追求高品质相位型硅基液晶空间光调制器

摘要：自1973年以来，不同公司和研究组在硅基液晶（LCoS）的研发朝着更小像素尺寸和更高分辨率目标发展，LCoS的发展在促进高清显示领域的同时也推动了空间光调制的应用。高品质和校准良好的液晶面板可以完美地展现计算机生成的全息图（CGH），而这些全息图可以广泛地应用于2D和3D的全息视频投影以及光通信组件。因此，本文首先总结高分辨率液晶面板的现状，然后解决与驱动频率相关的问题（例如，液晶响应时间和硬件接口）。LCoS面板质量的评估基于以下四个特征：相位线性度控制、相位准确性、相位稳定性和相位精度。

• 介绍图1 （a）2K1K液晶屏（b）4K2K液晶屏。纯相位空间光调制器可用作显示器、自适应光学（传感）、光刻和通信的关键光学元件，如图2所示。对于不同应用，相位调制线性度、响应时间、相位精度和相位稳定性是选择纯相位LCoS-SLM面板的关键特性。然而，很难获得一个具有所有应用的所有期望特性的LCoS。它们的性能优化都是由对应应用所驱动的。例如，响应时间是当前全息显示中的限制，它可能比相位稳定性更重要，因为一个优秀的全息图像仍然可以使用一个良好的线性校准和高相位精度的LCoS-SLM面板来实现。然而在光通信领域，LCoS-SLM的相位稳定性是至关重要的特性，因为由不稳定相位引起的瞬时扰动可能会导致对所传输信息的误判，因此在光通信应用中，相位稳定性比响应时间更重要。其他应用可能需要精确的相位调制，例如激光材料加工或通过控制波前实现图像增强应用。图3总结了LCoS-SLM面板的定量评估指标。高分辨率面板是未来相位调制的一个趋势。相位调制线性度不仅便于数据采集，而且可以满足由标量衍射理论导出的衍射方程中的线性调制。相位精度、相位稳定性、相位准确度可以基于线性相位校准面板进行进一步评估。实时调制取决于液晶的响应时间、驱动器延迟和全息图的计算时间。在这篇综述中，我们揭示了目前在设计和开发高质量的纯相位的LCoS-SLM方面的进展和方法，结合以下标准进行评估：面板分辨率、驱动频率（LC响应时间和硬件接口）、相位线性度控制、相位准确性、相位稳定性、相位精度。
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• 图3LCoS-SLM的定量评价指标。
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• 图2 纯相位LCoS-SLM的各种应用示意图。
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• 使用LCoS作为显示面板的全息近眼显示器打开了虚拟现实和增强现实的新时代。Oculus Rift和HTC VIVE宣布并展示了引人注目的3D虚拟现实（VR）体验，使用了Jasper Display Corp. 的JD5552 LCoS-SLM。微软在同一年展示了第一款独立的增强现实（AR）设备HoloLens，使用了德国holoeye Photonics公司的PLUTO LCoS-SLM。除了以上提到的两家公司，世界上还有其他提供LCoS微显示器的供应商，如滨松，Meadowlark Optics，Santec Corp，Himax等。每个公司的产品都有自己的关注点。Jasper Display Corp.有自己的数字驱动器2K1K和4K2K面板和相应的驱动程序。Holoeye Photonics对60 Hz 4K-SLM和计算机生成全息图（CGH）信息输入软件开发工具包（SDK）接口设计具有独特的解决方案。滨松提供了具有高线性度和精度的纯相位SLM解决方案，其SLM还能用于大功率激光应用。Meadowlark Optics在LCoS-SLM模拟驱动方案有其特色，其生产的LCoS响应时间快（ms级响应时间，KHz刷新率）。Santec的LCoS-SLM具有极高的相位精度，能提供10bit的线性相位曲线。表1总结了他们各自的产品特点。
