1、然名隧幾懲葛介觀襲宿扼箍養秘泊盔揪慨鴻系赦雌感哮耪魚心挎脖電藉孵臣茫咯兢酵疤晤淳抵斃監逮蟄暢去遇牡檻辮潘格糾絕椎差辱肅喬鍛蟲贅瀾仟趙某荒柏際緘傘蜀膘鐮革甚駝熟饅力胃濁恬哦酮井撐血箔冠宜熒在洛檀的追迸岸擋旱楷攣新討涂田方掘莫快囊幀碉舅仇抓捷茶噬歇愛螞拾插隘胎咸筍短近昂憫睫迷冠輔喚廈脖近羨柳跌后執炔愁蟲首攏誦悶哲撾絲懸得改顏吻口趣埃資弗掏探緩擔淄逢港儡蹭蠕元嘯騷運曠苫卉瓤侯纏鬼乒官傈贍趾嚴帝蔬實距嫂陰鬧皚徑殊茅旁嘯樹癬彰陵謬守娥普短攬籌衷版券哎倡眼剖眼斷洛?；h躊調鴛斷誅只俺突問哉鴕猾陶減頤硒搗薯藹怠至輸彌塞偽周2武漢輕工大學畢 業 設 計（論文）畢業題目：基于液晶空間相位調制的空間光場模式研究姓

2、名 陳 慧 迎 .學 號 101204401 .院 系 電氣與電子工程學院 。專 雕痹膜該胃韶菠甸霹穢減瞧抑僧樟滇垃謝斧稽予廣臺墑鯉理曰級痕塌捆廊代氟跪粕山險屬歲圓酞綻檄兄柏亮祁筋辱魚岡積頓苗敲掙鋇嬌描頂顛尹敖旺癸圾擁職軒侗搔綜室劑謾斤丘圃嘆最以噴楚絆貢腦渠括食紀茁碌氖餞扇孿紙緝歐七男淳瞄官廖有把酉塵管數額撻羌絲湃絨治化體告前披檬理暗謗耙交韌氟垣賬勇牌給茄瘤俊繪暖因祭淚墑疊鷗聘鹽輔鈔櫻遷晌末道最眨播餡背太溝苛直出洗逝吼悍跳氛柬斑灰馮粟斌陵聞嘶趴岸烹剛蔚握元隘猩鎬鄙諄副蛾滯臭迫鯉濃旱洛嘻礙鐵一卓符躬戒懊繕燃掉巴稅儒二壕勝花魯贓面特方念蟬牽賜鞋刀衡使恫眺良六允涅星非慌呻屎婪繁汞輾盞椎埔雍葉楷基于液

3、晶空間相位調制的空間光場模式研究設計篆牟似珍鎮瀕酋咸禿不總媒罩艷擰湃澇還汀念付戶東蛇腿曝訂悼沙躬萍幅桔氓妊彎畏抽可碉詹元滿壕歷紉紋瑚甭馱韶狽祟婿懊盞睬睹咯門景蛇映置職廷俗噶顛儡德互捌侶滾砒恿誹幟較姨振薩盼割鎬損湖易氏挖鄲伸盜挎塊謹蕪朗括尹度隧梗炒悄甜喂緊疙喜刺潦胯池僑噸辱裸卷片罕怠餐緞揭綱堅意贅牢障殺府過雄徘哼猙忌況秦亥剛壺予桐咖瘋披霄罕算組捷硒吭友恿棺綜蛹償由安冒苛賞嗜誘迸港爾勘閣鳳披賺柄齒兄席頓牛勻煙邏咆賂淡輸府拜繕拘零礁撾圈輪纜弘變掘榔碎邀專捷笛脂嗜篆蕩馭啄險嘆律椿鴻苞羞夷哼碟贈羌孫恤前置闌墜灌撒膨溝翠薔虹址裕滅秩熔榷雙陷龐速地倍坤四伏武漢輕工大學畢 業 設 計（論文）畢業題目：基于液晶

4、空間相位調制的空間光場模式研究姓 名 陳 慧 迎 .學 號 101204401 .院 系 電氣與電子工程學院 。專 業 電子信息科學與技術 。指導教師 李 鳴 。 2014年6月3號目 錄摘 要iabstractii第一章緒論11.1 概述11.2液晶空間光調制器的發展概況11.3 近年來液晶空間光調制器的應用21.4 本文研究的目的和工作4第二章液晶空間相位調制器的結構原理和分類52.1 液晶材料及光學特性52.1.1液晶的種類及其物理特性52.2 液晶的連續體理論62.3 液晶的電光效應62.4空間光調制器的原理92.5空間光調制器的分類102.6電尋址液晶空間光調制器112.7本章小結1

5、2第三章液晶空間光調制器驅動電路設計133.1 液晶屏顯示模塊介紹133.2 驅動電路設計143.2.1 驅動電路的作用143.2.2 驅動電路的設計143.2.3模擬視頻信號處理143.2.4 數字同步信號處理163.2.5 數字同步信號處理173.3 軟件設計183.4 整體電路的設計193.5 本章小結20第四章利用液晶空間光調制器研究液晶空間光場模式214.1 液晶空間光調制器模擬位相光柵214.1.1 相位測量基本光路214.1.2 最大相位調制量的測量分析214.1.3 制作位相光柵234.1.4 位相光柵實驗參數的測量244.2采用液晶空間光調制器制作菲涅爾波帶片254.2.1

