导读：围绕着空间光调制器公式，世界有两群人，分别干着不同的事情。

何为空间光调制器（Spatial Light Modulator）？

广义的空间光调制器是指一种新型的光波特性变换/调制器件；进一步而言，是一种可编程、可使光波在时间及空间上动态改变特性的器件;空间光调制器是一种将输入光波信号根据控制信号按某种函数关系调制输出光信号的器件。因此，用数学函数来表达的话，可如下：

Output（O）=C(x,y,t)*Input（O）

C(x,y,t)为控制信号；Input(O)为输入光信号，Output(O)为输出光信号，输入与输出光信号的变化可以是光波振幅、相位、偏振态、波长、相干性等属性参数中的一个或多个参数值，这些参数的变化能引起光波特征的各种变换。Input和Output之间不同变换意味着SLM实现了不同的功能。输入光和输出光的读出方式不同，意味着不同的光路形式，主要有透射式和反射式。

公式里控制信号C的核心参数包括空间坐标x、y和时间参数t，其中(x,y)代表空间光调制器的控制单元，一般称为“像素”；用户如何控制每个像素称为寻址。寻址方式也有多种，包括电信号寻址和光信号寻址；控制信号即函数C(x,y,t)的实现方式根据器件物理原理不同有很多方式，无论何种方式，总体上都会以(x,y,t)这些参数在空间和时间上的精度、分辨率等来最终判断产品成熟度，因此，空间光调制器会有不同维度、原理类型、分辨率大小的产品，甚至名称上也会略有差异，但都属于上述公式可描述的器件。

总结一下，记住啦，上面的公式定义了空间光调制器，只要功能特性符合上述公式的光学器件你就可以靠上去喊一声空间光调制器，大体不会有错！

空间光调制器的原理有哪些？

记得控制信号C(x,y,t)吧，这个控制信号的实现手段有很多种，科研工作者们依然在探求更多的实现方式。SLM实现方式不同，决定了空间光调制器的基础原理不同。现实里可行的方式包括空间形变、热塑形变、液晶方法、磁变方法、声光效应、利用泡克耳斯效应的DPKP/PROM、光折变、微通道板等系列方式。上面有些技术局限在实验室研究中，有些已经规模化商业应用，有些属于小众昙花一现。

根据市场实际的产品情况，我们选择两类产品进行详细介绍，空间形变SLM和液晶SLM，这两类产品商品化程度高，应用场景广泛。

• 空间形变SLM的原理

顾名思义，空间形变SLM就是在光波传输面上，通过器件单元位移或倾转改变光波的传播距离（光程差）或角度来实现对输入光的控制。如下图所示Z1、Z2就是在光波空间(x,y,t)里使波面(x,y)点的t值不同改变光程差或角度，调制波面形态。

这类器件包括利用电控压电陶瓷PZT、MEMS、磁控形变器件等实现的变形镜、DMD器件等。其中德州仪器TI公司的DMD芯片是一种典型的商品化空间光调制器，其详细原理可以参考TI官网，这里仅做简要说明。

如上图DMD芯片（引自TI官网）是由m*n个微镜阵列构成，每个微镜相当于一个单元反射镜，可以极快地上下翻转，使得每个单元上的光束出射角度不同，从而改变整个光束的空间特性分布。这些微镜尺寸为微米级大小，由电信号控制其翻转角度和频率，很容易实现C(x,y,t)函数信号。通常，DMD芯片实现强度变化的原理是利用翻转频率不同，即同一时间周期内，不同像素单元翻转到固定角度的次数不同，从而使得出射光束的平均光强不同，因此，其强度调制值为平均强度。但定制化控制电路，也可以固定微镜偏转位置，实现某个角度方向上的绝对强度值。

总结一下，空间形变SLM的原理是利用器件的光学单元在空间位置的位移或倾转来实现对光束波面的改变，进而实现输入光束到输出光束的调制函数。其中TI公司的DMD芯片是典型代表，基于DMD芯片实现的空间光调制器产品就是形变原理的具体应用。