• 在20世纪70年代早期，休斯研究实验室将硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）和主动矩阵寻址硅基液晶（LCoS）的光活化液晶由首次引入用于显示应用。后来，该方法被扩展到反射空间光调制器（SLM）。在1986-1989年间，据英国爱丁堡大学报道，基于LCoS的SLM的液晶面板分辨率从16×16增加到176×176像素。在1993年，显示技术公司（DisplayTech）（现西铁城精密器件公司，CITIZEN FINEDEVICE (CFD) Co., LTD, Yamanashi, Japan）将液晶面板分辨率增加到254×254像素，他们的面板采用了快速开关铁电液晶（FLC），利用场序彩色系统实现了全色显示。直到今天，铁电LCoS仍然是他们独特的产品。在分辨率为720p的情况下，由于成本结构的原因，以LCoS为核心光学引擎的投影显示技术无法与数字微镜器件（DMD）技术竞争。然而，在过去的10年，由于集成电路技术的进步，小像素尺寸、高分辨率的LCoS面板实现了商业化。自2000年以来，LCoS已经从720p发展到2K1K全高清分辨率（FHD），甚至还有4K2K分辨率。图1展示的是贾斯珀显示公司（Jasper Display Corp.）的高分辨率显示产品。
• 高分辨率和高PPI图4 当前LCoS-SLM集成电路背板的像素密度和像素间距规格。
• 最近已经实现了几种在高分辨率面板（≥4000 ppi）中得到高帧率的方法。 杨等人实现了4000ppi情况下在0.55英寸 1920×1080的集成电路背板，其中像素间距约为6.4 μm [23]。 Abeeluck等演示了一个数字驱动LCoS微显示器，它的像素间距为3μm，填充因子为93.5%，分辨率从1080p到4K。这样小的面板可以很容易地集成到光学机器或嵌入式系统中。小像素面板的优点是可以获得较大的衍射角。图4中列出的两种商业产品——0.26英寸1280 ×720分辨率（Holoeye HED2200）和0.37英寸2048×1024分辨率的集成电路背板(Himax Display)具有较大衍射角，同时保持较高的图像帧率。
• 以更高的像素密度和更小的像素密度实现更高的分辨率是LCOS微显示的一个持续目标，特别是对于近眼VR显示应用。全息AR、更高的衍射或更大的图像投影同样需要高分辨率的面板。小的像素尺寸可以实现一个大的衍射角度，而一个高分辨率的大面板使投影图像具有更好的细节呈现。图4总结了当前不同商用LCoS-SLM面板的ppi和像素间距。特别是，具有高ppi（>5000）4K2K或8K4K LCoS的面板具有较低的输入帧率（≤60Hz）或有限的驱动电压（<3.3 V）。一般来说，在4K2K面板中，很难保持60 Hz的帧率。
• 相位调制切换时间    铁电液晶调制器和数字微镜器件（DMD）是两种能够实现响应时间为亚毫秒的商业空间光调制器。由于二元相位调制产生显著的噪声导致衍射效率的降低。几个目前已经提出了实现快速响应时间的方法，如双频液晶、聚合物网络液晶和聚合物稳定的蓝相液晶。高驱动电压（大于10V）和可见光区域的光散射是这些液晶材料系统的两个主要缺点。此外，在高分辨率背板中，有限的驱动电压往往会导致液晶响应时间较慢。 最近，吴课题组报告说，在40℃，5V的工作电压下，利用1.7μm的像素间距的高△n的液晶实现了相位平均响应时间为2ms。该报告中的液晶可以工作在240 Hz帧率，并且没有复杂的过驱动或欠冲电路。此外，当像素间距低于1.8μm时，由于排列层的强表面边界效应，液晶的有效双折射略有降低。 因此，可能需要一种更高的双折射液晶材料，以实现在快速响应LCoS相位调制器的超薄单元中的有效双折射。Thalhammer等人利用超电压驱动的方法将液晶响应时间提高到1-2 ms，使用的低分辨率面板（256×256）具有500 Hz输入帧率和近1.6kHz数据帧率。然而，当在高分辨率（1920×1152）LCoS-SLM中使用HDMI控制器时，输入帧率下降到30Hz。 