液晶空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性研究

1、液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)相位調(diào)制特性相位調(diào)制特性Page 2偏振器件的瓊斯矩陣偏振器件的瓊斯矩陣液晶的光學(xué)特性液晶的光學(xué)特性液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性光的偏振光的偏振Page 3一一 光的偏振光的偏振n 自然光和偏振光自然光和偏振光1. 自然光自然光 由于光源發(fā)光是由大量原子發(fā)光組成由于光源發(fā)光是由大量原子發(fā)光組成,每個(gè)原子發(fā)光的電矢量每個(gè)原子發(fā)光的電矢量 和磁矢量和磁矢量 的振動(dòng)方向都是隨機(jī)的的振動(dòng)方向都是隨機(jī)的, 和和 在各方向的振動(dòng)都存在在各方向的振動(dòng)都存在;感光作用決定于感光作用決定于電矢量電矢量 (光矢量光矢量).EEEHH

2、一束自然光可以等效為一束自然光可以等效為: :光振動(dòng)方向相互垂直的、等振幅的、互不相干光振動(dòng)方向相互垂直的、等振幅的、互不相干的、光強(qiáng)度各占一半的兩束光。的、光強(qiáng)度各占一半的兩束光。自然光的等效自然光的等效自然光的圖示法：自然光的圖示法：yxEE 02IIIIyx 0IIIyx 自然光自然光自然光的等效自然光的等效xEyEPage 4一一 光的偏振光的偏振2. 線偏振光線偏振光 只在某一方向有光振動(dòng)的光，稱為線偏振光。E播播傳傳方方向向振振動(dòng)動(dòng)面面面對(duì)光的傳播方向看面對(duì)光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相互垂線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解直的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx

3、線偏振光的表示法：線偏振光的表示法：光振動(dòng)光振動(dòng)垂直垂直畫面畫面光振動(dòng)光振動(dòng)平行平行畫面畫面Page 53、圓偏光、橢圓偏光、圓偏光、橢圓偏光一一 光的偏振光的偏振右旋圓偏振光右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光右旋橢圓偏振光 y yx z傳播方向傳播方向 /2xE 0某時(shí)刻右旋圓偏振光某時(shí)刻右旋圓偏振光 隨隨Z的變化的變化E任何一種偏振光，都可以用兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直，相位有關(guān)聯(lián)的線偏振光來表示。任何一種偏振光，都可以用兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直，相位有關(guān)聯(lián)的線偏振光來表示。Page 6二二 偏振器件的瓊斯矩陣偏振器件的瓊斯矩陣1. 偏振光的瓊斯矩陣表示法偏振光的瓊斯矩陣表示法i0i0 (112)xyxxy

4、yE eEEE e 1941年瓊斯利用一個(gè)列矩陣表示電矢量的年瓊斯利用一個(gè)列矩陣表示電矢量的 x、y 分量分量 這個(gè)這個(gè)矩矩陣通常稱為陣通常稱為瓊斯矢量瓊斯矢量。這種描述偏振光的方法是一種確定光波。這種描述偏振光的方法是一種確定光波偏振態(tài)的簡便方法。偏振態(tài)的簡便方法。例如例如, x 方向振動(dòng)的線偏振光、方向振動(dòng)的線偏振光、y 方向振動(dòng)的線偏振光、方向振動(dòng)的線偏振光、45度方向振動(dòng)的線度方向振動(dòng)的線偏振光、振動(dòng)方向與偏振光、振動(dòng)方向與 x 軸成軸成角的線偏振光、左旋圓偏振光、右旋圓偏振光角的線偏振光、左旋圓偏振光、右旋圓偏振光的標(biāo)準(zhǔn)歸一化瓊斯矢量形式分別為：的標(biāo)準(zhǔn)歸一化瓊斯矢量形式分別為：101

5、cos11222, , , , , 011sini-i222 2. 瓊斯矩陣表示法瓊斯矩陣表示法 考慮到光強(qiáng)考慮到光強(qiáng) ，有時(shí)將瓊斯矢量的每一個(gè)分量除以，有時(shí)將瓊斯矢量的每一個(gè)分量除以 ，得到，得到標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的歸一化瓊斯矢量歸一化瓊斯矢量。22xyIEEIPage 7 利用瓊斯矢量可以利用瓊斯矢量可以很方便地計(jì)算偏振光很方便地計(jì)算偏振光 Ei 通過幾個(gè)偏振通過幾個(gè)偏振元件后的偏振態(tài)：元件后的偏振態(tài)：22112211 txixnntyiynnEEa ba ba bEEc dc dc d nnnna bc d式中，式中， 為表示光學(xué)元件偏振特性的瓊斯矩陣。為表示光學(xué)元件偏振特性的瓊斯矩陣。二二 偏

