1、大連理工大學碩士學位論文高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究姓名：孫慶華申請學位級別：碩士專業：測試計量技術與儀器指導教師：胡家升20091216大連理工大學碩士學位論文摘要液晶空間光調制器在實時光學信息處理、光計算和光學神經網絡等系統中作為基本的構造單元或關鍵的主動器件，在光學相關、光互連、數字圖像加密、數字全息、激光波前整形等領域有著廣泛的應用。隨著全息存儲、全息顯示等光信息技術的不斷發展，為提高系統的信息處理能力，對純相位液晶空間光調制器的分辨率提出了較高的要求。本文以此為出發點，從以下幾個方面進行了研究：簡單介紹了液晶空間光調制器的發展及研究現狀，從瓊斯矩陣理論，液晶電光特性及薄膜場效

2、應晶體管扭曲向列型液晶屏結構及尋址特點等方面分析了電尋址液晶空間光調制器實現振幅及相位調制的基本原理。根據所選用的高分辨率液晶屏的驅動結構和電光調制特性，在實驗室原來設計的液晶空間光調制器基礎上，保留其單片機控制模塊和視頻信號處理模塊，重新設計視頻信號驅動電路和時鐘發生電路，同時調整寄存器參數設置，以適合高分辨率液晶屏的驅動條件。運用馬赫曾德干涉儀對設計完成的高分辨率液晶空間光調制器進行相位調制特性和幅度調制特性測量。首先介紹測量光路和通過干涉圖進行相位測量的方法，然后通過調整偏振片的取向，找出最大相位調制狀態，在這種狀態下對強度調制量進行測試，看是否滿足純相位調制的要求，對所測數據處理，繪制

3、出調制器的相位和強度調制特性曲線。將所設計的高分辨空間光調制器作為相移器件用于數字全息實驗，用相移法記錄物體的率全息圖并通過計算機重構，并得到了較好的結果，表明其在全息等光信息處理領域的應用價值。關鍵詞：液晶空間光調制器；高分辨率；純相位調制；強度調制；液晶屏驅動電路高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究，姆，：，：；大連理工人學碩學位論文大連理工大學學位論文版權使用授權書本人完全了解學校有關學位論文知識產權的規定，在校攻讀學位期間論文工作的知識產權屬于大連理工大學，允許論文被查閱和借閱。學校有權保留論文并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據

4、庫進行檢索，可以采用影印、縮印、或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。學位論文題目：作者簽名：導師簽名：大連理工大學學位論文獨創性聲明作者鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經注明引用內容和致謝的地方外，本論文不包含其他個人或集體已經發表的研究成果，也不包含其他已申請學位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處，本人愿意承擔相關法律責任。學位論文題目：作者簽名：大連理大學碩士學位論文緒論空間光調制器介紹空間光調制器（）是指通過加載控制信號來改變輸入光信號的振幅、相位或

5、偏振態等光參量，實現對光信號的空間分布進行調制的器件。這類器的主要特點就是能夠將信息加載在一維或者兩維的光學數據場上，充分的利用光的固有速度、并行性和互連能力，因此成為構建實時光學信息處理，光計算和光學神經網絡等系統的基本構造單元和關鍵的主動器件，廣泛應用于自動模式識別【】，光學數字混合相判訓，以及高速光互連【】、光邏輯運算和閥值開關等領域。一一一圖空間光調制器示意圖空間光調制器的簡單示意圖如圖所示。與對光的“整體”進行作用的一些調制器不同，空間光調制器包含許多陣列式排列的獨立單元，每個單元都可以在寫入的控制信號作用下對光信號進行調制，因此可以形成隨二維坐標變化的振幅、相位、波長、偏振太等光參

6、量的分布。控制這些單元的信號稱為“寫入信號；射入器件的光波稱為“輸入光”；經過空間光調制器調制后的輸出光波稱為“輸出光。目前空間光調制器的種類繁多，主要有微通道板、可變形反射鏡陣列、磁光器件、聲光器件、多量子阱等四十多種。液晶空間光調制器作為其中一種，是基于液晶分子電致雙折射效應的有源數字光學器件，其受控單元為獨立的像素單元，在空間上排列成一維或者二維陣列，每個單元可獨立接收光信號或電信號等控制信號，可對輸入光波進行高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究像素級的調制，靈活改變光波的波前。且由于其具有低功耗、小型化、可實現程序控制、易實現對光波的相位調制等特點而得到廣泛的應用。液晶空間光調制器的發

