一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性的测量方法

摘要

本发明提出一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性的测量方法，该方法利用液晶构建相位调制分别为0和

说明书

技术领域

本发明属于液晶光学领域，具体涉及一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性的测量方法。

背景技术

液晶器件具有驱动电压低，驱动电流小，重量轻等优点已经广泛应用在平板显示，因为液晶调制相位可控，近年来在自适应光学、自由空间光通信、光束偏转等领域也成为研究热点。液晶在使用之前必须要对在某一个波长下对相位调制特性进行测量，才能根据想要得到的相位来施加相应的电压，调制特性将直接影响液晶器件的衍射效率、偏转角度等重要的系统指标。

液晶相位调制特性的测量方法已经得到很广泛的研究。传统的方法主要是双缝干涉测量法，将液晶分为2个区域，分别调制不同的相位，然后将双缝的光分别通过这2个不同相位的区域，这样就可以将液晶看成是两组相位不同的狭缝，通过测量两组狭缝干涉条纹之间的偏移量计算相位调制量，得到相位调制特性，这种方法的缺点是只能对狭缝处的相位调制特性进行测量，无法得到整面上的相位调制特性，且CCD的分辨率有限。2002年四川大学的赵晓凤提出的径向剪切干涉法，通过测量两个部分的干涉条纹的偏移量来确定液晶光栅的相位调制特性，但这种方法是一种共光路干涉法，对震动和环境要求较高，光路调整比较复杂，而且后期数据处理量很大。数字相移干涉仪法同径向剪切干涉法一样，液晶光栅的一半相位延迟量为0，另外一半相位延迟量为可变值，通过测量经过液晶相位光栅反射的光与zygo干涉仪参考平面形成的干涉条纹来测量液晶光栅的相位调制特性。这种方法光路简单，但是zygo干涉仪的光源是确定的，所以只能对zygo干涉仪光源波长处的相位调制特性进行测量，而且zygo干涉仪价格昂贵，对实验环境的要求也很高。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于液晶光栅的相位调制的测量方法，该方法光路简单，能对整个液晶的相位调制特性测量，也不会局域于某一特定波长，更换光源即可测量该光源波长的相位调制特性。

本发明采用的技术方案为：一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性的测量方法，包括以下步骤：在液晶上构建相位光栅，液晶电极供电电压可调整，用光电传感器接收激光通过液晶后的第0级衍射光强，通过理论计算衍射屏处第0级衍射光强与相位值的对应关系，以及实测的光强和PWM波脉宽的对应关系，也就测出了相位值与PWM波脉宽的对应关系，即测出了液晶相位调制特性。

更进一步的，所述液晶供电电压调整方法为PWM波，通过改变液晶公共电极电压和液晶电极电压占空比来实现幅度为±5V，脉宽从0％～100％的255个等级连续可控的PWM波。

更进一步的，所述构建的液晶相位光栅宽度为a，光栅平行于y轴方向，相位延迟分别为0和间隔。

更进一步的，所述的接收衍射光强的光电传感器为PSD传感器。

更进一步的，所述的理论计算观察屏处光强与调制相位的分析方法为：衍射屏孔径函数为t(x,y)，入射光为e(x,y)，由此可得衍射屏上的复振幅分布函数根据衍射理论可知，远场光束的衍射图样与液晶出射表面的光束复分布为傅里叶变化关系，由此可得出所构建的液晶光栅模型的远场光束复分布振幅其中是远场衍射光的复振幅，是液晶出射表面的光束，光强分布即可得第0级衍射光斑的归一化光强可得调制相位和光强的关系得调制相位和第0级衍射光强直接的关系。

更进一步的，占空比从0％～100％改变所加液晶电极PWM波的占空比来改变电极所加电压V，实测调制占空比和0级光斑光强关系。

更进一步的，衍射光的光强值由PSD转化为模拟信号后用AD采集，可得实际光强变化值，并记录脉宽从0％～100％光强变化值的最大值和最小值，最大值对应为最小值对应为根据最大值、最小值以及其他点处光强值，可得该光强变化值对应的相位调制量结合该光强值处对应的PWM占空比，即得到了该液晶的相位调制特性，AD转换器采集一定时间并求均值来消除光源噪声带来的光强抖动。

本发明一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性的测量方法具体步骤如下：

步骤(1)：在液晶上构建宽度为a，在平行于y轴方向的狭缝，相位延迟分别为0和间隔的液晶相位光栅，孔径函数为t(x,y)，入射光为e(x,y)，由此可得衍射屏上的复振幅分布函数