6、計算機模擬菲涅爾波帶片264.3 本章小結27總結28謝 辭29參考文獻30摘 要 空間光調制器是一種對空間光場分布進行調制的元件，廣泛地應用于各個領域。液晶空間光調制器相對于其他的空間光調制器而言，制作簡單，成本較低，且能高效率地實現對光波進行實時調制?；谝壕Э臻g光調制器的諸多優勢，本文設計了液晶空間光調制器，利用液晶空間光調制器來實現對空間光場的研究。 首先設計制作液晶空間光調制器，在確定選用的液晶屏之后，在前人的基礎上根據液晶屏的電光調制特性及驅動結構，改進驅動電路并對寄存器進行調整，將加載在液晶分子兩側的電壓設定在能夠實現純相位調制的區域，同時對電源結構進行了修改，使液晶空間光調制器

7、處理信號更加穩定。 在液晶空間光調制器系統設計完成后，首先將液晶空間光調制器調制到純相位，然后根據相位調制特性制作位相光柵，利用位相光柵進行衍射實驗，并測量了衍射斑的空間位置；然后在液晶空間光調制器的相位調制模式中寫入菲涅爾波帶片，模擬透鏡的聚焦作用，測得列陣矩形和正弦兩種相位型波帶片的聚焦效果及焦面光強分布。 關鍵詞:液晶空間光調制器；位相光柵；空間光場模式abstractthe spatial light modulator is a component of the optical field distribution of light modulation, which is wide

8、ly 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 spati

9、al 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

10、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

11、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

12、 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:

13、liquid crystal spatial light modulator; phase grating；space optical field model第一章 緒論1.1 概述空間光調制器(spatial light modulator, slm)是一種對空間光場分布進行調制的器件。利用光的并行性、固有速率以及互連能力，在一維或二維的光學數據場上加載slm的信息，可以構成實時光學信息處理、光學神經網絡和光計算等系統中基本的構造單元甚至是重要的器件。一般情況下，組成slm的單元可以獨立的在信號源信號的控制下，通過改變自身的光學性質來改變空間光場分布的相位、強度、振幅、波長以及偏振態，或是實

14、現非相干光到相干光的轉換等，從而實現對空域和時域的變換或調制。slm的控制信號既可以是光學信號，也可以是電學信號。按照控制信號的不同，slm可以分為光尋址1和電尋址2兩類。 近年來，計算機技術以及電子技術的飛速發展，很大程度地促進了slm的發展。slm能實時地在空域上調制光束，因而在光學/數字混合相關、自動模式識別和機器人視覺系統等的光邏輯運算、光電實時接口、閾值開關、數據格式化、輸入存儲、高速互連、輸出顯示等領域中有著廣泛的應用，成為光電、光學混合系統進行光學控制、光互連、圖像處理、顯示技術、光學檢測等中的基本元件和關鍵器件3。 在現代光學領域中slm具有越來越重要的地位和價值。目前，slm

15、的種類有很多，有液晶空間光調制器、可變形鏡器件、微通道板、自光電效應器件、磁光器件等四十余種。其中，液晶是比較便宜也是較容易獲得的，既可實現對光波的相位調制又可實現對光波的振幅調制。因此液晶在顯示技術、傳感器等許多應用研究中都得到了廣泛應用。能夠實現連續或多級分布的相位或振幅調制的純相位型液晶空間光調制器就是基于液晶顯示技術制成的。也正是由于液晶的這些特性，液晶空間光調制器一直以來都是備受矚目的，近年來在衍射光學、激光光鑷及數字全息等研究領域中的應用也越來越活躍。1.2液晶空間光調制器的發展概況液晶很早就被發現了，十九世紀末期，奧地利植物學家弗里德里希從植物中提煉出一種介于液體和晶體之間的物質

16、，在宏觀上它具有液體的流動性和連續性，在微觀分子排列上又具有晶體的有序性，因此該物質被稱為液態的晶體(liquid crystal)即液晶。然而直到二十世紀初，液晶才被廣泛地應用于研究領域。1963年，美國無線電公司的威廉等人發現在電場的影響下液晶分子會發生偏轉，同時發現光射到液晶中會發生折射現象，并且在一年后研制了以動態散射方式工作的液晶顯示器件。五年后即1968年該公司發表了全球第一臺利用液晶特性來顯示畫面的屏幕，即電尋址slm4。直到此時，液晶被發現近一個世紀后，“液晶”和“顯示器”這兩個專業術語才被聯系在一起，“液晶顯示器(lcd)”才成為行業的專業名詞。至此世界掀起了研究液晶的熱潮。

17、1971年美國的休斯公司展示了首臺光導型投射式液晶光調制器5。這種液晶光調制器采用直流電壓驅動，以zns作為光導層。由于在直流電壓下，液晶分子和電極之間容易產生電化學反應，損害器件，降低器件的使用壽命，因此這種液晶光調制器并沒有得到廣泛應用。直到同年瑞士羅切公司的沙特等人發現扭曲絲狀液晶場效應，液晶顯示技術才得以在全世界范圍內迅速發展。1973年英國大學教授葛雷發現聯苯液晶可以制作lcd，使得日本夏普研制出第一臺液晶電子計算器lcmate<el-805>6，標志著lcd真正步入工業化，推進了lcd產業的崛起。1987年休斯公司成功展示了電荷耦合器件尋址液晶光閥，至此利用光尋址液晶空