7、展及研究現狀液晶空間光調制器的發展是伴隨著液晶和液晶顯示而發展的。液晶【】是液晶顯示的核心，也是液晶空間光調制器的核心。從奧地利植物學家于年從顯微鏡發現液晶后的大半個世紀，由于其應用前景相對缺乏，因此并未受到廣泛的研究。直到上世紀年代，和相繼發現第一個液晶電光效應一鋤疇和動態散射效應，液晶顯示開始發展起來。年代，伴隨著和集成電路、透明導電薄膜、紐扣電池等技術的發展，液晶顯示應用于計算器、手表等電子產品。年，和發現扭曲向列相液晶顯示，年發現晴基聯苯液晶，扭曲向列液晶顯示開始得到廣泛應用。在它的影響下，于年代相繼出現了鐵電液晶顯示、超扭曲液晶顯示和反鐵電液晶顯示等。此外，美國的于年首次提出用有源矩

8、陣驅動液晶顯示，這種驅動方式能夠很好的解決以往液晶顯示在驅動方面的問題（串擾，交叉效應等），使得非晶硅液晶顯示在年代后大量進入實用，且應用領域更加廣泛，諸如筆記本電腦，計算機顯示器，液晶電視等。較早的液晶空間光調制器就是基于液晶電視的，隨著液晶顯示技術的成熟和液晶電視的商用化，人們便開始利用它作為空間光調制器來研究，尤其在利用其實現純相位調制方面。一奶，夕卜。廠相位電壓廠幅度圖等人研究的液品調制特性年，等人【在總結前人實驗的基礎上，提出扭曲向列型液晶可以實現純相位調制。他們認為當給液品分子施加外加電壓時，若外加乜壓值高于弗雷德罩克大連理工大學碩士學位論文茲改變閾值電壓（）但是低于光學改變閾值電

9、壓（）時，分子將呈現出沿著電場方向排布的趨勢，自身的扭曲狀態不變。在這個電壓范圍內，相位改變主要受到液晶分子的有效雙折射效應的影（）。圖是他們得到的實驗結果，可以看到在液晶屏兩端電壓低于閾值電壓時，幾乎沒有強度和相位調制，當所加電壓在和之間時，發生較大的相位調制而強度幾乎不發生變化，繼續增大電壓，當它超過閥值電壓之后，液晶對光波將發生較大的強度調制且伴有一定程度的相位調制。由此可知，只要合理控制電壓方位，扭曲向列液晶便可以實現純位相調制，用這種液晶制造的液晶電視可以在某些情況下制作純相位液晶空間光調制器。為了解決液晶電視為獲得好的圖像顯示效果而設計，主要產生強度調制同時伴有相位調制而不能獲得好

10、的純相位調制，而純相位空間光調制器要求相位調制時不能伴隨強度變化且要有較大的透射率的問題，很多人從純相位調制特性方面的測試以及與其配套的光學系統優化設計等方面作了大量的工作。【】等人于年便對液晶電視的結構及其作為空間光調制器的可行性和工作原理進行了分析和闡述。他還闡述了液晶屏的分層模型，把液晶電視分成若干層，每一層可看作是各向同性的單軸晶體，這樣每一個薄的液晶層都可用一個瓊斯矩陣來表示，整個液晶電視的瓊斯矩陣是各層瓊斯矩陣連乘，這個矩陣包含了液晶電視隨著電壓和偏振態的不同對光波強度和相位調制的信息。】和于年在實驗光路中引入四分之一波片，并運用矩陣進行計算分析，證明了在一定電壓范圍內液晶電視可以

11、實現純相位調制。，】等人于年在理論上得到了特征偏振態的表達方法，特征偏振態可以用兩個四分之一波片和兩個偏振片獲得，它是一種橢圓偏振光，他們目前應用公司的扭曲向列型投影儀液晶屏制作空間光調制器達到了接近萬的相位調制范圍，期間強度變化可控制在之內。胡曉改【，】等人與年對采用較薄的液晶顯示器件實現純相位調制的可能性進行了分析，并且采用重新設計驅動電路的方法獲得了大約萬的相位調制量。等人于年提出了等傾角偏振態法，其橢圓率隨外加電壓變化，他在實驗中只用到一個四分之一波片，并取得了很好的實驗結果。液晶空間光調制器的分類及純相位調制液晶空間光調制器種類很多，通常有以下幾中分類方式：按照寫入信號既控制信號的不

