在光通信、顯微和望遠等成像系統、自適應光學、光鑷等許多應用領域中，都會涉及到光相位的調制，這時就需要用到一種新型的可編程光學儀器——空間光調制器。

空間光調制器是采用LCOS（Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶）芯片來調節光波前的振幅或相位的光學器件。LCOS芯片是由液晶像元組成的像素陣列，每個像素都能單獨地調制光。對于同一束光來說，像元的尺寸越小，調制得就越精細；像素的個數就是芯片的分辨率，分辨率越高，可調制的自由度就越高。

從早期的鐵電物質和扭曲向列液晶結構開始，到利用光電尋址。濱松的中央研究所和固體事業部致力于空間光調制技術已有30多年的歷史了。其空間光調制器目前主要在高端市場中，以高線性度、高光利用率、高衍射效率等性能著稱。

對于濱松空間光調制器LCOS本身的性質來說，它只改變光的相位，而不影響光的強度和偏振狀態（振幅/光強的調制需要通過光路來實現）。通過改變電壓來改變液晶的排列方式，相位調制隨著液晶的排列方式而變化。通過CMOS背板和PC輸出的DVI信號，液晶的排列是單像素可控的。

而在文章開頭我們也提到，空間光調制器涉及的應用比較多，那要怎么根據自己的研究需求來選擇一位最得力的小伙伴呢？許多用戶朋友可能在心里畫了一個大寫的問號。

為了幫助各位用戶親人與這個問題say goodbye，這里，我們從濱松空間光調制器X10468/X13267/X13138系列出發，和大家聊一聊，關于空間光調制器選擇的二三事~

型號選對，事半功倍

選擇分辨率和像元大小

LCOS是由像素陣列組成的，目前濱松可以提供兩種分辨率：792×600， 1272×1024；對于792×600分辨率的產品，還有兩種像元大小可供選擇：20μm，12.5μm。

*不同的分辨率和像元大小以系列表示在產品型號的前半部分，如X10468-08，X10468指的就是該型號的產品分辨率為792×600，像元大小為20μm。

表中的“有效面積（Effecttive area size）”是指LCOS頭上可以對光進行調制的液晶面的面積。而用戶在選型時，需要考慮該面積是否可以容納下所需調制的光斑大小。

“填充因子（Fill factor）”則是指單個像素有效面積占總面積的百分比，它在影響光利用率方面比較關鍵。（光利用率在后文會將介紹）

需要特別注意的是，不是所有品牌的產品所標示的“填充因子（Fill factor）”都是一個概念！

一些品牌的填充因子（Fill factor）占比并沒有考慮像素間間距（Inter pixel gap），所以通常此項的百分比很高，參數顯得很“漂亮”（其填充因子占比計算方法見下圖）。但用戶不了解的是，其實其Inter pixel gap卻很大，有的甚至高達1.3μm。

濱松則本著實事求是的原則，將真正意義上的Fill factor呈現出來，并且保持了超小的Inter pixel gap：0.2μm。（濱松填充因子占比計算方法見下圖）

選擇相應的波段

濱松每個系列（X10468/X13267/X13138）的LCOS產品都包含九個不同的型號，以-01~-09在型號的末尾表示。如X10468-07中的-07就是指該型號的產品可調制波長范圍為620nm-1100nm

*虛線范圍所指含義：對于-05型號來說，波長小于400nm的紫外光會對LCOS造成損傷，更多細節請向我們咨詢。對于-08型號，波長1350nm-1400nm這一段由于玻璃基片的吸收會導致反射率（光利用率）下降約5%。

注意光閾值

LCOS是不能照射超過閾值的光的，如果超過閾值光強，則會發生損傷，輕則線性度下降，重則液晶層融化。

濱松LCOS的光閾值在同類產品中屬于較高的水平，具體值由于型號、波長、用戶使用的光源類型不同會有很大差異，選型時，一定要參考樣本中產品可承受最大光強閾值表。

另外，從波長選型中可以看到，-01到-09這九種型號中，-01，-07，-08這三種型號的波長范圍較長；而-02,-03,-04,-05,-06,-09這幾種型號的波長范圍較短，這是因為它們在液晶的底層加了介質鏡（Dielectric mirror），大大提高了光閾值和光利用率，但也將波長范圍限制在一個比較小的范圍內。用戶需要根據應用的需求進行選擇。

