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第七章空 间 光 调 制 器
(Spatial Light Modulator)
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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第七章 空间光调制器
7,1 概论
7,2 磁光空间光调制器 (MOSLM)
7,3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器 (TFT—LCD)
7,4 液晶显示器在非相干光信息处理中的应用 ——大屏幕投影电视
7,5 液晶光阀
7,6 线性电光效应和 PROM器件
7,7 数字微反射镜器件 (DMD)和数字化投影第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7,1 概 论
7.1.1 空间光调制器的意义及分类空间光调制器 (SLM)
在信源信号的控制下,能对光波的某个参量进行调制,例如通过吸收调制振幅,通过折射率调制相位,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 。
1,空间光调制器的意义
(1)输入器件
电 ——光转换和串行 ——并行转换
非相干光 —相干光转换,
波长 转换第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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(2)处理和运算功能器件
放大器
乘法器与算术运算功能
对比度反转
量化操作和阈值操作
非线性变换
逻辑运算
(3)存储功能器件例,Pockels 光调制器 (PROM) ；
光折变器件等第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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2,空间光调制器的分类
按信源信号分类
(1)光寻址空间光调制器 ——信源信号是光学信号
(2)电寻址空间光调制器 ——信源信号是电学信号当信源信号是光学信号时,我们称之为,写入光,；照射空间光调制器,并从写入光获取信息的光波称为,读出光,,因为它读出了写入信号所荷载的信息,经空间光调制器输出的光波又称输出光,它已包含了被写入的信息,
按读出的方式来分类,透射型,反射型,
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7.1.2 空间光调制器的分类及寻址方式
1,按它在系统中的位置来区分系统的输入器件 (I-SLM)，
在频谱面上作为滤波器件 (P-SLM),
系统的输出端 (O-SLM)．
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2、寻址方式空间光调制器是一个二维器件，可看成一个透过率受到写入信号控制的滤光片。
寻址 (adressing)：写入信号把信息传递到 SLM上相应位置，以改变 SLM的透过率分布的过程。
(1)电寻址空间光调制器（ EA-SLM ）,
采用电寻址的方法来控制 SLM的复数透过率．
常用的电寻址的方式是通过 SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法，把信号加到对应的单元上去．电寻址又称为矩阵寻址．
像素 (Pixel),一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成 SLM的最小单元，它给出
SLM的分辨率极限．
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EA-SLM是用得最多的空间光调制器，
它将光学信息处理与近代电子技术特别是计算机 -多媒体技术结合起来，构成光 -电混合处理系统，应用非常广泛。
电寻址的 SLM的缺点,
(1)电寻址是串行寻址,处理速度下降,失去了光学信息并行处理的重要特色．
(2)电寻址是通过条状电极来传递信息的，
电极尺寸的减小有一个限度，所以像素尺寸也有限度,影响了 SLM的分辨率,
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例如：
磁光空间光调制器 (MOSLM),256× 256，
液晶空间光调制 器 (LCD):
640× 480像素与电视信号 VGA模式相匹配，
800× 600像素与电视信号 SVGA模式相匹配
1024× 768像素与电视信号 XGA模式相匹配更高分辨率的器件也在研制中，以满足高清晰度电视 (HDTV)的要求．
(3)由于电极本身不透明，所以像素的有效通光面积与像素总面积之比 ——开口率较低，
光能利用率不高,
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数字式微反射镜器件 (DMD)
一种新型的电寻址空间光调制器特点,高效率、高对比度、多灰阶 (256个灰阶 )、高色保真度等。
具有 VGA,SVGA,XGA,SXGA
(1280× 1024) 等 多种规格的像素单元,与 16：
9宽屏幕 电视匹配的 2048× 1152单元的超高分辨器件 也已问世．特别是该器件是 全数字化的，亦即它的灰阶、色饱和度均由数字信号控制，不仅适用于高清晰度投影电视，并符合未来的电视技术数字化趋势，称为“数字化投影技术的革命”。
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(2) 光寻址空间光调制器 (OA-SLM)
当写入信号为光信号时,空间光调制器首先具备检测这一光学信号的功能,把光学信号对应的光强分布转化成电荷分布,折射率分布等等,
也就是首先把光学信号写入光寻址空间光调制器中,然后由读出光通过各种效应,例如电光效应,
双折射效应等,读出这一信号,因此具有连续的寻址机构和调制机构,事实上是光探测器和光调制器的组合,
OA-SlM的空间分辨率通常高于 EA-SlM．
例如,液晶光阀 LCLV的分辨率达 60线对 /mm,面积为 50mm× 50mm,相当于 3000× 3000个像素第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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OA-SLM的最大优点在于并行寻址方式,把写入图像成像或投影到 OA-SLM上是在瞬间完成的,所以具有高度并行的特点,然而高度并行并不等于高速处理,因为光探测效应的响应速度往往不快,
采用光寻址时,通常 SLM做成反射式,写入光射入 SLM的一个端面,把信息写入 SLM,读出光射入 SLM的另一端面,信息通过 SLM转移到读出光中,并反射输出,因此通常在 OA-SLM中有一个隔离层,使读出光和写入光互不干扰,也可以使用不同波长的光,利用滤光片消除它们之间的串扰,
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光寻址空间光调制器常用 非相干光写入,用 相干光读出,
许多信号是用非相干光记录的,用非相干光写入,可以 避免相干噪声,获得 较高的分辨率,
用 相干光读出,又可以采用 相干光处理系统对信号进行处理,因为相干光处理技术比非相干光处理技术成熟得多,
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7.1.3 常用的空间光调制器
(一 ) 电寻址空间光调制器
1,薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD)；
2,磁光空间光调制器 (MOSLM)；
3,数字微反射镜器件 (DMD)．
(二 )光寻址空间光调制器
1,铁电液晶空间光调制器 (FLC-SLM)；
2,液晶光阀 (LCLV)及阴极射线管 -液晶光阀
(CRT—LCLV)；
3,微通道板空间光调制器 (MSLM)；
4,Pockels光调制器 (PROM).
电寻址空间光调制器器件名称或代号 材 料 像素数 像素尺寸(?m×?m) 帧频 Hz 对比度 开口率
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1840× 1035 40× 40 60 150 0.36
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1280× 1022 52× 36 60 100 0.40
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1920× 480 14× 44 60 300 0.35
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1280× 1024 34× 24 60 400 0.27
Semetex SMD-256i 钇铁石榴石 256× 256 56× 56 30 1000 0.54
Litton MOSLM 钇铁石榴石 128× 128 56× 56 2000 0.54
TI-DMD(彩色 ) 786× 576× 3DMD 17× 17 180 ＞ 100 0.74
TI-DMD(彩色 ) 2048× 1152 17× 17 60 ＞ 400 ＞ 0.75
光寻址空间光调制器器件名称或代号 光敏材料 有效面积
/mm
分辨率
1p/mm
响应时间
t/ms
对比度
SSFLC GaAs 25 10
SSFLC?-Si PC 40 28
SSFLC?-Si HPC 300 60
国产 LCLV,CdS 向列相液晶 40 35 30 ～ 40 100
Hughes,LCLV,Si 向列相液晶 43 12 4 ～ 16 20
Hamamatsu
Micro-channel
LiNbO3 16 10 50 ～ 100 100
PROM BSO 5.8 0.1
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7.2 磁光空间光调制器 (MOSLM)
MOSLM是根据法拉第磁光效应设计的,
图 7.1 MOSLM像素结构示意图在图中还有局部减小矫顽力的离子注入区,
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先通过线圈，在 MOSLM上加上均匀的外磁场，
当撤去外磁场后，每个像素的磁性薄膜内都具有剩磁，它起到了记忆原来的外磁场方向的作用．
图 7.2
MOSLM
器件侧视图第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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图 7.3给出一对行,列电极 Ll,L2中的电流及它们所产生的磁场方向,A,B,C,D
为它们交点处 (即寻址坐标 )的四个像素单元,
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设原在 MOSLM所加的 均匀外磁场,其方向从纸面向外,加上图中所示的寻址电流后,A,C
单元中行,列电极的电流生成的磁场方向相反,正好抵消,对剩磁状态没有影响； B单元的磁场与剩磁方向一致,也不会改变剩磁状态； 只有 D单元的外场与剩磁方向相反,若写入信号产生的磁场足够大,超过矫顽力,则 D单元内剩磁的方向反转,即 D单元被寻址 。 而远离 L1,L2交点的单元则因磁场强度太小而不起作用,
外磁场
⊙
⊙ ⊙
⊙
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21图 7.4 MOSLM 的工作示意图第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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两个薄膜单元的剩磁磁场已被写入信号调制成相反方向,一个沿光波传播方向,另一个与之相反,当线偏振光沿磁光薄膜单晶的晶轴方向通过薄膜后,由于晶体中的磁光效应 (? = Vd H l )，
线偏振光的振动方向分别沿顺时针和逆时针方向旋转? 角,它们的夹角为 2?．
设 检偏器方向与其中一个振动方向正交时，
该像素即处于关态，另一像素的光强为 Iosin2(2?)，
这里未计入薄膜的吸收损失．这样,MOSLM 就可以实现二元光调制，当?=45o 时反差最大．
若 检偏器方向与起偏器正交,则两个像素的透过率相同,但通过它们的 光波具有 180o 的相位差,这种配置可以实现相位调制,
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MOSLM器件 的 性能
优点,写入速度快，单个像素开关速度达 10 ns
量级，帧频高于 100 Hz。像素为 128 × 128的阵列器件帧频达 2000 Hz。它的存储特性非常稳定。
对比度高于 200:1，速度可达 1000:1。现有阵列像素数有 128× 128,256 × 256和 512 × 512 等多种。
主要的缺陷,对读出光能利用率比较低。
MOSLM的这一限制，是由于它本质上是一个二元器件，每个像素只有两个状态可供选择，不能进行多灰阶操作。
MOSLM 已在光学模式识别、白光信息处理、
图像编码、光学互连及可编程光学器件等方向得到应用。
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7.3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器
7.3.1 液晶液晶是某些有机高分子物质在一定的条件下呈现的一种特殊的物质状态,其结构介于液体,
固体之间,称为 中间态,或中间相 。
液晶分子一般呈长棒状,个别呈盘状,碗状,
它们的分子排列介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间,每个液晶分子的中心在液晶空间中的分布是随机的,但分子的取向具有有序性,亦即长棒状分子的长轴方向或盘状,碗状 分子的法线方向 在一定的温度范围内倾向于 彼此平行,该方向称 液晶分子的指向矢量方向 。
图 7.5 三种重要的液晶分子结构示意图液晶具有双重性质：
液体的 流动性,晶体所特有的 各向异性,
液晶 各向异性,导致电,磁,光,力学的各向异性,
液晶 流动性,使液晶的各向异性在外场下会发生显著变化 （ 远比各向异性晶体强烈 ）,
例如,KDP晶体的半波电压 9.3 kV,BSO晶体的半波电压为 3.9 kV (? = 632.8 nm),半波电压是晶体线性电光效应的一个特征参量,在振幅调制中,当外加电压达到半波电压时,调制器的透过状态从开态转成关态,而表征液晶电光效应的特征参量 ——开关电压约为 5 V,比晶体半波电压小三个数量级,这正是液晶的流动性和各向异性双重特性的综合效果,
此特性,使我们可以把液晶作为调制介质,构成低能耗,低 电 压 的 空 间 光 调 制 器 ——LCLV 和 (TFT-
LCD),尽管 TFT—LCD是近年开发的,但作为非相干空间光调制器,它却率先投入大批量生产,并已完全商品化,以 TFT-LCD作为空间光调制器的计算机控制投影仪和液晶大屏幕投影电视 (LCD-projection TV,LCD-
PTV),已大批量生产,完全实用化,成为光学信息处理实用化的极个别的例子之一,
7.3.2 偏振光在扭曲介质中的传播如果把向列相液晶放在一个经特殊处理的盒中,可以构成具有特殊的扭曲效应的液晶盒 ——TN液晶盒,其结构见图 7.6.