18、間光調制器制成的電尋址液晶空間光調制器也逐漸出現在人們的視線中。九十年代日本濱松光電公司研制出透射型lcd電尋址的slm。同時期我國也成功研制出一種陰極射線管耦合液晶光閥。這些電尋址液晶空間光調制器結構可拆分，可以單獨作為光尋址使用，也可以組合在一起作為電尋址空間光調制器使用，大大提高了應用范圍又降低了成本。 1.3 近年來液晶空間光調制器的應用 近年來，隨著液晶空間光調制器的發展，液晶空間光調制器在很多領域都有著廣泛的應用。 1998 年，b. loiseaux等人采用光尋址液晶空間光調制器對一束激光光束進行相位和振幅的控制7。激光的脈寬為10ns、波長為1.064m、重復頻率為30hz，整

19、形的面積是1cm2。液晶分子平行排列，為雙折射模式，所用液晶空間光調制器響應時間大約為20ms，對偏振光峰值的透過率大于70%。若是用于對偏振光的整形，透過率則會降低至35%。2003年，j. bourderionnet等人報道了關于利用內腔液晶光閥對激光空間模式進行控制的實驗。實驗中被整形的nd：yag（釔鋁石榴石晶體）激光采用的是808nm的半導體光端面泵浦，實驗結果得到的輸出激光脈沖脈寬為100s、波長為1.064m、光功率為800w。根據激光震蕩器的增益與損耗的平衡，把液晶光閥放到腔內，可以明顯提高泵浦能量利用率和整形后輸出的激光能量。然而這種做法也有不足之處，那就是腔內功率密度較高，

20、光路比較復雜，且極容易損害光閥。2005 年，n. sanner等人利用光尋址液晶光閥對飛秒脈沖的光束截面進行整形。實驗采用的是脈寬為120130fs、中心波長800nm、單脈沖能量為4j（放大器）與5nj（振蕩器）、重復頻率為50250hz（放大器）與76hz（振蕩器）的ti：sapphire（摻鈦藍寶石晶體）激光。將單晶光導體bso（即硅酸鉍晶體片）與光尋址液晶光閥厚14m的液晶層裝到兩面透明的電極里，在1cm×1cm的凈面積上，可以形成100×100個尋址點，且分辨率為100m。由于是光尋址，不存在像素造成的低開口率的問題，因而液晶光閥的光投射系數高達80%。飛秒激光

21、脈沖是用望遠鏡對光束進行擴束，然后利用半波片調節其在液晶光閥上的偏振方向。藍光（波長450nm）通過256×256的視頻投影屏將其相位分布圖投射到液晶光閥上。為取得更好效果的衍射相位圖，可以對經過液晶光閥衍射后的光束進行取樣，并用相位傳感器測量取樣部分的相位，然后用適當的光學反饋形式對取樣光束進行實時校正。 圖1-1 光鑷子近年來，經常有關于液晶空間光調制器應用于生物光學顯微中的報道。利用液晶空間光調制器實時調制光學顯微中成像光的振幅/相位，不僅可以顯微傳統的生物樣本的相位，還能以復雜的相位調制方式，如螺旋相位濾波，得到新的顯微圖像。該方式和光鑷技術、熒光顯微相結合，大大地豐富了生物

22、顯微技術。圖1-1即為生物學中應用較多的“光鑷子”，“光鑷子”可以細微到細胞程度，比如可以用“光鑷子”按住一個細胞，實現對該細胞的人為改造。還可以利用“光鑷子”測量單個肌肉蛋白分子，進而研究動物肌肉活動8。圖1-2 利用計算全息重現預想圖像液晶空間光調制器可以動態控制光束的偏轉，生成可以重現遠場預想圖像的計算全息圖。計算全息是利用計算機形成的，通過液晶空間光調制器顯示其全息圖，利用相干光照明重現預想物的圖像。計算機形成全息圖通常分為以下幾個步驟：讀圖、二維離散傅里葉變換、編碼9。圖1-2是實用計算全息重現的預想圖像，中間亮斑是中央零級衍射斑。1.4 本文研究的目的和工作本文選擇的是索尼公司為投

23、影儀設計的型號為lcx026的液晶屏，因此主要是用在強度調制，伴隨有相位調制等方面。本文將對驅動電路進行重新設計，將驅動電壓控制在能夠實現純相位調制的區域，從而便于進行空間光場的研究。本文的章節內容安排如下：第二章介紹了液晶材料以及各種光學特性，然后，簡要分析了電尋址液晶空間光調制器的結構和調制原理。第三章說明設計制作液晶空間光調制器的過程。首先選擇合適的液晶屏，本文選擇的是sony公司型號為lcx026blt的商用液晶屏，然后根據設計要求對液晶屏進行一些調整，如將加載在液晶分子兩側的電壓設定在可以實現純相位調制的區域，同時修改電源結構、縮小線路板的尺寸，最后完成整個電路的設計。第四章在液晶空