Holoeye Photonics 提供了一个HDMI 2.0现场可编程门阵列（FPGA）驱动程序，以实现1920×1080分辨率（4000 ppi）的240 Hz和720 Hz数据帧率的高性能三维传感系统。然而，由于液晶响应时间较慢，驱动器方案不能支持其LETO相位调制器（4000 ppi），无法实现亚kHz输入帧率。Meadowlark Optics推出了一个新的1.8 ms响应时间相位仅1920×1152像素（~2764 ppi）LCoS-SLM。2018年，使用PCIe控制器达到的最大帧率为714 Hz。同年，陈的团队宣布了他们的PCU-3-01 LCoS-SLM，能够在45℃时达到1.6 ms的响应时间，该面板可以使用OCM-ASIC SDK驱动程序(Jasper Display Corp.)以240 Hz输入帧速率驱动，使用HDMI控制器可以实现720 Hz数据帧速率驱动。4K2K或8K4K LCoS面板（大于5000 ppi）的更高分辨率受到低输入帧率（≤60Hz）和低驱动电压（<3.3 V）的限制。实现全相位调制需要未来的电路硬件的更新。总之，响应时间少于2 ms可以在高分辨率LCoS-SLM面板实现，但为了达到超过500 Hz的帧率，控制驱动仍然需要更新。全相位调制的快速液晶响应、高输入帧率和驱动接口对于实现下一代全息显示的LCoS同样重要。
• 全息显示应用主要存在四个问题：(1)液晶响应时间慢；(2)小视场；(3)使用激光作为光源时激光散斑效应导致图像质量降低；(4)降低帧率以实现场序彩色显示。解决上述问题的研究很多，如：(1)在λ= 633nm处的设置3-4 ms面板响应时间，以减少动态重建全息图像模糊；(2)利用时分复用方法增加视场角；(3)利用时间平均技术降低图像投影中的散斑效应。解决这些挑战的最终解决方案是实现亚毫秒响应时间和亚kHz输入帧率的SLM面板。
• 相位线性度其中I/I₀为归一化强度，χ为偏振片与检偏器之间的夹角，ψ为液晶方向与偏振片之间的夹角,δ为相位延迟。使用查找表（LUT）方法，将包含正弦或余弦函数的非线性相位曲线调谐为线性相位响应。如果没有对LCoS-SLM进行线性校正，计算全息模拟就不能正确地得到其结果。为了解决这个问题，线性相位校准是LCoS-SLM的第一步。校准的方便性与控制电路中的驱动方案密切相关。数字驱动方案采用脉宽调制（PWM）产生可分为更细的0位平面和1位平面的灰度，这使得线性校准的编程比使用模拟驱动方案的面板更容易。平均相位精度误差（APAE%）和均方根(RMS)方法可用于评估所有灰度级别的相位线性：
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• 其中GL为灰度级，LUT为查找表，δ为测量的相位值。 以具有1920×1080的分辨率和60-144Hz的图像帧率的PCM-2-01-633 LCoS-SLM面板为例，采用集成电路背板△V=5V的高编程脉冲开关设计，可以实现4ms的液晶响应。相位线性度可以调整到1.08%（APAE%）和0.024π弧度（RMS）。 一般来说，在没有额外光补偿情况下，在模拟驱动LCoS-SLM中实现理想的相位线性度比数字驱动方案更困难。 Meadowlark Optics的LCoS-SLM可以在使用模拟驱动中实现高速响应（2-5 ms），同时在低分辨率面板（256×256）中保持一定程度的线性度，但在其高分辨率（HSP512和HSP1920）LCoS面板中则不能。采用滨松公司的模拟驱动器的LCoS面板可以在较低的分辨率（792×600）和60 Hz的画帧率实现超高的线性度（0.03π弧度（RMS））。然而，为了保持超高的相位线性度，需要更厚的液晶单元间距和更低的工作电压，这种设置的缺点是响应时间较慢（>30ms）。
