CN104849879A - 一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液晶可变延迟器（liquid crystal variable retarder，LCVR）的延迟量定标方法，属于LCVR的光学特性研究领域；提供一种操作简单、定标精度较高的定标方法；根据LCVR的工作原理，首先利用折射率椭球理论分析了LCVR对入射光的双折射相位延迟关系，然后，确立了色散项定标和调制电压决定项定标相结合的定标方法，最后，结合具体实例说明本发明的定标方法和定标步骤，本发明理论分析正确，定标方法准确可行，经过定标后，可求出LCVR工作波长范围内任意波长入射光的延迟量随调制电压的变化关系，为LCVR实现对任意波长入射光的相位延迟的精确控制提供了依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种液晶可变延迟器（LCVR）的延迟量定标方法及装置，通过测量LCVR工作波长范围内任意3个波长入射光延迟量随调制电压的变化关系，便可完成定标，为LCVR对其工作波长范围内任意波长入射光的延迟量精确控制提供参考，属于LCVR的光学特性研究技术领域。
背景技术
液晶可变延迟器（LCVR）是利用液晶的光电双折射特性制成的光偏振态调制器件，通过调节对LCVR施加的调制电压（调制电压值一般不超过10V），便可以对入射光相位延迟实现连续调节，通常可将其视为相位延迟不同的一系列晶体波片。LCVR具有宽的通光范围、无需机械转动、低功耗、响应快等应用优势，在显示、光信息和偏振成像等技术领域具有很好的应用前景。
但LCVR整个工作波长范围内，由于LCVR液晶分子对入射光的双折射存在色散，导致相同调制电压下LCVR对不同波长入射光的相位延迟之间存在差异，这使得LCVR在宽光谱应用中存在困难，对其工作波长范围内每一波长入射光相位延迟的精确控制缺少依据。并且，LCVR取向膜对液晶分子的锚定作用，使得LCVR中液晶分子在调制电压作用下沿通光方向分布复杂而不均匀，很难从理论上精确推导得到LCVR对入射光的相位延迟。然而，对于每一个制备好的LCVR，环境条件不变的情况下，其对特定波长入射光的相位延迟仅由驱动电压控制，并且能够精确测量得到。但是，要把LCVR工作波长范围内每一波长入射光的相位延迟随调制电压变化的关系都通过实测得到，显然是十分困难的。
发明内容
为了克服现阶段LCVR应用中存在的技术难题，本发明提供一种LCVR的延迟量定标方法及装置，完成LCVR对其工作波长范围内任意波长入射光延迟量随调制电压变化关系的定标，从而实现对其工作波长范围内任意波长入射光相位延迟的精确控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，包括以下步骤：
1）运用折射率椭球理论确定液晶分子的寻常光o光折射率 和非寻常光e光折射率为，分别对应折射率椭球的短轴和长轴特征值，LCVR产生的双折射为：
（1）
上式中，，为折射率椭球的两个本征值；为液晶分子的偏转角；
对于厚度为d的LCVR，e光和o光产生的相位延迟为：
（2）
在驱动控制器的外部调制电压下，入射光通过LCVR后的延迟量为：
（3）
上述中，为液晶分子层厚度，为液晶分子偏转角；
2）液晶分子的e光和o光折射率是波长的函数，并且满足柯西经验色散经验公式，直接用来描述LCVR延迟量初始值满足的色散特性：
（4）
其中为入射光波长，a、b、c为色散修正系数；
3）将调制电压决定项进行归一化：
（5）
4）结合上述（3）式和（5）式可知，调制电压决定项为：；
5）对LCVR工作波长范围内3个不同波长的入射光，分别测量入射光各自延迟量随调制电压的变化关系曲线；
6）取出三个波长各自延迟量初始值联立方程组，求解得到LCVR的延迟量初始值满足的色散关系；