6、振器件的瓊斯矩陣偏振器件的瓊斯矩陣Page 8三三 液晶的光學(xué)特性液晶的光學(xué)特性1. 液晶定義液晶定義 一方面具有象液體一樣的流動(dòng)性和連續(xù)性，另一方面又具有象晶體一樣的各向異性的中間狀態(tài)的物質(zhì)。顯然，處于中間狀態(tài)的物質(zhì)仍保留著晶體的某些有序排列，只有這樣才會(huì)在宏觀上表現(xiàn)出物理性質(zhì)的各向異性。這樣的有序流體就是液晶。2. 液晶分類液晶分類 （按分子排列方式）（按分子排列方式）向列相液晶向列相液晶(nematic)(nematic)近晶相液晶(smectic)膽甾相液晶膽甾相液晶(cholestevic)(cholestevic)Page 9三三 液晶的光學(xué)特性液晶的光學(xué)特性1. 液晶各向異性的描

7、述液晶各向異性的描述n 平行(/)方向：沿分子長軸方向，指液晶分子集合體的平均長軸方向。n 垂直()方向：沿液晶分子集合體的平均短軸方向。n 指向矢(n)方向：在向列液晶中長軸的平均方向也可以看作該液晶的指向矢方向。n 沿分子長軸平行方向的物理量，均稱為平行方向物理量，而與分子長軸垂直的物理量稱為垂直方向物理量。各向異性的大小和方向用它們的代數(shù)和表示。n如介電各向異性可表示為：n若，則為正介電各向異性；n若，則為負(fù)介電各向異性。/- /n。所以折射率各向異性為所以折射率各向異性為正。正。因此，因此，向列相液晶為光學(xué)正性單軸晶體向列相液晶為光學(xué)正性單軸晶體。nne = n/no= n光軸向列液晶

8、(光學(xué)正液晶)Page 11四四. 液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性 液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)即以液晶為介質(zhì)，利用液晶對(duì)光的特定效即以液晶為介質(zhì)，利用液晶對(duì)光的特定效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光調(diào)制的器件。液晶空間光調(diào)制器一般由獨(dú)立的像素單元組成矩應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光調(diào)制的器件。液晶空間光調(diào)制器一般由獨(dú)立的像素單元組成矩陣陣列，矩陣的陣陣列，矩陣的每個(gè)像素單元都可以獨(dú)立地接受光信號(hào)或電信號(hào)的控制每個(gè)像素單元都可以獨(dú)立地接受光信號(hào)或電信號(hào)的控制，并按此信號(hào)改變空間光調(diào)制器介質(zhì)本身相應(yīng)的并按此信號(hào)改變空間光調(diào)制器介質(zhì)本身相應(yīng)的光電參數(shù)光電參數(shù)(透過率、折射率等透過率、折射率

9、等)從而達(dá)到對(duì)入射到其單元上的從而達(dá)到對(duì)入射到其單元上的光學(xué)參數(shù)光學(xué)參數(shù)(振幅、位相、偏振態(tài)等振幅、位相、偏振態(tài)等)進(jìn)行調(diào)制進(jìn)行調(diào)制的目的。的目的。常用的液晶空間光調(diào)制器：常用的液晶空間光調(diào)制器：1. 液晶光閥液晶光閥(光尋址液晶空間光調(diào)制器光尋址液晶空間光調(diào)制器)2. 鐵電液晶空間光調(diào)制器鐵電液晶空間光調(diào)制器3. 液晶微顯示面板液晶微顯示面板(電尋址液晶空間光調(diào)制器電尋址液晶空間光調(diào)制器)基于薄膜晶體管基于薄膜晶體管(TFT)技術(shù)的技術(shù)的透射式液晶空間光調(diào)制器透射式液晶空間光調(diào)制器和基于硅基液晶和基于硅基液晶(LCoS)技術(shù)技術(shù)的的反射式液晶空間光調(diào)制器反射式液晶空間光調(diào)制器。Page 12

