一．引言
空间光调制器(Spatial Light Modulator—SLM)它是一种光，可以在一维或两维中加载信息
为了有效利用光的固有速度、并行性和连接能力，学习数据场。这些设备可以跟随
在时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变振幅、相位、波长和偏差
广泛应用于光学/数字混合相关、自动模式识别等
光电实时接口、阈值开关、输出显示等系统。
空间光调制器主要由许多独立单元组成，在空间中分布成一维或二维阵列
光信号或电信号可以独立控制每个单元，并根据调制信号改变其光学特性
并对其上的光波进行调制。空间光调制器分为光寻址和电寻址两类。电寻址液晶空
间光调制器(LCSLM)它是空间光调制器的重要分支，以液晶层为光调制材料
该层采用向列液晶混合场效应工作模式，在液晶层上施加不同的电场，会导致液晶分离
子排列方向的变化导致其光学性质的变化，从而调制光信号。 LCSLM 制
成品率高，成本低，因此广泛应用于光学信息处理和光学计算机图像转换、显示等领域
存储和滤波等。
空间光调制器可作为计算全息的载体，计算全息是计算机技术与光全息的结
合并，用计算机制作全息图，然后用光学方法再现。将空间光调制器作为记录全息图的介质
质量是一种方便的方法。空间光调制器的加载图像可以随时间变化，实现实时调制
用于全息光学元件、全息图像相关识别、空间滤波等。
本实验的目的是了解液晶空间光调制器的结构、工作原理和应用。
二、实验原理
液晶相是介于固相和液相之间的物质相态。液晶相中的物质同时具有液体
以及固体的部分性质。液晶相态物质称为液晶物质，主要包括一些有机化合物及其
混合物。当这些物质处于液晶相时，它们被称为液晶。有些人简单地将液晶定义为：分子排列成
有规律的液体。根据分子排列规律，液晶大致可分为近晶型、向列型和胆囊型
甾体三类。最常用的向列液晶分子形状是细长的棒状，每个分子的长轴方向大致相同。
在制作空间光调制器时，液晶通常夹在两个基板之间，形成由液晶薄板和基板组成的
组件，通常被称为液晶盒。液晶盒基板内表面经过一定的方向处理，可使基板表面靠近
液晶分子按特定方向排列。
2.1 液晶电光效应
当有大量的液晶分子规律时，液晶分子在介电常数、电导率、折射率等方面具有各向异性
在排列时，其整体光学和电学性质也呈现出各向异性。因此，当液晶上的电场不同时，液晶
分子排列状态也不同，液晶盒的双折射性质也发生了变化，导致光学性质的变化
是液晶的电光效应。
1) 电控双折射效应
2
向列相液晶具有细长的棒状分子结构。
结构导致分子轴向(分子长轴方向)和垂直
在轴的方向上有不同的物理性质。
// ?
表
与轴向光平行的介电常数(非常光介电常数)
数)，
?
?
表示垂直于轴向光的介电常数(普通光)
的 介 电 常 数 ) ， 则 有 两 种 情 况 ，
?? ? ? // ?? ? ? 0
， 或 ?? ? ? // ?? ? ? 0
。 称
?? ? 0
为正性或 P(positive)型液晶，在外电场
在作用下，其分子长轴倾向于向外部方向排列；称
?? ? 0
为负性或 N(negative)型液晶，在外电场
在这种作用下，分子长轴倾向于垂直于外部方向。
常 正 性 液晶的
?? ?10 ~ 20
， 而 负 性 液 晶
?? ? ?1~ ?2。
当频率提高到光的范围时，与介电常数有关
只有电子极化变成了极化，所以液晶在光波频率
段，总有
? ?