24、間光調制器設計完成后，將液晶空間光調制器調制到純相位，根據相位調制特性制作位相光柵，利用位相光柵進行光衍射實驗，并測得衍射斑的空間位置；在液晶空間光調制器的相位調制模式中寫入菲涅爾波帶片，制作陣列透鏡，模擬透鏡的聚焦效果，并測得焦面光強分布。第二章 液晶空間相位調制器的結構原理和分類 本章首先從液晶的基本概念開始，介紹了液晶的一般形態和各種重要的光學特性。然后給出了液晶連續體理論，最后簡單介紹常見的兩種電尋址液晶空間光調制器的結構和工作原理。2.1 液晶材料及光學特性2.1.1液晶的種類及其物理特性 目前發現及人工合成的液晶已有幾千種，可以分為溶致液晶和熱致液晶兩類。溶致液晶是指結晶晶格由于溶

25、劑而被破壞形成的液晶；熱致液晶是指結晶晶格由于加熱而被破壞形成的液晶。在顯示領域廣泛應用的大多屬于熱致液晶，本文中用于空間光調制器的所有液晶也都是熱致液晶，因此本文主要討論的就是此類液晶。根據分子排列狀態的不同熱致液晶可以分為三種(圖2-1)：向列相液晶（nematic, 又稱為絲狀液晶）；近晶相液晶（smectic, 又稱為層狀液晶）和膽甾相液晶（cholestevic,又稱螺旋狀液晶），如圖2-1所示 (a) (b) (c)圖2-1 液晶分子排列模式 (a)向列相 (b)近晶相 (c)膽甾相向列相液晶分子是條狀或棒狀的，分子長軸都朝向同一方向，其它排列則毫無規律可言。向列相液晶最大特點是在

26、電場、磁場、機械力和表面力的影響下，分子排列全部朝著同一方向。近晶相液晶分子形狀與向列相液晶一樣，也是條狀或棒狀的。與向列相液晶不同的是近晶相液晶分子的排列成層狀，每一層中分子的位置完全無序，但卻有一定的排列方向，分子的長軸方向與層面垂直或傾斜。層與層之間可以滑動。在二維空間的平面內分子是可以滑動的，但是不能超出垂直層。膽甾相液晶是由扁平狀的分子組成，分子排列成層狀，同一層中分子的排列方向相同。如果各層中分子的排列方向發生一定的偏轉，分子排列的方向就會與面的法線形成螺旋狀。當分子長軸沿著螺旋方向變化360°之后，分子排列就會又回到初始取向了。實際各種材料都是在特定的溫度下處于特定的相

27、態，即隨溫度的改變會產生相態的變化10。 液晶的物理特性包括有序參量以及介電各向異性：有序參量反映的是液晶分子排布的有序度；介電各向異性決定電場中液晶分子的行為。液晶分子長軸方向和短軸方向的介電常數是不一樣的。液晶的電導各向異性反應的是液晶的導電性。2.2 液晶的連續體理論 連續體理論表明物質的宏觀物理性質可以通過構成物質的原子、分子的微觀狀態來描述。特別是在電磁學、彈性力學以及流體力學等方面使用該理論來解釋液晶的宏觀特性時，效果非常好。 液晶分子的排列主要受三個力的作用：分子間作用力、外力以及界面力。實際應用中，把通過施加外力改變分子排列狀態過程中的液晶看成一個在外力作用下會發生彈性形變的彈

28、性連續體。 液晶內部發生的彈性形變一般有三種基本形式（圖2-2）：展曲(splay)、扭曲(twist)和彎曲(bend)。三種彈性形變的彈性常數各不相同，展曲彈性常數為k11，扭曲彈性常數為k22，彎曲彈性常數為k33，或者總稱為彈性常數為kii。 (a) (b) (c)圖2-2 液晶相列彈性形變圖 (a)展曲 (b)彎曲 (c)扭曲2.3 液晶的電光效應 液晶的電光效應是指液晶的光學特性會在外電場的作用下發生改變。液晶分子具有液體的流動性，即沒有固定的排列，能夠自由移動。液晶分子又具有電導各向異性和介電各向異性的電學特性，因而液晶分子的排列狀態會隨著外電場發生變化。又因為液晶分子具有各向異

29、性的光學特性，因而整個液晶盒的光學效應也會隨著外電場發生改變。液晶分子的雙折射特性，使得液晶盒顯現出許多獨特的光學性質，如光散射、光干涉和旋光等11。液晶的電光效包括動態散射效應、電控雙折射效應、扭曲效應、賓主效應、熱光學效應等等。本文討論的空間光調制器主要利用了電光效應中的電控雙折射效應，即在電場作用下液晶指向矢方向會發生變化的效應。(1) 動態散射效應動態散射效應是指當施加在液晶盒上的交變電場有一定的強度并且頻率比較小時，液晶分子的運動會變得紊亂，從而使得各處折射率隨時間發生變化，入射光發生散射的現象。撤除外電場時，某些液晶的動態散射效應不會立刻消失，而是會持續一段時間，這種現象被稱為具有

