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                光学基础
                空间光调制器参数的定义
                2022-09-06
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                1.像素大小

                像素也成为像元,像素尺寸指的是单个像素点的空间尺寸。

                像素ω 尺寸越小,调制的就越精细,相邻像素串扰越大。

                 

                         像素点示意图                                                         像素点示意图


                2.分辨率

                纵横方向上可控制的像素点数量,用M*N表示(pixel/mm)。分辨率越大,可调控的像素点数量越多。

                 


                3.有效面积

                所有像素点面积的总和,等于单个像素的面积(d的平方)乘以横方向上像素点的个数(M)再乘以纵方向上像素点的个数(N)。

                 

                像素间距

                像素点之间的间隙,非作用区域

                 


                4.填充因子

                也称为开口率,是最小像素单元的有效面积占该像素单元总面积的百分比。

                ◆填充因子(A)越大,光利用率越高。

                 


                5.适用波长

                允许的激光波长范围,对这个波长范围内的光束进行调制,效果会更好。


                通过镀介电膜,使特定波段的光被反射,增强光利用率。

                波长与液晶盒厚的关系


                Φ为相位差(相位调制量),λ为波长,ne(θ)e光折射率,noo光折射率,d为光经过的几何长度(液晶盒厚度)。


                相位调制量和输入信号一定时,随着波长的增大,液晶〇盒厚增大,透过率和对比度减小、响应时间延长。


                6.损伤阈值   

                SLM可接受的最大光强阈值,超过此阈值会造成不可逆的损伤或导致功能失效。


                         相位漂移受激光平均功率影响              液晶层损坏受峰值功率决定

                平均功率(W)=峰值能量或单脉冲能量(J)×重复频率(Hz)

                峰值功率(W)=峰值能量或单脉冲能量(J)÷脉冲宽度(s)

                提高损伤阈值的方式

                •特殊材料(半导体材料、介质材料)

                水冷装置


                平均功率峰值功率
                未制冷1-5W/cm21GW/cm2(fs)  100MW/cm2(ps)
                特殊材料制冷10-50W/cm250GW/cm2(fs)
                水冷装置100-200W/cm2 

                *以实际产品的损伤阈值为准

                 

                7.响应时间   

                液晶分子完成一次相位调制所需的时间,分上升时间和下降时间;

                上升时间:相位调制量从0到2π所需时间;

                下降时间:相位调制量从2π到0所需时间。


                上升沿时间

                r为液晶的黏度,K为液晶的弯曲弹性常数,d为液晶盒厚度

                影响响应时间的因素

                ▪液晶盒厚度

                液晶层越厚,响应时间越长

                ▪液晶材料

                铁电液晶:40us

                向列型液晶:1-15ms    30-140ms


                8.帧率

                单位时间内SLM更换图片的数量。

                分辨率不变情况下,帧率越高,传输数据量越多。


                SLM加载相位图驱动液晶的过程

                影响帧率的◥因素

                •数据通道传输协议:

                HDMI31Hz    60Hz

                DVI60Hz

                DP60Hz

                VGA60Hz

                PCIe15kHz

                图像分辨率

                图像位深(8bit24bit


                9.平整度  

                光学有效区域的实际相位波面不是一个理想平面波面,存在高低起伏,相位平整度反映该相位╳面的起伏特性。

                影响平整度的因素

                •像素点越多,平整度越小

                芯片固定时安装应力导致平整度降低


                平整度的改善方法

                相位补偿(相位共轭原理)



                10.对比度  

                给振幅型SLM加载不同信号时,用光功率计测得的最大光强 Imax与最小光强 Imin 的比值。


                                         光强度与灰度关系曲线

                振幅型SLM,对比度越大,灰度光强曲线线性度越好,调制效果越好。


                11.数据位深

                记录数字图像颜色的二进制数值位数。

                位深调制精度
                8bit0.008π
                10bit0.002π
                12bit0.0005π
                16bit0.00003π

                 位深越大,调制精度越高

                 

                12.相位调制量

                在寻址信号的变化范围内所调制光的最大相位变化。


                在不同波长下的HDSLM80R相位调制量

                相位调制量测量方法


                相位调制量测量光路图


                强度、相位与灰度的关系曲线

                 

                影响相位调制量的因素

                •SLM芯片温度

                入射光波长

                入射▂光角度


                相位随入射角变化图

                 

                13.相位曲↑线相关线性度  

                校准后,SLM对光相位进行调制得到的寻址信号值和相位值关系的相关线性度。


                               相位-灰度关系的相关线性度                 不同线性度调制效果々图


                                                gamma配置软件界面图

                 

                14.相位稳定性  

                测量时间精度下的固有驱动电子噪音带来的相位波动误差,波动越小越稳定。

                波动率

                PMax波动相位的最大值

                PNor波动相位的最大值PMax与最小值PMin的均值

                影响相位稳定性的因素

                •驱动电子噪音

                •液晶的电容电导特性

                •电压频率


                输入电压与液晶两端电压的关系    理论相位值与实际相位测量值    相位波动率与电压频率间的关系

                 

                15.光利用率

                光经过空间光调制器,在寻址信号下,出射光的平均反射光强与入射光强的百分比。


                HDSLM80R在不同波长下的光利用率

                影响光利用率的因素

                •玻璃面板反射

                •液晶盒厚

                •填充因子

                •反射膜(铝膜:70-80%   其他介质膜:90%以上)

                 

                16.衍射效率

                将液晶空间光调制器作为闪耀光栅使用时,其一级衍射光的能量占不加光栅时零级光能量的百分比。


                HDSLM80R衍射效率测试结果

                 

                影响衍射效率的因素

                光利用率

                相位深度


                实验测量6pi2pi相位深度LCoS器件各偏转角度下的衍射效率

                高相位深度可以实现SLM衍射效率的ξ提升,尤其是大偏转角度下衍射效率的提升。

                 

                小结:

                SLM的参数会影响相位调制精度、信息加载速度、信息容量、相位的稳定程度等。

                序号

                参数

                作用

                序号

                参数

                作用

                1

                像素大小

                决定调制的精细程度

                9

                平整度

                引入相位误差

                2

                分辨率

                决定加载信息的容量

                10

                对比度

                决定对强度的调制能力

                3

                有效面积

                11

                相位调制量

                决定对相位的调制能力

                4

                填充因子

                12

                数据位深

                决定相位调制精度

                5

                适用波长

                决定可调制的光谱波长范围

                13

                相位曲线线性度↘

                6

                损伤阈值

                决定入射光的强度范围

                14

                相位稳定性

                7

                响应时间

                决定加载信息的速度

                15

                光利用率

                决定出射光的强度

                8

                帧率

                16

                衍射效率

                一级衍射光的能量效率

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