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(编辑修改稿)

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(编辑修改稿)内容摘要：

性反应的是液晶的导电性。 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 22）：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 22 液晶相列弹性形变图 (a)展曲 (b)弯曲 (c)扭曲 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7 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 23）， 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 23 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 23(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 23(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 23(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 23(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 23(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 23(c)所示的偏振光方向，也含有图 23(d)所示的偏振光8 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 0176。 ~90176。 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 ()与 ()得到：   0021 d ezd n d nd    ()   022s in c o seeennn n   () 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 24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 24(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 90176。 ,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 24(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，9 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 24 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。 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；10 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 25所示。 图 25 液晶光阀原理图 图 25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。 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 26）。 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11 积之比即开口率较低，光能利用率不高 [15]。 图 26 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 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： 1[17~19]。 S L M 写入 （电）信号 读出光 输出光 S L M 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) 12 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。