图 7.6 TN液晶盒的结构和工作原理第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.3.3 扭曲向列液晶盒的工作原理图 7.7 TN-LCD的电光特性曲线除此之外常用的还有超扭曲向列液晶盒 (STN)，
STN-LCD它的特性曲线比 TN-LCD盒的更为陡峭．
7.3.4 有源矩阵驱动液晶显示器 (TFT-LCD)
电寻址的空间光调制器多采用矩阵寻址的方案．
通常在 一块玻璃板上,形成 互相绝缘的行电极和列电极,在它们的交点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体管 TFT,TFT的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像素．
在 另一块玻璃板的表面,所有 像素共用一个电极,两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶．
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图 7,8 TFT-LCD的等效电路．
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当某一像素的行、列电极同时加上电信号时,
TFT型场效应管接通，该像素透光．顺序选通各行电极，并同步地选通列电极，
就 可以控制各像素的明暗，电压的大小可控制灰阶,
图 7.9 TFT-LCD的结构示意图第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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全彩色T
FT
-L
CD
液晶板第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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液晶空间光调制器特点,
驱动电压低 (＜ 5V)；
功耗小 (?W/m2量级 )；
有效地消除了相邻像素之间的干扰 （ 由于场效应管隔离 ） ；
方便地实现彩色显示；
成品率高,成本越来越低,广泛应用 。
NEC 用,超精细 TFT”技术 生 产 出 分辨 率 为
1280× 1024的产品；
夏普 的 TFT Super-VLCD平板对比度可达 300,1，
亮度达 250 cd/m2,功率却只有 10W；最近推出
40英寸彩色 TFT-LCD；
日立 的 13.3英寸 LCD视角可达 140o；
响应速度为 50 ms的 TFT产品也已面市 。
2005年前各类产品用 LCD的增长
(增长最快的领域包括下一代电视、
车载设备、电子图书、液晶监视器等 )
7.4 液晶显示器应用 ——大屏幕投影电视
S：金属化卤钨灯 L,投影物镜
F1：透蓝绿光反红光滤色片 C1—C2,聚光镜
F2：适蓝光反绿光滤色片 Ml,M2：宽波段全反镜
F3：透红光反绿光滤色片 UV—IR：透可见光反红外
F4：透红绿光反蓝光滤色片 紫外光滤色片第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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投影 型铁电型 液晶显示 LCD的系统第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.5 液晶光阀矩阵寻址液晶显示器 TFT-LCD是利用寻址电信号直接加在被寻址的液晶盒 TN-
LCD上,改变它的透过率,将扫描电信号转换成空间光的强度分布,器件工作的基本原理,在于外加电场在一定程度上抵消了扭曲效应,从而改变了线偏振光的振动方位对扭曲介质局部光轴旋转的跟随特性,矩阵寻址是外部电寻址方式,
如果采用 光学寻址方式,则器件就是光寻址空间光调制器,通常称为 液晶光阀
(1iguid crystal light valve,简称 LCLV)。
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7.5.1 混合场效应混合场效应 (美国休斯顿实验室 ):
由于入射到 TN-LCD盒上的线偏振光的振动平面跟随扭曲介质光轴转过 90o,出射光波的振动平面与检偏器正交,使 TN-LCD处于关态,如果在 TN-LCD盒上加纵向电压,扭曲效应将被双折射效应部分抵消,使 TN-LCD处于开态,这一效应称为混合场效应,
在液晶盒中,由于分子问的相互作用,各层的分子呈线性扭曲排列,在 TN-LCD盒中共旋转
90o．
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当我们在液晶盒上加纵向电压时,长形分子作为电偶极子,将趋向于电场排列,从而使局部光轴方向发生变化,这就是液晶的电光效应,在电压足够高时,几乎所有的液晶分子都趋于电场方向,扭曲效应彻底破坏,液晶的光轴将转向 z方向,从而沿 z轴入射的线偏振光的偏振状态将不受液晶的影响,
图 7.12 (a) TN-LCD盒未加电压时的钮曲效应
(b)加电压后,扭曲效应消失当所加的外电压较小,尚未彻底破坏扭曲效应时,
在 TN-LCD盒中呈现出复杂的情况：
靠近电极处,扭曲效应仍占主要的地位；
越接近 TN-LCD盒中心,扭曲效应基本上不存在；
在边界层和中心区之间：液晶分子的长轴取向见图 7.13
(a)扭曲角?作为 z 的函数 (b)倾斜角?作为 z 的函数虚线表示未加电压的情况
在入射面附近 (z≈0)光波的电场 Eo沿 x 轴方向，与液晶光轴? 同向，近似为 e光；
在中心附近 (z = d/2) 光轴趋向于 z 轴方向，因此 E’与光轴近似垂直，为 o光；
在 z ≈d 附近 E”与光轴?的夹角近似为 45o，分解为 e光和
o光，并在这一区段获得相位差形成椭圆偏振光．
一般在 z = d处镀反光膜使光波折回，它再次通过液晶层后相位差加倍．
图 7.15 LCLV 的读出光路,PBC 为偏振分光棱镜,读出光是 PBC的 p偏振分量,当 外电压 V = 0时从
LCLV的反射光为 p偏振分量,输出为 0； 当 V≠0时 反射光为椭圆偏振光,其中的 s分量为输出光,但输出信号强度与电压不成正比,当电压 V过大时,绝大部分液晶分子都沿 z方向排列,z = d 附近沿 45o方向排列的液晶层变得很薄,从而偏振光在这一区域获得的 相位差反而变小,
7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理：
在写入图像的暗区,光导层的电阻很大,
外电压主要降落在光导层上,液晶层上的电压降很小,不足以产生明显的电光效应,扭曲效应仍是主要的,光波振动平面跟随液晶介质局部光轴旋转,从器件输出的反射光仍然是 p分量,全部透过 PBC,反射光强近似为 0； 图 7.16 LCLV的结构在写入图像的亮区,由于光电效应,
光导层的电阻变小,
它的电压降变小,液晶层上的电压降相应加大,从而引起电光效应,输出光成为椭圆偏振光,从 PBC反射的光强不为 0,在写入图像亮度不同的区域,输出光强也不同,
写入图像通过 LClV的混合场效应调制了读出光,图 7.16 LCLV的结构
7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理：
通常写入光可以是非相干光，而读出光则为相干光，
从 PBC输出的光信号直接进入相干光处理系统．
图 7.17 LCLV透过率 T 与外加电压 V 的关系
LCLV的反差高达
100:1，电源电压 5-10V，
分辨率高达几十线对 /mm
到 100线对 /mm，通光孔径
≈50 mm．但它的响应速度不快，这是由于液晶分子在外场作用下的取向变化滞后于外场的变化，滞后时间约在 10 ms的量级，
而且器件的电容较大，作为整体的响应速度与电视图像大体匹配．
7.5.3 阴极射线管耦合液晶光阀 (CRT-LCLV)
将 CRT与 LCLV通过光纤面板结合起来,使 CRT的输出图像作为 LCLV的写入信号,就构成 CRT-LCLV，
其结构如图 7.18所示,CRT的图像通过光纤面板直接照射 LCLV的光导层,就可以完成写入操作,
CRT-LCLV能够实时地将计算机输出的图像转换成光学图像,它的亮度大,分辨率高,对比度好,特别 适宜于光电混合处理,
7.5.4 CCD-LCLV
CCD代替 CdS-
LCLV中的光电导层和光阻挡层,
7.6 线性电光效应和 PROM器件电光效应指的是介质或晶体在电场作用下,
其光学性质发生变化的各种现象 。 目前在电光效应方面主要以电致旋光效应,克尔效应和泡克耳效应来获得光偏振调制 。
振幅调制,
光强受外加电压的调制实验表明，偏振光通过晶体后两束光产生 光程差 △为式中 L 为光在晶体中经过的长度,b 为晶体的泡克耳常数。
通过 检偏器的光强 为起偏振器 晶体 检偏振器
b L EL)nn( e0
)(s i ns i ns i n)([ c o s bUII 220 22
当 α=π/4,β= 3π/4,输出光强度 为当施加园频率为 ω交变电压，则有电光调制工作点的选择选在 U=Uλ/2 / 2 处曲线线性段较为适宜。式中 Uλ/2 / 2 是对应
I / I0 正弦数? 波长点的电压。
实际偏置方法把,λ/4 波片,放在起偏振器和
KDP晶体之间,且使波片的光轴与 KDP晶体的光轴一致,而与起偏振器主方向成 π/4 角 。 工作点选在 U = 0 处,相当于无 λ/4波片时,
工作点选在 Uλ/2 / 2的情况 。
)(s in bUII 20
)s i n(s i n tUbII 020
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相位调制设晶体是与 xy平行的晶片,沿 z 方向的厚度为 L,在输出端放一个与 z 方向平行的起偏振器,
入射光波沿 z 方向传播,且沿 x 方向偏振,射入晶体后,它分解成?,?方向的偏振光 (见图 )。
如果输入光波的振动平面沿? 方向,则沿 x
轴方向的外电场 V仅仅使光波产生一个附加相位
,在调制晶体为 BSO的情况下,
= 2?n L /? -?bU /? = 2?n L /? -?U / 2U?
外加电压调制了附加相位的大小,称相位调制,
PROM 器件的结构及工作原理
1,PROM 器件结构如图 7.21所示,它利用
BSO晶体作为调制介质，其表面垂直于 (001)方向，厚度约数百?m.它的两边分别有一个绝缘层 INSl,INS2，通常是对二甲苯基，厚度约几个?m；在 BSO和 INS2之间有一个二向色反射镜，镀上短波通膜层，它能反射红光、
透射蓝光；绝缘层外面用溅射法涂以氧气钢锡 ITO，构成透明电极．
图 7.2l PROM器件构造示意图
IR,IR’为入射和反射的红光；
IB为入射的蓝光； M为二向色反射镜 (反射红光，透过蓝光 )；
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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2,PROM的工作原理
(1)擦除与激发第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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(2)写入我们用短波长的蓝色图像从右边照射晶体。
蓝色图像将透过二向色反射镜，射入 BSO晶体，
在图像的亮区,由于光电导效应产生电子 -空穴对，电子在电场的作用下向 BSO的左端面移动，
正、负电荷分离后形成的内电场将抵消一部分外电场使这些区域的压降减小；
在图像的暗区 则由于电子 -空穴对很少，压降基本维持 Vo不变．
这样,空间光强分布经光电导效应转换成空间的电压分布，或者说用蓝色光写入的光强图样转化为电压图样,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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电压 V与曝光量置的关系,V = Voe-KE (31)
即 BSO上暗区的压降大，亮区的压降小．
图 7.23 PROM器件的电压降与曝光量的关系第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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(3)读出读出光一般用长波长的红光，例如 He-He光。
光电导效应的灵敏度强烈地依赖于光波波长，对于 BSO晶体,?= 633 nm的红光的灵敏度仅为? =
400 nm蓝紫光灵敏度的 1/200左右，因此可以近似认为读出光不产生光电导效应，不会影响蓝光写入的电压图形．
He-Ne激光为线偏振光，振动方向沿 x轴，它透过 BSO后被二向色反射镜 M反射，再透过 BSO
晶体，由于 Pockels 效应，在不同的区域，由于不同的电压降 V，引起了不同的相位差，如果在输出端加上沿 y方向的检偏器，则输出光强将遵循公式
(28)，再度将电压分布转换成光强分布，或者说红光读出了原来蓝光写入的图形．这样就实现了光寻址的空间光调制器的能．
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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PROM器件是通过短波长光的光电导效应写入图像 (把空间光强分布转换成空间电压分布 )，
又通过长波长光的线性电光效应读出图像 (把空间电压分布恢复成空间光强分布 )．
对于理想的 PROM器件，在写入 图像的暗区,
读出光两次经过 BSO获得 最大的光强透过率 ；在亮区,读出光的 透过率很低,因此读出的 是负像,
PROM器件对晶体均匀性的要求很高．此外，
尽管读出光红光引起的光电导效应并不显著，但它毕竟使晶体上的电压有所降低，因而 PROM器件不能在较强的读出光照明下长时间工作．
PROM器件的读出光路：
从 He—Ne激光器辐射的线偏振光束在晶体中往返一次后，电压图像转移到光波中成为二维的光强分布，然后再由 PBC反射．
在图像的暗区,光波获得的相位差,在 PBC中接近完全反射；
在图像的亮区,晶体的电压却被光生电荷产生的电场所抵消,? <?．由 (28)式,PBC对它的反射率较低．因此由 PBC反射的正是蓝光写入图像的负像．
输出第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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3,PROM器件 典型性能
(1)灵敏度：工作点在 V? 处，写入光? = 488 nm，
Io / Ir 下降到其最大值的 1/e 时，所需曝光量为 6
J/cm2；典型 PROM需要 5 - 600?J/cm2 的写入光能量。
(2)反差 (对比度 ),> 500，最大可达 104。
(3)分辨率：典型值为 100 lp / mm.