12、同，可分為光尋址【和電尋址【兩類。光尋址主要由模擬的非像素單元構成，大多用作光光轉換器件；電尋址類型主要由獨立的像素單元構成，大多作為電光實時接口器件來使用，這樣，從應用角度又可以將調制器分高分辨率純相位液晶空問光調制器的研究為模擬和數字兩大類。電尋址空間光調制器能夠將光學信息處理與計算機、多媒體等電子技術結合起來，組成光電混合的處理系統，因此成為應用最廣泛的空間光調制器類型。按照輸出光的輸出方式的不同，可分為反射型和透射型兩種。透射型稠制器的輸入光和輸出光分別位于器件的兩側。反射型的輸入光和輸出光位于器件的同側，器件本身有一個反射面，當輸入光波接觸到反射面后被反射，作為輸出光在同側輸出。按照

13、調制器所調制得光波參量的不同，又可分為振幅型、相位型和復合型等。振幅型空間光調制器僅調制輸入光波的振幅分布，而不影響其他光參量，是純振幅（強度）調制器件；相位型空間光調制器僅調制輸入光波相位分布，不改變其他光參量，是純相位調制器件；復合型調制器既可以實現振幅調制又可以實現相位調制。二二礦輸光像素單元一一一一一一削純相位潤制示意蚓研制的空間光調制囂是一種電尋址的純相位透射式液晶空間光調制器，如圖所示。輸入平面光波從一側入射，在控制信號作用下，每個像素單元都獨立地對光波進行調制，經調制的光波從另一側輸出，輸出光波的波前相位在范圍內變化而強度則保持不變，這是理想的純棚位調制。實際上，光波的相位調制范

14、圍和強度變化受到許多因素的影響，諸如輸入光的偏振狀態，液晶盒的厚度，表面分子的傾角等，因而很難達到理想的純相位調制狀態，只能將十同位和強度變化控制在所要求的一定范圍之內。大連理大學碩十學位論文本文研究的目的和主要內容在諸多液晶空間光調制器中【】，用薄膜場效應晶體管扭曲向列液晶盒制作的調制器占有很大比例。顯示模式指顯示器件的性能，特別指最大色彩數以及最大圖像分辨率，主要有、等模式。目前，市場上大部分（）液晶空間光調制器為（最大分辨率為×）和（最大分辨率為×）模式。（最大分辨率為×）模式的液晶空間光調制器由于價格相對昂貴，達到上萬美元，致使應用受到很大限制。利用商用液

15、晶屏設計液晶空間光調制器可大大降低成本。由于商用液晶投影系統是生產廠家為專門的顯示用途設計，并不能實現純相位調制，因此必須對其進行改造。改造的方法主要有兩中，一種是通過調節光學系統參數：如液晶屏液晶分子的扭曲角、表面液晶分子方向、雙折射參量等達到滿意的相位調制特性，這種方法可以獲得較好的調制特性但設計復雜，有時甚至需要重新設計液晶盒。另一種是從驅動電路出發，根據液晶屏電光調制特性，放寬液晶屏所加電壓，找到實現純相位調制的驅動電壓范圍，達到純相位調制的目的。本文正是采用后者，在參考實驗室原來設計的型分辨率的純相位液晶空間光調制器驅動電路的基礎上，結合高分辨率商用屏的驅動電路特點，設計出具有低成本

16、，低功耗，純相位，高分辨率的液晶空間光調制器。本文的主要內容安排如下：（）第二章中，首先論述了研制純相位液晶空間光調制器的基本理論，包括液晶的電光特性，電尋址原理和實現純相位調制的理論分析三個部分。我們所設計的空間光調制器采用的是扭曲向列相液晶，因此在介紹了液晶材料的結構及特征的同時，詳細闡述了向列相液晶的電控雙折射效應和扭曲向列相液晶盒的電場效應和工作原理。此外，我們介紹了液晶空間光調制器的電尋址原理，簡單分析了無源矩陣尋址存在的問題，同時，對薄膜場效應晶體管驅動的有源矩陣尋址原理做了詳細的闡述，這是調制器能夠實現對光波的空間分布及進行像素級控制的基礎。然后介紹了液晶盒外加電壓與調制特性的關

17、系，并運用瓊斯矩陣理論分析了能夠實現純相位調制的理論基礎。（）第三章中，以高分辨率液晶屏所需要的驅動條件為出發點，詳細介紹了驅動電路的實現過程，從總體上給出硬件結構。驅動電路的主要輸入信號就是視頻信號和同步信號，我們以這兩種信號的處理過程為主線，介紹了各個模塊的功能及硬件電路連接。要使整個硬件驅動電路能夠正常工作，軟件的設汁是必不可少的部分，其中最主要的就是對各個芯片寄存器參數的設置。由于各個芯片的寄存器參數是通過巾片機控制的，因此還介紹了單片機系統對、總線的控制以及各芯片對寄存器數掂的寫入要求。高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究（）第四章中，闡述了運用馬赫曾德干涉裝置對所研制的高分辨率純相

