一个矩阵信息，并用它控制空间光调制器的透过率或反射率，则输出光在空间光调制器表面上的光强分布即等于读出光信号与写入光或写入电信号的乘积，即实现了矢量-矩阵或矩阵矩阵之间的乘法。如果写入光（或电信号）和读出光携带的是图像信息，则可以实现图像相乘。如果同时输入两个相干光图像或数字化的光强，空间光调制器还可以实现图像相加或相减。另外，空间光调制器还可以进行一些与基本相乘功能有关的操作，例如，可编程匹配滤波、波前共轭、用计算机或用光学方法控制的可重建互连等等。3．对比度反转在减法运算或逻辑“非”运算中，需要使二维图像的对比度反转，即写入光的亮区在输出光（图像）中转变成暗区，反之，写入光中的暗区在输出光中变为亮区。这种功能是利用特殊设计的光调制特性来实现的。例如，`在表面形变空间光调制器中，写入光光强大的像素（即亮区）上可变形材料形成的浮雕光栅槽深度变浅，读出光照射后衍射效率变低，从而使输出光相应像素变成暗区。再如，利用像素材料的双折射性质，并在像素材料前后两侧放置一对偏振器，则可实现对读出光强度的调制。若两偏振器的透光轴方向平行，透178射率随写入信号增大而增大；反之，两偏振器透射轴方向正交时，透射率随写入信号增强大而减小，从而可实现对比度反转。4．量化操作和阈值操作量化操作即是把连续变化的写入模拟信号按大小分成若干分立的等级值，即模拟数字转换。最简单的量化操作是把写入信号分成两个输出值（0，1），即设定一个值（称为阈值），当写入信号大于此值时，输出为“1”（例如具有一定大小的光强）；当写入信号小于此值时，输出为“0”（无输出光）。这种操作称为阈值操作。量化操作和阈值操作在数字计算、数字图像处理中特别重要，它可使处理后的信号减小失真。利用空间光调制器实现量化操作和阈值操作，要求空间光调制器对写入光具有很陡的响应特性，或者说具有很陡的输入-输出特性曲线，如图6.2所示。当写入信号小于某一值时，输出基本为零；当写入信号大于这个值时，输出很快就达到极大（饱和）值。在许多空间光调制器中三个基本参数，输入阈值光强（或电平）It、低输出光强IL、和高输出光强IH，都是可调的。输出光理想输出模拟输出写入光IHILIt图6.2理想的阈值特性此外，有些空间光调制器还可实现某些非线性变换，逻辑运算，包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等等；PROM器件、光折变器件等空间光调制器还有存储功能。这些功能将在相应的章节中介绍。6.1.3空间光调制器的基本性能参数一般说来，器件性能包括一般性能和具体技术性能参数。对空间光调制器，一般性能可指工作方式为光寻址或电寻址、读出光是透射式或反射式、是振幅型或位相型（即只对读出179光的振幅、强度分布进行调制或只对读出光的位相分布进行调制）、读出光和写入光的工作波长或波长范围以及有效工作面积等。空间光调制器功能不同，描述其性能具体技术性能参数也不同，也不能要求每个性能参数都最佳。就它们的主要技术性能参数介绍如下。1．输入-输出特性曲线空间光调制器的透射率或输出光强随写入信号的变化曲线称为输入-输出特性曲线，简称特性曲线或响应曲线。如图6.2所示，其纵坐标为透（反）射率或输出光的（相对）强度；横坐标为写入信号的大小，对光寻址空间光调制器其单位用光能密度单位（J/m2）或光功率密度单位（W/m2），对电寻址空间光调制器其单位为信号电压单位（V）或电流单位（A）。2．灵敏度不同类型的空间光调制器，其灵敏度的含义也不同。大致可有三种定义：阈值灵敏度、指定值灵敏度和特性曲线斜率。阈值灵敏度是指使透（反）射率产生刚可察觉的变化所需要的最小写入信号大小，其倒数又称为器件灵敏度。与其含义相似的另外一个参数是开关能量，它是指使器件能够操作的、每个像素所需的最小写入信号能量，单位用皮焦耳（pJ）或微焦耳(μJ)。指定值灵敏度是指使透（反）射率的变化达到某一特定值所需写入信号的大小，“指定值”通常采用最大、最小透（反）射率之差（百分数）。特性曲线斜率是透（反）射率的改变量与输入信号改变量之比，即透（反）射率对输入信号的微商，它表示透（反）射率随输入信号变化的灵敏度，通常指特性曲线上直线段（线性部分）的斜率。3．对比度对比度又称反差。对于振幅或强度调制器，对比度可定义为最大输出与最小输出之比，γ=Imax/Imin(6.1)其中Imax和Imin分别是在空间均匀的写入信号下的最大和最小光强（或透过率），表示对空间求平均。这是由于器件材料和功能的非均匀性造成每个像束的输出特性并非完全一致。对于这种缺陷往往还可用光学均匀性来描述。对比度