在光通信、顯微和望遠(yuǎn)等成像系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)、光鑷等許多應(yīng)用領(lǐng)域中，都會(huì)涉及到光相位的調(diào)制，這時(shí)就需要用到一種新型的可編程光學(xué)儀器——空間光調(diào)制器。

空間光調(diào)制器是采用LCOS（Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶）芯片來調(diào)節(jié)光波前的振幅或相位的光學(xué)器件。LCOS芯片是由液晶像元組成的像素陣列，每個(gè)像素都能單獨(dú)地調(diào)制光。對(duì)于同一束光來說，像元的尺寸越小，調(diào)制得就越精細(xì)；像素的個(gè)數(shù)就是芯片的分辨率，分辨率越高，可調(diào)制的自由度就越高。

從早期的鐵電物質(zhì)和扭曲向列液晶結(jié)構(gòu)開始，到利用光電尋址。濱松的中央研究所和固體事業(yè)部致力于空間光調(diào)制技術(shù)已有30多年的歷史了。其空間光調(diào)制器目前主要在高端市場(chǎng)中，以高線性度、高光利用率、高衍射效率等性能著稱。

對(duì)于濱松空間光調(diào)制器LCOS本身的性質(zhì)來說，它只改變光的相位，而不影響光的強(qiáng)度和偏振狀態(tài)（振幅/光強(qiáng)的調(diào)制需要通過光路來實(shí)現(xiàn)）。通過改變電壓來改變液晶的排列方式，相位調(diào)制隨著液晶的排列方式而變化。通過CMOS背板和PC輸出的DVI信號(hào)，液晶的排列是單像素可控的。

而在文章開頭我們也提到，空間光調(diào)制器涉及的應(yīng)用比較多，那要怎么根據(jù)自己的研究需求來選擇一位最得力的小伙伴呢？許多用戶朋友可能在心里畫了一個(gè)大寫的問號(hào)。

 

為了幫助各位用戶親人與這個(gè)問題say goodbye，這里，我們從濱松空間光調(diào)制器X10468/X13267/X13138系列出發(fā)，和大家聊一聊，關(guān)于空間光調(diào)制器選擇的二三事~

型號(hào)選對(duì)，事半功倍

選擇分辨率和像元大小

LCOS是由像素陣列組成的，目前濱松可以提供兩種分辨率：792×600， 1272×1024；對(duì)于792×600分辨率的產(chǎn)品，還有兩種像元大小可供選擇：20μm，12.5μm。

*不同的分辨率和像元大小以系列表示在產(chǎn)品型號(hào)的前半部分，如X10468-08，X10468指的就是該型號(hào)的產(chǎn)品分辨率為792×600，像元大小為20μm。

表中的“有效面積（Effecttive area size）”是指LCOS頭上可以對(duì)光進(jìn)行調(diào)制的液晶面的面積。而用戶在選型時(shí)，需要考慮該面積是否可以容納下所需調(diào)制的光斑大小。

“填充因子（Fill factor）”則是指單個(gè)像素有效面積占總面積的百分比，它在影響光利用率方面比較關(guān)鍵。（光利用率在后文會(huì)將介紹）

需要特別注意的是，不是所有品牌的產(chǎn)品所標(biāo)示的“填充因子（Fill factor）”都是一個(gè)概念！

一些品牌的填充因子（Fill factor）占比并沒有考慮像素間間距（Inter pixel gap），所以通常此項(xiàng)的百分比很高，參數(shù)顯得很“漂亮”（其填充因子占比計(jì)算方法見下圖）。但用戶不了解的是，其實(shí)其Inter pixel gap卻很大，有的甚至高達(dá)1.3μm。

濱松則本著實(shí)事求是的原則，將真正意義上的Fill factor呈現(xiàn)出來，并且保持了超小的Inter pixel gap：0.2μm。（濱松填充因子占比計(jì)算方法見下圖）

 

選擇相應(yīng)的波段

濱松每個(gè)系列（X10468/X13267/X13138）的LCOS產(chǎn)品都包含九個(gè)不同的型號(hào)，以-01~-09在型號(hào)的末尾表示。如X10468-07中的-07就是指該型號(hào)的產(chǎn)品可調(diào)制波長范圍為620nm-1100nm

*虛線范圍所指含義：對(duì)于-05型號(hào)來說，波長小于400nm的紫外光會(huì)對(duì)LCOS造成損傷，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)向我們咨詢。對(duì)于-08型號(hào)，波長1350nm-1400nm這一段由于玻璃基片的吸收會(huì)導(dǎo)致反射率（光利用率）下降約5%。

注意光閾值

LCOS是不能照射超過閾值的光的，如果超過閾值光強(qiáng)，則會(huì)發(fā)生損傷，輕則線性度下降，重則液晶層融化。

濱松LCOS的光閾值在同類產(chǎn)品中屬于較高的水平，具體值由于型號(hào)、波長、用戶使用的光源類型不同會(huì)有很大差異，選型時(shí)，一定要參考樣本中產(chǎn)品可承受最大光強(qiáng)閾值表。

另外，從波長選型中可以看到，-01到-09這九種型號(hào)中，-01，-07，-08這三種型號(hào)的波長范圍較長；而-02,-03,-04,-05,-06,-09這幾種型號(hào)的波長范圍較短，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谝壕У牡讓蛹恿私橘|(zhì)鏡（Dielectric mirror），大大提高了光閾值和光利用率，但也將波長范圍限制在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)。用戶需要根據(jù)應(yīng)用的需求進(jìn)行選擇。

 