7）将三个波长入射光每一调制电压下对应的延迟量除以各自延迟量初始值得到延迟量仅由调制电压决定的归定标一化曲线，完成定标。
对于LCVR的延迟量R可以表示为入射光波长和调制电压U的函数，其中为色散项，只与入射光波长有关；只与调制电压有关，且和相互独立，因此，，即延迟量的色散是在延迟量初始值中被引入的。
所述步骤5）中，选择LCVR工作波长范围内任意3个不同波长的入射光，采用光强法，分别进行3个波长入射光延迟量随调制电压的变化关系测试，并取延迟量初始值联立求解出满足的色散关系。
所述步骤6）中，将每一调制电压下测试波长的延迟量除以其延迟量初始值，得到由调制电压决定的归定标一化曲线，每一个液晶可变延迟器的是唯一确定的，与入射光无关。
所述步骤7）中，将入射光波长带入LCVR延迟量初始值满足的色散关系求解出该波长入射光延迟量初始值，再带入定标归一化曲线，即可得到该波长入射光延迟量随调制电压的变化关系。
一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法的装置，包括入射光源、起偏器、LCVR、LCVR驱动器、检偏器、光功率计和计算机，所述入射光源依次经过起偏器、LCVR和检偏器形成测量光路，光强由光功率计探测，并记录到计算机，所述计算机控制LCVR驱动器，并对测量数据进行处理。
所述LCVR包括玻璃基板、透明电极氧化锡铟、取向膜聚酰亚胺、间隔子和液晶分子，所述液晶分子为细长棒状的向列相液晶分子，光轴方向沿分子的长轴方向；所述取向膜起锚定作用，使向列相液晶分子平行于玻璃基板排列；透明电极氧化锡铟通过外部输入的调制电压给LCVR施加一个均匀电场。
所述起偏器的偏振轴方向相对于LCVR的调制快轴方向取45°，检偏器的偏振轴方向相对于起偏器的偏振轴方向分别为和。
当未给LCVR施加调制电压或调制电压小于阈值电压时，LCVR中液晶分子不发生偏转；当给LCVR施加的调制电压超过阈值电压时LCVR中液晶分子发生偏转。
与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：
1）将折射率椭球理论运用于LCVR工作原理分析，经过理论分析得出LCVR对入射光的延迟量R，可以表示为入射光波长和调制电压U的函数，其中为色散项，只与入射光波长有关；只与调制电压有关；
2）根据LCVR工作原理，选取其工作波长范围内3个不同波长的入射光，分别测量延迟量R随调制电压U的变化关系，便可完成色散项和调制电压决定项的定标；
3）该定标方法操作简单，在LCVR使用过程中可实时完成定标；
4）对LCVR完成定标后，可得到LCVR对其工作波长范围内任意波长入射光延迟量随调制电压的变化关系，为LCVR对该波长入射光相位延迟的精确控制提供可靠依据。
附图说明
下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1a为LCVR的调制电压小于阀值电压时的结构示意图；
图1b为LCVR的调制电压小于阀值电压时的工作原理图；
图1c为LCVR的调制电压大于阀值电压时的结构示意图；
图1d为LCVR的调制电压大于阀值电压时的工作原理图；
图2为LCVR延迟量测量装置示意图；
图3a为入射光时光强随调制电压变化关系图；
图3b为入射光时光强随调制电压变化关系图；
图3c为入射光时光强随调制电压变化关系图；
图4为入射光延迟量随调制电压变化关系图；
图5为LCVR调制电压决定项定标结果图。
图中：1.1为包括玻璃基板、1.2为透明电极氧化锡铟、1.3为取向膜聚酰亚胺、1.4为间隔子、1.5为液晶分子、2为入射光源、3为起偏器、4为LCVR、5为LCVR驱动器、6为检偏器、7为光功率计、8为计算机。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，包括下列步骤：
1）分析液晶可变延迟器的工作原理；
