信息光学理论与应用：空间光调制器的意义与类型

从前面的讨论我们看到，光学信息处理具有大容量、高速度和并行处理的特点。相干光学处理系统可以方便地实现傅里叶变换，并可方便地在频谱面上实现空间滤波，进行频域综合，从而大大增加了处理的灵活性。系统对复振幅的处理能力很强。因此，常用的光学信息处理系统都是相干处理系统。

但是，相干光处理系统在输入和输出上都存在一定困难。由于信息是以光场复振幅分布的形式在该系统中传递和处理的，这就要求把输入图像制成透明片，然后用激光照明。这样就排除了直接使用阴极射线管（CRT）和发光二极管（LED）阵列等作为输入信号的可能性，在许多实际应用中的信号都是以这种方式提供的，它们属于非相干图像。事实上，大量待处理的光学信号都是非相干的，例如，日常生活中的图像、光学系统探测到的目标图像等。这些由非相干光所荷载的信息无法直接耦合到相干光学处理系统中去。虽然可以用照相胶片作为输入透明片，但为了消除乳胶和片基厚度变化引入的附加位相起伏，应采用专门的装置——液门（Liquid Gate，由两块光学平板组成，在两块平板之间插入胶片并注入折射率匹配液，如图7.7.1所示）。这时胶片的振幅透射率可表示为强度透射率的平方根。但是，照片胶片有一个显著的缺点，那就是化学处理所需要的很长的时间滞后。当要处理的数据原本就是照相形式时，可能问题不大，但若信息是在快速收集中（例如采用电子手段），人们希望在电子信息和数据处理系统之间有一个更直接的界面，以实现实时光学处理。这时就需要一个器件，它首先接收非相干光图像（例如CRT或LED阵列显示的图像），通过该器件中的特殊效应，把光学图像所表征的光强分布转换成其他物理量（例如折射率、电压、电荷密度等）的二维分布，再通过器件的另一效应来调制处理系统中相干光的某一参数（例如位相、振幅、偏振态等），从而完成信息从信号源向处理系统的转移，以及信息由非相干光荷载向相干光荷载的转换。这种实现非相干光-相干光转换的器件就是空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）。

图7.7.1　消除胶片厚度变化的液门（厚度变化被大大地夸大了）(www.xing528.com)

另一类常用的信号是电信号，如各种电路产生的电信号、雷达信号、太阳辐射的射电信号，以及通过各类传感器转化成的电信号。例如，空中目标经光学系统成像后，常用CCD探测器转变成电信号，日常生活中大量的图像、声音等，也往往通过计算机多媒体转换成视频信号。这些电信号必须通过特殊设计的接口器件把电压、电流的时间变化转化为光学参量的空间变化，方式是控制其吸收或相移的空间分布。该接口器件也是空间光调制器。

概括起来，空间光调制器指的是这样的器件，在信源信号的控制下，它能对光波的某个参量进行调制，例如，通过吸收调制振幅，通过折射率调制位相，通过偏振面的旋转调制偏振态，等等，从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中。信源信号既可能是光学信号，也可能是电学信号，因此又把空间光调制器分成光寻址和电寻址的两大类。所谓寻址（Adressing），就是写入信号把信息传递到空间光调制器上的相应位置，以改变SLM透过率分布的过程。当信源信号是光学信号时，我们称之为“写入光”（Write Light）；照射SLM并从写入光获取所荷载信息的光波称为“读出光”（Readout Light）；经SLM输出的光波则称为“输出光”（Output Light），它已包含了被写入的信息。

下面举例介绍光寻址的空间光调制器。