10、透射式透射式LC-SLM像素結(jié)構(gòu)示意圖像素結(jié)構(gòu)示意圖成品率高成品率高開口率低開口率低基于基于LCOS的反射式的反射式SLM像素結(jié)構(gòu)示意圖像素結(jié)構(gòu)示意圖開口率高開口率高像素小像素小有較好的位相調(diào)制特性有較好的位相調(diào)制特性液晶微顯示面板液晶微顯示面板全息顯示、干涉測(cè)量、波面整形全息顯示、干涉測(cè)量、波面整形四四. 液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性Page 13液晶對(duì)光的調(diào)制原理液晶對(duì)光的調(diào)制原理 介于完全規(guī)則狀態(tài)與不規(guī)則狀態(tài)之間的中間態(tài)，由棒狀或盤狀介于完全規(guī)則狀態(tài)與不規(guī)則狀態(tài)之間的中間態(tài)，由棒狀或盤狀分子組成的部分有序物質(zhì)。一方面具有液體的流動(dòng)性另一方面又呈分子組成的部

11、分有序物質(zhì)。一方面具有液體的流動(dòng)性另一方面又呈現(xiàn)出晶體固有的各向異性，包括現(xiàn)出晶體固有的各向異性，包括介電、磁極化、折射率介電、磁極化、折射率等。電場、等。電場、磁場作用下各向異性會(huì)發(fā)生變化。磁場作用下各向異性會(huì)發(fā)生變化。電場電場-分子排列狀態(tài)變化分子排列狀態(tài)變化-液晶的光學(xué)性質(zhì)變化（實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)液晶的光學(xué)性質(zhì)變化（實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制）制）液晶的光電效應(yīng)：液晶的光電效應(yīng)：扭曲效應(yīng)（扭曲向列相液晶扭曲效應(yīng)（扭曲向列相液晶TN+偏振片）偏振片）-光振幅調(diào)制光振幅調(diào)制電控雙折射（向列相液晶電控雙折射（向列相液晶N）-純位相調(diào)制純位相調(diào)制動(dòng)態(tài)散射動(dòng)態(tài)散射賓主效應(yīng)賓主效應(yīng)相變效應(yīng)相變效應(yīng)四四. 液晶空間光調(diào)

12、制器對(duì)光的調(diào)制特性液晶空間光調(diào)制器對(duì)光的調(diào)制特性Page 14 扭曲向列相液晶TN振幅調(diào)制原理-控制液晶盒的透射率n 兩塊導(dǎo)電玻璃基板中間充入具兩塊導(dǎo)電玻璃基板中間充入具有正介電各向異性的向列液晶有正介電各向異性的向列液晶(Np液晶液晶)，液晶分子沿面排列，液晶分子沿面排列，但分子長軸在上下基片之間連但分子長軸在上下基片之間連續(xù)扭曲續(xù)扭曲90，形成扭曲，形成扭曲(TN)排排列的液晶盒。列的液晶盒。n 若在液晶盒上加一個(gè)電壓超過若在液晶盒上加一個(gè)電壓超過閾值閾值Vth后，后，Np型液晶分子長型液晶分子長軸開始沿電場傾斜，當(dāng)電壓達(dá)軸開始沿電場傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到到2Vth時(shí)，除電極表面分子外，時(shí)，除電

13、極表面分子外，所有液晶盒兩電極之間的液晶所有液晶盒兩電極之間的液晶分子均變成沿電場方向排列。分子均變成沿電場方向排列。此時(shí)，此時(shí)，TN型液晶的型液晶的90旋光性旋光性能消失。能消失。Page 15扭曲向列相液晶TN位相調(diào)制原理-伴隨振幅調(diào)制液晶的有效雙折射率：液晶的有效雙折射率：ne ()為液晶有效雙折射率，為為液晶有效雙折射率，為 的函數(shù)；的函數(shù)；ne 為液為液晶的異常折射率，晶的異常折射率，no為液晶的尋常折射率，為液晶的尋常折射率，ne 和和no均由液晶本身決定；均由液晶本身決定；是液晶分子指向矢和電場方是液晶分子指向矢和電場方向的夾角向的夾角。對(duì)于光學(xué)正性液晶：對(duì)于光學(xué)正性液晶： ne

14、no當(dāng)施加不同的電壓時(shí)液晶的分子長軸和電場之間會(huì)有不同的夾角。通過液當(dāng)施加不同的電壓時(shí)液晶的分子長軸和電場之間會(huì)有不同的夾角。通過液晶有效雙折射率變化來改變光通過液晶時(shí)的光程，達(dá)到相位調(diào)制的目的，晶有效雙折射率變化來改變光通過液晶時(shí)的光程，達(dá)到相位調(diào)制的目的，位相的調(diào)制量為：位相的調(diào)制量為：液晶液晶本身性質(zhì)決定了它本身性質(zhì)決定了它的最大異常的最大異常折射率，折射率，所所加電壓不同，對(duì)應(yīng)不同加電壓不同，對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制量。的調(diào)制量。Page 16向列相液晶N調(diào)制原理-電控雙折射效應(yīng)向列相液晶：單軸晶體，分子長軸為其光軸，光學(xué)正晶，向列相液晶：單軸晶體，分子長軸為其光軸，光學(xué)正晶，neno以以Nn型