2）根据液晶可变延迟器的工作液晶分子类似正单轴晶体，运用折射率椭球理论确定液晶分子的寻常光o光折射率为和非寻常光e光折射率为，分别对应折射率椭球的短轴和长轴特征值；
上述中，将折射率椭球理论运用于液晶可变延迟器的工作原理分析。
3）在驱动控制器的外部调制电压下，入射光通过液晶可变延迟器后的延迟量为，为液晶分子层厚度，为液晶分子偏转角；
上述中，将液晶可变延迟器对入射光的延迟，用入射光通过延迟器后产生的光程差来表示，与入射光波长具有相同的量纲，可以同波长直接比较。
4）液晶分子的e光和o光折射率是波长的函数，并且满足柯西经验色散经验公式，这里我们将其扩展，并直接用来描述液晶可变延迟器延迟量初始值满足的色散特性，其中为入射光波长，a、b、c为色散修正系数；
上述中，液晶可变延迟器的双折射色散用柯西色散经验公式表述，并且扩展描述延迟量初始值的色散。对于液晶可变延迟器的延迟量R可以表示为入射光波长和调制电压U的函数，其中为色散项，只与入射光波长有关；只与调制电压有关，且和相互独立。实际上，即延迟量的色散是在延迟量初始值中被引入的。
5）对液晶可变延迟器工作波长范围内3个不同波长的入射光，分别测量入射光各自延迟量随调制电压的变化关系曲线；
上述中，选择液晶可变延迟器工作波长范围内任意3个不同波长的入射光，采用光强法，分别进行3个波长入射光延迟量随调制电压的变化关系测试，并取延迟量初始值联立求解出满足的色散关系。
6）取出三个波长各自延迟量初始值联立方程组，求解得到液晶可变延迟器的延迟量初始值满足的色散关系；
上述中，将每一调制电压下测试波长的延迟量除以其延迟量初始值，得到由调制电压决定的归定标一化曲线，每一个液晶可变延迟器的是唯一确定的，与入射光无关。
7）将三个波长入射光每一调制电压下对应的延迟量除以各自延迟量初始值得到延迟量仅由调制电压决定的归定标一化曲线；
上述中，将入射光波长带入液晶可变延迟器延迟量初始值满足的色散关系求解出该波长入射光延迟量初始值，再带入定标归一化曲线，即可得到该波长入射光延迟量随调制电压的变化关系。
8）针对任意波长的入射光将波长带入步骤（6）确定的色散关系求解出延迟量初始值，再带入步骤（7）确定的定标归一化曲线即可得到该波长入射光延迟量随调制电压的变化关系曲线，得到每一调制电压对应的延迟量，完成定标。
以下结合图1a至1d对本发明的实施原理进行分析。
LCVR的结构如图1a和图1c所示，由玻璃基板1.1、透明电极氧化锡铟1.2、取向膜聚酰亚胺1.3、间隔子1.4和液晶分子1.5构成。液晶分子1.5为细长棒状的向列相液晶分子，其光学性质与正单轴晶体类似，光轴方向沿分子的长轴方向；取向膜1.3起锚定作用，使向列相液晶分子平行于玻璃基板排列；透明电极氧化锡铟1.2通过外部输入的调制电压给LCVR施加一个均匀电场。当未给LCVR施加调制电压或调制电压小于阈值电压时，LCVR中液晶分子不发生偏转；当给LCVR施加的调制电压超过阈值电压时LCVR中液晶分子发生偏转。
将折射率椭球引入上述分析，可知上述两种情况的折射率椭球分别如图1b和图1d所示。入射光通过LCVR，被分解在以入射光波矢量 K 为法向量在折射率椭球内截得的椭圆面上，e光和o光偏振方向分别沿截得椭圆面的长轴和短轴方向。根据晶体物理学的知识，LCVR产生的双折射可表述为
（1）
上式中，，为折射率椭球的两个本征值；为液晶分子与竖直方向的夹角，即液晶分子偏转角，仅由施加的调制电压决定。入射光通过LCVR后发生双折射而起到相位延迟的作用，对于厚度为的LCVR，则e光和o光产生的相位延迟为
（2）
通常用入射光通过LCVR后产生的光程差来描述e光与o光的相位延迟，并将光程差定义为延迟量R
（3）
上式可以看出，LCVR对入射光的延迟量由延迟量初始值和调制电压决定的偏转角决定，并且它们相互独立。其中，液晶分子的e光和o光折射率是波长的函数，通常用柯西经验色散经验公式加以描述，这里我们将其扩展，并直接用来描述液晶可变延迟器延迟量初始值满足的色散特性