(4)写 -读 - 擦循环周期,< 1／ 600 s,
(5)有效工作面积：约 4 cm2，最大 35?35 mm2。
(6)工作波长：写入光 400 – 500 nm
读出光 600 – 800 nm
红光对 BSO的光电导效应虽然很弱，但对写入图像还会产生一定破坏，因此 PROM不能在读出光长期照明下工作。
微通道板空间光调制器微通道板空间光调制器 (MSLM)的写入端配置了微通道板，对光信号有增益，灵敏度很高，因此很受重视。大多数 MSLM 属于光寻址空间光调制器。
1．结构
1-真空室窗口； 2-光电阴极；
3-透明电极； 4-微通道板；
5-接地电极； 6-栅极；
7-真空隙； 8-介质膜反射镜；
9-电光晶体板； 10-透明电极；
11-真空室
MSLM 结构整个器件是真空封闭的。其中，光电阴极对不同的写人光波长配以不同材料。光电阴极的作用是将光学图像转换成电图像。微通道板 (MCP)是由半导体微孔玻璃构成的，每个微孔即是一个微通道，对应一个像素，排列成阵列。每个微孔的直径为 10?m，整个 MCP的直径约 25 mm。微通道具有电子倍增功能，电子增益为 104。
如果用两个 MCP串接，增益可达 107。栅极是一种网格状电极，它对自微通道板射出的电子加速，直接射向介质膜反射镜的表面。介质膜反射镜的左侧表面，接受来自微通道板的电子，同时能反射自右方射来的读出光，构成反射工作模式。电光晶体板大多是采用 LiNbO3 或
LiTaO4 晶体，厚度为 0,5 mm，大多数情况是利用它的纵向电光效应对读出光进行调制的。图中 VK是微通道板高压电源，正端接地，一般电压为 1kV左右； VA 为栅极偏压电源； VB 为电光晶体板偏压，可根据需要调节。 RK
和 RB 为保护电阻。
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2．工作过程用相干或非相干光图像作为写入光，照射在光电阴极上，并形成光电子图像，然后经 MCP增强，经栅极加速，投射到介质膜反射镜上后形成电荷图像。该电荷图像与外加电场一起在纵向电光效应作用下，对电光晶体板的折射率进行了空间调制。读出光大多采用相干光 (例如?= 633nm
的氨氖激光 )，从右侧照射，经电光晶体板后，由介质反射镜反射，再次通过电光晶体板。通过电光晶体板时，由于纵向线性电光效应产生的双折射的作用，对其进行了偏振态调制。在检偏器的配合下，最后输出振幅或强度被调制的相干光图像。
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在电子图像在介质膜反射镜上形成电荷图像的过程中，调节各电压 VK,VB 和 VA
的大小，可以控制电子的入射动能，从而决定电子是淀积在介质膜上，还是把介质膜上原来淀积的电荷轰出来，使其产生二次电子发射效应。大多数 MCP 写入过程采用电子淀积模式，即采用较低的电压，产生较低电子动能，使电子淀积在介质膜上。
而在擦除过程中，采用二次电子发射模式，
即采用较高的电压，使电子获得较高动能，
依次将原来淀积在介质膜上的电子轰出去，
以实现擦除电子图像的目的。
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3．性能市场上商品 MSLM的典型特性参数为
(1)空间分辨率,20 lp／ mm
(2) 对比度：＞ 1000
(3) 灵敏度,30 nJ／ cm2 左右
(4) 最大读出光强,0,1 W／ cm2
(5) 写入时间响应,10 ms
擦除时间响应,20 ms
(6) 存储时间：几天
(7) 输入窗口直径,15 mm
MSLM的最大优点 是灵敏度十分高，而且还可以直接对写入图像进行多种处理，使用比较灵活。因此，它不仅用于非相干 - 相干光转换、波长转换，而且还可以直接进行图像加减运算和光学阈值操作。
Si – PLZT 空间光调制器
1,PLZT 陶瓷
PLZT是一种陶瓷材料，其主要成分是铅 (Pb)、镧
(La)、锆 (Zr)和钛 (Ti)。取四种元素符号的第一个字母，
构成缩写 PLZT 。其分子式为 [(Pb1-x La)(ZryTi1-y)1-x/4 O3 ]。
改变 La的浓度，可以使 PLZT呈现各种不同光电特性 (线性电光效应或二次电光效应 )、光弹效应 (即应力双折射效应 )和铁电性质 (即在外电场作用下发生极化，撤除外电场后分子极化并不消失，存在“电滞效应” )。
PLZT陶瓷是一种多晶态材料，宏观上没有确定的主轴方向，但如果沿某一方向在陶瓷材料上加一个外电场，
则可呈现单轴晶体的光学性质，且光轴沿外电场方向。
由于光波沿光轴方向通过单轴晶体时，其偏振态不变，
在 Si-PLZT空间光调制器中不能利用纵向电光效应，只能利用横向电光效应，实现电光调制。还有一些 PLZT
空间光调制器则是利用光弹效应、铁电性质制成。
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2．结构与工作过程
Si - PLZT是一种光寻址空间光调制器，
它由许多完全相同的小单元 (像素 )排成阵列而构成。每个单元中包含有硅光电探测器、
功率放大电路和 PIZT电光调制器三个主要部分。图 6.15 示出了一个单元的构成。
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硅光电探测器将光信号转换成电信号；再由硅功率放大电路将电信号放大，根据需要，还可在此部分增加某些处理功能的电路，如积分、微分电路等；然后，放大电信号以电压形式加在
PLZT电光调制器的电极上，并通过横向电光效应对 PIZT的折射率进行调制。
写入光 Iw 沿垂直纸面方向照明器件，并把写入图像传递到各个光电探测器上。
读出光 Ir 也沿垂直于纸面的方向照明器件，
如果 Ir 偏振方向平行于电极方向，在通过 PLZT
电光调制器后,Io 得到相位调制。如果 Ir 偏振方向与电极方向成 45o 角，则 Ir 的偏振态受到调制，
经检偏器可获得强度调制。
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Si - PLZT也有透射式和反射式两种。反射式，
由于读出光两次通过 PIZT，受到的调制比透射式大一倍。目前，又开发出一种反射式 PLZT，其写入光和读出光从器件同一侧入射，输出光也从同侧出射。这样，器件的另一侧表面则可覆盖一层大面积金属板，从而减小器件内电路发热对 PLZT陶瓷性能的影响。
Si - PLZT选用两种材料制作，是为了发挥两种材料的优势。 PLZT 是无机物中光电系数很大的材料。因此，用它制作调制器，其半波电压较低
(仅几十伏 )；而且 PLZT价格低廉,加工性能好,
可与硅集成 。硅具有极为优越的光电特性，光电转换灵敏度高，响应速度快，而且制备工艺成熟，并可集成各种微电子器件。 有些文献上把它称为灵巧 (smart)空间光调制器。
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7.7 数字微反射镜器件 (DMD)和数字化投影近年来,一种利用微细加工和大规模集成电路技术,构思极为巧妙的电寻址空间光调制器 —
—数字微反射镜器件 (digital micromirror device)
问世了,这种器件原来称作变形反射镜器件
(deformable mirror device),两种名称的英文缩写恰好都是 DMD,它是由美国德克萨斯仪器公司
(T1)的一名科学家 L,J,Hornbeck在 1987年发明的,DMD作为光学信息处理系统接口器件的报道并不多,但是近年来,它应用于数字投影显示
(digital projection display) 及高清晰度电视
(HDTV)中显示出来的优越性能,却引起了科技界和工业界的广泛兴趣,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.7.1 DMD的结构和工作原理图 7.25 DMD的结构示意图
1,DMD的结构
DMD的尺寸第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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器件工作时,在反射镜上加负偏压,一个寻址电极上加 +5V (数字,1”),另一寻址电极接地
(数字,0”),这样一来,就形成一个差动电压,
它产生一个力矩,使反光镜绕拉臂梁旋转,直到触及搭接电极为止,在扭转力矩的作用下,反射镜将一直锁定于这一位置,不管它下面的存储器的数据是否变化,直到复位信号出现为止,对应旋转角?L = 10o,这样,每一单元都有三个稳态：
+10o,-10o和 0o,? =0o 对应于没有寻址信号 (两个寻址电极都是 0)的情况 。 DMD是通过半导体微细加工技术精密制作的,因此反射镜列阵的三个稳态一致性相当好,对应于 DMD的三个平面：与基平面成 ±?L 角的倾斜平面及平行于基面的平面 。
2、工作原理当某一像素的反射镜?= 0
或?= -?L 时，反射光通不过投影物镜．
当该像素被寻址时,? =?L,
它反射的光束正好沿光轴方向通过投影物镜，成像到屏上，
称此 状态为,ON”；
= -?L 则对应于 DMD的 状态,OFF”．
在每一帧的时间内，某一像素处于两种状态的占空比，决定了该像素的灰阶，亦即 灰阶是由入射光的二元脉冲宽度调制实现,一般灰阶数为 28 =
256,图 7.26 DMD投影仪工作原理图像素的投影像第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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颜色 则通过两种方式加到图像中去,
方法 1,在照明光路中加一个 R,G,B三原色滤色镜的调色盘,它与视频信号严格同步，在每一帧的时间?t内转一圈，在各色盘范围内再分别用像素 ON/OFF的占空比调节 R,G,B的强度比，从而在一帧的时间?t内合成所要求的颜色．由于每种颜色的灰阶都是 8bit即 256种，总共可产生 2563约 1600万种不同的颜色，色彩是相当丰富的．
方法 2,通过一个 分光棱镜系统分成 R,G,B三色光，分别以 20o角 (即 2?L角 )照射三个 DMD，三个 DMD用三色电信号分别驱动，三个 DMD器件中处于 ON态的像素的反射光再通过该棱镜系统重新合成，通过一个变焦物镜投影到屏幕上．
7.7.2 DMD制作工艺简介
DMD用大规模集成电路技术制作,大体上可分为以下步骤：
(1)用标准的 CMOS工艺在硅片上制作记忆单元,寻址电极等,
(2)在硅片表面覆盖一层高分子聚合物,其厚度相当于反射镜的高度,
(3)用光刻,溅射法刻透聚合物层,制作支撑柱,
(4)镀一层薄的铝膜,作为扭臂梁层,镀一层厚的铝膜,
作为反射镜层；用光刻法将扭臂梁和反射镜成形,
(5)用离子刻蚀法除去余下的高分子聚合物层,最后形成架空的微反射镜,
当出现寻址信号及负偏压时,薄的扭臂梁扭转变形,厚的反射镜则不变形,只作整体的偏转,
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7.7.3 DMD数字式投影仪
DMD数字式投影仪又称 DLP投影仪,
顺序颜色模式 ( 1-DMD数字式投影仪 )
图 7.27 1-DMD数字式投影仪
Cl,C2为聚光镜； M为电机； CFW为三原色滤光镜盘； P为 110英寸屏幕； S为光源
CFW为三原色滤光镜盘第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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空间分色模式 (3-DMD投影机 )．
7.7.4 DMD数字投影技术的特点指标 单板 (1—DMD)投影仪NTSC标准制式显示 三板 (3—DMD)投影仪高清晰度电视 (HDTV)
DMD的像素数 768× 576 2048× 1152
有效像素数 640× 480 1707× 910
像素尺寸 16?m× 16?m 16?m× 16?m
像素周期 17?rn 17?m
像素有效孔径 74％ ＞ 75％
投影方式 前向投影 前向投影屏幕尺寸 (对角线 ) ＞ 52英寸 ＞ 60英寸画面长宽比 4,3 16,9
颜色帧频 180 Hz 60 Hz
屏幕亮度 (光通量 ) 220 lm ＞ 2000 lm
光源 1000W，氙灯 575W，金属卤钨灯对比度 ＞ 50,1 ＞ 100,1
每种颜色灰阶 8 bit (256级 ) 8或 9 bit
颜色生成方式 同步旋转调色盘 二向色棱镜组像素对准 自对准 光学对准
InFocus LP130
InFocus LP130 技术规格显示技术,美国德州 ( Texas Instruments )提供的数码光源处理 ( DLPTu )技术解像度,真正的 XGA l024× 768(无需压缩 )
数据兼容性,符台所有视频电子标准协会的制式，
VGA,SVGA,XGA和 85 Hz的 SXGA
视频容性,全模式 NTSC(M 4.43),PAL(BGHI,M，
N),SECAM(M),HDTV(720p和 1080i；
RGBHV
光亮度,1300 ANSI 流明对比度比率,400,1
投影镜头,1,22,1变焦镜头，投射比率范围 0.59：
1-0.72,1(按对角线距离 )，投射偏差为标准影像的 111.3%，手动变焦和对焦光线信号源,120 W 高压汞弧灯数字校准范围,+/- 20o
长阔比串,4,3
噪音,37 dB
色彩,1.67 千万种色彩自动图像调校,即插即投自动同步协调，自动追踪，
自动定位，自动识别视频信号源，自动调校黑白处理；
连接,GSV Video,VESA M1-DA(包括
RGBHV，并联数字接口和 USB接口 )
控制面板,机身有开关面板，方便使用体积,6.68英寸 (高 )× 8.63英寸 (宽 )× 2.O英寸 (长 )
(16.97厘米 × 21.92厘米 × 5.08厘米 )
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重量,3磅 ( 1.36公斤 )
电源,100-120V 或 200-240V,50-60 Hz
功率,160瓦特灯泡,2000小时寿命,UHP白光金属卤素灯泡保修期,两年 (包括技术支持和零件保修 )。
随机标准配置：模拟电缆包括 M1-DAl5针 VESA
模拟视频连接 (配备 HD和 USB连接线 )；视频电缆是 GSV和 RCA
复台电缆：遥控器、电源线和手提袋,
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DMD数字投影技术具有以下特点,
(1)高分辨率
DMD有 640× 480(VGA),800× 600(SVGA)、
1024× 768(XGA)及 1280× 1024(SXGA)等规格，
特别是适用于 16,9宽屏幕电视的 DMD，
尺寸 37mm× 22mm，像素尺寸为 17? m× 17? m，
一个 DMD上的像素数为 2048× 1152，远远超过
LCD的像素数，达到 N制电视制式器件的五倍以上，完全符合高清晰度电视 (HDTV)的要求．
(2)高亮度有效反射率达到 61％,远远高于 LCD的光学效率,
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(3)对比度,灰阶及色保真度对比度,目前已达到 400,1以上,
灰阶,一般能做到 8 bit(256级 )甚至 10 bit(1024级 )，
色保真度,三原色各 8bit的混合结果产生 2563 即
1600万种不同的颜色
LCD(或 LCLV)是一个模拟式空间光调制器,
而 DMD则是数字式空间光调制器,数字化是今后信息技术发展的大势所趋,也是电视技术发展的必然趋势,因此在大屏幕投影技术的竞争中,
DMD作为数字式空间光调制器件,无疑占了有利的地位,
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(4)可靠性由于 DMD的调制功能是通过微型反射镜的扭转实现的,因此人们自然会担心在反复的转动下扭臂梁铰链的可靠性,TI公司专门做了模拟 DMD
长期使用的试验,历经 765× 104个周期未发生任何问题,这相当于投影电视或投影仪正常使用
76000小时,看来可靠性是不成问题的,