? ? // ，因为折射率是介电常数的平面
所以有方根 n∥>n⊥，即液晶的光学性质与
单轴晶体，光轴与分子长轴一致。
图 1 中 B1、B2.液晶盒上下表面的基板玻璃与液晶盒表面平行(即沿表面)
排列)，a)液晶盒中液晶分子的方向基本相同，无需加电场。当光进入液晶时，可以
双折射效应产生的非常光折射率 ne折射率大于普通光 no，即 ne>no，双折射率
n=ne-no=n∥-n⊥。
如图所示 1b)由于电场对液晶分子的取向作用，p 型液晶
分子的长轴将趋于电场方向排列。电场强度不同，对液晶分子取向的影响大小不同，会使
不同的倾角导致分子长轴旋转 ne 液晶盒的整体双折射效应也会发生变化，
这是液晶盒的电控双折射效应。
如果液晶盒位于两个正交偏振片P、A随着电场的变化，双折射效应使透射光偏离
振动状态随之改变，检偏器通过光强也会有所不同，从而实现输出光强的调制。
2)扭曲-向列效应
如果液晶盒的上下基板取向不同，液晶层将分为许多薄层，每层的分子取向基本上是
同样，相邻层的分子取向逐渐转向一个角度，形成扭曲-向排列。这种结构可以使线偏离
振入射光的偏振方向随分子方向旋转，称为液晶盒的扭曲方向列效应，液晶盒的上下两个
表面液晶分子的取向夹角称为扭曲角。
考虑扭曲角 90o 液晶盒，当液晶盒加入外电场时，外电场会改变液晶分子的排放
列形式。由于是正性液晶，其分子沿电场方向排列，即垂直于表
表面排列。然而，由于基板表面的影响和液晶分子之间的相互作用，分子实际上是
在某种展曲排列状态下，即两个基片附近的分子仍沿表面排列，基本不受外电影响
场地的影响。但对于两个基片之间的分子，由于基片表面没有直接影响，结果将是
垂直基片表面排列趋于垂直，离基片越远，垂直程度越高。
扭曲方向排列主要是由于各层液晶分子之间的相互作用逐渐从基板传递到中间
a) 不加电场
b) 施加电场
图 1 电控双折射效应
3
因此，外电场使分子倾向于垂直排列
同时，这种传递作用必然会减弱，
因此，不同程度上破坏了原有的均匀扭矩
曲结构。当外电场比较小时，没有任何
一层液晶分子能达到真正的垂面排列，
此时，各层分子取向的扭曲不再均匀，但
当外电场达达时，仍保持连续的扭曲结构。
在一定强度下，在两个基板的中间
层分子首先成为真正的垂面排列，从而
完全切断了液晶盒左右两半分子之间的
扭曲方向关系，连续扭曲结构完全
破坏，变成了突变扭曲结构。图 2 中示意地给出厚度 L 液晶盒中的液晶分子取向
分布，预倾角，即液晶分子的长轴方向和基板平面的夹角，是指液晶
分子长轴投影在左基板平面上，与基板上分子长轴方向的夹角。
如图所示，液晶薄层与左基片之间距离的变化曲线 2 所示。就扭曲(角)而言，左分子
取向由左基板决定，右分子取向
都是由右侧基板决定的，中间有扭曲角的突出
变化。就倾斜(角)而言，从基板表面到两个
逐渐从基片中间存在 0°到 90°过渡过程。
外电场强度称为临界电
现场强度。当外电场继续增大时，它具有真正的垂面
排列(?=90°)其他地方的分子层变厚
扭曲不再有明显变化。
若扭曲角为 90o 液晶盒位于两个垂直
的偏振片 P、A 之间，让偏方向 P 平行于液
如图所示 3 所示。不施电
场时(图 3a))，由于液晶箱的扭曲-向列效应，
左射入的光通过液晶盒后，偏振方向相应偏离
转了 90o，可通过检偏器 A，输出亮场。施加时
当电场强度大于临界值时(图 3b))，由于液
晶箱连续扭曲状态损坏，入射光偏振方向不
改变不能通过检偏器 A，输出暗场。外
当加电场处于临界值以下时，入射光可部分通过检偏器，电场强度不同，检偏器后光强也不同，
电场还可以调制输出光强。
3)混合场效应
混合场效应是扭曲向列效应与电控双折射效应的结合。尽管液晶有多种电光效应
用于调制读出光波，如动态散射和宾主效应，但目前在光学信息处理领域
广泛使用的液晶空间光调制器主要通过混合控制光波的相位、强度和偏振态
实现合场效应。
2.2 电寻址空间光调制器
空间光调制器的基本特点在于，它是有许多基本的独立单元组成的一维或二维阵列。这
<>图 2 扭曲液晶盒中液晶分子取向示意a) 不加电场