18、位空間光調制器的調制特性進行測量的過程及結果。首先給出了測量光路的結構，說明其工作原理和工作過程。然后簡單介紹了衍射譜最小能量法測量相對移動的干涉條紋的過程，最后運用對測量的數據進行處理，繪制出相位調制特性曲線，并給出純相位調制狀態時的強度變化曲線，分析了測量結果。（）第五章中，我們將所研制的調制器用于相移數字全息實驗，作為相移器改變參考光波的相位。這一部分首先介紹了全息理論和基本知識，然后介紹了實驗裝置結構及信息的記錄過程，用空間光調制器作為相移器實現物體數字全息圖像的重構。大連理工人學碩學位論文純相位電尋址液晶空間光調制器研制基礎液晶的電光特性液晶材料結構及特征液晶（）是一種有機化合物，具

19、有液體的流動性和連續性，在分子排列上又具有晶體的有序性。液晶態是物質的狀態之一，其特征是具有取向有序。液晶最早由奧地利植物學家】于年從顯微鏡中觀察發現，至今已有多年。其實液晶并不罕見，液晶材料的種類較多，到世紀未就已經發現了萬多種物質呈液晶相。液晶的種類雖然很多，但根據分子排列的有序性來區分，都可以分為向列相（）、膽甾相（）和近晶相（）三大類。這三種相態的液晶結構如圖所示。圖向列相、近品相和膽甾相液晶結構示意圖擲皂島蟀、近晶相液晶是由棒狀或條狀分子組成，具有二維有序性，分子排列呈現若干層，分子的長軸與所在層平面垂直或傾斜，層的厚度與分子的長度相等，層內的分子排列整齊，分子的長軸相互平行，重心在

20、同一平面上。層與層之間可以滑動，但分子只能在層內前后、左右滑動而不能在上下層之間移動。近晶相液晶的粘度和表面張力都比較大，對外界電、磁、溫度等的變化不敏感。膽型液晶是由膽甾醇衍生出來的液晶，分子呈扁平形狀，排列成層，在同一層中的分子排列方向相同，分子長軸平行于層平面，各層中分子排列方向發塵一定的偏轉，相鄰兩層分子長軸彼此有一輕微扭角（約分），多層扭轉成螺旋形，旋轉的層問距離稱為螺距，螺距大致與可見光波長相當。溫度對膽相液晶影響較大，能引起其高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究螺距發生變化，而它的反射光波長與螺距有關，因此在不同的溫度下，這種液晶的顏色也會不同。在一定強度的電磁場的作用下，膽相液

21、晶可以轉變為向列相液晶。向十液晶是應用于液晶顯示中最主要的一類。本文所設計的液晶空間光調制器所用的液晶既屬于此類。如圖所示，在向列型液晶中，液晶分子彼此傾向于平行排列，單位矢量是平行排列的從優方向，稱之為指向矢。它實際上是宏觀無窮小，微觀上是一個局部空間中相當多分子的從優方向，是衡量液晶分子整體取向的宏觀物理量。此類液晶沒有近晶相液晶的層狀結構，不具有平移有序性，除了棒狀或條狀分子長軸方向沿同一方向排列之外，其它完全無序。但其分子能上下、左右、前后滑動，相互間的作用比較微弱，分子的排列和運動比較自由，因此對外界條件比較敏感。它的最大特點就是在磁場、電場、表面力和機械力的影響下，分子排列傾向同一

22、方向。圖向列相液晶分子排列及指向矢示意圖顯示用液晶大多由棒狀或條狀的液晶分子組成，彼此平行排列且其長軸方向與指向矢方向相同。液晶指向矢的空間分布主要受到液晶的介電常數、彈性常數、外加電壓和邊界條件等影匈，而液晶空間光調制器就是通過外加電壓控制液晶指向矢分布來實現所要求的波前變化特性。向相液晶的電控雙折射效應液晶的電光效應種類很多，諸如扭曲向列效應、動態散射效應、電控雙折射效應、混合場效應等等，其中電控雙折射效應和扭曲向列效應對于液晶空間光調制器起主要作用。由于液晶分子在形狀、介電常數、折射率及電導率等方面具有各向異性的特點，對其施加電場后，分子指向矢空間分和發生變化，其光電特性也會發變化，液品