(5)响应时间由于扭臂梁非常薄 (约 0.05-0.1?m),微型反射镜的重量很轻,转动惯量极小,因此响应时间极短,从完全的开态到完全的关态约 10?s,因此单板式 DMD投影仪可以在常规 TV的 1/3帧的时间内读完全部 RGB三色信号,
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第一台 DMD投影系统已于 1996年投放市场,
专业级或消费级的 DMD投影电视正在进入商品化阶段,
在本世纪末和即将来临的 21世纪初,高清晰度电视 (HDTV)将逐步取代常规的电视,由此,
空间光调制器必须具有 200万以上的像素,高达
30MHz以上的数据率 (data rate),HDTV和大屏幕显示常常是同时要求的,此外,数字化也是
HDTV的发展趋势,DMD几乎满足 HDTV的所有指标,可以预言,DMD是未来 HDTV首选的空间光调制器件,因而有人把 DMD称为,数字化投影技术的革命,,
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零扫描线
A,SVADLP
B,三管 CRT背投
C,液晶背投
A
B C
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DLP背投 技术规格型号,HDRTV5008A HDRTV6209
显示方式,DLP背投 DLP背投屏幕尺寸,1001x 760mm 1260X945mm
(对角线 50英寸 ) (对角线 62英寸 )
屏幕比例,4,3 4,3
亮度,≥1000cd/m2 ≥ 850cd/m2
对比度,≥ 1000:1 ≥ 1000:1
支持显示色彩,24位真彩 24位真彩
DMD基本分辨率,1280× 720 1280x720
最高支持分辨率,1600× 1200 1600× 1200
有效可视角度,水平 ≥140o 垂直 ≥45o
OSD语言,中文／英文型号,HDRTV5008A HDRTV6209
图象处理方式,MDU-WXGA MDU-W× GA
HDTV显示格式,1080i 720p 1080i 720p
电视制式,PAL D/K PAL D/K
视频制式,PAL NTSC PAL NTSG
电视频道,CATV全频道 CATV全频道节目存储数,200个 200个
VIDEO输入端,2(前 1后 1) 2(前 1后 1)
S输入端,2[前 1后 1) 2(前 1后 1)
YCbCr输入端,1 1
VGA输入端,2[前 1后 1) 2(前 1后 1)
VIDEO输出端,1(TVOUT) 1(TVOUT)
型号,HDRTV5008A HDRTV6209
音频输入端,L+R 5组 L+R 5组音频输出端,L+R(TVOUT)1组 L+R(TVOUT)1组音频输出功率,2× 10W 2× 10w
工作温度,5-35摄氏度 5-35摄氏度工作湿度,45％ -90％ 45％ -90％
工作气压,86-106 KPa 86-106 KPa
电源电压,交流 90-240伏 交流 90-240伏外形尺寸,1082宽 x1370高 x500深 1620宽 x1350高 x 700深净重,50公斤 85公斤持机功耗,≤ 3W ≤3W
最大功耗,≤240W ≤ 240w
最佳观看距离,2.5 - 4M 3 - 5M
7.8 自电光效应器件空间光调制器半导体多量子阱 (MQW)结构具有许多 特性,例如，
很强的电光特性，很快的速度，非线性光学特性，可采用微电子技术制作并与微电子器件集成,等等。目前，
半导体 MQW结构已成为制作电空间光调制器的极具生命力的材料。利用半导体材料 MQW结构已经开发了多种电光调制、电吸收、自电光效应、声光空间光调制器，
其中自电光效应器件 (SEED)是最具生命力和代表性的典型例子。
电吸收效应,某些半导体材料对特定的频率的光子的吸收率随外电场而改变 。
当光子能量接近材料的能隙宽度时，电吸收效应尤为明显。在半导体材料中，吸收率随外电场变化的灵敏度比较低。但在量子阱结构中吸收率随外电场变化具有很高的灵敏度。
多量子阱结构,由两种不同半导体材料薄膜重叠交替而构成的。常利用分子束外延技术交替生长 GaAs和
GaAlAs薄膜数十层，每层薄膜厚度约 10 nm，总厚度不到 1?m。这些薄膜层起到束缚电子 -空穴对的作用，
称为 量子阱 。
量子限制斯塔克效应 (QRSE),在量子阱结构中，呈现明显的吸收峰，在垂直于薄膜表面的外电场作用下，
吸收峰的位置会向低光于能量 (即长波长 )方向移动，造成对固定能量光子 (即固定波长 )的吸收率变化；但吸收峰移动时，其强度没有明显降低，故量子阱材料的电吸收效应有很高的灵敏度。这种现象称为 QRSE。
在 p型 -本征型 -n型 (Pin)半导体光电二极管的本征层中布置多量子阱结构，即构成了 SEED。它不仅具有明显的吸收峰和量子限制斯塔克效应，而且还同时具有光电效应。
在 SEED上加反向偏置电压，当用某一波长的单色光照射它时，便会产生光电流 Ip，如图 6.25所示。 这一光电流将影响外电路端电压，从而改变 SEED的偏压大小。而偏压的变化又改变了 MQW内的电场强度，进而引起吸收率的变化。
图 6.25 SEED单元结构及工作电路当然，吸收率的变化又将改变光电流的大小，继而又改变偏压、电场强度、吸收率 …… 由此可见,SEED是一种具有电光交替反馈过程的器件，故得名 自电光效应器件 。
当照明光光强变化或偏置电压、外电路电流改变时，
都会产生上述反馈过程。适当配置外电路，可出现正反馈过程，也可出现负反馈过程。 出现正反馈时,SEED可实现光学双稳、电学双稳、光电振荡等功能 ； 出现负反馈时,SEED可实现电寻址或光寻址的自线性化光强调制，
即用于空间光调制器,将 SEED做成阵列形式并布设寻址电极，则构成空间光调制器。
SEED优点,灵敏度高、功耗小、速度快，其开关能量可达 1 pJ，而理论上可达 fJ量级，响应时间已达 100 ps，理论上可短到 1ps。面阵 SEED已实现 256× 256 像素，但其对比度还不够高，目前只达到 10:1。
移动电话用 STN-LCD的技术动向进入 1999年以后,I-mode的研制成功和带 WAP功能移动电话的销售，使得人们可用以收发 E-mail并访
Internet。与此同 时，对 LCD也提出更高的性能要求。
1,移动电话对 LCD显示器的要求日本移动电话服务内容的变化及L
CD
的进步
从 1997年 开始显示图形的 ICD成为主流，这是为使用汉字显示电话簿的需要而发展起来的。它由 最初的 1/32
发展到 1/64占空比的显示容量。预计今后将发展到 l/80
占空比左右 。因此，对于 LCD来说，除了字符和图形的差异以外，容量也分阶段地增加了。
进入 1999年后,I-mode和 WAP的出现，使 LCD的画面由 96× 108像素发展到 120× 160像素 。要胜任以
Email和 Internet为基础的服务内容，而进行 I-mode显示时,最小容量是 8列 × 6行汉字 (12点阵字体是的 × 72
像素 )，还须再加上表示天线图标的显示区域。今后，
随着服务内容的扩充，服务内容供应商 (特别是娱乐类供应商 )对彩色化的要求会日益增强。
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1999年末起,彩色 LCD移动电话开始出现，
以后彩色化会进一步发展。归纳起来，新型移动电话对 LCD显示器的性能要求如下：
①大容量化,120× 120,128× 160像素；
②彩色化,256色；
③小巧薄型化：尽量薄、小，例如 50g 手机要求
④低功耗,2 mW 以下；
⑤高画质：更佳的可视性。
2,大容量化一般说来，将 STN-LCD大容量化并不难，但同时实现小巧薄型化、低功耗则比较困难。将从前由 LCD
屏和 TAB构成的图形 LCD大容量化会产生如下问题。
(1) 功耗增大 (驱动电压升高 )
驱动电压随驱动条件而变化功耗的增大是由于驱动电压的上升。驱动电压 Vop
随驱动条件 (占空比或偏压 )而变化的情况。其中用
minx3-minx6 表示 3-6倍升压时的最小电压。用阶梯状线表示任意升压倍率可能的驱动条件。
例如，对于 1／ 64占空比，可用 4倍升压来解决驱动电压问题。而对于 1／ 120占空比，则需要 6倍升压。
驱动 LCD的升压电路内装在 LCD驱动电路上。当采用 5倍或 6倍升压时，效率降低，功耗也将增大，加负载时电压下降也很大，导致显示品质下降。另外，
随着今后显示向着多灰度等级和彩色化的发展，功耗要比显示黑白两态时增加 2-3倍。为了解决上述问题，
将采用 MLS驱动降低功耗。现在正在尝试使用已讲述的 2画面驱动，以使占空比减半。
(2)死区 (非显示区域 )增大 (画面小型化 )
因结构不同其死区会有差异，如表所示。
形状显示线数方式 1:以前的方式
Com引线
Seg引线
(A+A) 尺寸／ mm
方式 2:上下 2方向引线
Com引线
Seg引线
(A+A) 尺寸／ mm
方式 3:上左 2方向引线
Com引线
Seg引线
(A+B) 尺寸／ mm
64线 6,7 6,0 9,5
80线 8,0 6,0 9,5
120线 11,2 6,4 9,5
160线 14,4 8,0 9,5
200线 17,6 9,6 9,5
缺 点 左右死区大 上下死区大 左右不均一表中,A或 B的尺寸是公用电极 (Com)的引出端在引线节距 (Pitch)取 80?m时的预计值。方式 l 和方式 2是采用上下导通，将 Com和 Seg 端引线集中到同一端，这样 Com
端子增加的同时，死区也增大了。另外，方式 3中 Com 端子从左或右直接引出,Com引线增加而死区基本不变。
对于移动电话，人们最关心的是左右区域变窄的问题。
如果左右合计 (A+A或 A+B)超过 10mm，在实际应用中是十分困难的。所以，迄今一直延续按方式 1引线。其一般以 80× 100行为上限。为了解决这一问题，所以 2画面驱动须采用方式 2。方式 2与方式 1比较，占空比将减少一半，
每端 Com数也减少一半，从而可减少死区。但是，在上下两个方向上增大了死区。如果采取将上下 TAB 弯人形式，
则模块结构变得复杂。
方式 3的特点是死区与占空比无关，更加适合于大容量显示，但因其左右死区不对称，用于移动电话，在设计上应采取另外的措施。
3,彩色化对于 STN-LCD彩色化来说，考虑到功耗等因素，
需要采用反射式或半透射式结构。以移动电话应用为例，
其电路构成、屏的构成以及照明方式简述如下：
(1)电路构成
Seiko-Epson公司的 TCM-A1197半透射型彩色 STN-
LCD的电路框图如图所示，为实现低功耗及高对比度，
采用了 MLS驱动。 Seg 驱动器内设 RGB-RAM，可显示
256色。移动电话用接口电路采用一般总线控制方式，
可与黑白 LCD兼容。
由于开发了新的驱动器和电源 IC,2英寸的 256色显示功耗可达到 2 mW。另外，为了减少待机时功耗，增加了部分显示功能。利用这一功能，待机时，功耗可减少到 0.3-0.5 mW(显示 16行时 )。另外可将显示行数、显示位置用软件以 4行为单位任意变更。
半透射型彩色 STN-LCD 的电路框图
(2)屏的构成反射式 LCD屏分为外面反射式和内面反射式两种，
如图所示。外面反射式与通常的透射式彩色 LCD具有相同的结构。彩色滤光膜做得很薄以确保反射时图像的美观，这与透射屏不同。如果将反射板换成半透射板可实现半透射彩色显示。
STN 反射彩色屏基本结构内面反射是将反射板做在液晶层内，这在工艺上是比较困难的。但彩色滤光膜与反射板在厚度方向上非常接近，使得倾斜方向入射的光不易混色。显示品质优于外面反射。总之，就画面质量，内面反射式占优势；从生产性方面，则外面反射式更具优越性。
(3)照明 实际使用要求能够在夜间看到移动电话显示。
所以，无论是反射式显示还是半透射式显示,LCD 都需要照明系统，前者通常采用上方照射的前照明方式，后者则采用背照光源组合。前照明在美观和组装方面是人们今后研究的课题，而当前的照明方式是半透过彩色液晶外加背照光源的组合。 半透射式彩色显示屏在色彩美观上要优于反射式，但透过率低下。为此，背照光源的表面亮度要比黑白 LCD 亮，应在 200 cd/m2 以上。而采用电致发光 (EL)较难得到 200 cd/m2 以上的亮度，因此多采用白色 LED屏。
Seiko-Epson公司半透射 STN-LCD TCM-A1197的规格
2001年 W-CDMA开始动画传送服务，预计移动电话也将采用有源矩阵 LCD显示。今后，根据服务内容和目标价格的不同，分别使用 STN半透过彩色显示和有源矩阵 LCD的时代即将到来。
项 目 规 格 项 目 规 格型 号 TCM-A1197 像素节距 / mm 0.085,0.255
驱动方式 无源矩阵 像素数 120(RGB),
160
显示模式 STN半透射彩色显示 显示颜色 256色
LCD外形尺寸 / mm 40.6× 55.0× 6.5 驱动占空比 1 / 160
画面尺寸 / mm 51(对角 2.0型 ) 背照光源 LED(白色 )
我国 LCD 产业的现状
LCD是最省电、最轻便、最适合个人应用的显示器件。由于中国人口众多，随着中国经济的迅速发展，
对 LCD的需求将是一个潜在的巨大市场，手机,BP机的发展就是最好的例证。发展中国彩色液晶显示产业，
已成为政府、产业界、科技界极为关注的重大课题。
我国液晶显示技术的研究,
起源于 20世纪 70年代,进入 80年代 后我国就引进 4
英寸 LCD生产线，到 80年代中期 开始引进 7英寸生产线,
80年代末 深圳天马开始引进 12英寸生产线,并大量招收液晶技术方面的科技人员，对 TN和 STN大生产技术进行大量研究，为我国 90年代中期 LCD产业的大发展创造了条件，并提供了技术保证。
1993年以后,我国先后引进以生产 STN-LCD为产品目标的 12-16英寸的生产线 10余条，并于 1995年以后分别建成投产，由于当时中国还没有掌握 STN-LCD大生产技术，
这些生产线主要生产 TN和中小尺寸 STN产品。但这也大大提高了我国 TN—LCD的生产能力。
1995年以后,除偏振片仍需进口外,TN-LCD大量使用的 ITO导电玻璃、液晶材料和相关辅助材料也都逐步国产化。目前我国 ITO导电玻璃生产能力已超过 3× 106 m2，
液晶材料年生产能力已超过 15 t，这两种材料不仅能满足国内市场需求，并且还有部分出口。由于中国劳动力便宜，生产成本低，中国生产的 TN-LCD产品在世界市场上有较强的竞争力。为了保持中小尺寸 LCD市场，日、
港、台等企业纷纷将劳动力密集的、中小尺寸 LCD生产线向大陆转移，在沿海和广东建成十几条独资 LCD生产厂。
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根据 1999年中国液晶专业分会统计,1998年中国从事液晶产业的企事业单位约 100家,其中
LCD生产厂约 50家，与 LCD配套的材料、设备厂约 20家，进行 LCD教学、科研、工程研究中心约
20家，中国的液晶显示已初步形成产业。根据协会统计,1998年 液晶产业的 销售额为人民币 36.05
亿元 (部分日、港、台的独资企业末统计在内 )。
1998年从事液晶产业的 职工约 17200人,其中 技术和管理人员占总职工的 22.8％左右 。到 1998年底我国对 27个 LCD厂统计，在 LCD上的总投资约
3.6亿美元。配套材料厂的总投资约 1.2亿美元。
国内整体在 LCD产业上的总投资还不到 5 亿美元
(部分日、港、台的独资企业末统计在内 )。 可见中国在 LCD产业上投资还是很小的。
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但是中国已成为世界上最大的 TN-LCD生产国，
其产量已占世界产量的 2／ 3以上，目前 80％以上的
LCD产品都出口。为了促进手机,BP机等电信用液晶产品的国产化,1999年有条件的 LCD厂家都积极筹建 TAB,COG等模块生产线。 吉林省电子集团公司 投资 100亿元采用 680× 880mm玻璃基板的第一条第四代生产线技术的 TFT-LCD，目前已投产运行，预计 2002年正式建成投产后的生产能力将达到 210万块模块 (按 15和 17英寸屏计算 )。 春兰电子集团与台湾剑度公司合作 在上海建立 3.5代 TFT-