參數(shù)讀懂，選型不囧

在空間光調(diào)制器的參數(shù)表中，包含著幾個(gè)重要的性能參數(shù)，需要用戶特別地關(guān)注：

光利用率（反射率）、一級(jí)衍射效率、線性度、穩(wěn)定性

光利用率（反射率）

為了提高光的利用率，在調(diào)制的過程中將光能的損失降到最低。濱松的LCOS均為反射式，這里光利用率就定義為光經(jīng)過LCOS液晶面反射的反射率，即平均反射光強(qiáng)占入射光強(qiáng)的百分比。

濱松各型號(hào)光利用率參考表

*除此之外，濱松可以提供355nm-1550nm范圍內(nèi)的OEM定制產(chǎn)品，根據(jù)應(yīng)用，專門優(yōu)化所需波長。

而市面上，一些品牌將“反射率”稱為“零級(jí)衍射效率”，這其實(shí)是同一個(gè)概念。所以，千萬不要把“零級(jí)衍射效率/光利用率/反射率”與“一級(jí)衍射效率”混淆。

一級(jí)衍射效率

這里的“一級(jí)衍射效率”其實(shí)才是LCOS真正的“衍射效率”，是通過加載閃耀光柵時(shí)（將LCOS作為光柵使用）一級(jí)衍射光的能量占零級(jí)衍射光能量的百分比來定義的。加載閃耀光柵時(shí)，光斑級(jí)次如下圖所示：

（a）未加載光柵。

（b）加載2-level光柵，空間分辨率為25線對(duì)/mm，圖中為±1級(jí)光及0級(jí)光。

（c）加載4-level光柵，相當(dāng)于12.5線對(duì)/mm的空間分辨率。

而搭建一個(gè)簡單的光路，用戶便可自行使用光功率計(jì)實(shí)現(xiàn)衍射效率的檢測(cè)：

 

光柵level/steps越高，空間分辨率就越低，但是衍射效率越高。對(duì)于X10468系列，光柵level/steps和空間分辨率lp/mm之間呈現(xiàn)出這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

2 steps	4 steps	8 steps	16 steps
25lp/mm	12.5lp/mm	6.25lp/mm	3.125lp/mm

而濱松LCOS由于其純相位高精度的相位控制，具有接近理論值的超高衍射效率。

X10468系列衍射效率數(shù)值

*如需其他型號(hào)的數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，以及LCOS-SLM空間光調(diào)制器衍射效率測(cè)試（一級(jí)衍射效率）示例，請(qǐng)?jiān)诠�眾�?hào)中留言索取。

另外，需要特別注意的是，實(shí)驗(yàn)室靜電有可能造成衍射效率的下降，這里也提醒用戶朋友們?cè)谑褂每臻g光調(diào)制器時(shí)，請(qǐng)注意防護(hù)。

線性度

相位調(diào)制的線性度在光調(diào)制的精度方面是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。濱松空間光調(diào)制器追求等高精度的調(diào)制，所以在線性度方面有著公認(rèn)的滿意表現(xiàn)。

濱松空間光調(diào)制器線性度

在平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的線性度都呈現(xiàn)極佳狀態(tài)

對(duì)于一些單純追求相位調(diào)制范圍或分辨率的產(chǎn)品，線性度容易被忽略，這樣就在調(diào)制精度方面存在問題。這在下圖中能看出：

我們可以看到，該品牌產(chǎn)品在0-2π區(qū)間范圍內(nèi)線性度較差，而大部分應(yīng)用主要使用的都是0-2π這個(gè)范圍內(nèi)。因?yàn)閺牟▌?dòng)光學(xué)的角度來說，像差2π的整數(shù)倍的兩個(gè)相位的光，是可以進(jìn)行等效的。

穩(wěn)定性

在光調(diào)制的精度方面還有一個(gè)重要參數(shù)，是相位的穩(wěn)定性。因?yàn)長COS是通過交流電來驅(qū)動(dòng)的，所以輸出光會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)頻率而浮動(dòng)，下圖所示的是-04型號(hào)的相位浮動(dòng)范圍。其中X10468和X13267系列的驅(qū)動(dòng)頻率是240Hz（SVGA），穩(wěn)定性在±0.01π以內(nèi)；而X13138系列的驅(qū)動(dòng)頻率是120Hz（SXGA），雖然比SVGA驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)系列稍差一些，但也能維持在±0.03π以內(nèi)。

除了參數(shù)意義上的“穩(wěn)定性”外，這里再擴(kuò)展一下，聊一聊空間光調(diào)制器“鏈接”的穩(wěn)定性。

對(duì)于空間光調(diào)制器這類產(chǎn)品，歐盟國家有著這樣的規(guī)定，如是非歐盟國產(chǎn)品想進(jìn)入其市場(chǎng)，就需要通過嚴(yán)格的CE認(rèn)證。這就要求產(chǎn)品的接線和連接器都非常結(jié)實(shí)，不受噪聲干擾。雖然這讓濱松LCOS的體積會(huì)相對(duì)較大，但也保證了它的質(zhì)量和耐用性要超過其他未經(jīng)CE認(rèn)證的產(chǎn)品。

*部分產(chǎn)品為歐盟國的品牌，則不需CE認(rèn)證便可直接在其領(lǐng)域內(nèi)銷售。

有些用戶可能會(huì)提到排線的連接方式，這樣雖然減小了體積，但不耐使用，且損壞率較高。其實(shí)在使用LCOS時(shí)，只需要把LCOS頭放在光學(xué)平臺(tái)上，把控制箱另置在操作臺(tái)的架子上，就可以解決其占地過大的問題了。

好了，以上聊了這么多，希望對(duì)各位用戶理解空間光調(diào)制器的參數(shù)和選型有一定幫助。當(dāng)然，要最終選得一款心儀的產(chǎn)品，可能還會(huì)遇到許多特殊的問題。這個(gè)時(shí)候，就向?yàn)I松的工程師咨詢吧！~