23、顯示器件及我們所沒計的液晶空間光調制器幣是利用了液晶的這種特性。大連理工人學碩十學位論文要理解液晶的光電特性【】，首先要知道介電點各向異性的概念。在麥克斯韋電磁場理論中，用介電常數來表征物質的極化狀況。若用占。和占分別表示電場與指向矢平行和垂直時液晶的介電常數，則可定義液晶的介電各向異性為：一（）如果占，則為型液晶，具有正的介電各向異性；為型液晶，具有負的介電各向異性。在外電場作用下，型液晶的分子長軸方向與電場方向平行型液晶的分子長軸方向與電場方向垂直。目前的液晶顯示器件以型液晶為主。下面以型向列相液晶來分析線偏振光在液晶中的傳播。沿著型向列液晶長軸方向振動的光波有一個最大的折射率以。，在垂直

24、這個方形振動的光波有一個最小的折射率刀，由晶體的光學理論，這種液晶可視為單軸晶體，分子的長軸方向為光軸，經過的光波產生雙折射，尋常光的折射率刀。刀上，非尋常光的折射率療。刀。，折射率的各向異性表示為：療。一上刀。一。（）設偏振光平行于軸入射且偏振方向與液晶分子長軸方向（指向矢方向）有一夾角秒，如圖所示。圖線偏振光在向列相液晶中的傳播光是一種電磁波，其電磁矢量相互垂直，并都與波的傳播方向（）垂直。電磁矢量的振動方向無規律分布的光波為自然光或者非偏振光，電磁矢量的振動方向有規律分布的光波叫做偏振光，可以足線偏振光或者圓偏振光等。一個沿方向傳播的單色平面光波可以用電矢量表示為：高分辨率純相位液晶空間

25、光調制器的研究一（舷）】（）其中：以竺：咒孥，為波矢量，表示波的傳播方向，大小與光波的波長名和材料的折射系數有關。入射光在、方向上的電矢量可用下式表示：（一屯）（）（上）（上）（）（）（），記，島上，則兩光場的相位差為：萬：磊一島型竺（聆。一以上）：則合成光場可由如下方程表示：（）（堡）（生），型：萬口（）由此可知，出射光的偏振狀態與折射率的各向異性有關。當施加電壓后，液晶分子在電場的作用下被極化，因受到轉矩而發生旋轉，使得液晶分子的空間排列改變，最終導致液晶雙折射率發生變化，各向異性也隨之變化。下面我們給出外加電壓及入射光與相位差萬的關系。前面已經提到相位差是由各向異性決定的，而各向異性取決

26、于非尋常光與尋常光折射率差值。對非尋常光而言，折射率。與光波入射角度有光，經常并不等于。，折射率（）滿足下式關系：（）塑；（）以，上（）則各向異性表示為：（）一。施加電場壓后，相位差萬即是夕）電壓的函數，可表示如下：（）人連理工大學碩士學位論文咿萬扣啪（）脅孕（）其中口（）為液晶分子的傾斜角度。（從上式可以看出，通過改變電壓，就可以控制相位差，以此來控制輸出光波的偏振狀態。這種通過外加電場控制液晶雙折射率的電光效應就是液晶的電控雙折射效應，這是液晶能夠對光波進行調制的主要因素，我們設計的空間光調制器也正是基于液晶的這種性質。扭曲向列相液晶盒的電場效應根據扭曲角的不同，扭曲型器件有扭曲和超扭曲等

27、種類【。我們所設計的液晶空間光調制器所用的是扭曲角為。扭曲液晶屏，通常稱為扭曲向列相（），或扭曲液晶盒。霉【晶一一，；昌一一、，、過沼圖液品盒結構圖扭曲向列液晶盒的基本結構如圖所示，在兩塊帶有氧化銦錫（）透明電極的基板上涂有稱為取向層的聚酰亞胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面形成方向一致的細微溝槽，在保證兩塊基板上的溝槽方向正交的條件下，將兩塊基板密封成為幾個微米的液晶盒，用真空壓注法灌入下性向列相液晶并加以密封，由于上下基板取向槽的方向相互正交，無外電場作用時液晶分子從上到下扭曲。在液晶盒玻璃基板外表面粘貼上線偏振片，使起偏振片的偏振化方向與該基片上的摩擦方向一致或者垂直，并使檢偏振片與起偏振