• 相位线性校正是相位调制面板的一个重要步骤。这类似于液晶显示器中的线性振幅调制的伽马校正，但这是一个更复杂的过程。线性相位响应是满足计算全息图模式的关键准则，该全息图是基于标量衍射理论的迭代傅里叶变换算法或菲涅耳（近场）/夫琅禾费（远场）衍射方程计算出来的。调制的线性材料是该理论的主要假设。然而，液晶的固有光电响应是非线性的。测量的强度曲线可根据以下公式转换为相位： 
• 相位准确性其中δ为基于不同灰度下LUT的相位测量，x和y为整个面板上测量的具体区域，如图5所示。更少或更多的mxy部分取决于光束的尺寸或表征方法。在收到来自供应商的SLM面板后，默认设置可能无法满足应用的需求。因此，相位线性校准和相位准确性补偿已成为SLM研究的热点。大量已经报道的相位补偿方法大致可以分为两类：一类是电子补偿法，另一种是光学补偿法。大多数LCoS-SLM驱动程序板设置是不对用户开放。因此，电子补偿方法只能由原始制造商提供。大多数SLM用户应用光学算法，通过使用泽尼克多项式算法校正波前像差来实现高质量的波前面。该算法可以纠正最严重的波前畸变，但由于泽尼克多项式的原理，它仅限于一个圆孔径，补偿不适用于方形或矩形孔，如LCoS-SLM面板。例如，来自 Boulder Nonlinear Systems（BNS）公司的P512系列产品，在补偿前的波前失真值为1.2λ，该产品可以通过光学补偿到λ/4 ，但不能达到高相位精度标准（<λ/50）。他们的最新产品HSP1920在2018年采用了对方形子光圈的电子补偿。波前失真值可以从λ/7大大提高到λ/20（RMS）。尽管泽尼克多项式并不能完全适用于正方形孔径来纠正高端像差，其他研究团队仍继续改进或寻找相位补偿的替代光学算法。Xu等人提出采用Zernike多项式法加最小均方拟合方法来调整1×12,288像素的LCoS均匀性。他们的结果表明，固有波前畸变的均方根值可以近似地抑制到λ/34。Engström等人提出了利用7阶三维多项式的原理以补偿BNS的HSPDM512产品的相位均匀性，它使用峰谷值作为波前失真的评价方法。结果表明，最大误差量可以从0.6-0.8π修正到0.3π。该方法有效地纠正了误差，但增加了CGH相位补偿的总计算时间。通过使用CUDA编码程序，每台CGH的计算时间可以加速到0.13 ms。这一结果可能不会影响其面板上的实时操作，但当使用高分辨率（>4K2K）高帧率（>240Hz）SLM时，将显著延长计算时间。无论是使用芯片电路的内部补偿，还是使用FPGA或应用特定集成电路（ASIC）驱动板的外部补偿，都是比在CGH中计算补偿算法更好的解决方案。此外，还可以将活动区域划分为几个单元块。可以单独执行每个单元块LUT（x，y）的相位校正查找表，以实现波前的高精度调制。图6 3种不同的LCoS-SLMs的相位精度测量。嵌入图是灰度从100到150的放大图。图中的值
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• a. 为相位线性度误差（APAE%）；和 b. 是相位准确性的mSTD
• 为了演示相位精度测量，我们比较了λ = 633 nm的三个LCoS-SLM，PCM-2-01-633，PCU-3-01-633（内部准备）和LETO（Holoeye），在相同的控制温度T = 35℃的数字驱动方案下。PCM-2-01和PCU-3-01在全局LUT条件下的相位线性误差（APAE%）分别为1.08%和1.24%。通过使用我们的驱动校准，而不是默认的生产设置，LETO面板的相位线性误差（APAE%）可以从2.20%调整到0.71%。在将全局相位响应的相位线性误差调整到1.0%左右后，测量了三个不同的LCoS-SLM面板的空间变化的相位响应。在每个LCoS-SLM面板上，从覆盖整个面板活动区域的8个不同的部分（P-1到P-8，如图5所示）估计了一个相移，如图6所示。PCM-2-01-633和LETO的相位精度误差的mSTD分别为0.035π弧度（λ/57）和0.043弧度π（λ/47）。对于PCU-3-01-633面板，它为0.067π（λ/30）。 