（4）
其中为入射光波长，a、b、c为色散修正系数。因此，LCVR的延迟量R可以表示为入射光波长和调制电压U的函数，其中为色散项，只与入射光波长有关，实际上，即延迟量的色散是在延迟量初始值中被引入的；只与调制电压有关，且和相互独立。由于取向膜聚酰亚胺1.3的锚定作用，使得LCVR的调制电压超过一定阈值以后，液晶分子才会发生偏转，并且沿通光方向液晶分子的偏转分布复杂而不均匀，所以将调制电压决定项归一化地表述为
（5）
结合（3）式和（5）式可知，调制电压决定项实际上为。
综上LCVR的工作原理，将LCVR色散项和调制电压决定项分别定标，便可完成LCVR在其工作波长范围内的所有波长入射光的延迟量定标。
以下结合图2至图5以具体实例对本发明的实施方式进行分析。
本发明采用光强法测量LCVR延迟量，装置示意图如图2所示，入射光源2依次经过起偏器3、LCVR4和检偏器6形成测量光路，光强由光功率计7探测，并记录到计算机8。此外，计算机8还控制LCVR驱动器5，并对测量数据进行处理。为了能够比较精确的测量出LCVR的相位延迟，我们取起偏器3的偏振轴方向相对于LCVR4的调制快轴方向取45°，检偏器6的偏振轴方向相对于起偏器3的偏振轴方向分别和时，即起偏器3与检偏器6分别平行和垂直，根据偏振光学的相关知识可知，系统出射光强分别为和，将两式比较可得到LCVR的相位延迟
（N=0,1,2,…） （6）
为了具体说明本发明的操作步骤及证明本发明的可行性。我们对Thorlabs公司生产的LCC1113—A全波LCVR进行了定标实验，该LCVR工作波长范围为350nm~700nm。功率计选用Thorlabs公司的PM204。由（4）式和（5）式可知，选取LCVR工作波长范围内3个不同波长的入射光，完成延迟量随调制电压的变化关系测量便可完成定标，因此我们选取了532nm、635nm和670nm的半导体激光作为入射光源。分别测量了起偏器3与检偏器6平行和垂直两种情况下光强随调制电压的变化关系，如图3a-图3b所示，将测量结果分别带入（6）式，再结合（3）式，便求出3个波长的入射光通过LCVR后各自的延迟量R随调制电压U的关系，如图4所示。根据图4可知，该LCVR的调制电压阈值为0.7V，并将上述3个波长入射光的延迟量记入表1：
表1 延迟量初始值R 0
| λ(nm) | 532 | 635 | 670 |
| R 0(nm) | 821.4 | 779.6 | 762.6 |
将表1中3个波长及对应的R 0分别带入（4）式，联立方程组解出a、b和c三个色散修正系数，得到LCVR延迟量初始值R 0的色散表达式
（7）
将图4所示的3个波长入射光的延迟量随调制电压的变化关系曲线，均除以各自的延迟量初始值R 0做归一化处理，便得到LCVR液晶分子偏转角项随调制电压的变化关系，完成调制电压决定项的定标，其结果如图5所示。
综上，对于该LCVR工作波长范围内任意波长的入射光，首先把波长带入（7）式求出R 0，然后将R 0乘以定标曲线上各归一化值，便可得到延迟量R随调制电压的变化曲线，完成定标。
此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）运用折射率椭球理论确定液晶分子的寻常光o光折射率 和非寻常光e光折射率为，分别对应折射率椭球的短轴和长轴特征值，LCVR产生的双折射为：
（1）
上式中，，为折射率椭球的两个本征值；为液晶分子的偏转角；
对于厚度为d的LCVR，e光和o光产生的相位延迟为：
（2）
在驱动控制器的外部调制电压下，入射光通过LCVR后的延迟量为：
（3）
上述中，为液晶分子层厚度，为液晶分子偏转角；
2）液晶分子的e光和o光折射率是波长的函数，并且满足柯西经验色散经验公式，直接用来描述LCVR延迟量初始值满足的色散特性：
（4）