28、片的偏振化方向相互幣交或平行，這樣就構成了最簡單的扭曲向列液晶盒。扭曲型液晶盒上下表面的液晶分子錨泊方向分別與正交的起偏器和檢偏器的偏振方向平行或者垂直，其作過程如圖所示。高分辨率純相位液晶空間光凋制器的研究圖液晶盒作示意圖入射光通過偏振片后成為線偏振光，無電場作用時，光的偏振方向旋轉，出射時的偏振方向與檢偏振片的偏振方向平行，有光輸出而呈現亮態。施加電壓后，液晶分子受到電場的作用開始傾斜，方位角也發生變化，方位角是所加電壓和分子所在的空間位置的函數。液晶分子的長軸在電場的作用下將產生感應偶極矩，分子空間分布發生變化，呈現沿電場方向轉動的趨勢或動作，無電場作用時的扭曲螺旋結構遭到破壞。如果電場

29、強度大于閥值場強，除了與內表面接觸的液晶分子仍沿基板表面平行排列外，液晶盒內各層分子的長軸都沿電場取向排列，此時通過液晶層的偏振光的偏振方向不變，因而不能通過檢偏振片而呈現暗態。這樣，利用扭曲向列相液晶盒的電場效應，就可以通過控制外加電壓來改變輸出光波的偏振狀念，使其復振幅發生變化，達到改變相位或強度的目的。液晶空間光調制器的電尋址原理的無源矩陣尋址驅動液晶顯示主要有靜態驅動和矩陣驅動【】兩種驅動方式。靜態驅動就是在整個需要顯示的時間內分別同時給藥顯示的段電極施加驅動電壓，直到不需要顯示為止。靜態驅動的優點是對比度高，但要使用較多的驅動元件，應用范；受到限制，只適用于電極數量不多的段式顯示。矩

30、陣尋址驅動實際上足一種簡單矩陣驅動方式，它是把的上下皋板上的電極做成柏互正交的條狀，行列乜極的交叉點就是顯示單元，也就是像大連理工大學碩士學位論文素，這樣可大大減少驅動線的數量，按照時序逐一給各行電極施加選通電壓，即掃描電壓。當選到某一行時，各列電極同時施加對應該行的信號電壓，這樣，行電極掃描一遍就顯示一幀信息。這種驅動液晶顯示的方法就是多路尋址，也可稱為無源矩陣驅動，如圖所示。相比靜態驅動而言，無源矩陣尋址方法可以實現大信息容量的顯示，但卻存在嚴重的交叉效應問題。當在某一個像素上外加一個電壓時，由于行列電極相連，它在別的像素上也會產生壓降。如果外加電壓較大，超過了某些像素點的閥值壓降，那么這

31、些點的亮態和暗態就會生變化，導致顯示信息的不準確。交叉效應的主要原因在于液晶像素可等效為一個電阻，具有雙向導通特性，外加電壓根據等效阻抗的大小分配電壓，對一個像素施加電壓也會由于矩陣網格的交叉耦合使得矩陣上的所有像素都會分攤到一定的電壓。這種效應隨矩陣尋址行數的增加而加劇，降低圖像對比度，影響圖像質量。一氌“二攀：。§。簪÷、，÷敬牟二玎幽無源矩陣驅動示意圖為了增加多路尋址行數，人們做了大量的努力來改進液晶材料，但效果并不理想。后來出現了雙頻驅動，高扭曲角顯示器件和多重矩陣驅動等，雖然使尋址能力大大增強，卻仍未解決矩陣尋址的根本問題。最終，人們找到了一種尋址方法，

32、在每一個液晶像素上設計一個非線性的有源器件，使得每個像素單元都可以獨立驅動，這樣就克服了交叉效應等的影響，既可以提高尋址行數又可以獲得高質量的顯示圖像。薄膜場效應晶體管驅動的有源矩陣尋址有源矩陣驅動因其獨特優勢而廣泛應用于復雜顯示系統，諸如在（像素），（像素），（像素）等顯示模式的設備。有源矩陣高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究液晶顯示多采用扭曲向列型液晶材料，根據有源器件的種類分為二端型和三端型兩種。薄膜場效應晶體管（）液晶顯示器件屬于三端型有源矩陣驅動的器件【】【，它的每個像素上都連接一個薄膜場效應晶體管，因此可以突破尋址數量的限制，從根本上解決了簡單矩陣驅動等存在的問題。的三端為柵極、

33、源極和漏極，它們分別與行電極（掃描電壓）、列電極（信號電壓）和液晶像素電極相連，其主要結構及像素電路如圖所示。【公共電極玻璃基板液晶、數據線圖的結構及像素電路示意圖顯示器的玻璃基板上有透明的公共電極，每一個像素都與公共電極相連。當掃描脈沖加到柵極時，導通，器件具有很小的導通電阻，信號電壓產生大的導通電流并對電容充電，充電電壓迅速升至像素電壓數值，當充電電壓的均方根值大于液晶像素的閥值電壓時，這個像素被選定并能夠顯示。當掃描脈沖選通下一行時，柵極的電壓消失，。斷開，器件具有很大的斷態電阻，電容上的電壓只能通過像素單元（可等效為一個電阻）緩慢放電。如果液晶材料的電阻率很高，就可以使電容上的電壓在此