• 液晶SLM的原理

另一类重要的SLM就是液晶空间光调制器LC-SLM（liquid crystal spatial light modulator），其原理是利用液晶的电光效应实现对光波的强度、相位及偏振态变换。液晶材料是一种典型的非线性光学材料，在具体光波调制应用上，振幅、相位、偏振态调制的实现机理略有不同。由于市场上以向列相液晶LC-SLM产品为主，因此下面以向列相液晶为主逐一说明SLM调制振幅、相位及偏振特性的机制异同点。

向列相液晶分子呈棒状，具有光学单轴性，各向异性的特征对光波产生双折射。加载电场后，液晶分子的排列方向和角度发生变化，双折射率也发生改变。加上液晶本身的旋光效应，对于偏振光，则偏振方向也随着电压发生了变化。

（图来自网络上华中科技大学万助军老师《液晶的光学特性及其应用》）

振幅液晶应用（也就是大家熟悉的液晶显示器）就是利用了液晶旋光效应来实现对偏振光的空间强度变换。在上述示意图中上下增加两个偏振方向正交的偏振元件，则意味着本身无光束输出，通过在某个点(m,n)施加电压V改变液晶角度也就改变了光束偏振方向，可以使部分光束输出，这就实现了强度变换。相位液晶应用则是利用双折射率变换来改变光程差，限于篇幅这里不作展开。

空间光调制器的分类

前面介绍SLM原理时列出了不同原理的SLM，如DMD-SLM和LC-SLM，因此，按原理区分本身就是一种分类方法。针对文献和市面上的种种名称类别，为了更好理解各种分类方式，我们回到公式上来：

Output（O）=C(x,y,t)*Input（O）

其中按Output(O)和Input(O)的读出关系可以分为反射式和透射式；按C(x,y,t)控制信号的寻址(Addressing)方式可以分为电寻址、光寻址两种，分别叫EA-SLM和OA-SLM，其中电寻址即通过电信号控制每个调制单元，利用光信号控制每个调制单元就是光寻址。按照功能作用来区分则包括振幅调制、相位调制或偏振控制；按分辨率大小即（x,y）的范围分为：

这里比较特殊的情况是如果y=1，则变成了一维阵列SLM产品。按响应时间即t的分辨率来判断，则以ms为分界线，能实现响应时间t<1 ms级的产品基本属于高速空间光调制器，响应时间t＞1 ms的都属于普通空间光调制器。

空间光调制器的未来趋势

围绕着该公式，世界有两群人，分别干着不同的事情。

变着法儿去实现C(x,y,z)功能的人在研究如何更好地实现光束变换，即研究空间光调制器本身的特性，这涉及到光学、电子电路及半导体技术、材料、软件控制等众多知识领域；而另一群人则是利用C(x,y,t)的结果来研究Input(O)和Output(O)之间的对应关系，并将这种结果应用到不同场景；因此，空间光调制器本身就是一个科研平台，基于该平台可以展开不同领域的研究工作；同时，空间光调制器也是一个强大的工具，其诞生使命就是满足信息光学领域内的各种应用需求。咱们从两群人的视角远眺空间光调制器的未来趋势。

对于LC-SLM，其对液晶材料的要求显著区别于显示技术。为了达到特殊的调制特性与满足不同波段的需要，通常要求液晶材料具有高的双折射率（Δn）和低的粘度系数，以满足高速响应与大调制量的技术要求。因此，高Δn值、高速响应液晶材料的研究工作一直都是人们研究的热点。例如长春光机所在这方面研究颇有成果，其中Δn=0.55的液晶材料发表于Liquid Crystals(2015,43:2,276-284,DOI:10.1080/02678292.2015.1105311)。日本先进技术工业研究所的聚合液晶物材料则将响应时间提高到了亚微秒级，且能实现较大调制量，另外德国也有类似液晶材料应用到具体产品研究中。未来，这类快速响应液晶的SLM将被应用到激光雷达、光学相控阵产品、自适应光学中，其KHz量级的高速相位调制能力将极大拓展光束相位调制研究的宽度和应用深度。