LCD生产线，正在紧张筹划中； 北京东方电子集团 也筹划在北京建立 TFT—LCD生产线。国内还有一些厂家跃跃欲试，打算引进 TFT-LCD生产线。
这些都会对我国的液晶产业起到巨大的推动作用。
第七章空 间 光 调 制 器
(Spatial Light Modulator)
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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第七章 空间光调制器
7,1 概论
7,2 磁光空间光调制器 (MOSLM)
7,3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器 (TFT—LCD)
7,4 液晶显示器在非相干光信息处理中的应用 ——大屏幕投影电视
7,5 液晶光阀
7,6 线性电光效应和 PROM器件
7,7 数字微反射镜器件 (DMD)和数字化投影第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7,1 概 论
7.1.1 空间光调制器的意义及分类空间光调制器 (SLM)
在信源信号的控制下,能对光波的某个参量进行调制,例如通过吸收调制振幅,通过折射率调制相位,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 。
1,空间光调制器的意义
(1)输入器件
电 ——光转换和串行 ——并行转换
非相干光 —相干光转换,
波长 转换第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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(2)处理和运算功能器件
放大器
乘法器与算术运算功能
对比度反转
量化操作和阈值操作
非线性变换
逻辑运算
(3)存储功能器件例,Pockels 光调制器 (PROM) ；
光折变器件等第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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2,空间光调制器的分类
按信源信号分类
(1)光寻址空间光调制器 ——信源信号是光学信号
(2)电寻址空间光调制器 ——信源信号是电学信号当信源信号是光学信号时,我们称之为,写入光,；照射空间光调制器,并从写入光获取信息的光波称为,读出光,,因为它读出了写入信号所荷载的信息,经空间光调制器输出的光波又称输出光,它已包含了被写入的信息,
按读出的方式来分类,透射型,反射型,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.1.2 空间光调制器的分类及寻址方式
1,按它在系统中的位置来区分系统的输入器件 (I-SLM)，
在频谱面上作为滤波器件 (P-SLM),
系统的输出端 (O-SLM)．
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2、寻址方式空间光调制器是一个二维器件，可看成一个透过率受到写入信号控制的滤光片。
寻址 (adressing)：写入信号把信息传递到 SLM上相应位置，以改变 SLM的透过率分布的过程。
(1)电寻址空间光调制器（ EA-SLM ）,
采用电寻址的方法来控制 SLM的复数透过率．
常用的电寻址的方式是通过 SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法，把信号加到对应的单元上去．电寻址又称为矩阵寻址．
像素 (Pixel),一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成 SLM的最小单元，它给出
SLM的分辨率极限．
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EA-SLM是用得最多的空间光调制器，
它将光学信息处理与近代电子技术特别是计算机 -多媒体技术结合起来，构成光 -电混合处理系统，应用非常广泛。
电寻址的 SLM的缺点,
(1)电寻址是串行寻址,处理速度下降,失去了光学信息并行处理的重要特色．
(2)电寻址是通过条状电极来传递信息的，
电极尺寸的减小有一个限度，所以像素尺寸也有限度,影响了 SLM的分辨率,
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例如：
磁光空间光调制器 (MOSLM),256× 256，
液晶空间光调制 器 (LCD):
640× 480像素与电视信号 VGA模式相匹配，
800× 600像素与电视信号 SVGA模式相匹配
1024× 768像素与电视信号 XGA模式相匹配更高分辨率的器件也在研制中，以满足高清晰度电视 (HDTV)的要求．
(3)由于电极本身不透明，所以像素的有效通光面积与像素总面积之比 ——开口率较低，
光能利用率不高,
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数字式微反射镜器件 (DMD)
一种新型的电寻址空间光调制器特点,高效率、高对比度、多灰阶 (256个灰阶 )、高色保真度等。
具有 VGA,SVGA,XGA,SXGA
(1280× 1024) 等 多种规格的像素单元,与 16：
9宽屏幕 电视匹配的 2048× 1152单元的超高分辨器件 也已问世．特别是该器件是 全数字化的，亦即它的灰阶、色饱和度均由数字信号控制，不仅适用于高清晰度投影电视，并符合未来的电视技术数字化趋势，称为“数字化投影技术的革命”。
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(2) 光寻址空间光调制器 (OA-SLM)
当写入信号为光信号时,空间光调制器首先具备检测这一光学信号的功能,把光学信号对应的光强分布转化成电荷分布,折射率分布等等,
也就是首先把光学信号写入光寻址空间光调制器中,然后由读出光通过各种效应,例如电光效应,
双折射效应等,读出这一信号,因此具有连续的寻址机构和调制机构,事实上是光探测器和光调制器的组合,
OA-SlM的空间分辨率通常高于 EA-SlM．
例如,液晶光阀 LCLV的分辨率达 60线对 /mm,面积为 50mm× 50mm,相当于 3000× 3000个像素第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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OA-SLM的最大优点在于并行寻址方式,把写入图像成像或投影到 OA-SLM上是在瞬间完成的,所以具有高度并行的特点,然而高度并行并不等于高速处理,因为光探测效应的响应速度往往不快,
采用光寻址时,通常 SLM做成反射式,写入光射入 SLM的一个端面,把信息写入 SLM,读出光射入 SLM的另一端面,信息通过 SLM转移到读出光中,并反射输出,因此通常在 OA-SLM中有一个隔离层,使读出光和写入光互不干扰,也可以使用不同波长的光,利用滤光片消除它们之间的串扰,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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光寻址空间光调制器常用 非相干光写入,用 相干光读出,
许多信号是用非相干光记录的,用非相干光写入,可以 避免相干噪声,获得 较高的分辨率,
用 相干光读出,又可以采用 相干光处理系统对信号进行处理,因为相干光处理技术比非相干光处理技术成熟得多,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.1.3 常用的空间光调制器
(一 ) 电寻址空间光调制器
1,薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD)；
2,磁光空间光调制器 (MOSLM)；
3,数字微反射镜器件 (DMD)．
(二 )光寻址空间光调制器
1,铁电液晶空间光调制器 (FLC-SLM)；
2,液晶光阀 (LCLV)及阴极射线管 -液晶光阀
(CRT—LCLV)；
3,微通道板空间光调制器 (MSLM)；
4,Pockels光调制器 (PROM).
电寻址空间光调制器器件名称或代号 材 料 像素数 像素尺寸(?m×?m) 帧频 Hz 对比度 开口率
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1840× 1035 40× 40 60 150 0.36
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1280× 1022 52× 36 60 100 0.40
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1920× 480 14× 44 60 300 0.35
TFT-LCD(彩色 ) 液 晶 1280× 1024 34× 24 60 400 0.27
Semetex SMD-256i 钇铁石榴石 256× 256 56× 56 30 1000 0.54
Litton MOSLM 钇铁石榴石 128× 128 56× 56 2000 0.54
TI-DMD(彩色 ) 786× 576× 3DMD 17× 17 180 ＞ 100 0.74
TI-DMD(彩色 ) 2048× 1152 17× 17 60 ＞ 400 ＞ 0.75
光寻址空间光调制器器件名称或代号 光敏材料 有效面积
/mm
分辨率
1p/mm
响应时间
t/ms
对比度
SSFLC GaAs 25 10
SSFLC?-Si PC 40 28
SSFLC?-Si HPC 300 60
国产 LCLV,CdS 向列相液晶 40 35 30 ～ 40 100
Hughes,LCLV,Si 向列相液晶 43 12 4 ～ 16 20
Hamamatsu
Micro-channel
LiNbO3 16 10 50 ～ 100 100
PROM BSO 5.8 0.1
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7.2 磁光空间光调制器 (MOSLM)
MOSLM是根据法拉第磁光效应设计的,
图 7.1 MOSLM像素结构示意图在图中还有局部减小矫顽力的离子注入区,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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先通过线圈，在 MOSLM上加上均匀的外磁场，
当撤去外磁场后，每个像素的磁性薄膜内都具有剩磁，它起到了记忆原来的外磁场方向的作用．
图 7.2
MOSLM
器件侧视图第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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图 7.3给出一对行,列电极 Ll,L2中的电流及它们所产生的磁场方向,A,B,C,D
为它们交点处 (即寻址坐标 )的四个像素单元,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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设原在 MOSLM所加的 均匀外磁场,其方向从纸面向外,加上图中所示的寻址电流后,A,C
单元中行,列电极的电流生成的磁场方向相反,正好抵消,对剩磁状态没有影响； B单元的磁场与剩磁方向一致,也不会改变剩磁状态； 只有 D单元的外场与剩磁方向相反,若写入信号产生的磁场足够大,超过矫顽力,则 D单元内剩磁的方向反转,即 D单元被寻址 。 而远离 L1,L2交点的单元则因磁场强度太小而不起作用,
外磁场
⊙
⊙ ⊙
⊙
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21图 7.4 MOSLM 的工作示意图第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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两个薄膜单元的剩磁磁场已被写入信号调制成相反方向,一个沿光波传播方向,另一个与之相反,当线偏振光沿磁光薄膜单晶的晶轴方向通过薄膜后,由于晶体中的磁光效应 (? = Vd H l )，
线偏振光的振动方向分别沿顺时针和逆时针方向旋转? 角,它们的夹角为 2?．
设 检偏器方向与其中一个振动方向正交时，
该像素即处于关态，另一像素的光强为 Iosin2(2?)，
这里未计入薄膜的吸收损失．这样,MOSLM 就可以实现二元光调制，当?=45o 时反差最大．
若 检偏器方向与起偏器正交,则两个像素的透过率相同,但通过它们的 光波具有 180o 的相位差,这种配置可以实现相位调制,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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MOSLM器件 的 性能
优点,写入速度快，单个像素开关速度达 10 ns
量级，帧频高于 100 Hz。像素为 128 × 128的阵列器件帧频达 2000 Hz。它的存储特性非常稳定。
对比度高于 200:1，速度可达 1000:1。现有阵列像素数有 128× 128,256 × 256和 512 × 512 等多种。
主要的缺陷,对读出光能利用率比较低。
MOSLM的这一限制，是由于它本质上是一个二元器件，每个像素只有两个状态可供选择，不能进行多灰阶操作。
MOSLM 已在光学模式识别、白光信息处理、
图像编码、光学互连及可编程光学器件等方向得到应用。
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7.3 液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器
7.3.1 液晶液晶是某些有机高分子物质在一定的条件下呈现的一种特殊的物质状态,其结构介于液体,
固体之间,称为 中间态,或中间相 。
液晶分子一般呈长棒状,个别呈盘状,碗状,
它们的分子排列介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间,每个液晶分子的中心在液晶空间中的分布是随机的,但分子的取向具有有序性,亦即长棒状分子的长轴方向或盘状,碗状 分子的法线方向 在一定的温度范围内倾向于 彼此平行,该方向称 液晶分子的指向矢量方向 。
图 7.5 三种重要的液晶分子结构示意图液晶具有双重性质：
液体的 流动性,晶体所特有的 各向异性,
液晶 各向异性,导致电,磁,光,力学的各向异性,
液晶 流动性,使液晶的各向异性在外场下会发生显著变化 （ 远比各向异性晶体强烈 ）,
例如,KDP晶体的半波电压 9.3 kV,BSO晶体的半波电压为 3.9 kV (? = 632.8 nm),半波电压是晶体线性电光效应的一个特征参量,在振幅调制中,当外加电压达到半波电压时,调制器的透过状态从开态转成关态,而表征液晶电光效应的特征参量 ——开关电压约为 5 V,比晶体半波电压小三个数量级,这正是液晶的流动性和各向异性双重特性的综合效果,
此特性,使我们可以把液晶作为调制介质,构成低能耗,低 电 压 的 空 间 光 调 制 器 ——LCLV 和 (TFT-
LCD),尽管 TFT—LCD是近年开发的,但作为非相干空间光调制器,它却率先投入大批量生产,并已完全商品化,以 TFT-LCD作为空间光调制器的计算机控制投影仪和液晶大屏幕投影电视 (LCD-projection TV,LCD-
PTV),已大批量生产,完全实用化,成为光学信息处理实用化的极个别的例子之一,
7.3.2 偏振光在扭曲介质中的传播如果把向列相液晶放在一个经特殊处理的盒中,可以构成具有特殊的扭曲效应的液晶盒 ——TN液晶盒,其结构见图 7.6.