34、后的一幀時間內始終大于閥值電壓，該像素單元在一幀時間內始終顯示，達到了存儲信號電壓的效果。這樣，掃描脈沖按照一定的時序選通各行，同步選通各列電極，就可以完成逐行掃描，實現整幅畫面的顯示控制。由此可以看到，液品屏的每個像素都對應個尋址，獨立的接收電壓信號，因此每個像素單元都可以獨立的對光波波日，進行調制。液晶空間光調制器以計算機輸出的視頻信號作為驅動源，計算機上加載的數字圖像的每個像素的灰度值與中對應大連理工大學碩士學位論文液晶像素的驅動電壓成線性關系，這樣可以由加載在計算機上的不同灰度級的圖像來控制相應液晶像素上的電壓，易于實現像素級控制和程序控制。實現純相位調制的理論分析瓊斯矩陣的基本理論瓊

35、斯（）矩陣是一種分析偏振光通過復雜系統后出射偏振狀態的方法。它利用矩陣和矢量的形式來表示各種偏光元件和偏振光，只要通過簡單的矩陣運算就可以得到光信號的輸入輸出關系，用數學表示來研究光波通過偏振器件產生的各種現象。向列相液晶的電控雙折射一節中我們簡單提到了偏振光波及其電矢量的表示方法。在右手直角坐標系中，光波沿方向傳播，它可用在軸方向的兩個電場強度分量表示，如公式（），（）所示。這里用矩陣的形式表示其電矢量：乏。；目。（研一，）三：三：三：，科一純蘭：力（，其中，口，分別是，方向上光波電矢量的振幅，織，緲，分別是，分量的初相位，妒為兩分量的相對相位差。由于絕對相位差和頻率并不重要，所以一般將一個

36、偏振光用如下的瓊斯矩陣或瓊斯矢量表示：也州糾妒嘲其中彳，和彳，為復數振幅。若輸入偏振光的瓊斯矩陣為：（）這樣一束偏振光通過某一偏振系統后，出射偏振光瓊斯矩陣為：刪，汜若輸入輸出有如下關系：高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究，歹。刪刪則矩陣即為可實現上述變化的偏振系統的瓊斯矩陣。下面簡單介紹幾種偏振光，偏振器和旋光介質的瓊斯矩陣。（）偏振光的瓊斯矩陣任意角度的線偏振光：（）出左旋圓偏振光：泣堋右旋圓偏振光：（）偏振器的瓊斯矩陣弦二，尺堋一越月則任意角度的水平線性偏振器在坐標系中的瓊斯矩陣：秒口一汜如果水平線性偏振器的主軸方向（偏振器的透光方向）為軸，其與軸夾角為口，（）心了艫（）左旋圓偏振器：

37、歹右旋圓偏振器：（）二（）延遲片的瓊斯矩陣（）大連理工人學碩士學位論文片貓爿坐杯系明仕葸萬司：壓【片沿坐標系的任意方向：（）（）一（）旋光性器件的瓊斯矩陣：盛三翻（）一七、（）堡見。絲力一后、基于瓊斯矩陣的的調制特性分析由液晶的雙折射一節中可知，如果液晶盒具有足夠的厚度，則會具有滿意的雙折射，這樣相位調制是比較容易實現的。但是液晶屏并不是專門為實現純相位調制而設計，且為了獲得較快的響應時間，液晶屏所包含的液晶層越來越薄，使得雙折射量變的很小，這樣就要對液晶屏能否實現純相位調制進行相應的數學分析。圖分層模型高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究任何一塊厚度為的液晶盒都可以劃分為個薄層，而每個薄層都

38、相當于具有相同性質的單軸晶體似的偏光元件，分子的長軸方向為光軸方向，相鄰層的光軸方向較前層有一定角度的旋轉，每層都可用瓊斯矩陣表示，它是尋常光和非尋常光的折射率的函數。整個液晶盒的瓊斯矩陣就是各薄層瓊斯矩陣的乘積：，兀（）如圖所示，液晶盒表面處的光軸沿方向，光波沿軸方向入射，其振動平面沿光軸方向。設液晶盒的總扭曲角度為口，則由于液晶層的連續性，得到第層的扭曲角為：；：竺石一（）¨）設入射到第；層的偏振光瓊斯矩陣為老，則其在該層兩個主方向快軸廠與慢軸）的分量矩陣為：三二一。，耋荔三：如，）液晶的軸方向為延遲片的慢軸，則輸出該薄層的光波可用下式表示：一，每一液晶薄層都相當于相位延遲片，顯