15、為例（型為例（電場與分子長軸垂直時(shí)，體系能量最小電場與分子長軸垂直時(shí)，體系能量最?。┮壕Х肿优帕械某跏寄Ｊ剑o電場）液晶分子排列的初始模式（無電場）液晶分子轉(zhuǎn)液晶分子轉(zhuǎn)角后的排列方向（加電場）角后的排列方向（加電場）在在oxz平面內(nèi)平面內(nèi), A點(diǎn)的坐標(biāo)為點(diǎn)的坐標(biāo)為( xA,zA),設(shè)橢圓的設(shè)橢圓的短半軸長為短半軸長為n(垂直分子長軸方向振動(dòng)的光垂直分子長軸方向振動(dòng)的光折射率）折射率）,長半軸為長半軸為n/ (沿分子長軸方向振動(dòng)沿分子長軸方向振動(dòng)的光折射率）的光折射率）, 有有：設(shè)長軸設(shè)長軸oz 為液晶分子長軸為液晶分子長軸（光軸）（光軸）方方向，研究時(shí)選擇入射面與折射面重合，向，研究時(shí)選擇入射

16、面與折射面重合，即液晶分子在紙面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。即液晶分子在紙面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。Page 17Page 18 反射式空間光調(diào)制器位相調(diào)制模型4.1 液晶對(duì)不同偏振態(tài)入射光的調(diào)制液晶對(duì)不同偏振態(tài)入射光的調(diào)制液晶分子轉(zhuǎn)液晶分子轉(zhuǎn)角后的排列方向角后的排列方向向列相液晶對(duì)不同偏振光的調(diào)制向列相液晶對(duì)不同偏振光的調(diào)制 液晶介質(zhì)對(duì)光的調(diào)制與光的偏振態(tài)有關(guān)，需考慮入射光偏振狀態(tài)。以一個(gè)像素液晶介質(zhì)對(duì)光的調(diào)制與光的偏振態(tài)有關(guān)，需考慮入射光偏振狀態(tài)。以一個(gè)像素空間內(nèi)的液晶為例，將偏振態(tài)都可以分解為兩種正交狀態(tài)的偏振光分量：一種分量空間內(nèi)的液晶為例，將偏振態(tài)都可以分解為兩種正交狀態(tài)的偏振光分量：一種分量偏振光垂直紙面（用

17、偏振光垂直紙面（用表示），另一種偏振光平行于紙面（用表示），另一種偏振光平行于紙面（用/表示）。表示）。1. 垂直紙面偏振態(tài)分量的折射率變化 在液晶指向矢旋轉(zhuǎn)過程中，垂直于紙?jiān)谝壕е赶蚴感D(zhuǎn)過程中，垂直于紙面偏振光始終垂直面面偏振光始終垂直面oxz，液晶對(duì)該偏振，液晶對(duì)該偏振分量折射率是分量折射率是OB所代表的折射率，其長所代表的折射率，其長度在液晶分子旋轉(zhuǎn)過程中始終保持不變，度在液晶分子旋轉(zhuǎn)過程中始終保持不變，因此液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)該分量折射率不起因此液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)該分量折射率不起調(diào)制作用，不能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。該分量光調(diào)制作用，不能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。該分量光為為o光。光。 當(dāng)給液晶盒加電場時(shí)，該分

18、量方向的當(dāng)給液晶盒加電場時(shí)，該分量方向的光折射率不變，不能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，在全光折射率不變，不能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，在全息圖再現(xiàn)時(shí)成為背景光（噪聲），一般采息圖再現(xiàn)時(shí)成為背景光（噪聲），一般采用偏振片將其濾掉。用偏振片將其濾掉。 Page 192. 平行紙面偏振態(tài)分量的折射率變化 針對(duì)平行于紙面偏振的入射光，針對(duì)平行于紙面偏振的入射光，如圖如圖OA在紙面內(nèi)。隨著液晶指向在紙面內(nèi)。隨著液晶指向矢的變化，矢的變化，OA的長度也發(fā)生變化，的長度也發(fā)生變化，即為即為e光，其折射率可用下式計(jì)算：光，其折射率可用下式計(jì)算：結(jié)論：平行于紙面偏振分量光為結(jié)論：平行于紙面偏振分量光為e光，可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，實(shí)驗(yàn)中可加一偏光，可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，實(shí)驗(yàn)中可加一偏振片