图 7.6 TN液晶盒的结构和工作原理第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.3.3 扭曲向列液晶盒的工作原理图 7.7 TN-LCD的电光特性曲线除此之外常用的还有超扭曲向列液晶盒 (STN)，
STN-LCD它的特性曲线比 TN-LCD盒的更为陡峭．
7.3.4 有源矩阵驱动液晶显示器 (TFT-LCD)
电寻址的空间光调制器多采用矩阵寻址的方案．
通常在 一块玻璃板上,形成 互相绝缘的行电极和列电极,在它们的交点上用大规模集成电路技术制作薄膜晶体管 TFT,TFT的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像素．
在 另一块玻璃板的表面,所有 像素共用一个电极,两块玻璃板之间充以扭曲型或超扭曲型液晶．
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图 7,8 TFT-LCD的等效电路．
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当某一像素的行、列电极同时加上电信号时,
TFT型场效应管接通，该像素透光．顺序选通各行电极，并同步地选通列电极，
就 可以控制各像素的明暗，电压的大小可控制灰阶,
图 7.9 TFT-LCD的结构示意图第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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全彩色T
FT
-L
CD
液晶板第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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液晶空间光调制器特点,
驱动电压低 (＜ 5V)；
功耗小 (?W/m2量级 )；
有效地消除了相邻像素之间的干扰 （ 由于场效应管隔离 ） ；
方便地实现彩色显示；
成品率高,成本越来越低,广泛应用 。
NEC 用,超精细 TFT”技术 生 产 出 分辨 率 为
1280× 1024的产品；
夏普 的 TFT Super-VLCD平板对比度可达 300,1，
亮度达 250 cd/m2,功率却只有 10W；最近推出
40英寸彩色 TFT-LCD；
日立 的 13.3英寸 LCD视角可达 140o；
响应速度为 50 ms的 TFT产品也已面市 。
2005年前各类产品用 LCD的增长
(增长最快的领域包括下一代电视、
车载设备、电子图书、液晶监视器等 )
7.4 液晶显示器应用 ——大屏幕投影电视
S：金属化卤钨灯 L,投影物镜
F1：透蓝绿光反红光滤色片 C1—C2,聚光镜
F2：适蓝光反绿光滤色片 Ml,M2：宽波段全反镜
F3：透红光反绿光滤色片 UV—IR：透可见光反红外
F4：透红绿光反蓝光滤色片 紫外光滤色片第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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投影 型铁电型 液晶显示 LCD的系统第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.5 液晶光阀矩阵寻址液晶显示器 TFT-LCD是利用寻址电信号直接加在被寻址的液晶盒 TN-
LCD上,改变它的透过率,将扫描电信号转换成空间光的强度分布,器件工作的基本原理,在于外加电场在一定程度上抵消了扭曲效应,从而改变了线偏振光的振动方位对扭曲介质局部光轴旋转的跟随特性,矩阵寻址是外部电寻址方式,
如果采用 光学寻址方式,则器件就是光寻址空间光调制器,通常称为 液晶光阀
(1iguid crystal light valve,简称 LCLV)。
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7.5.1 混合场效应混合场效应 (美国休斯顿实验室 ):
由于入射到 TN-LCD盒上的线偏振光的振动平面跟随扭曲介质光轴转过 90o,出射光波的振动平面与检偏器正交,使 TN-LCD处于关态,如果在 TN-LCD盒上加纵向电压,扭曲效应将被双折射效应部分抵消,使 TN-LCD处于开态,这一效应称为混合场效应,
在液晶盒中,由于分子问的相互作用,各层的分子呈线性扭曲排列,在 TN-LCD盒中共旋转
90o．
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当我们在液晶盒上加纵向电压时,长形分子作为电偶极子,将趋向于电场排列,从而使局部光轴方向发生变化,这就是液晶的电光效应,在电压足够高时,几乎所有的液晶分子都趋于电场方向,扭曲效应彻底破坏,液晶的光轴将转向 z方向,从而沿 z轴入射的线偏振光的偏振状态将不受液晶的影响,
图 7.12 (a) TN-LCD盒未加电压时的钮曲效应
(b)加电压后,扭曲效应消失当所加的外电压较小,尚未彻底破坏扭曲效应时,
在 TN-LCD盒中呈现出复杂的情况：
靠近电极处,扭曲效应仍占主要的地位；
越接近 TN-LCD盒中心,扭曲效应基本上不存在；
在边界层和中心区之间：液晶分子的长轴取向见图 7.13
(a)扭曲角?作为 z 的函数 (b)倾斜角?作为 z 的函数虚线表示未加电压的情况
在入射面附近 (z≈0)光波的电场 Eo沿 x 轴方向，与液晶光轴? 同向，近似为 e光；
在中心附近 (z = d/2) 光轴趋向于 z 轴方向，因此 E’与光轴近似垂直，为 o光；
在 z ≈d 附近 E”与光轴?的夹角近似为 45o，分解为 e光和
o光，并在这一区段获得相位差形成椭圆偏振光．
一般在 z = d处镀反光膜使光波折回，它再次通过液晶层后相位差加倍．
图 7.15 LCLV 的读出光路,PBC 为偏振分光棱镜,读出光是 PBC的 p偏振分量,当 外电压 V = 0时从
LCLV的反射光为 p偏振分量,输出为 0； 当 V≠0时 反射光为椭圆偏振光,其中的 s分量为输出光,但输出信号强度与电压不成正比,当电压 V过大时,绝大部分液晶分子都沿 z方向排列,z = d 附近沿 45o方向排列的液晶层变得很薄,从而偏振光在这一区域获得的 相位差反而变小,
7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理：
在写入图像的暗区,光导层的电阻很大,
外电压主要降落在光导层上,液晶层上的电压降很小,不足以产生明显的电光效应,扭曲效应仍是主要的,光波振动平面跟随液晶介质局部光轴旋转,从器件输出的反射光仍然是 p分量,全部透过 PBC,反射光强近似为 0； 图 7.16 LCLV的结构在写入图像的亮区,由于光电效应,
光导层的电阻变小,
它的电压降变小,液晶层上的电压降相应加大,从而引起电光效应,输出光成为椭圆偏振光,从 PBC反射的光强不为 0,在写入图像亮度不同的区域,输出光强也不同,
写入图像通过 LClV的混合场效应调制了读出光,图 7.16 LCLV的结构
7.5.2 液晶光阀的结构和工作原理：
通常写入光可以是非相干光，而读出光则为相干光，
从 PBC输出的光信号直接进入相干光处理系统．
图 7.17 LCLV透过率 T 与外加电压 V 的关系
LCLV的反差高达
100:1，电源电压 5-10V，
分辨率高达几十线对 /mm
到 100线对 /mm，通光孔径
≈50 mm．但它的响应速度不快，这是由于液晶分子在外场作用下的取向变化滞后于外场的变化，滞后时间约在 10 ms的量级，
而且器件的电容较大，作为整体的响应速度与电视图像大体匹配．
7.5.3 阴极射线管耦合液晶光阀 (CRT-LCLV)
将 CRT与 LCLV通过光纤面板结合起来,使 CRT的输出图像作为 LCLV的写入信号,就构成 CRT-LCLV，
其结构如图 7.18所示,CRT的图像通过光纤面板直接照射 LCLV的光导层,就可以完成写入操作,
CRT-LCLV能够实时地将计算机输出的图像转换成光学图像,它的亮度大,分辨率高,对比度好,特别 适宜于光电混合处理,
7.5.4 CCD-LCLV
CCD代替 CdS-
LCLV中的光电导层和光阻挡层,
7.6 线性电光效应和 PROM器件电光效应指的是介质或晶体在电场作用下,
其光学性质发生变化的各种现象 。 目前在电光效应方面主要以电致旋光效应,克尔效应和泡克耳效应来获得光偏振调制 。
振幅调制,
光强受外加电压的调制实验表明，偏振光通过晶体后两束光产生 光程差 △为式中 L 为光在晶体中经过的长度,b 为晶体的泡克耳常数。
通过 检偏器的光强 为起偏振器 晶体 检偏振器
b L EL)nn( e0
)(s i ns i ns i n)([ c o s bUII 220 22
当 α=π/4,β= 3π/4,输出光强度 为当施加园频率为 ω交变电压，则有电光调制工作点的选择选在 U=Uλ/2 / 2 处曲线线性段较为适宜。式中 Uλ/2 / 2 是对应
I / I0 正弦数? 波长点的电压。
实际偏置方法把,λ/4 波片,放在起偏振器和
KDP晶体之间,且使波片的光轴与 KDP晶体的光轴一致,而与起偏振器主方向成 π/4 角 。 工作点选在 U = 0 处,相当于无 λ/4波片时,
工作点选在 Uλ/2 / 2的情况 。
)(s in bUII 20
)s i n(s i n tUbII 020
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相位调制设晶体是与 xy平行的晶片,沿 z 方向的厚度为 L,在输出端放一个与 z 方向平行的起偏振器,
入射光波沿 z 方向传播,且沿 x 方向偏振,射入晶体后,它分解成?,?方向的偏振光 (见图 )。
如果输入光波的振动平面沿? 方向,则沿 x
轴方向的外电场 V仅仅使光波产生一个附加相位
,在调制晶体为 BSO的情况下,
= 2?n L /? -?bU /? = 2?n L /? -?U / 2U?
外加电压调制了附加相位的大小,称相位调制,
PROM 器件的结构及工作原理
1,PROM 器件结构如图 7.21所示,它利用
BSO晶体作为调制介质，其表面垂直于 (001)方向，厚度约数百?m.它的两边分别有一个绝缘层 INSl,INS2，通常是对二甲苯基，厚度约几个?m；在 BSO和 INS2之间有一个二向色反射镜，镀上短波通膜层，它能反射红光、
透射蓝光；绝缘层外面用溅射法涂以氧气钢锡 ITO，构成透明电极．
图 7.2l PROM器件构造示意图
IR,IR’为入射和反射的红光；
IB为入射的蓝光； M为二向色反射镜 (反射红光，透过蓝光 )；
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2,PROM的工作原理
(1)擦除与激发第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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(2)写入我们用短波长的蓝色图像从右边照射晶体。
蓝色图像将透过二向色反射镜，射入 BSO晶体，
在图像的亮区,由于光电导效应产生电子 -空穴对，电子在电场的作用下向 BSO的左端面移动，
正、负电荷分离后形成的内电场将抵消一部分外电场使这些区域的压降减小；
在图像的暗区 则由于电子 -空穴对很少，压降基本维持 Vo不变．
这样,空间光强分布经光电导效应转换成空间的电压分布，或者说用蓝色光写入的光强图样转化为电压图样,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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电压 V与曝光量置的关系,V = Voe-KE (31)
即 BSO上暗区的压降大，亮区的压降小．
图 7.23 PROM器件的电压降与曝光量的关系第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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(3)读出读出光一般用长波长的红光，例如 He-He光。
光电导效应的灵敏度强烈地依赖于光波波长，对于 BSO晶体,?= 633 nm的红光的灵敏度仅为? =
400 nm蓝紫光灵敏度的 1/200左右，因此可以近似认为读出光不产生光电导效应，不会影响蓝光写入的电压图形．
He-Ne激光为线偏振光，振动方向沿 x轴，它透过 BSO后被二向色反射镜 M反射，再透过 BSO
晶体，由于 Pockels 效应，在不同的区域，由于不同的电压降 V，引起了不同的相位差，如果在输出端加上沿 y方向的检偏器，则输出光强将遵循公式
(28)，再度将电压分布转换成光强分布，或者说红光读出了原来蓝光写入的图形．这样就实现了光寻址的空间光调制器的能．
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PROM器件是通过短波长光的光电导效应写入图像 (把空间光强分布转换成空间电压分布 )，
又通过长波长光的线性电光效应读出图像 (把空间电压分布恢复成空间光强分布 )．
对于理想的 PROM器件，在写入 图像的暗区,
读出光两次经过 BSO获得 最大的光强透过率 ；在亮区,读出光的 透过率很低,因此读出的 是负像,
PROM器件对晶体均匀性的要求很高．此外，
尽管读出光红光引起的光电导效应并不显著，但它毕竟使晶体上的电压有所降低，因而 PROM器件不能在较强的读出光照明下长时间工作．
PROM器件的读出光路：
从 He—Ne激光器辐射的线偏振光束在晶体中往返一次后，电压图像转移到光波中成为二维的光强分布，然后再由 PBC反射．
在图像的暗区,光波获得的相位差,在 PBC中接近完全反射；
在图像的亮区,晶体的电压却被光生电荷产生的电场所抵消,? <?．由 (28)式,PBC对它的反射率较低．因此由 PBC反射的正是蓝光写入图像的负像．
输出第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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3,PROM器件 典型性能
(1)灵敏度：工作点在 V? 处，写入光? = 488 nm，
Io / Ir 下降到其最大值的 1/e 时，所需曝光量为 6
J/cm2；典型 PROM需要 5 - 600?J/cm2 的写入光能量。
(2)反差 (对比度 ),> 500，最大可达 104。
(3)分辨率：典型值为 100 lp / mm.