在电控基础的芯片方面，随着半导体工艺的进展，像素大小进一步缩小，微米级乃至亚微米级的光学单元将成为可能。伴随着8K显示技术的发展，用于相位调制的LC-SLM也将实现8K分辨率，届时SLM的空间带宽积又将提升一个数量级。目前4K产品虽已上市，但因价格过高，导致其应用推广存在极大障碍，当前基于4K产品的研究成果无法落地到商业产品中，但不远的将来，国内4K SLM产品将以极高性价比推动商业应用的落地，例如全息AR、全息微纳打印等领域。

对于DMD产品，德州仪器TI公司也越来重视传统显示成像之外的光学控制市场，在光刻、红外、结构光照明等领域快速部署新的产品模块，因此，以DMD为代表的空间光调制器应用及研究将会涌现很多成果。DMD-SLM未来会朝着模块化、小型化和专有化方向发展，随着新应用的落地，相信TI公司也会调整产品价格，形成类似显示市场的性价比体系。同时，不少涉足MEMS领域企业也在从低分辨率产品上推出基于MEMS技术的光场调控产品，应用到三维测量、光通迅领域。

其中涉足到LC-SLM研发的国外企业包括美国Meadowlark、日本Hamamatsu、德国Holoeye等；国内的厂家以上海UPOLabs为代表，一直在不断研发推出新产品。新产品除了融合最新的材料、电子及半导体技术成果外，还在成本、波长适用范围及应用场景细分方面展开竞争，例如Hamamatsu和UPOLabs都在推出水冷功能的SLM，将SLM所能承受的激光阈值功率提升到几十瓦甚至更高。国内企业还在工业化、模块化等方面深入细化应用场景，降低下游应用企业成本和技术风险。这些企业解决的问题是如何使实现函数C(x,y,t)更高效、容量更大、速度更快。

另外一群人重点关注应用层面，以SLM为工具。例如目前科研领域应用较广的SLM工具是以主流Full HD和WUXGA的LC-SLM产品为主。除了传统的显示成像应用，基于这类SLM的应用系统，除了科研人员充当前锋一直致力于基础研究外，近年来落地到商业系统中的案例也越来越多。例如光刻系统、全息打印、超高分辨率激光加工、激光加工领域的光束整形系统、结构光照明系统、WSS波长选择开关等，这些领域都是科研成果转化较多的领域。基于LCoS及DMD的SLM应用，无论是振幅型应用还是相位型应用系统，已经在迎来爆发增长的道路上飞奔！

除了科研及高校群体，产业界也在围绕SLM进行应用开发。除了传统的显示成像领域，新型相位应用研究开发的单位包括：杭州光粒、铅笔视界、华为、武汉光迅科技、大族激光、华工激光、三江航天等商业公司，他们重点关注光波相位信息的变换研究。已知产品涉及领域涵盖光通信、全息打印、数字全息AR产品、光束整形、3D检测产品等领域，相关产品或已上市或已完成研发。而SLM应用的范围很广泛，除了商业公司已经铺开的领域，其他潜力较大的商业领域还包括光学相控阵、高密度光存储、空间可见光通信、生物显微成像等。商业应用群体基于科研界相应的算法成果不断演化，在努力整合各种技术获得不同形态的Output(O)，从而解决具体业务问题，例如全息AR，除了算法本身和SLM器件外，如何产生有价值的内容和应用场景融合一直是努力的重点。

因此，围绕公式所展开的SLM研究和应用，离不开平台研究和应用研究这两群人的高效互动和力量联合。抽象的公式联结的是两股不同的力量，C(x,y,t)所代表的SLM平台将加强对新材料特性、芯片开发和电子控制技术的融合与集成，打造性价比更高的SLM。Output(O)代表的功能开发人群则在积极运用SLM技术解决应用域的问题，不断开发新应用，进而促使SLM迭代发展。展望未来，国际局势的风云叵测使得国产替代趋势将是未来很长时间内应用开发群体关心的重点，空间光调制器将在两股力量的合力下涌现更多的创新。

作者简介

殷长志 上海瑞立柯信息技术有限公司(UPOLabs) 总经理