空间光调制器LCOS-SLM选型及参数解析

空间光调制器是采用LCOS（Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶）芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制的就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。对于滨松LCOS本身的性质来说，它只改变光的相位，而不影响光的强度和偏振状态。（如果要调制振幅/光强，需要通过光路来实现，具体光路参见：SLM振幅调制光路）。通过改变电压来改变液晶的排列方式，相位调制随着液晶的排列方式而变化。通过CMOS背板和PC输出的DVI信号，液晶的排列是单像素可控的。

目前市面上的LCOS产品中，滨松LCOS在高端市场中以更优秀的性能赢得了众多用户的好评——高线性度、高光利用率、高衍射效率，等等。

一、产品型号的选择

1. 确认分辨率和像元大小

LCOS是由像素阵列组成的，滨松可以提供的分辨率为1272×1024. 新系列X15213表示在产品型号的前半部分，后半部分表示对应的型号，各型号的波长范围不同，如X15213-08. 见下表：

表中"有效面积（Effecttive area size）"是指LCOS头上可以对光进行调制的液晶面的面积。"填充因子（Fill factor）"是指单个像素有效面积占总面积的百分比，这个值在影响光利用率方面比较关键（光利用率在本文后面会进行介绍）。某些厂家将该值Fill factor的概念与像素间间距（Inter pixel gap）合起来表示该值，因此他们通常将Fill factor标成100%，但同时他们的Inter pixel gap高达1.3μm，而这个Inter pixel gap他们是不会给出的，因此参数就会显得很好看。而滨松本着实事求是的原则将实际Fill factor写出，并且滨松的Inter pixel gap只有0.2μm。所以用户在使用的时候，需要考虑的是综合了Fill factor和Inter pixel gap的真正的填充率，只有高Fill factor，没有小的Inter pixel gap, 实际上的填充效果其实并不好。后面的重量是指LCOS头的重量，新产品采用轻量化设计，在保证性能不变的情况下，重量为150g（旧版为350g），水冷型号的由于增加了制冷部分，重量为550g.

2. 选择相应的波段

每个系列的LCOS产品都包含若干个不同的型号，以尾缀的形式表示。如X15213-08中的-08就是指该型号的产品可调制波长范围为1000nm-1550nm，见下表：

其中对于-05型号来说，波长小于400nm的紫外光会对LCOS造成损伤，更多细节请向我们咨询。对于-08型号，波长1350nm-1400nm这一段由于玻璃基片的吸收会导致反射率（光利用率）下降约5%。尾缀带有字母L或者R的代表水冷型号的水冷管接口在左（L）或者在右（R），以R为例详见下图图纸。

3. 注意光阈值

LCOS是不能照射超过阈值的光的，如果超过阈值光强，则会发生损伤，轻则线性度下降，重则液晶层融化。滨松LCOS的光阈值在同类产品中属于较高的水平，具体值由于型号、波长、用户使用的光源类型不同会有很大差异，请参考空间光调制器光强阈值资料及计算方法。对于不同系列的相同尾缀的型号，具有相同的光阈值，如X10468-08的光阈值和X15213-08相同。

另外，从波长选型中可以看到，不同尾缀的各种型号中，-01，-07，-08这三种型号的波长范围较长；而其他几种型号的波长范围较短，这是因为它们在液晶的底层加了介质镜（Dielectric mirror），大大提高了光阈值和光利用率，但也将波长范围限制在一个比较小的范围内。

对于一些需要使用强激光（几十瓦到几百瓦）的应用，如激光加工（了解应用详情请点击）应用等，可以选择带水冷的型号，通过水冷/帕尔贴制冷提高仪器的平均功率。各个型号所能满足的最高光强功率阈值请见：
http://share.hamamatsu.com.cn/documentDetail/971.html

客户需要自行配置水冷机，要求如下：

二、重要性能参数

1.光利用率（反射率）

为了提高光的利用率，在调制的过程中将光能的损失降到最低，滨松的LCOS产品均为反射式。这里光利用率就定义为光经过LCOS液晶面反射的反射率。定义为：平均反射光强占入射光强的百分比。反射率的测试方法如下：

各个型号的光利用率

滨松可以提供355nm-1550nm范围内的OEM定制产品，我们可以为您专门优化您应用中需要用到的波长。具体需求请联系我们。另外，有些品牌将反射率称为"零级衍射效率"，这其实是一回事，不要把"零级衍射效率/光利用率/反射率"与"一级衍射效率"混淆。

2.一级衍射效率

一级衍射效率才是LCOS真正的"衍射效率"，是通过加载闪耀光栅时（将LCOS作为光栅使用）一级衍射光的能量占零级衍射光（入射灰阶从0到255变化时的平均值）能量的百分比来定义的。加载闪耀光栅时，光斑级次如下图所示：

（a）未加载光栅，（b）加载2-level光栅，空间分辨率为25线对/mm，图中为±1级光及0级光，（c）加载4-level光栅，相当于12.5线对/mm的空间分辨率具体检测衍射效率的方法如下，客户可以搭简单的光路，使用光功率计自行检测：

光栅level/steps越高，空间分辨率就越低，但是衍射效率越高。对于X13138系列，光栅level/steps和空间分辨率lp/mm之间的对应关系为：

滨松LCOS由于其纯相位高精度的相位控制，具有接近理论值得超高衍射效率，X15213系列具体数值如下：

具体计算方法见（以老型号为例，原理相同）：SLM空间分辨率的解释。

如果用户感兴趣，可自行在实验室检测，检测示例参见：LCOS-SLM空间光调制器衍射效率测试（一级衍射效率）

注意！实验室静电有可能造成衍射效率下降，请注意防护。

3. 线性度

相位调制的线性度在光调制的精度方面是一个至关重要的参数，而滨松致力于追求等高精度的调制，在线性度方面做到了行业顶级。 滨松线性度：

可以看到平均值和标准差的线性度都非常好。而一些单纯追求相位调制范围或分辨率的品牌，容易忽视线性度，这样就在调制精度方面存在问题。如：

在主要用到的0-2π区间范围内线性度较差。而大部分应用主要使用的都是0-2π这个范围内，原因是从波动光学的角度来说，像差2π的整数倍的两个相位的光是可以进行等效的。