(4)写 -读 - 擦循环周期,< 1／ 600 s,
(5)有效工作面积：约 4 cm2，最大 35?35 mm2。
(6)工作波长：写入光 400 – 500 nm
读出光 600 – 800 nm
红光对 BSO的光电导效应虽然很弱，但对写入图像还会产生一定破坏，因此 PROM不能在读出光长期照明下工作。
微通道板空间光调制器微通道板空间光调制器 (MSLM)的写入端配置了微通道板，对光信号有增益，灵敏度很高，因此很受重视。大多数 MSLM 属于光寻址空间光调制器。
1．结构
1-真空室窗口； 2-光电阴极；
3-透明电极； 4-微通道板；
5-接地电极； 6-栅极；
7-真空隙； 8-介质膜反射镜；
9-电光晶体板； 10-透明电极；
11-真空室
MSLM 结构整个器件是真空封闭的。其中，光电阴极对不同的写人光波长配以不同材料。光电阴极的作用是将光学图像转换成电图像。微通道板 (MCP)是由半导体微孔玻璃构成的，每个微孔即是一个微通道，对应一个像素，排列成阵列。每个微孔的直径为 10?m，整个 MCP的直径约 25 mm。微通道具有电子倍增功能，电子增益为 104。
如果用两个 MCP串接，增益可达 107。栅极是一种网格状电极，它对自微通道板射出的电子加速，直接射向介质膜反射镜的表面。介质膜反射镜的左侧表面，接受来自微通道板的电子，同时能反射自右方射来的读出光，构成反射工作模式。电光晶体板大多是采用 LiNbO3 或
LiTaO4 晶体，厚度为 0,5 mm，大多数情况是利用它的纵向电光效应对读出光进行调制的。图中 VK是微通道板高压电源，正端接地，一般电压为 1kV左右； VA 为栅极偏压电源； VB 为电光晶体板偏压，可根据需要调节。 RK
和 RB 为保护电阻。
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2．工作过程用相干或非相干光图像作为写入光，照射在光电阴极上，并形成光电子图像，然后经 MCP增强，经栅极加速，投射到介质膜反射镜上后形成电荷图像。该电荷图像与外加电场一起在纵向电光效应作用下，对电光晶体板的折射率进行了空间调制。读出光大多采用相干光 (例如?= 633nm
的氨氖激光 )，从右侧照射，经电光晶体板后，由介质反射镜反射，再次通过电光晶体板。通过电光晶体板时，由于纵向线性电光效应产生的双折射的作用，对其进行了偏振态调制。在检偏器的配合下，最后输出振幅或强度被调制的相干光图像。
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在电子图像在介质膜反射镜上形成电荷图像的过程中，调节各电压 VK,VB 和 VA
的大小，可以控制电子的入射动能，从而决定电子是淀积在介质膜上，还是把介质膜上原来淀积的电荷轰出来，使其产生二次电子发射效应。大多数 MCP 写入过程采用电子淀积模式，即采用较低的电压，产生较低电子动能，使电子淀积在介质膜上。
而在擦除过程中，采用二次电子发射模式，
即采用较高的电压，使电子获得较高动能，
依次将原来淀积在介质膜上的电子轰出去，
以实现擦除电子图像的目的。
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3．性能市场上商品 MSLM的典型特性参数为
(1)空间分辨率,20 lp／ mm
(2) 对比度：＞ 1000
(3) 灵敏度,30 nJ／ cm2 左右
(4) 最大读出光强,0,1 W／ cm2
(5) 写入时间响应,10 ms
擦除时间响应,20 ms
(6) 存储时间：几天
(7) 输入窗口直径,15 mm
MSLM的最大优点 是灵敏度十分高，而且还可以直接对写入图像进行多种处理，使用比较灵活。因此，它不仅用于非相干 - 相干光转换、波长转换，而且还可以直接进行图像加减运算和光学阈值操作。
Si – PLZT 空间光调制器
1,PLZT 陶瓷
PLZT是一种陶瓷材料，其主要成分是铅 (Pb)、镧
(La)、锆 (Zr)和钛 (Ti)。取四种元素符号的第一个字母，
构成缩写 PLZT 。其分子式为 [(Pb1-x La)(ZryTi1-y)1-x/4 O3 ]。
改变 La的浓度，可以使 PLZT呈现各种不同光电特性 (线性电光效应或二次电光效应 )、光弹效应 (即应力双折射效应 )和铁电性质 (即在外电场作用下发生极化，撤除外电场后分子极化并不消失，存在“电滞效应” )。
PLZT陶瓷是一种多晶态材料，宏观上没有确定的主轴方向，但如果沿某一方向在陶瓷材料上加一个外电场，
则可呈现单轴晶体的光学性质，且光轴沿外电场方向。
由于光波沿光轴方向通过单轴晶体时，其偏振态不变，
在 Si-PLZT空间光调制器中不能利用纵向电光效应，只能利用横向电光效应，实现电光调制。还有一些 PLZT
空间光调制器则是利用光弹效应、铁电性质制成。
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2．结构与工作过程
Si - PLZT是一种光寻址空间光调制器，
它由许多完全相同的小单元 (像素 )排成阵列而构成。每个单元中包含有硅光电探测器、
功率放大电路和 PIZT电光调制器三个主要部分。图 6.15 示出了一个单元的构成。
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硅光电探测器将光信号转换成电信号；再由硅功率放大电路将电信号放大，根据需要，还可在此部分增加某些处理功能的电路，如积分、微分电路等；然后，放大电信号以电压形式加在
PLZT电光调制器的电极上，并通过横向电光效应对 PIZT的折射率进行调制。
写入光 Iw 沿垂直纸面方向照明器件，并把写入图像传递到各个光电探测器上。
读出光 Ir 也沿垂直于纸面的方向照明器件，
如果 Ir 偏振方向平行于电极方向，在通过 PLZT
电光调制器后,Io 得到相位调制。如果 Ir 偏振方向与电极方向成 45o 角，则 Ir 的偏振态受到调制，
经检偏器可获得强度调制。
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Si - PLZT也有透射式和反射式两种。反射式，
由于读出光两次通过 PIZT，受到的调制比透射式大一倍。目前，又开发出一种反射式 PLZT，其写入光和读出光从器件同一侧入射，输出光也从同侧出射。这样，器件的另一侧表面则可覆盖一层大面积金属板，从而减小器件内电路发热对 PLZT陶瓷性能的影响。
Si - PLZT选用两种材料制作，是为了发挥两种材料的优势。 PLZT 是无机物中光电系数很大的材料。因此，用它制作调制器，其半波电压较低
(仅几十伏 )；而且 PLZT价格低廉,加工性能好,
可与硅集成 。硅具有极为优越的光电特性，光电转换灵敏度高，响应速度快，而且制备工艺成熟，并可集成各种微电子器件。 有些文献上把它称为灵巧 (smart)空间光调制器。
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.7 数字微反射镜器件 (DMD)和数字化投影近年来,一种利用微细加工和大规模集成电路技术,构思极为巧妙的电寻址空间光调制器 —
—数字微反射镜器件 (digital micromirror device)
问世了,这种器件原来称作变形反射镜器件
(deformable mirror device),两种名称的英文缩写恰好都是 DMD,它是由美国德克萨斯仪器公司
(T1)的一名科学家 L,J,Hornbeck在 1987年发明的,DMD作为光学信息处理系统接口器件的报道并不多,但是近年来,它应用于数字投影显示
(digital projection display) 及高清晰度电视
(HDTV)中显示出来的优越性能,却引起了科技界和工业界的广泛兴趣,
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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7.7.1 DMD的结构和工作原理图 7.25 DMD的结构示意图
1,DMD的结构
DMD的尺寸第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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器件工作时,在反射镜上加负偏压,一个寻址电极上加 +5V (数字,1”),另一寻址电极接地
(数字,0”),这样一来,就形成一个差动电压,
它产生一个力矩,使反光镜绕拉臂梁旋转,直到触及搭接电极为止,在扭转力矩的作用下,反射镜将一直锁定于这一位置,不管它下面的存储器的数据是否变化,直到复位信号出现为止,对应旋转角?L = 10o,这样,每一单元都有三个稳态：
+10o,-10o和 0o,? =0o 对应于没有寻址信号 (两个寻址电极都是 0)的情况 。 DMD是通过半导体微细加工技术精密制作的,因此反射镜列阵的三个稳态一致性相当好,对应于 DMD的三个平面：与基平面成 ±?L 角的倾斜平面及平行于基面的平面 。
2、工作原理当某一像素的反射镜?= 0
或?= -?L 时，反射光通不过投影物镜．
当该像素被寻址时,? =?L,
它反射的光束正好沿光轴方向通过投影物镜，成像到屏上，
称此 状态为,ON”；
= -?L 则对应于 DMD的 状态,OFF”．
在每一帧的时间内，某一像素处于两种状态的占空比，决定了该像素的灰阶，亦即 灰阶是由入射光的二元脉冲宽度调制实现,一般灰阶数为 28 =
256,图 7.26 DMD投影仪工作原理图像素的投影像第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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颜色 则通过两种方式加到图像中去,
方法 1,在照明光路中加一个 R,G,B三原色滤色镜的调色盘,它与视频信号严格同步，在每一帧的时间?t内转一圈，在各色盘范围内再分别用像素 ON/OFF的占空比调节 R,G,B的强度比，从而在一帧的时间?t内合成所要求的颜色．由于每种颜色的灰阶都是 8bit即 256种，总共可产生 2563约 1600万种不同的颜色，色彩是相当丰富的．
方法 2,通过一个 分光棱镜系统分成 R,G,B三色光，分别以 20o角 (即 2?L角 )照射三个 DMD，三个 DMD用三色电信号分别驱动，三个 DMD器件中处于 ON态的像素的反射光再通过该棱镜系统重新合成，通过一个变焦物镜投影到屏幕上．
7.7.2 DMD制作工艺简介
DMD用大规模集成电路技术制作,大体上可分为以下步骤：
(1)用标准的 CMOS工艺在硅片上制作记忆单元,寻址电极等,
(2)在硅片表面覆盖一层高分子聚合物,其厚度相当于反射镜的高度,
(3)用光刻,溅射法刻透聚合物层,制作支撑柱,
(4)镀一层薄的铝膜,作为扭臂梁层,镀一层厚的铝膜,
作为反射镜层；用光刻法将扭臂梁和反射镜成形,
(5)用离子刻蚀法除去余下的高分子聚合物层,最后形成架空的微反射镜,
当出现寻址信号及负偏压时,薄的扭臂梁扭转变形,厚的反射镜则不变形,只作整体的偏转,
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7.7.3 DMD数字式投影仪
DMD数字式投影仪又称 DLP投影仪,
顺序颜色模式 ( 1-DMD数字式投影仪 )
图 7.27 1-DMD数字式投影仪
Cl,C2为聚光镜； M为电机； CFW为三原色滤光镜盘； P为 110英寸屏幕； S为光源
CFW为三原色滤光镜盘第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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空间分色模式 (3-DMD投影机 )．
7.7.4 DMD数字投影技术的特点指标 单板 (1—DMD)投影仪NTSC标准制式显示 三板 (3—DMD)投影仪高清晰度电视 (HDTV)
DMD的像素数 768× 576 2048× 1152
有效像素数 640× 480 1707× 910
像素尺寸 16?m× 16?m 16?m× 16?m
像素周期 17?rn 17?m
像素有效孔径 74％ ＞ 75％
投影方式 前向投影 前向投影屏幕尺寸 (对角线 ) ＞ 52英寸 ＞ 60英寸画面长宽比 4,3 16,9
颜色帧频 180 Hz 60 Hz
屏幕亮度 (光通量 ) 220 lm ＞ 2000 lm
光源 1000W，氙灯 575W，金属卤钨灯对比度 ＞ 50,1 ＞ 100,1
每种颜色灰阶 8 bit (256级 ) 8或 9 bit
颜色生成方式 同步旋转调色盘 二向色棱镜组像素对准 自对准 光学对准
InFocus LP130
InFocus LP130 技术规格显示技术,美国德州 ( Texas Instruments )提供的数码光源处理 ( DLPTu )技术解像度,真正的 XGA l024× 768(无需压缩 )
数据兼容性,符台所有视频电子标准协会的制式，
VGA,SVGA,XGA和 85 Hz的 SXGA
视频容性,全模式 NTSC(M 4.43),PAL(BGHI,M，
N),SECAM(M),HDTV(720p和 1080i；
RGBHV
光亮度,1300 ANSI 流明对比度比率,400,1
投影镜头,1,22,1变焦镜头，投射比率范围 0.59：
1-0.72,1(按对角线距离 )，投射偏差为标准影像的 111.3%，手动变焦和对焦光线信号源,120 W 高压汞弧灯数字校准范围,+/- 20o
长阔比串,4,3
噪音,37 dB
色彩,1.67 千万种色彩自动图像调校,即插即投自动同步协调，自动追踪，
自动定位，自动识别视频信号源，自动调校黑白处理；
连接,GSV Video,VESA M1-DA(包括
RGBHV，并联数字接口和 USB接口 )
控制面板,机身有开关面板，方便使用体积,6.68英寸 (高 )× 8.63英寸 (宽 )× 2.O英寸 (长 )
(16.97厘米 × 21.92厘米 × 5.08厘米 )
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重量,3磅 ( 1.36公斤 )
电源,100-120V 或 200-240V,50-60 Hz
功率,160瓦特灯泡,2000小时寿命,UHP白光金属卤素灯泡保修期,两年 (包括技术支持和零件保修 )。
随机标准配置：模拟电缆包括 M1-DAl5针 VESA
模拟视频连接 (配备 HD和 USB连接线 )；视频电缆是 GSV和 RCA
复台电缆：遥控器、电源线和手提袋,
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DMD数字投影技术具有以下特点,
(1)高分辨率
DMD有 640× 480(VGA),800× 600(SVGA)、
1024× 768(XGA)及 1280× 1024(SXGA)等规格，
特别是适用于 16,9宽屏幕电视的 DMD，
尺寸 37mm× 22mm，像素尺寸为 17? m× 17? m，
一个 DMD上的像素数为 2048× 1152，远远超过
LCD的像素数，达到 N制电视制式器件的五倍以上，完全符合高清晰度电视 (HDTV)的要求．
(2)高亮度有效反射率达到 61％,远远高于 LCD的光学效率,
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(3)对比度,灰阶及色保真度对比度,目前已达到 400,1以上,
灰阶,一般能做到 8 bit(256级 )甚至 10 bit(1024级 )，
色保真度,三原色各 8bit的混合结果产生 2563 即
1600万种不同的颜色
LCD(或 LCLV)是一个模拟式空间光调制器,
而 DMD则是数字式空间光调制器,数字化是今后信息技术发展的大势所趋,也是电视技术发展的必然趋势,因此在大屏幕投影技术的竞争中,
DMD作为数字式空间光调制器件,无疑占了有利的地位,
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(4)可靠性由于 DMD的调制功能是通过微型反射镜的扭转实现的,因此人们自然会担心在反复的转动下扭臂梁铰链的可靠性,TI公司专门做了模拟 DMD
长期使用的试验,历经 765× 104个周期未发生任何问题,这相当于投影电视或投影仪正常使用
76000小时,看来可靠性是不成问题的,