參數讀懂，選型不囧

在空間光調制器的參數表中，包含著幾個重要的性能參數，需要用戶特別地關注：

光利用率（反射率）、一級衍射效率、線性度、穩定性

光利用率（反射率）

為了提高光的利用率，在調制的過程中將光能的損失降到最低。濱松的LCOS均為反射式，這里光利用率就定義為光經過LCOS液晶面反射的反射率，即平均反射光強占入射光強的百分比。

濱松各型號光利用率參考表

*除此之外，濱松可以提供355nm-1550nm范圍內的OEM定制產品，根據應用，專門優化所需波長。

而市面上，一些品牌將“反射率”稱為“零級衍射效率”，這其實是同一個概念。所以，千萬不要把“零級衍射效率/光利用率/反射率”與“一級衍射效率”混淆。

一級衍射效率

這里的“一級衍射效率”其實才是LCOS真正的“衍射效率”，是通過加載閃耀光柵時（將LCOS作為光柵使用）一級衍射光的能量占零級衍射光能量的百分比來定義的。加載閃耀光柵時，光斑級次如下圖所示：

（a）未加載光柵。

（b）加載2-level光柵，空間分辨率為25線對/mm，圖中為±1級光及0級光。

（c）加載4-level光柵，相當于12.5線對/mm的空間分辨率。

而搭建一個簡單的光路，用戶便可自行使用光功率計實現衍射效率的檢測：

光柵level/steps越高，空間分辨率就越低，但是衍射效率越高。對于X10468系列，光柵level/steps和空間分辨率lp/mm之間呈現出這樣的對應關系：

而濱松LCOS由于其純相位高精度的相位控制，具有接近理論值的超高衍射效率。

X10468系列衍射效率數值

*如需其他型號的數據和計算方法，以及LCOS-SLM空間光調制器衍射效率測試（一級衍射效率）示例，請在公眾號中留言索取。

另外，需要特別注意的是，實驗室靜電有可能造成衍射效率的下降，這里也提醒用戶朋友們在使用空間光調制器時，請注意防護。

線性度

相位調制的線性度在光調制的精度方面是一個至關重要的參數。濱松空間光調制器追求等高精度的調制，所以在線性度方面有著公認的滿意表現。

濱松空間光調制器線性度

在平均值和標準差的線性度都呈現極佳狀態

對于一些單純追求相位調制范圍或分辨率的產品，線性度容易被忽略，這樣就在調制精度方面存在問題。這在下圖中能看出：

我們可以看到，該品牌產品在0-2π區間范圍內線性度較差，而大部分應用主要使用的都是0-2π這個范圍內。因為從波動光學的角度來說，像差2π的整數倍的兩個相位的光，是可以進行等效的。

穩定性

在光調制的精度方面還有一個重要參數，是相位的穩定性。因為LCOS是通過交流電來驅動的，所以輸出光會隨著驅動頻率而浮動，下圖所示的是-04型號的相位浮動范圍。其中X10468和X13267系列的驅動頻率是240Hz（SVGA），穩定性在±0.01π以內；而X13138系列的驅動頻率是120Hz（SXGA），雖然比SVGA驅動的兩個系列稍差一些，但也能維持在±0.03π以內。

除了參數意義上的“穩定性”外，這里再擴展一下，聊一聊空間光調制器“鏈接”的穩定性。

對于空間光調制器這類產品，歐盟國家有著這樣的規定，如是非歐盟國產品想進入其市場，就需要通過嚴格的CE認證。這就要求產品的接線和連接器都非常結實，不受噪聲干擾。雖然這讓濱松LCOS的體積會相對較大，但也保證了它的質量和耐用性要超過其他未經CE認證的產品。

*部分產品為歐盟國的品牌，則不需CE認證便可直接在其領域內銷售。

有些用戶可能會提到排線的連接方式，這樣雖然減小了體積，但不耐使用，且損壞率較高。其實在使用LCOS時，只需要把LCOS頭放在光學平臺上，把控制箱另置在操作臺的架子上，就可以解決其占地過大的問題了。

好了，以上聊了這么多，希望對各位用戶理解空間光調制器的參數和選型有一定幫助。當然，要最終選得一款心儀的產品，可能還會遇到許多特殊的問題。這個時候，就向濱松的工程師咨詢吧！~