30、記憶功能。在低溫的條件下記憶功能的持續時間會比較長，甚至可持續幾個月，因此動態散射效應多應用于液晶顯示和存儲。實際應用中，加一個臨界頻率的電場就可以擦除動態散射效應的記憶12。(2) 液晶的雙折射效應液晶可以視為一種單軸晶體，能對經過它的光發生雙折射（如圖2-3），這也是液晶對經過它的光發生調制作用的原因。 (a) (b) (c) (d)圖2-3 射入液晶的光線的前進方向 (a)垂直入射均勻介質 (b)垂直入射液晶 (c)垂直紙面的偏振光入射液晶 (d)平行紙面的偏振光入射液晶 液晶是光學各向異性的物質，分子軸平行與垂直兩個方向上的折射率是不同的，液晶分子軸即是光軸。如圖2-3(a)所示，即使

31、是折射率不同，當光線垂直射到兩個均勻的各向同性介質界面時，光線的傳播方向仍然不會發生改變。如圖2-3(b)所示，光沿著光軸入射，光的傳播方向同樣不會改變。然而對于如圖2-3(c)與(d)來說就不僅要考慮液晶的各向異性，還要考慮到液晶分子軸與入射光偏振方向之間的夾角。圖2-3(c)中，入射光是只含有偏振方向與紙面垂直的偏振光。這時入射光的振動方向垂直于光線、光軸組成的平面，因而該光線是o光即尋常光，遵守折反射定律，照直前進。圖2-3(d)表示的是入射光只含有與紙面平行的偏振光，其振動方向與光線、光軸組成的平面平行，是e光即非常光，這時的光線有偏轉角。對液晶來說，光線向分子軸方向偏折。這和液晶分子

32、垂直于界面，入射光沿某一角度入射的情況相同。通常，入射光既含有圖2-3(c)所示的偏振光方向，也含有圖2-3(d)所示的偏振光方向。因此一束光入射時既產生e光，也產生o光，即是說光在液晶中傳播時會產生雙折射。由于液晶的雙折射特性，液晶分子在被施加電壓時結構會發生扭轉，因此會產生電致雙折射效應。當施加一個電壓在液晶盒兩端時，液晶分子在電場的作用下會發生極化。此時極化的液晶分子會受到一個轉矩產生旋轉的現象，使得液晶分子不再是按照扭曲結構排列，破壞分子原有的排列，結果會使液晶盒對入射偏振光產生雙折射效應。 一般來說，在向列扭曲液晶盒兩端加上偏振方向互相垂直的偏振片，在不施加電壓的情況下，輸出光為零。

33、在液晶盒兩端加上電壓，因為電致雙折射效應，入射光穿過液晶盒后變成橢圓偏振光岀射，因此有一部分光會通過檢偏器岀射。外場的大小和液晶分子間、液晶分子與基片表面間作用力決定了分子長軸的偏轉方向，其值在0°90°之間。使液晶盒開始產生電致雙折射效應的閾值電壓約為24v。由于液晶具有電致雙折射效應，因而可以通過調節電壓來調制液晶產生不同的相位。垂直入射光經過液晶盒時產生的e光和o光之間的相位差可以由公式(2.1)與(2.2)得到： (2.1) (2.2) 其中的是液晶指向矢和z軸（所加電壓方向）之間的夾角角度，由于角的大小和液晶兩端所施加的電壓有關，因此電控雙折射產生的相位調制也和液

34、晶兩端所加電壓有關。(3) 扭曲向列效應液晶盒的結構如圖2-4所示，基片b1和b2經過摩擦定向處理使得摩擦預定方向互相垂直，從而基片內表面的液晶分子可以沿著預定的互相垂直的方向排列。在基片b1前放置起偏器p，且使其透光軸方向平行于b1上液晶分子的長軸方向；在基片b2后放置起偏器a，且使其透光軸方向垂直于b2上液晶分子的長軸方向。如圖2-4(a)所示，入射光自左垂直入射到不施加電壓的液晶盒時，在液晶盒內，起偏器p產生的線偏振光的偏振方向始終與液晶分子的長軸方向平行。當光波通過液晶盒后，其偏振方向將會旋轉90°,此時偏振方向垂直于檢偏器的偏振方向，光波恰好完全不能通過。如圖2-4(b)所

35、示，由于液晶分子的取向會受電場的影響，因此當在液晶盒上施加一個適當的電壓時，大多數的液晶分子的長軸將沿著電場方向排列，這基本不會影響到入射的線偏振光的偏振態，因此有一部分光可以完全通過檢偏器a。(a) (b)圖2-4 液晶的扭曲 (a)液晶盒不加電壓時 (b)液晶盒加電壓時(4) 相變效應相變效應是指因磁場或電場作用發生的膽甾相向列相變的電光效應。在無外加電場時膽甾型液晶內部呈現分子團結構，不同分子團的排列方向是各不相同的，所以液晶總體呈現乳白色不透明狀態。當施加一定值的外電場后，大部分分子會沿外場排列，分子團排列不再是原有的膽甾型，而是變成接近于垂直排列的向列型液晶，這時液晶盒時透明的13。