步骤(2)：根据衍射理论可知，远场光束的衍射图样与液晶相控阵出射表面的光束复分布为傅里叶变化关系，由此可得出周期性闪耀光栅模型的远场光束复分布振幅

步骤(3)：光强分布即可得第0级衍射光斑的光强和调制相位关系其中I₀相位光栅调制相位时第0级衍射光斑光强。

步骤(4)：在实验室中搭建光路，如图6所示，光源所发出的光经过准直、扩束后照射到液晶光栅，透过液晶光栅的激光再经过透镜后汇聚在观察屏处，观察屏处用PSD采集衍射光斑，并经过AD采集后输入计算机记录。

步骤(5)：改变电极供电占空比来调节所加电压V，如图4所示，记录在该占空比条件下的第0级衍射光强直接的关系。实测调制占空比和0级光斑光强关系如图7所示。

步骤(6)：利用步骤(3)第0级衍射光斑的光强和调制相位关系以及实测第0级衍射光斑光强，可求得该光强对应的调制相位值。

步骤(7)：利用步骤(5)所得调制占空比和0级光斑光强关系，步骤(6)所得光强对应的调制相位值，可以得到调制占空比和调制相位的关系，如图8所示，由此，也就求得液晶相位光栅的相位调制特性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明该方法光路简单，光路中仅需光源、扩束镜、汇聚透镜，接收PSD，光路无需折返。

(2)本发明该方法光路简单能对整个液晶的相位调制特性测量。

(3)本发明该方法光路简单可对任一波长激光测量，更换光源即可对测量该光源波长的相位调制特性。

附图说明

图1为本发明一种液晶相位调制特性的测量方法流程图；

图2为双缝干涉法的测量原理图；

图3为液晶相位光栅示意图；

图4为所加PWM波示意图；

图5为调制相位和光强关系图；

图6为液晶光栅相位调制测量光路图；

图7为实测调制占空比和0级光斑光强关系图；

图8为实测调制占空比和调制相位关系图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明的实施方式。

本发明一种液晶相位光栅相位调制测量方法，如图1所示，其具体实现步骤如下：

步骤(1)：分析液晶相位光栅调制相位与衍射光斑中第0级主极大光强的关系。假设液晶光栅常数为2a，在平行于y轴方向的狭缝，相位延迟分别为0和间隔的液晶相位光栅分别均为a，相位延迟为0的光栅孔径可以表示为矩形函数相位延迟为的光栅孔径可以表示为整个孔径函数为t(x,y)具体表达式如下：

假设入射光函数e(x,y)＝E₀exp(i2πu₀x)，则衍射屏上的复振幅分布函数为：

根据衍射理论可知，远场光束的衍射图样与液晶相控阵出射表面的光束复分布为傅里叶变化关系，由此可得出周期性闪耀光栅模型的远场光束复分布振幅为：

其中C为常数，F为傅里叶运算符；

可得，衍射屏光强分布的具体表达式如下：

可得第0级衍射光斑的归一化光强为：其中I₀相位光栅调制相位时第0级衍射光斑光强。

步骤(2)：液晶光栅整个周期的电极所加PWM占空比均为0，此时前1/2周期和后前1/2周期调制相位无差别，记录下占空比值和采集PSD的AD值，此时AD值为I₀。

步骤(3)：液晶光栅中前1/2周期电极所加电压PWM占空比为0，后1/2周期电极所加PWM占空比分为255个等级，从0～255均匀改变，并记录下后1/2周期电极所加PWM占空比和对应的远场衍射屏光强值，得到PWM占空比和第0级衍射光强直接的关系，如图3所示。

步骤(4)：在PWM占空比0～255个等级中，从第0级开始寻找最小值，最小值点为光栅调制相位为π，如图4所示，从实测值可看出，占空比为第52级时，对应调制相位为π。

步骤(5)：假设AD读数值与调制相位值比例系数为b，背景光初值为a，则调制相位与AD读数关系为

步骤(6)：根据步骤(5)调制相位与AD读数关系为步骤(4)中相位为0的AD值，以及相位为π的AD值，可计算出背景光初值为a，AD读数值与调制相位值比例系数为b，得到了a，b后可求得在0～π范围内其他点处AD读数所对应的相位值也就得到了0～π的相位调制特性。

步骤(7)：PWM占空比52～255个等级中，从第52级开始寻找最大值，最大值点为光栅调制相位为2π，如图4所示，从实测值可看成，占空比为第77级时，对应调制相位为2π。

步骤(8)：根据步骤(7)所找到的调制相位为2π对应的AD值以及调制相位为π对应的AD值，同步骤(6)可得到π～2π范围的a，b值，然后就可以求得得在π～2π范围内其他点处AD读数所对应的相位值也就得到了π～2π的相位调制特性。

步骤(9)：结合步骤(6)，步骤(8)可得到一个周期内0～2π的相位调制特性，以PWM占空比为横坐标，调制相位为纵坐标可绘制调制占空比和调制相位关系图，如图8所示。