采用白光光谱在12个点进行评估，PCM-2-01-633和PCU-3-01-633面板的液晶间隙均匀性误差分别为0.68%和0.99%，这排除了这两个面板的面板厚度变化的问题。通过数模转换器（DAC）和背景像素(BGP)数据驱动模式，进一步评估了数据寻址的均匀性问题。DAC模式的测量绕过了像素内存中的动态数据寻址。它只固定了集成电路背板电极电压 (V0，V1)，并调整了ITO的不同电压差V_ITO( V_ITO-H-V_ITO-L).简而言之，DAC模式只是提供了电压方均根值将全面板作为一个大的单个像素。BGP模式植入SRAM中的线性全局LUT数据寻址。PCM-2-01-633和PCU-3-01- 633面板在DAC模式下的相位精度误差分别为0.035π和0.039π，而在BGP模式下的相位准确性误差分别为0.035π和0.067π。很明显，像素级的非均匀数据寻址是导致PCU-3-01-633 LCoS-SLM面板中SVPR值较大的原因。
• 图5 公式(4)中的整个活动区域上的8个不同的区域（mxy）
• 除了在所有灰度尺度上的线性相位响应外，另一个问题是在整个活动区域上的相位准确性。相位准确性已经以许多不同的形式进行了讨论，如“空间变化相位响应”、“空间分辨相位响应”、“多点相位调制”、“均匀性计量”、“波前失真”、“光学平整度”等。利用上述评价方法可以确定LCoS-SLM面板的相位准确性质量。目前四大LCoS SLM制造商提供以下相位准确性标准：(1)Holoeye Photonics最新的4K2K GAEA-2，光学平整度在相位补偿后可以从λ/6.6调整到λ/10（RMS）；(2)滨松的高相位精度LCoS面板在相位补偿后的相位精度为λ/50平均标准差（mSTD）；(3)MeadowlarkOptics的HSP1920的相位精度可以从λ/7调整到λ/20（RMS）；(4)Santec公司最新的SLM-200的波前失真大于λ，但经过相位补偿后可降低到λ/40。采用来自256（8位）灰度尺度的mSTD来评估补偿前的相位准确性，定义为：
• 相位稳定性在时间波动方面的相位稳定性是PWM设计的主要弱点。数字和模拟驱动方案的不同工作原理 如图7所示。图7 数字驱动和模拟驱动电压波形示意图。V_rms可以通过两个电压之间(v₁和v₂）应用在短时间（t₁和t₂)计算出，如下式所示：简单地说，数字驱动方案保持一个恒定的电压(ΔV)，同时改变脉冲宽度，以实现各种电压方均根值。由于液晶识别的瞬时电压是驱动周期中恒压(ΔV)脉冲之间的时间比，因此在亚毫秒内由充放电现象产生闪烁。另一方面，模拟驱动方案实现了其性能电压方均根值通过改变在恒定频率下施加的电压而得到的值。在模拟驱动方案中没有明显的闪烁，因为瞬时电压类似于电压方均根值可被液晶感知，没有明显的充放电现象。图8显示了使用LETO面板在灰度70的数字驱动器产生的相位闪烁。图8 在高分辨率示波器中测量的数字驱动波形及其相应的相位闪烁图9  PCM-2-01-633和LETO LCoS-SLMs在633 nm处的相位稳定性测量
• 图10 PCU-3-01-633在两种不同胞隙LCoS-SLMs在633 nm处的相位稳定性测量
• 用不同的光电探测器设置进行了两次测量，以显示每个灰度上的相移和相位闪烁。采用数字色光传感器（来自TAOS公司的TCS-3404）作为光电探测器，用于相位线性度和相位准确性的测量。每个灰度级每100 ms取一次数据，用图9和图10中测量的相移的红线表示。时间波动是由一个偏振干涉仪（PIF）测量与起偏器和一个检偏器（与液晶水平方向呈45°）。该光电探测器连接到一个高分辨率示波器（300MHz 2.5GS/s来自Tektronix的TDS3034B）。每个灰度级每隔几μs取一次数据。相位闪烁由每个灰度级的最大和最小相位值决定。PCM-2-01-633、PCU-3-01-633和LETO三块面板的ΔV值分别为5.00V、2.12V和1.10V。它们的液晶响应时间分别为3.8、2.8和20.7 ms，其得到的平均标准差（mSTD）分别为0.14、0.12和0.04。