(5)响应时间由于扭臂梁非常薄 (约 0.05-0.1?m),微型反射镜的重量很轻,转动惯量极小,因此响应时间极短,从完全的开态到完全的关态约 10?s,因此单板式 DMD投影仪可以在常规 TV的 1/3帧的时间内读完全部 RGB三色信号,
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第一台 DMD投影系统已于 1996年投放市场,
专业级或消费级的 DMD投影电视正在进入商品化阶段,
在本世纪末和即将来临的 21世纪初,高清晰度电视 (HDTV)将逐步取代常规的电视,由此,
空间光调制器必须具有 200万以上的像素,高达
30MHz以上的数据率 (data rate),HDTV和大屏幕显示常常是同时要求的,此外,数字化也是
HDTV的发展趋势,DMD几乎满足 HDTV的所有指标,可以预言,DMD是未来 HDTV首选的空间光调制器件,因而有人把 DMD称为,数字化投影技术的革命,,
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零扫描线
A,SVADLP
B,三管 CRT背投
C,液晶背投
A
B C
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DLP背投 技术规格型号,HDRTV5008A HDRTV6209
显示方式,DLP背投 DLP背投屏幕尺寸,1001x 760mm 1260X945mm
(对角线 50英寸 ) (对角线 62英寸 )
屏幕比例,4,3 4,3
亮度,≥1000cd/m2 ≥ 850cd/m2
对比度,≥ 1000:1 ≥ 1000:1
支持显示色彩,24位真彩 24位真彩
DMD基本分辨率,1280× 720 1280x720
最高支持分辨率,1600× 1200 1600× 1200
有效可视角度,水平 ≥140o 垂直 ≥45o
OSD语言,中文／英文型号,HDRTV5008A HDRTV6209
图象处理方式,MDU-WXGA MDU-W× GA
HDTV显示格式,1080i 720p 1080i 720p
电视制式,PAL D/K PAL D/K
视频制式,PAL NTSC PAL NTSG
电视频道,CATV全频道 CATV全频道节目存储数,200个 200个
VIDEO输入端,2(前 1后 1) 2(前 1后 1)
S输入端,2[前 1后 1) 2(前 1后 1)
YCbCr输入端,1 1
VGA输入端,2[前 1后 1) 2(前 1后 1)
VIDEO输出端,1(TVOUT) 1(TVOUT)
型号,HDRTV5008A HDRTV6209
音频输入端,L+R 5组 L+R 5组音频输出端,L+R(TVOUT)1组 L+R(TVOUT)1组音频输出功率,2× 10W 2× 10w
工作温度,5-35摄氏度 5-35摄氏度工作湿度,45％ -90％ 45％ -90％
工作气压,86-106 KPa 86-106 KPa
电源电压,交流 90-240伏 交流 90-240伏外形尺寸,1082宽 x1370高 x500深 1620宽 x1350高 x 700深净重,50公斤 85公斤持机功耗,≤ 3W ≤3W
最大功耗,≤240W ≤ 240w
最佳观看距离,2.5 - 4M 3 - 5M
7.8 自电光效应器件空间光调制器半导体多量子阱 (MQW)结构具有许多 特性,例如，
很强的电光特性，很快的速度，非线性光学特性，可采用微电子技术制作并与微电子器件集成,等等。目前，
半导体 MQW结构已成为制作电空间光调制器的极具生命力的材料。利用半导体材料 MQW结构已经开发了多种电光调制、电吸收、自电光效应、声光空间光调制器，
其中自电光效应器件 (SEED)是最具生命力和代表性的典型例子。
电吸收效应,某些半导体材料对特定的频率的光子的吸收率随外电场而改变 。
当光子能量接近材料的能隙宽度时，电吸收效应尤为明显。在半导体材料中，吸收率随外电场变化的灵敏度比较低。但在量子阱结构中吸收率随外电场变化具有很高的灵敏度。
多量子阱结构,由两种不同半导体材料薄膜重叠交替而构成的。常利用分子束外延技术交替生长 GaAs和
GaAlAs薄膜数十层，每层薄膜厚度约 10 nm，总厚度不到 1?m。这些薄膜层起到束缚电子 -空穴对的作用，
称为 量子阱 。
量子限制斯塔克效应 (QRSE),在量子阱结构中，呈现明显的吸收峰，在垂直于薄膜表面的外电场作用下，
吸收峰的位置会向低光于能量 (即长波长 )方向移动，造成对固定能量光子 (即固定波长 )的吸收率变化；但吸收峰移动时，其强度没有明显降低，故量子阱材料的电吸收效应有很高的灵敏度。这种现象称为 QRSE。
在 p型 -本征型 -n型 (Pin)半导体光电二极管的本征层中布置多量子阱结构，即构成了 SEED。它不仅具有明显的吸收峰和量子限制斯塔克效应，而且还同时具有光电效应。
在 SEED上加反向偏置电压，当用某一波长的单色光照射它时，便会产生光电流 Ip，如图 6.25所示。 这一光电流将影响外电路端电压，从而改变 SEED的偏压大小。而偏压的变化又改变了 MQW内的电场强度，进而引起吸收率的变化。
图 6.25 SEED单元结构及工作电路当然，吸收率的变化又将改变光电流的大小，继而又改变偏压、电场强度、吸收率 …… 由此可见,SEED是一种具有电光交替反馈过程的器件，故得名 自电光效应器件 。
当照明光光强变化或偏置电压、外电路电流改变时，
都会产生上述反馈过程。适当配置外电路，可出现正反馈过程，也可出现负反馈过程。 出现正反馈时,SEED可实现光学双稳、电学双稳、光电振荡等功能 ； 出现负反馈时,SEED可实现电寻址或光寻址的自线性化光强调制，
即用于空间光调制器,将 SEED做成阵列形式并布设寻址电极，则构成空间光调制器。
SEED优点,灵敏度高、功耗小、速度快，其开关能量可达 1 pJ，而理论上可达 fJ量级，响应时间已达 100 ps，理论上可短到 1ps。面阵 SEED已实现 256× 256 像素，但其对比度还不够高，目前只达到 10:1。
移动电话用 STN-LCD的技术动向进入 1999年以后,I-mode的研制成功和带 WAP功能移动电话的销售，使得人们可用以收发 E-mail并访
Internet。与此同 时，对 LCD也提出更高的性能要求。
1,移动电话对 LCD显示器的要求日本移动电话服务内容的变化及L
CD
的进步
从 1997年 开始显示图形的 ICD成为主流，这是为使用汉字显示电话簿的需要而发展起来的。它由 最初的 1/32
发展到 1/64占空比的显示容量。预计今后将发展到 l/80
占空比左右 。因此，对于 LCD来说，除了字符和图形的差异以外，容量也分阶段地增加了。
进入 1999年后,I-mode和 WAP的出现，使 LCD的画面由 96× 108像素发展到 120× 160像素 。要胜任以
Email和 Internet为基础的服务内容，而进行 I-mode显示时,最小容量是 8列 × 6行汉字 (12点阵字体是的 × 72
像素 )，还须再加上表示天线图标的显示区域。今后，
随着服务内容的扩充，服务内容供应商 (特别是娱乐类供应商 )对彩色化的要求会日益增强。
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1999年末起,彩色 LCD移动电话开始出现，
以后彩色化会进一步发展。归纳起来，新型移动电话对 LCD显示器的性能要求如下：
①大容量化,120× 120,128× 160像素；
②彩色化,256色；
③小巧薄型化：尽量薄、小，例如 50g 手机要求
④低功耗,2 mW 以下；
⑤高画质：更佳的可视性。
2,大容量化一般说来，将 STN-LCD大容量化并不难，但同时实现小巧薄型化、低功耗则比较困难。将从前由 LCD
屏和 TAB构成的图形 LCD大容量化会产生如下问题。
(1) 功耗增大 (驱动电压升高 )
驱动电压随驱动条件而变化功耗的增大是由于驱动电压的上升。驱动电压 Vop
随驱动条件 (占空比或偏压 )而变化的情况。其中用
minx3-minx6 表示 3-6倍升压时的最小电压。用阶梯状线表示任意升压倍率可能的驱动条件。
例如，对于 1／ 64占空比，可用 4倍升压来解决驱动电压问题。而对于 1／ 120占空比，则需要 6倍升压。
驱动 LCD的升压电路内装在 LCD驱动电路上。当采用 5倍或 6倍升压时，效率降低，功耗也将增大，加负载时电压下降也很大，导致显示品质下降。另外，
随着今后显示向着多灰度等级和彩色化的发展，功耗要比显示黑白两态时增加 2-3倍。为了解决上述问题，
将采用 MLS驱动降低功耗。现在正在尝试使用已讲述的 2画面驱动，以使占空比减半。
(2)死区 (非显示区域 )增大 (画面小型化 )
因结构不同其死区会有差异，如表所示。
形状显示线数方式 1:以前的方式
Com引线
Seg引线
(A+A) 尺寸／ mm
方式 2:上下 2方向引线
Com引线
Seg引线
(A+A) 尺寸／ mm
方式 3:上左 2方向引线
Com引线
Seg引线
(A+B) 尺寸／ mm
64线 6,7 6,0 9,5
80线 8,0 6,0 9,5
120线 11,2 6,4 9,5
160线 14,4 8,0 9,5
200线 17,6 9,6 9,5
缺 点 左右死区大 上下死区大 左右不均一表中,A或 B的尺寸是公用电极 (Com)的引出端在引线节距 (Pitch)取 80?m时的预计值。方式 l 和方式 2是采用上下导通，将 Com和 Seg 端引线集中到同一端，这样 Com
端子增加的同时，死区也增大了。另外，方式 3中 Com 端子从左或右直接引出,Com引线增加而死区基本不变。
对于移动电话，人们最关心的是左右区域变窄的问题。
如果左右合计 (A+A或 A+B)超过 10mm，在实际应用中是十分困难的。所以，迄今一直延续按方式 1引线。其一般以 80× 100行为上限。为了解决这一问题，所以 2画面驱动须采用方式 2。方式 2与方式 1比较，占空比将减少一半，
每端 Com数也减少一半，从而可减少死区。但是，在上下两个方向上增大了死区。如果采取将上下 TAB 弯人形式，
则模块结构变得复杂。
方式 3的特点是死区与占空比无关，更加适合于大容量显示，但因其左右死区不对称，用于移动电话，在设计上应采取另外的措施。
3,彩色化对于 STN-LCD彩色化来说，考虑到功耗等因素，
需要采用反射式或半透射式结构。以移动电话应用为例，
其电路构成、屏的构成以及照明方式简述如下：
(1)电路构成
Seiko-Epson公司的 TCM-A1197半透射型彩色 STN-
LCD的电路框图如图所示，为实现低功耗及高对比度，
采用了 MLS驱动。 Seg 驱动器内设 RGB-RAM，可显示
256色。移动电话用接口电路采用一般总线控制方式，
可与黑白 LCD兼容。
由于开发了新的驱动器和电源 IC,2英寸的 256色显示功耗可达到 2 mW。另外，为了减少待机时功耗，增加了部分显示功能。利用这一功能，待机时，功耗可减少到 0.3-0.5 mW(显示 16行时 )。另外可将显示行数、显示位置用软件以 4行为单位任意变更。
半透射型彩色 STN-LCD 的电路框图
(2)屏的构成反射式 LCD屏分为外面反射式和内面反射式两种，
如图所示。外面反射式与通常的透射式彩色 LCD具有相同的结构。彩色滤光膜做得很薄以确保反射时图像的美观，这与透射屏不同。如果将反射板换成半透射板可实现半透射彩色显示。
STN 反射彩色屏基本结构内面反射是将反射板做在液晶层内，这在工艺上是比较困难的。但彩色滤光膜与反射板在厚度方向上非常接近，使得倾斜方向入射的光不易混色。显示品质优于外面反射。总之，就画面质量，内面反射式占优势；从生产性方面，则外面反射式更具优越性。
(3)照明 实际使用要求能够在夜间看到移动电话显示。
所以，无论是反射式显示还是半透射式显示,LCD 都需要照明系统，前者通常采用上方照射的前照明方式，后者则采用背照光源组合。前照明在美观和组装方面是人们今后研究的课题，而当前的照明方式是半透过彩色液晶外加背照光源的组合。 半透射式彩色显示屏在色彩美观上要优于反射式，但透过率低下。为此，背照光源的表面亮度要比黑白 LCD 亮，应在 200 cd/m2 以上。而采用电致发光 (EL)较难得到 200 cd/m2 以上的亮度，因此多采用白色 LED屏。
Seiko-Epson公司半透射 STN-LCD TCM-A1197的规格
2001年 W-CDMA开始动画传送服务，预计移动电话也将采用有源矩阵 LCD显示。今后，根据服务内容和目标价格的不同，分别使用 STN半透过彩色显示和有源矩阵 LCD的时代即将到来。
项 目 规 格 项 目 规 格型 号 TCM-A1197 像素节距 / mm 0.085,0.255
驱动方式 无源矩阵 像素数 120(RGB),
160
显示模式 STN半透射彩色显示 显示颜色 256色
LCD外形尺寸 / mm 40.6× 55.0× 6.5 驱动占空比 1 / 160
画面尺寸 / mm 51(对角 2.0型 ) 背照光源 LED(白色 )
我国 LCD 产业的现状
LCD是最省电、最轻便、最适合个人应用的显示器件。由于中国人口众多，随着中国经济的迅速发展，
对 LCD的需求将是一个潜在的巨大市场，手机,BP机的发展就是最好的例证。发展中国彩色液晶显示产业，
已成为政府、产业界、科技界极为关注的重大课题。
我国液晶显示技术的研究,
起源于 20世纪 70年代,进入 80年代 后我国就引进 4
英寸 LCD生产线，到 80年代中期 开始引进 7英寸生产线,
80年代末 深圳天马开始引进 12英寸生产线,并大量招收液晶技术方面的科技人员，对 TN和 STN大生产技术进行大量研究，为我国 90年代中期 LCD产业的大发展创造了条件，并提供了技术保证。
1993年以后,我国先后引进以生产 STN-LCD为产品目标的 12-16英寸的生产线 10余条，并于 1995年以后分别建成投产，由于当时中国还没有掌握 STN-LCD大生产技术，
这些生产线主要生产 TN和中小尺寸 STN产品。但这也大大提高了我国 TN—LCD的生产能力。
1995年以后,除偏振片仍需进口外,TN-LCD大量使用的 ITO导电玻璃、液晶材料和相关辅助材料也都逐步国产化。目前我国 ITO导电玻璃生产能力已超过 3× 106 m2，
液晶材料年生产能力已超过 15 t，这两种材料不仅能满足国内市场需求，并且还有部分出口。由于中国劳动力便宜，生产成本低，中国生产的 TN-LCD产品在世界市场上有较强的竞争力。为了保持中小尺寸 LCD市场，日、
港、台等企业纷纷将劳动力密集的、中小尺寸 LCD生产线向大陆转移，在沿海和广东建成十几条独资 LCD生产厂。
第 1节第 2节第 3节第 4节第 5节第 6节目 录第 7节第 7章
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根据 1999年中国液晶专业分会统计,1998年中国从事液晶产业的企事业单位约 100家,其中
LCD生产厂约 50家，与 LCD配套的材料、设备厂约 20家，进行 LCD教学、科研、工程研究中心约
20家，中国的液晶显示已初步形成产业。根据协会统计,1998年 液晶产业的 销售额为人民币 36.05
亿元 (部分日、港、台的独资企业末统计在内 )。
1998年从事液晶产业的 职工约 17200人,其中 技术和管理人员占总职工的 22.8％左右 。到 1998年底我国对 27个 LCD厂统计，在 LCD上的总投资约
3.6亿美元。配套材料厂的总投资约 1.2亿美元。
国内整体在 LCD产业上的总投资还不到 5 亿美元
(部分日、港、台的独资企业末统计在内 )。 可见中国在 LCD产业上投资还是很小的。
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但是中国已成为世界上最大的 TN-LCD生产国，
其产量已占世界产量的 2／ 3以上，目前 80％以上的
LCD产品都出口。为了促进手机,BP机等电信用液晶产品的国产化,1999年有条件的 LCD厂家都积极筹建 TAB,COG等模块生产线。 吉林省电子集团公司 投资 100亿元采用 680× 880mm玻璃基板的第一条第四代生产线技术的 TFT-LCD，目前已投产运行，预计 2002年正式建成投产后的生产能力将达到 210万块模块 (按 15和 17英寸屏计算 )。 春兰电子集团与台湾剑度公司合作 在上海建立 3.5代 TFT-
LCD生产线，正在紧张筹划中； 北京东方电子集团 也筹划在北京建立 TFT—LCD生产线。国内还有一些厂家跃跃欲试，打算引进 TFT-LCD生产线。
这些都会对我国的液晶产业起到巨大的推动作用。
