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濱松空間光調(diào)制器LCOS-SLM參數(shù)解析及選型指導(dǎo)

        空間光調(diào)制器是采用LCOS(Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶)芯片來(lái)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(lái)說(shuō),像元的尺寸越小,調(diào)制的就越精細(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。對(duì)于濱松LCOS本身的性質(zhì)來(lái)說(shuō),它只改變光的相位,而不影響光的強(qiáng)度和偏振狀態(tài)。(如果要調(diào)制振幅/光強(qiáng),需要通過(guò)光路來(lái)實(shí)現(xiàn),具體光路參見(jiàn):SLM振幅調(diào)制光路)。通過(guò)改變電壓來(lái)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(guò)CMOS背板和PC輸出的DVI信號(hào),液晶的排列是單像素可控的。

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        目前市面上的LCOS產(chǎn)品中,濱松LCOS在高端市場(chǎng)中以更優(yōu)秀的性能贏得了眾多用戶的好評(píng)——高線性度、高光利用率、高衍射效率,等等。



一,參數(shù)解析

1.光利用率(反射率)

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

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        濱松可以提供400nm-1550nm范圍內(nèi)的OEM定制產(chǎn)品,我們可以為您專門優(yōu)化您應(yīng)用中需要用到的波長(zhǎng)。具體需求請(qǐng)聯(lián)系我們。另外,有些品牌將反射率稱為"零級(jí)衍射效率",這其實(shí)是一回事,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。


2.一級(jí)衍射效率

        一級(jí)衍射效率才是LCOS真正的"衍射效率",是通過(guò)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(入射灰階從0到255變化時(shí)的平均值)能量的百分比來(lái)定義的。絕大多數(shù)應(yīng)用中,實(shí)際使用的都是一級(jí)光,這種情況下一級(jí)衍射效率越高,調(diào)制效率就越高。(但是同樣的產(chǎn)品,像元越小,一級(jí)衍射效率也會(huì)相應(yīng)變小。所以分辨率和一級(jí)衍射效率是兩個(gè)此消彼長(zhǎng)的量。)

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X15213系列具體數(shù)值如下:

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具體計(jì)算方法見(jiàn):空間光調(diào)制器LCOS-SLM的衍射效率解析。

注意!實(shí)驗(yàn)室靜電有可能造成衍射效率下降,請(qǐng)注意防護(hù)。



3. 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),而濱松致力于追求等高精度的調(diào)制,在線性度方面做到了行業(yè)頂級(jí)。且得益于優(yōu)秀的硬件線性度和出廠自帶所有參數(shù)內(nèi)波長(zhǎng)的LUT曲線,為用戶省去了標(biāo)定的麻煩,進(jìn)一步提高了調(diào)制精度。 濱松線性度:

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強(qiáng)光下依然保持良好的線性度,見(jiàn)下圖:

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二,選型指導(dǎo)

1. 確認(rèn)分辨率和像元大小

        LCOS是由像素陣列組成的,濱松可以提供的分辨率為1272×1024。新系列X15213表示在產(chǎn)品型號(hào)的前半部分,后半部分表示對(duì)應(yīng)的型號(hào),各型號(hào)的波長(zhǎng)范圍不同,如X15213-08。見(jiàn)下表:

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        表中"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。"填充因子(Fill factor)"是指單個(gè)像素有效面積占總面積的百分比,這個(gè)值在影響光利用率方面比較關(guān)鍵(光利用率在本文后面會(huì)進(jìn)行介紹)。

        某些廠家將該值Fill factor的概念與像素間間距(Inter pixel gap)合起來(lái)表示該值,因此他們通常將Fill factor標(biāo)成100%,但同時(shí)他們的Inter pixel gap高達(dá)1.3μm,而這個(gè)Inter pixel gap他們是不會(huì)給出的,因此參數(shù)就會(huì)顯得很好看。而濱松本著實(shí)事求是的原則將實(shí)際Fill factor寫出,并且濱松的Inter pixel gap只有0.2μm。所以用戶在使用的時(shí)候,需要考慮的是綜合了Fill factor和Inter pixel gap的真正的填充率,只有高Fill factor,沒(méi)有小的Inter pixel gap, 實(shí)際上的填充效果其實(shí)并不好。

        后面的重量是指LCOS頭的重量,產(chǎn)品采用輕量化設(shè)計(jì),在保證性能不變的情況下,重量為152g,水冷型號(hào)的由于增加了制冷部分,重量為552g。


2. 選擇相應(yīng)的波段

        每個(gè)系列的LCOS產(chǎn)品都包含若干個(gè)不同的型號(hào),以尾綴的形式表示。如X15213-08中的-08就是指該型號(hào)的產(chǎn)品可調(diào)制波長(zhǎng)范圍為1000nm-1550nm,見(jiàn)下表:

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        其中對(duì)于-05型號(hào)來(lái)說(shuō),波長(zhǎng)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(zhǎng)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%。尾綴帶有字母L或者R的代表水冷型號(hào)的水冷管接口在左(L)或者在右(R),以R為例詳見(jiàn)下圖圖紙:

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3. 注意光閾值

        LCOS是不能照射超過(guò)閾值的光的,如果超過(guò)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(zhǎng)、用戶使用的光源類型不同會(huì)有很大差異,請(qǐng)參考空間光調(diào)制器光強(qiáng)閾值資料及計(jì)算方法。對(duì)于不同系列的相同尾綴的型號(hào),具有相同的光閾值,如X15213-03CL的光閾值和X15213-03相同。


        另外,從波長(zhǎng)選型中可以看到,不同尾綴的各種型號(hào)中,-01,-07,-08這三種型號(hào)的波長(zhǎng)范圍較長(zhǎng);而其他幾種型號(hào)的波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍限制在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)。

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