其中为入射光波长，a、b、c为色散修正系数；
3）将调制电压决定项进行归一化：
（5）
4）结合上述（3）式和（5）式可知，调制电压决定项为：；
5）对LCVR工作波长范围内3个不同波长的入射光，分别测量入射光各自延迟量随调制电压的变化关系曲线；
6）取出三个波长各自延迟量初始值联立方程组，求解得到LCVR的延迟量初始值满足的色散关系；
7）将三个波长入射光每一调制电压下对应的延迟量除以各自延迟量初始值得到延迟量仅由调制电压决定的归定标一化曲线，完成定标。
2.根据权利要求1所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，其特征在于：对于LCVR的延迟量R可以表示为入射光波长和调制电压U的函数，其中为色散项，只与入射光波长有关；只与调制电压有关，且和相互独立，因此，，即延迟量的色散是在延迟量初始值中被引入的。
3.根据权利要求1所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，其特征在于：所述步骤5）中，选择LCVR工作波长范围内任意3个不同波长的入射光，采用光强法，分别进行3个波长入射光延迟量随调制电压的变化关系测试，并取延迟量初始值联立求解出满足的色散关系。
4.根据权利要求1所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，其特征在于：所述步骤6）中，将每一调制电压下测试波长的延迟量除以其延迟量初始值，得到由调制电压决定的归定标一化曲线，每一个液晶可变延迟器的是唯一确定的，与入射光无关。
5.根据权利要求1所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法，其特征在于：所述步骤7）中，将入射光波长带入LCVR延迟量初始值满足的色散关系求解出该波长入射光延迟量初始值，再带入定标归一化曲线，即可得到该波长入射光延迟量随调制电压的变化关系。
6.根据权利要求1所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法的装置，其特征在于：包括入射光源（2）、起偏器（3）、LCVR（4）、LCVR驱动器（5）、检偏器（6）、光功率计（7）和计算机（8），所述入射光源（2）依次经过起偏器（3）、LCVR（4）和检偏器（6）形成测量光路，光强由光功率计（7）探测，并记录到计算机（8），所述计算机（8）控制LCVR驱动器（5），并对测量数据进行处理。
7.根据权利要求6所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法的装置，其特征在于：所述LCVR（4）包括玻璃基板（1.1）、透明电极氧化锡铟（1.2）、取向膜聚酰亚胺（1.3）、间隔子（1.4）和液晶分子（1.5），所述液晶分子（1.5）为细长棒状的向列相液晶分子，光轴方向沿分子的长轴方向；所述取向膜（1.3）起锚定作用，使向列相液晶分子平行于玻璃基板（1.1）排列；透明电极氧化锡铟（1.2）通过外部输入的调制电压给LCVR施加一个均匀电场。
8.根据权利要求7所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法的装置，其特征在于：所述起偏器（3）的偏振轴方向相对于LCVR（4）的调制快轴方向取45°，检偏器（6）的偏振轴方向相对于起偏器（3）的偏振轴方向分别为0°和90°。
9.根据权利要求7所述的一种液晶可变延迟器的延迟量定标方法的装置，其特征在于：当未给LCVR施加调制电压或调制电压小于阈值电压时，LCVR中液晶分子不发生偏转；当给LCVR施加的调制电压超过阈值电压时LCVR中液晶分子发生偏转。
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