作者：殷长志 UPOLabs上海瑞立柯信息技术有限公司总经理

众所周知，光波有振幅、相位、偏振态等众多属性，引入XYZ空间体系后，一束光波在空间上的参数变化可以呈现出无穷的可能性。如果我们想利用某种工具来可控、可预期地改变光波的空间特征，这时候空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）就要派上用场了。

典型空间光调制器产品

市场上较为常见的SLM有两类：液晶空间光调制器（简称LCSLM）和DMD空间光调制器（简称DMD）。

那么，你知道这两种器件在不同应用场合下的各自的局限性吗？你知道不同的应用所考虑的指标体系有何区别吗？这些指标又具有怎样不同的重要性和优先级？

今天这篇干货满满，让你分分钟，辨明晰。

振幅调制应用

振幅调制应用就是投影成像、显示，其他还有全息成像、光互连、光信号处理、图像处理、联合变换、目标模拟、光场照明、光学显微等也较为常见。这些应用场景需要改变入射光束的空间强度变化，从而让出射光满足期待的空间分布。

能实现振幅调制的产品类型包括：LCSLM产品和DMD产品，其中LCSLM又可以分为电寻址LCSLM和光寻址LCSLM产品；按排列维度可以分为一维产品和二维产品；按读出方式可以分为透射式产品和反射式产品；而DMD产品则只有一种：电寻址反射式二维产品。

LCSLM和DMD产品的参数指标体系都包括下列指标：

这些指标在不同的应用场景中具有不同的重要性和优先级，大家需要根据用途来进行选择，这样才能在众多产品型号和厂家间选择到最合适自己的产品，做到有的放矢和事半功倍。我们来举例说明不同类型产品的局限性和优势。

• 从光路紧凑性和便捷度来对比，透射式比反射式有优势，更容易搭建光路。但透射式产品通常在填充率、能量阈值、能量效率上会低于反射式产品；

• 从响应时间上来看，除非LCSLM是铁电液晶材料产品，否则其响应时间比较难实现亚毫秒，一般都在1~15 ms范围内，因此，帧率也不会很快，60~180 Hz产品较为普遍。DMD产品则能实现微秒级的响应时间，在高速应用领域更有优势；

• DMD产品的强度信息是一种时间域上的累积平均调制强度，LCSLM在每个响应时间周期内则是连续稳定调制强度，针对精确时间点上要求精确对比度的应用，DMD则没有优势；

• 从能量阈值角度来看，光寻址的液晶空间光调制器产品可以应用到高能激光领域，DMD和LCSLM产品的能量阈值则相对低很多。而在400 nm以下波段，LCSLM产品的损伤阈值更低，因此，大部分3D打印及光刻领域的应用采用DMD产品；

• 一维产品的控制信号可以采用模拟输入；二维产品通常都是采用行扫描机制，受限于控制信号的数据带宽限制，其控制信号数据深度一般为8位，少量产品可以做到10~16位；

• 在成像应用中，考虑到后续光路设计的影响，同等分辨率时往往像素尺寸大的靶面会更大易于设计配套光路部件，因此更趋向于选择大尺寸的产品。

那么，市场上LCSLM和DMD产品的供应商情况又是如何呢？

目前市场上所能采购到的产品包括国内研发和国外研发两类厂家，经销商这里不做介绍。其中，DMD产品由于核心芯片全球仅TI（美国德州仪器）一家，采购者更多地决策是选择合适的驱动开发商，从开发商的技术服务水平上进行判断；LCSLM产品则有多家厂商多种型号可供选择，撇开价格及服务因素，采购者应该首先从技术指标、功能需求的吻合度等维度来分析和选择。

国外有美国Meadowlark（收购了BNS、CRi）、德国Holoeye、德国业纳、英国ForthDD等厂家在国内都有一定数量的二维振幅产品用户群，但只有Meadowlark和德国业纳有一维LCSLM的相关产品。

国内的上海UPOLabs、上海光机所的产品较有特色。据作者了解，上海光机所的光寻址空间光调制器产品是国内唯一应用到重大项目的产品。HDSLM系列产品在国内有相当大的用户群体，其产品应用案例和场景也比较丰富。