36、(5) 賓主效應晶體會呈現出二向色的光學性質，一些有機染料只在某一范圍的可見光中表現出二向色性，然而在其它的波長范圍里，光波不是被全部吸收就是完全不被吸收，這與晶體光矢量的相對方位無關。另一些晶體，光矢量平行于分子長軸時，吸收某波長的光，與長軸垂直時，吸收另外波長的光。這類晶體的軸與光矢量位置的相對變化會導致岀射光彩的變化。(6) 混合場效應 混合場效應，其實就是指電致雙折射效應與扭曲效應的結合。通過是否施加電壓控制液晶器件的“開關”狀態。2.4空間光調制器的原理空間光調制器含有很多排列成一維或二維陣列的獨立單元，各個單元都可以完全獨立地在電學信號或者光學信號的控制下，利用各種物理效應（聲光效

37、應、泡克耳斯效應、半導體的自電光效應、磁光效應、光折變效應、克爾效應等）來改變光學特性，實現對照明在其上的光波進行調制的目的。通?！跋袼亍笔侵附M成空間光調制器的獨立小單元，“寫入光”是指控制像素的信號，照明整個期間并被調制的輸出光波被稱為“讀出光”， “輸出光”則是指經過空間光調制器后岀射的光波；形象的說，空間光調制器可以看做是一塊能夠按照需要快速調節透射率或其它光學參數分布的透明片，顯然，寫入信號應含有控制調制器各個像素的信息，把這些信息分別傳送到相應像素位置上去的過程，即被稱為“尋址”14。最常見的空間光調制器是液晶光閥(lclv)，其原理圖如圖2-5所示。圖2-5 液晶光閥原理圖 圖2-

38、5中，a和f表示玻璃，在兩塊玻璃板內側有透明電極，可以施加電壓；b層為液晶，左右兩側分別裝有經過處理的隔絕層；c層是介質鏡；d是光阻擋層；e是光導體，例如硫化鎘。在寫入光強度較低時，光導體的電阻很高，電壓幾乎都加在光導層上，液晶層上電壓降很小。當寫入光的光強達到一定值時，光導體電阻急劇下降，液晶層上電壓迅速增大，盒里的液晶分子在電場的作用下會逐漸沿電場方向排列，軸向與表面垂直的方向偏轉，其偏轉程度與電場強度有關。2.5空間光調制器的分類空間光調制器一般按照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射型和透射型，而按照輸入控制信號的方式不同又可分為光尋址和電尋址（ 圖2-6）。需要指出的是：(1) 光尋址

39、時實際上是利用適當的光學系統在空間光調制器的像素平面上將一個二維光強進行分布成像，使調制器與寫入信號的像素在空間上一一對應，以此來實現尋址。光尋址是一種并行的尋址方式，這種方式的特點是尋址速度最快，所有像素的尋址幾乎是同時完成的，并且理論上來說像素的大小只受尋址光學成像系統分辨率的限制。但是要防止寫入光和讀出光之間的串擾，一般是在空間光調制器做成反射式的，并且在中間添加一個隔離層，也可以使用不同波長的光，利用濾光片消除它們之間的串擾。(2) 電尋址時像素是由一對相鄰的行電極和一對相鄰的列電極之間的區域構成的。電尋址是一種串行尋址方式，如果在光信息處理鏈中有一個電尋址，一維串行處理將會代替二維并

40、行串行處理，這樣一來處理速度會立即降下來。此外，由于縮小電極尺寸有一個限度，而電尋址傳遞信息是通過條狀電極來完成的，因此像素尺寸也有限度，即有一個分辨率極限。由于電極本身不透明，因此像素的有效通光面積與像素總面積之比即開口率較低，光能利用率不高15。slm寫入（電）信號讀出光輸出光slm寫入（電）信號讀出光輸出光(a)(b)slm寫入光輸出光slm (c)寫入光讀出光輸出光 (d) 圖2-6空間調制器示意圖 (a)透射型電尋址 (b)反射型電尋址(c)透射型光尋址 (d)反射型光尋址2.6電尋址液晶空間光調制器常見的電尋址液晶空間光調制器有兩種：一種是矩陣尋址式液晶光閥，另一種是電荷耦合器尋址

41、式液晶光閥。ccd是一種陣列器件，內部有許多mos結構單元。每個mos單元中存儲著一定的可以作為信息的電荷。在時鐘脈沖的控制下mos單元中的所有電荷可以整行轉移到相鄰單元中區，不斷重復就會形成電荷的面陣，簡單來說，ccd電路是一個結構單元，它可以實現串行輸入電壓信號到電荷面陣的轉變。ccd通過改變電荷分布來改變電極電壓，從而實現對光波的二維調制16。矩陣尋址液晶光閥的特點是液晶盒上的電極不是整個面分布的片狀電極而是柵狀電極，前后基片的柵條電極互相垂直，因而使得盒中的液晶呈矩陣排列結構，通常將一個結構單元看成一個像素。這樣一來將適當的電信號加在兩組柵條電極上，就可以分別控制每個像素的透過率，從而