数字驱动方案中的小ΔV设置能够最小化闪烁。为了验证这一假设，我们制备了填充相同液晶的具有较厚的液晶间隙PCU-3-01-633 LCoS-SLM，在较低的ΔV= 1.04V下实现2π相移。较厚的LCoS-SLM（命名为PCU-3-01-633-2）的mSTD仅为 0.04。令人遗憾的是，响应时间从2.8 ms大大减慢到9.6 ms。总结数字驱动器LCoS-SLM的相位稳定性，在2π相移调制时使用更小电压ΔV时实现最小化闪烁是可以做到的。然而，这种方法的液晶响应时间变慢是不可避免的。
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• 相位精度图11 三种不同的LCoS-SLMs在633 nm处的相位精度测量
• 相位准确度由投影图像决定。像素级的空间变形现象提供了一种对线性相位校准的面板相位准确度的评估方法。相位误差的量化分析可以采用偏离理想的类网格二元光栅的不同的空间频率和光栅方向。与理想二元光栅的偏差与非期望的液晶边缘场和反向倾斜效应有关。为了测量相位调制，第0阶灰度水平被定义为从面板反射的光的强度的100%。 ±1阶光强由二进制光栅的空间频率和方向决定。二元光栅的差异是通过改变相应的灰度对来产生的，其中参考像素的灰度水平固定为GL-0，并改变对应像素的5～255个灰度水平。比较了具有相同背板设计的PCM-2-01-633、PCU-3-01-633-633和LETO LCoS-SLM面板在λ = 633 nm处的像素级空间变形现象。在图11中，H和V表示水平光栅和垂直光栅，P是不同周期的二进制光栅对： 1 + 1、2 + 2和6 + 6像素/光栅，对应的空间频率分别为76.8、38.4和12.8线/mm。PCM-2-01-633的水平和垂直光栅的像素级相位精度的平均误差为9%，PCU-3-01-633为7.7%，LETO为12%。这一结果表明，具有较小的像素间隙的PCU-3-01-633可以有效地抑制像素级的相位准确度误差。然而，在垂直光栅中的1 + 1仍然有10%的误差。在应用二维计算全息图模式时，在水平和垂直光栅方向上都需要有较小的平均相位准确度误差。
• 结论
  
  Chen H-MP, Yang J-P, Yen H-T, Hsu Z-N, Huang Y, Wu S-T. Pursuing High Quality Phase-Only Liquid Crystal on Silicon (LCoS) Devices. Applied Sciences. 2018; 8(11):2323. https://doi.org/10.3390/app8112323
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• 参考文献
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• LCoS技术已经发展了近40年。然而，由于其比DMD具有更高的生产成本和更低的性能，后者继续主导着当今的投影显示市场。最近，一些供应商已经生产出了高分辨率和精细像素大小的LCoS背板，并且提供了比全高清显示更有前途的空间光调制。本文综述了评估高分辨率LCoS-SLM的各种特性的技术问题。由于本文的长度和范围有限，本文没有详细讨论LCoS中液晶的物理和建模。Frances等人已经深入讨论了倾斜液晶的物理和电光效应，以及平行对齐LCoS中的寻址数字驱动。在开发高质量SLM面板的过程中，需要在一个线性校准的相位面板上精心调整相位精度、相位稳定性和相位准确度。这种高质量和校准良好的面板可以促进纯相位全息和优异的全息图设计，可用于2D/3D全息视频投影仪和光通信。综上所述，LCoS面板的高相位准确性、快速响应时间、良好的相位稳定性和高相位精度为各种应用提供了更多的可能性。虽然LCoS面板的好处很多，但供应商应该努力在不久的将来以更有竞争力的价格向公众提供它们。