b) 施加电场
图 3 扭曲-向列效应
4
些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器
件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个个小单元。这些小单元
可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性(相位、
振幅、强度、频率或偏振态等)，从而实现对输入光波的空间调制或变换。习惯上，把这些
小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的光、电信号称为“写入(光)信号”
或“写入(电)信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调
制器后出射的光波为“输出光”。写入信号应含有控制调制器各个像素的信息，把这些信息
分别传送到相应的像素位置上去的过程称为“寻址”，如果采用写入电信号来实现这一过程，
称为“电寻址”。顾名思义，电寻址液晶空间光调制器(LCSLM)就是将液晶作为工作材料，
写入信号为电信号的调制器。
1)LCSLM 结构
电寻址 LCSLM 多采用矩阵寻址的方案，其结构示意图如图 4，a)为侧视图，b)为正
视图。在扭曲向列液晶盒的一块玻璃基片上有一个电势固定的公共电极，另一块玻璃基片上
是各自分立的驱动电极，所有电极按照二维阵列均匀排布，行、列电极之间围成的部分就是
电寻址 LCSLM 的像素。每个像素上有一个透明电极，每个电极的电压可由电路独立控制。
电寻址 LCSLM 可直接由微机视频显示信号来驱动，对于数字图像中某一像素来说，其灰度
值与 LCSLM 中对应液晶像元的驱动电压成特定关系，由灰度级的不同来控制相应液晶像元
上的电压，从而实现电寻址。图 4b)为正视图，一个个透明格子为一个个独立像素，相邻
像素之间为控制电路部分，都是不透光的，各像素之间的不透明的电路材料连在一起，被形
象地称为“黑栅”。
2) 振幅调制
振幅调制，也即光强度调制，在光开关，光学信号识别，光学全息中有广泛应用。LCSLM
主要利用液晶分子的电光效应，通过外加电场的作用来改变液晶盒的混合场效应，从而改变
输出光的偏振态，再配合适当的偏振片，调制输出光的振幅。可参见图 1、图 2 中对电控双
折射和扭曲-向列效应的介绍，经过起偏器的读出光为线偏振光，入射到扭曲向列液晶盒上，
液晶上所加电压不同时，液晶分子取向不同，从而产生不同的双折射效应和扭曲向列效应，
透过光的偏振状态和方向随之不同，特定方向的检偏器后输出光的强度也将不同，既实现了
光的振幅调制。输出光强随控制电压，即随写入图像灰度的变化曲线叫做振幅调制曲线。振
幅调制曲线决定了振幅型空间光调制器的工作性能，常被称为 LCSLM 的响应曲线或特性曲
线。
在很多情况下，输出光的相位也随电压变化而变化，即 LCSLM 相位调制和振幅调制是
同时存在的。
a)侧视图 b)正视图
图 4、电控 LCSLM 结构示意图
5
3)黑栅效应
通常，空间光调制器的开口率(像素的有效通光面积与像素总面积之比)仅为 50%左
右，黑栅的存在大大降低了光的利用效率，对空间光调制器的透射率产生影响，同时黑栅的
衍射作用引入阵列分布的多个像，也会对成像质量等产生影响，即为“黑栅效应”。文献中
报道了多种不同的方法消除黑栅效应，本实验采用的是如图 5 所示 4f 系统加滤波器的方法。
L1、L2 为一对等焦距的傅立叶透镜，同轴共焦地放置。相干光照射放在输入面(L1 的前焦
面)上的平面物体，则在频谱面(L1 的后焦面，也是 L2 的前焦面)上便出现该物体的频谱，
输出面(L2 的后焦面)上出现物体的像。如果在频谱面上插入空间滤波器就可以改变频谱
函数，从而使输入信号得到处理。本实验中，在频谱面上放置一个光阑作为滤波器，可以有
效减少黑栅效应。
LCSLM 对入射光的衍射作用类似于光栅，因此也可以通过测量衍射光斑的分布来测量
LCSLM 的像素大小。
2.3 数字全息图再现