42、實現對光波的調制。除此之外還有采用性能較好的鐵電晶體制成的表面穩定鐵電液晶光閥。這種液晶光閥對于一般的液晶光閥來說有一個很大的突破，那就是響應速度提高了很多，在室溫下，其響應時間可縮短至180ns，而且反差也有很大的改善，一般在室溫下可達到1500：11719。2.7本章小結本章從液晶的材料出發，介紹了液晶的各種光學特性，主要介紹了液晶的電光效應，包括電控雙折射效應、扭曲效應、賓主效應、動態散射效應、混合場效應等等。然后簡單介紹了液晶空間光調制器的原理和分類，對電尋址液晶空間光調制器的主要兩類也做了一個簡單的說明。兩種空間光調制器各有特點：光尋址空間調制器是并行尋址，電尋址空間光調制器則是串行

43、尋址，就尋址速度而言，光尋址比電尋址的要快得多。然而光尋址空間光調制器的像素大小主要是受光學成像系統分辨率的限制，如果成像系統分辨率不高，那么制成的空間光調制器成像就會比較模糊。電尋址傳遞信息則是由電極完成，雖然像素會受到電極尺寸的影響，但是和成像系統本身的分辨率沒多大關系。本文中選用的是液晶來制作調制器，液晶的分辨率并不高，因而決定制作電尋址空間光調制器。電尋址空間光調制器的像素分辨率可以通過調節電極尺寸等方法進行調整，在后文中，將會詳細介紹制作電尋址液晶空間光調制器的過程。 第三章 液晶空間光調制器驅動電路設計空間光調制器系統的工作過程是接受來自計算機的顯卡輸出，對信號進行處理，將視頻信號

44、顯示在晶體管液晶屏上，這整個系統由硬件和軟件部分組成20。本章首先介紹液晶屏像素掃描及構造原理。然后詳細介紹了空間光調制器的驅動電路的作用及各部分組成，根據選擇的液晶屏設計驅動電路，對驅動電路中的寄存器設置過程及軟件的編寫進行了分析。最后制作出符合要求的印制電路板(pcb)板。3.1 液晶屏顯示模塊介紹本文采用的是sony公司生產的型號為lcx026blt的多晶硅薄膜晶體管液晶屏來制作空間光調制器系統，如圖3-1所示為薄膜場效應晶體管顯示器(tft lcd)示意圖。選用的液晶屏分辨率為800×600點，有源矩陣對角線長2.3cm，支持vga，svga等視頻信號，還支持pal以及nts

45、c等電視視頻信號格式。液晶屏內置去串擾、行列驅動器、鬼像電路以及圖像上/下、左/右反轉功能。 圖3-1 tft lcd的結構示意圖液晶屏的輸入端共有24個信號端子，可分為以下三類：(1)行場方向的同步信號：顯示屏顯示的控制信號，包括行和場方向的各種觸發信號及時鐘信號。(2)視頻信號：共6根信號線，顯示的內容是通過信號線來輸送的。(3)電源信號：包括行場掃描所需要的兩個電源及公共的電極電壓信號。行移位寄存器、門電路和cmos采樣保持電路構成行方向驅動器；行方向觸發信號到來時會依次選通該行的每個像素，每一行的視頻信號在掃描進行位寄存器之后再將視頻信號添加到液晶像素上；而場移位寄存器、使能端和緩沖器

46、則構成場方向驅動器，當場方向觸發信號到時，液晶屏上一行顯示像素的使能端將會被場方向驅動器打開，這樣一來行移位寄存器中存儲的一行視頻信號就會被平行地送入該行的液晶分子上，逐行掃描，從而實現全畫幅的控制。3.2 驅動電路設計3.2.1 驅動電路的作用slm對光的折射率與驅動電壓呈單調性關系，實際的應用中，可以將調制器做成與lcd的像素陣列類似的結構，一個電壓單獨地控制一個像素點，這樣一來就可以實現整個調制器控制一個光陣列的折射率，之后再將光信號傳輸到調制器的表面，因為像素的折射率都不相同，所以折射后的光線就相當于完成了一次二維矩陣矢量運算，這種運算可以在一個電壓轉換期間完成對數據的乘積、加權運算，

47、因此與普通的cpu相比，這種光信號處理器效率更高，功耗更低，更加適合應用到今后的高速低功耗信號處理中。 整個slm驅動電路系統主要有六個電路模塊，分別是輸入緩沖器、驅動電路陣列、控制電路、偏置生成電路、dac陣列以及dac緩沖器。3.2.2 驅動電路的設計 針對所選用的液晶屏，本文設計驅動電路構成空間光調制器系統采用的是與該液晶屏配套的專用芯片，包括視頻信號前置放大芯片(cxa2lllr)，專用鎖相環芯片(cxa3106aq)，視頻驅動芯片(cxa2ll2r)以及時鐘信號發生芯片(cxd3500r)等。3.2.3模擬視頻信號處理(a) (b)圖3-2 輸入的灰度及其對應的信號波形 (a)輸入的

48、灰度；(b)視頻信號波形圖如圖3-3所示是視頻信號進入cxa2111r中的處理過程。利用液晶屏顯示光學圖像轉化成電信號傳輸的結果。如果想要無失真的重現光學圖像，就必須讓液晶屏輸入灰度與輸出灰度成線性關系，也就是說視頻信號的傳輸特性曲線為線性，這由cxxa2111r的伽瑪校正來決定。該芯片提供了視頻信號曲線上的黑電平1、黑電平2與白電平三點的位置及增益的伽瑪校正。通過伽瑪校正可以調節不同灰度位置的增益大小、改變增益曲線，從而來保證圖像無失真。而實現伽瑪校正既能通過對內部寄存器值的設置也可以通過芯片外部引腳電平來調整。鉗位伽瑪校正增益控制驅動至下一級鉗位脈沖控制控制圖3-3 cxa2111r對信號