39、示用液晶一般為正性液晶，雙折射為正值，阱勿翮旦肌，阱嘲汜。，（一翮。鬲）（）將上述表達式旋轉到坐標系下，得到輸出光波與輸入光波的關系為：三：卜，）乏尺卜，甄匕，）三：則單個液晶薄層的瓊斯矩陣為：，（，慨（，）（）（大連理工大學碩士學位論文，：酗：；跏措醑斛卜墮；壓（）其中：等（以。一刀口），：等（萬。”。），廠：口）蔓，為液晶盒的雙折射參量。得到液晶盒的瓊斯矩陣后，我們進一步分析整個液晶空間光調制器系統對入射偏振光的作用。設，分別是起偏器和檢偏器偏振化方向與軸的夾角，口為液晶盒的總扭曲角，氛為液晶盒輸入面液晶分子指向矢與軸的夾角。當無外加電壓時，輸出該系統的光波電矢量復振幅瓊斯矩陣為：護（緲一

40、氛地慨啷（向沿軸的偏振片的瓊斯矩陣。將液晶盒的瓊斯矩陣（）代入（）式，整理得到如下關系：汜）其中以，分別為輸出光波和輸入光波的復振幅瓊斯矩陣，尸三三為偏振化方，毒，小。吵鋤一仍國等如一仍國譬竽。鋤傷一瑤一叫（粥）由上式便可得到無外加電壓下扭曲向列相液晶空間光調制器的如下系統特性：光強透過率為：十娜衍刪等叫侈）降蜘傷暫叫，相位延遲量：盯，緲（一妒口，司汜）（高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究施加電壓后，由于液晶的電磁場畸變效應，液晶分子指向矢發生變化，導致液晶雙折射的變化。液晶分子沿電場方向傾斜角度是所加電壓的函數【】，且與液晶的雙折射有如下關系：斗（一警孵三芝汜）一一一三：（）（）厶。（），

41、。其中為液晶分子偏轉的啟示電壓，為偏轉。時的電壓值。將隨外加電壓變化的雙折射參量代入（）和（）式中，作為理論基礎，可能夠得到不同的調制特性。若在所加電壓范圍內只有相位調制，而沒有或伴有幅度不大的強度調制，則為純相位調制。但施加電壓后，液晶分子的指向矢沿軸不再是線性變知空間光調制器的瓊斯矩陣隨外加電場變化，進而對入射光波調制。控制所加電壓，就化，因此實際情況要復雜的多，強度透過率和相位延遲量也很復雜，這罩我們只是在驅動電路的設計中將驅動電壓限制在定范圍，然后通過實驗測量得到調制特性。大連理工人學碩士學位論文高分辨率純相位液晶空間光調制器的驅動設計高分辨率液晶屏的驅動條件液晶空間光調制器的驅動電路

42、是以所選取的液晶屏為核心進行設計的，目的就是滿足液晶屏所需要的驅動條件。索尼公司的是一款多晶硅超薄薄膜場效應晶體管有源矩陣驅動的高分辨率商業投影儀專用液晶屏，其結構如圖所示。幽結構圖高分辨率純相位液晶空間光調制器的研究它內建行列驅動器，采用（）結構可以實現高亮度顯示，同時采用消除串擾和鬼像結構，能夠獲得較高質量的圖像顯示效果，對角線長，有效像素數為（）點。液晶屏共有個引腳端口，大致可分為如下四種信號類型：控制信號，時鐘信號，視頻信號和電源信號。驅動電路只有滿足這四種信號的要求，才能驅動液晶屏正常工作。下面分別講述這幾種信號應滿足的條件。（）控制信號支持、等視頻信號，也支持以及等電視視頻信號格式，各種模式的選擇通過控制，信號端子進行選擇。由表可知，要使液晶屏工作在模式，必須設置、為高電平，這幾個信號的控制是通過時鐘發生器來產生的，通過設置時鐘發生芯片的寄存器參數既可實現。表顯示模式選擇（）時鐘信號我們所研制的高分辨率液晶空間光調制器工作在模式，其行場同步信號與時鐘掃描信號應滿足如下的相位關系。黼。廠一。門！翻鎏廠一蛾。（）。！綴闡！曼阿廠翻鉑女蚴鉀啪嬲糾，。一¨廠刪門幾：掣。模式同步信號與時鐘信號關系（）場同步及列描時序（）行同