相位调制应用

光波前相位变换本身是一个崭新且蓬勃发展的领域，相比振幅应用产品，相位应用的场景更为宽泛且在不断拓展中。热门应用领域包括全息成像、存储、全息测量、干涉测量、激光光束整形、特调光束、量子通讯等，其他还包括光束偏转、漩涡光束及应用、光波长选择开关、大气湍流模拟、空间通信、光束变换、生物相衬成像等，而且还在不断深入到不同领域。

目前，可编程控制的相位型空间光调制器产品最流行的产品为LCSLM，且以反射式产品为主。DMD不适用，但同类原理的另一种器件可变形镜能方便地实现空间相位变化。

下面以原理图来说明相位型LCSLM的特有指标项。

这里重点介绍一些与振幅调制应用指标体系中有差异的指标内容：

• 基底相位误差：从上图中可以看到反射式LCSLM的构成，所谓基底相位就是反射镜、覆盖玻璃、液晶层等带来的相位误差。基底相位误差对于干涉测量、相位补偿等应用场景比较重要。该误差自然是越小越好，在需要预先知道精确空间相位分布值的场景下，该误差将决定算法的可靠度；

• 相位波动误差：即液晶层在电控信号下的随机误差，误差源于液晶材料本身的性能、控制电路稳定性、温度控制等；

• 衍射效率：某一方向上衍射光强与入射光强的比值。通过在SLM中模拟闪耀光栅实现光调制，测量不同衍射级的能量比例来衡量。该指标跟器件本身的空间带宽积、材料及结构特性密切相关；

• 相位调制深度：类似于振幅应用中的对比度，是指能实现的最大相位调制值；一个波长光程差，即2π相位深度是基本要求，部分应用场景下，要求调制深度越大越好；

• 相位串扰：指的是相邻两个像素之间相位调制的准确性。

其他指标如分辨率、像素大小、填充率、响应时间等都与振幅型应用一样，但优先级判断原则有所不同。下面以应用场景为例分别说明：

• 分辨率的选择：这个参数对于全息成像、存储、测量等对信息容量有要求的应用比较重要。分辨率越大，意味着单次处理的信息量越大。但对于光束变换、光束整形等应用而言则不那么重要；

• 像素大小：像素越小，意味相同面积下的分辨率越高。例如在全息成像下，像素点越小其视场角越大；同时，像素大小还会影响衍射效率，并不一定像素越小越好，例如在WSS波长选择开关应用中，像素太小则会引入更复杂的杂散光模式，处理起来会更繁琐；

• 基底误差：对于干涉测量类应用比较重要，一般需要波前传感器或专门的相位面形测试设备来进行事先标定测量。但在大部分特调光束应用中，该指标无关紧要，又如激光非线性研究中，该指标也不考虑；

• 相位波动：对于光通信领域的波长选择开关而言很重要，该指标直接影响其信噪比；

• 衍射效率：对于信号分析类应用，例如利用相位变换从一系列信号中分离出有效信号这样的应用，该指标很重要。在显微测量、全息光镊、量子通信等领域往往会关注该指标值，但在大气湍流模拟中，该指标不重要。

由于相位应用的场景和研究还在不断深化和发展，SLM本身特性对课题的作用和影响也在被深入研究，上述内容仅仅提供一个思路。这里将市场上的相位空间调制器产品生产商也作一简单总结。国外产品以德国、美国、日本产品为主，国内生产商有上海UPOLabs等，产品基本指标已经可与国外产品媲美，产品的易用性和精度控制还在不断改善中。除此之外，上海UPOLabs在国内工业化领域也可批量提供工业标准品。

总结

1） 针对常见的两种SLM类型，LCSLM和DMD都可以满足振幅应用的需求；

2） 相位应用和偏振应用则只能选择LCSLM，且可选择性很小，以反射式电寻址为主；

3） 一维产品在飞秒脉冲周期整形、光束偏转、光开关等应用场景下有一定优势；

4） 二维产品相对来说，产品型号和类型较为丰富。以反射式、透射式为主的电寻址LCSLM市场上有数十种型号可供选择，光寻址LCSLM也有上海光机所研发的产品可满足振幅调制的需求。

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