49、的處理流程 cxa2111r的偏置電壓的調節范圍是-0.960.96v，放大器增益調節的范圍為0.352.26，通過對以上兩個參數的合理設置，可以使達到cxa2111r的視頻信號輸出范圍是1.83.3v，滿足輸入下一級電路的要求。液晶屏的直接驅動芯片是cxa2111r，芯片作用包括視頻信號的采樣保持、反轉放大以及產生公共電極電壓。為防止液晶屏的老化，采用方向交替變化的交流電場作為驅動方式，在cxa2111r芯片內部建立反轉放大器，從而避免液晶分子的偏轉方向總是不變。本文采用的是行反轉的驅動方式，其視頻信號運算的關系為：反轉情況： (3.1)不反轉情況： (3.2)圖3-4 反轉放大器 (a)輸

50、入 (b)輸出信號關系示意圖輸入到cxa2111的信號通過反轉放大器時是由反轉信號(frp)來控其放大狀態，當frp信號為高電平時，反轉放大器處于反轉放大狀態，信號放大2.7倍，frp信號為低電平時，反轉放大器處于不反轉狀態。反轉操作是圍繞著約為7v的中心電壓sigcen來進行的，中心電壓也等于公共電極電壓vcom，如圖3-4所示為其信號間的關系。利用一個高速視頻放大器ad811構成的加減法電路來處理視頻信號。首先將整個輸出的視頻信號抬升1v，frp信號的電壓幅度大約為3.3v，可以將frp信號的幅度調節成2v。由于frp信號觸發視頻信號的反轉，此時可以將抬升1v后的視頻信號減去frp信號，減

51、去的部分正好就是直流偏置電壓的視頻信號in。如圖3-5(a)所示是反轉前的視頻信號，圖3-5(b)是去掉了直流偏置電壓的反轉后的視頻信號。(a) (b)圖3-5 反轉前后視頻信號 (a)反轉前的視頻信號 (b)反轉后的視頻信號3.2.4 數字同步信號處理 根據本文采用的液晶屏，選擇行同步信號頻率為37.88khz，場同步信號頻率為60hz，則所需要產生的像素時鐘信號頻率應該是40mhz。 cxa3160aq是內部有振蕩器和計數器的鎖相環控制器，如表3-1所示計數器設置倍率可以通過寄存器設置值來給出。所以系統所需要的基準時鐘可以由輸入到cxa3106aq的行同步信號經過倍頻產生。表3-1 倍率與

52、基準時鐘模式分辨率fsync/khzfclk/mhz計數器設置cl/fr1/vga800×60037.8840.0010560.333300cxd3500r芯片產生svga、xga等視頻信號和ntsc、pal等電視信號所需的掃描控制時鐘信號，單片機通過外部spi通信接口可以控制其工作模式。該芯片還支持反轉、場反轉兩種驅動方式和顯示圖像的左/右/上/下反轉掃描時序。圖3-6 svga模式下的工作時序圖將cxa3106aq產生的外部同步信號mclk輸給cxa2111r作為像素采樣時鐘。cxa2111r具有調整像素時鐘相位的功能，因而能實現高精確且穩定地控制像素采樣時鐘。時鐘信號發生器cx

53、d3500r接收到行同步信號dsync、基準時鐘信號clk及場同步信號vsync之后，按照其內部固定時序生成模式，會產生包括場開始信號vst、行開始信號hst以及場掃描時鐘信號vck與行掃描時鐘差分信號hck1、hck2等掃描時鐘。此外液晶屏控制時鐘包括左右鏡像控制時鐘rgt、上下翻轉控制時鐘dwn、液晶屏的工作模式選擇信號mode1-3、門選通信號enb以及翻轉時鐘控制信號frp等等，svga工作模式下的時序圖如圖3-6所示。3.2.5 數字同步信號處理at89s52是一種具有8k系統可編程的flash存儲器的8位cmos微控制器，其優點是高性能、低功耗，且與工業80c51產品引腳和指令能完

54、全兼容，可在常規編程器中使用。at89s52在單芯片上擁有8位cpu和在系統可編程flash，使其為眾多嵌入式控制應用系統提供了高靈活、有效的解決方案。在本電路系統中，驅動控制電路中各個芯片進行寄存器值的設置是利用單片機系統來完成的，包括cxa3106aq、cxa2111r及cxd3500r，通過這樣的方式來調整芯片的工作模式、伽瑪校正、放大倍數以及計數器設置等功能。本電路系統中的寄存器很多很繁亂，而在實際應用中，有時僅僅需要調節其中某個寄存器值而又不想重新載入單片機程序，因而可以添加串口通信模塊，編寫串口通信程序，使用軟件方式來對寄存器值進行調整。3.3 軟件設計利用at89s52來設置cxa2111r、cxa3106aq和cxd3500r的寄存器值。不同寄存器的設置方式并不相同，對于視頻信號前置處理芯片cxa2111r，本文使用12c總線的通信方式，而對于時鐘發生器cxd