在全息技术发展的很长一段时间里，都是通过全息干版来记录全息干涉图样，需要经过
曝光、显影、定影等化学处理，过程费时且复杂，干版不能重复使用，无法实现多幅图像的
转换显示，而采用空间光调制器作为全息图的载体，同时实现对再现光波的调制的数字全息
术就要方便快捷得多，还可以实现实时再现。本实验采用计算机生成计算全息图，用 LCSLM
实现再现的方法，过程可以归纳如下：
1)抽样或采集，将波前信息的连续函数转换为离散函数
2)计算，快速傅里叶变换，得到波前离散函数的频谱
3)编码，将光波复振幅的分布编码为全息图的透过率变化
4)缩放及成图，将全息干涉图记录在元件上，或者加载在空间光调制器上
5)再现，利用光学模拟再现全息图。
本实验中，利用 Matlab 程序计算出输入图像的数字全息图，将数字全息图加载在空间
光调制器上，空间光调制器处于振幅调制模式。线偏振的平行光通过空间光调制器和检偏器
后，包含了图像的频谱信息，再经过一个傅里叶透镜进行一次逆变换，就能在傅里叶透镜的
焦平面上再现出图像。
三、实验装置
本实验基本光路如图 5 所示。He-Ne 激光器加
起偏器输出波长为 632.8nm 的线偏振光，利用半波
片(波长 632.8 nm)，连续改变光的偏振方向与
LCSLM 上表面液晶取向之间的夹角。实验用
LCSLM 为振幅型空间光调制器，总像素数为 1024
pixel×768 pixel，像面尺寸 1.3’，利用 VGA 信号 图 5 实验基本光路
图 5. 4F 系统示意图
6
实现电寻址。图像变换和全息图再现时，需要用扩束镜和准直镜把激光变成平行光。傅里叶
变换透镜焦距为 150mm。探测器根据需要采用功率计探头和 CMOS 摄像头。
四、实验内容
1、振幅调制特性测定
1)将 LCSLM 输入图像的灰度值选择 0 和 255，分别测试透过光功率随半波片光轴角
度的变化，找到对比度(定义为 Imax/Imin)最大的角度；
2)以 25 为步长，切换 LCSLM 输入图像的灰度值，测试输出光功率随灰度变化曲线，
了解 SLM 的工作特性。
2、图像转换及黑栅效应的消除
基础光路上加扩束器和准直器使 LCSLM 的入射光变成平行光，LCSLM、两个傅里叶
透镜和 CMOS 按 4f 系统摆放。
1)连接 LCSLM，载入图片，对比 4f 系统的频谱位置上有无光阑的成像效果；
2)旋转半波片，观察不同角度生成的像，用 CMOS 记录明显的正像、负像，以及边缘
增强、边缘减弱像。分析原因。
3、全息图的再现
调整光路，把 CMOS 置于恰当的位置上，LCSLM 载入图像的计算频谱图，观察全息图
的再现。
4、SLM 像素大小的测量(夫琅和费衍射法)
根据透射光栅的夫琅和费衍射效应，设计方案测量 SLM 像素的尺寸。
五、思考题
1、液晶盒的双折射效应和哪些因素有关？
2、如何判断入射激光偏振方向与液晶盒上表面液晶取向的关系？
3、查询资料了解边缘像(边缘增强像、边缘减弱像)的含义。
4、如何根据光栅衍射规律测量 LCSLM 像素尺寸？
参考文献：
[1] N. Konforti and E. Marom. Phase-only modulation with twisted nematic liquid- crystal spatial
light modulators. Opt.Lett.1988,13(3):251-253
[2] 赵达尊,张怀玉. 空间光调制器.北京:北京理工大学出版社,1992
[3] 李育林,傅晓理. 空间光调制器及其应用. 北京:国防工业出版社,1996.
[4] 朱成禹.电寻址空间光调制技术的研究.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理
研究所),2002:1-29
[5] 颜 树 华 , 戴 一 帆 等 . 电 寻 址 空 间 光 调 制 器 “ 黑 栅 ” 效 应 的 消 除 方 法 . 光 子 学
报.2002,31(11):1421-1424
[6] 陈家璧,苏显渝.光学信息技术原理及应用.北京:高等教育出版社,2002