CN108534993B - 一种液晶可变相位延迟器偏振特性检测方法及系统 - Google Patents

一种液晶可变相位延迟器偏振特性检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LCVR偏振特性检测方法及系统，属于光学元件检测领域。该方法利用穆勒矩阵描述LCVR，建立LCVR特征参数与穆勒矩阵元素之间的关系，该系统采用穆勒矩阵椭偏仪测量待检测LCVR的穆勒矩阵随电压变化的曲线，从而根据电压求解得到LCVR的相位延迟量、快轴方位角，进一步获得待检测LCVR随电压变化的特征参数曲线。本发明所提供LCVR偏振特性检测方法及系统相比于现有LCVR偏振特性检测技术的优势在于，可以在一次测量中获得任意LCVR的相位延迟量、快轴方位角随电压变化的特征参数曲线。

Description

一种液晶可变相位延迟器偏振特性检测方法及系统
技术领域
本发明属于光学元件检测领域，更具体地，涉及一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测方法及系统。
背景技术
液晶是具有晶体各向异性性质的液态物质，分子的排列不像晶体结构那样牢固，易受电场、磁场等外部条件作用而重新排列，这导致液晶具有电控双折射效应，尤其是向列相液晶，这种特性表现得尤为明显。利用这种特性可以将液晶加工成各种各样的电控光学器件，如液晶可变相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)、液晶空间光调制器等。其中LCVR产生的相位延迟量受电压控制，无须机械转动，而且响应时间快，可达到毫秒数量级。同时与传统的电光晶体器件相比，LCVR具有工作电压低、功耗小、成本低、双折射率大和器件制造容易等优点。因而在液晶显示、信息处理、光通信等方面都具有广泛的应用，例如制造波片式偏振控制器、液晶调谐滤光片等。
LCVR的偏振特性包括相位延迟量、快轴方位角等，这些偏振特性都会影响偏振光学系统的性能，在实际使用过程中，需要对LCVR的偏振特性进行精确的检测和标定。LCVR偏振特性的检测和标定技术有很多种，包括光谱法、分束差动测量法、补偿法、偏振干涉法等。现有技术虽然能够对LCVR的某些偏振特性参数进行精确的检测和标定，但普遍存在着以下不足：
(1)现有技术通常只能表征LCVR的一个参数，通常是相位延迟量，难以对相位延迟量、快轴方位角同时进行检测和标定；如CN101464576A的第一种测量模式，是在垂直入射的情况下进行测量，此时方位角必须设定为45度，而且只能得到相位延迟量；
(2)现有技术通常要求被检测LCVR快轴垂直或平行于测量系统中的某个元器件；
(3)一些技术检测精度很高，但检测过程和数据处理都较为复杂，对操作人员技术要求较高；如CN101464576A的第二种测量模式，第二种是非垂直测量模式，至少需要通过三次测量才可以得到相位延迟量和快轴方位角信息，且数据处理复杂、处理量大，需要不断调整起偏器和检偏器的光轴角度，操作繁琐。
(4)一些方法对检测系统中的某些元器件有严格的位置要求，当变更实验参数时不可避免地需要调整这些元器件的位姿，引入了更多的系统误差，导致测量精度难以提高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的之一在于提供一种液晶可变相位延迟器偏振特性的检测方法，利用穆勒矩阵表征LCVR偏振特征参数，通过建立LCVR的等效模型，得到相位延迟量δ、快轴方位角θ两个参数的方程组，进而通过一次测量求解出δ和θ。
为了实现上述目的，本发明提供了一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步：将待检测LCVR两端的驱动电压调到0V；将待检测LCVR放置在穆勒矩阵椭偏仪的样品台上，调整待检测LCVR、穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂和检偏臂的位姿，使待检测LCVR的中心与穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂和检偏臂的中心线共线，光束垂直入射到待检测LCVR，并且光束光斑能够全部通过待检测LCVR；
第2步：测量待检测LCVR在电压为U时测得的穆勒矩阵Mc(U)：
Figure BDA0001603614900000031
其中，
Γ为所要检测LCVR特征参数的电压变化范围，
U为电压范围Γ中的任意一个电压，
mij(U)(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)为在电压为U时LCVR测量穆勒矩阵Mc(U)中第i行第j列归一化元素；
第3步：式(2)所示的Mc(U)与待检测LCVR在电压为U时的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)的关系如下：
Figure BDA0001603614900000032
联立式(2)、式(3)得到待检测LCVR在电压为U时的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)。
进一步地，该方法包括如下步骤：
第4步：改变LCVR两端的电压U的值，重复第2～3步，得到不同驱动电压下LCVR的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)；重复直至驱动电压U覆盖所选电压范围Γ，得到待检测LCVR随电压变化的偏振特征参数曲线U-δ(U)和U-θ(U)，U∈Γ。
进一步地，在第4步中，记录不同电压U对应的光信号的mij(U)，并绘制U-mij(U)曲线图，进而得到待检测LCVR的穆勒矩阵曲线。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的另一目的在于提供一种液晶可变相位延迟器偏振特性的检测系统，通过穆勒矩阵椭偏仪测得LCVR的穆勒矩阵，进而通过穆勒矩阵获得LCVR全部与偏振相关的特性，其中包括相位延迟量、快轴方位角，从而在一次测量中同时获取LCVR的相位延迟量δ、快轴方位角θ两个偏振特征参数。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测系统，包括穆勒矩阵椭偏仪、驱动电源、偏振特征参数解算程序模块以及处理器；
穆勒矩阵椭偏仪包括样品台、光源、起偏臂、检偏臂以及探测器；样品台用于承载待检测LCVR；起偏臂、待检测LCVR、检偏臂三者的中心在同一条直线上；
光源发出的光经过起偏臂的调制后透过待检测LCVR进入检偏臂，经检偏臂进一步调制后被探测器接收；
探测器用于将接收到的光信号传输至处理器；
驱动电源用于向待检测LCVR提供电压U；
偏振特征参数解算程序模块预设有在电压U下待检测LCVR的穆勒矩阵Mc(U)与相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)的对应关系，该对应关系如下：
Figure BDA0001603614900000041
Figure BDA0001603614900000042
其中，
Γ为所要检测LCVR特征参数的电压变化范围，
U为电压变化范围Γ中的任意一个电压值，
mij(U)(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)为在电压为U时LCVR测量穆勒矩阵Mc(U)中第i行第j列归一化元素；
处理器用于调用偏振特征参数解算程序模块根据探测器上传的光信号获得待检测LCVR的穆勒矩阵Mc(U)进而根据式(2)、(3)解算出待检测LCVR的相位延迟量δ(U)和快轴方位角θ(U)。
进一步地，该系统还包括偏振特性曲线绘制程序模块；
处理器连接驱动电源以控制驱动电源改变输出电压U的值，U∈Γ；
偏振特性曲线绘制程序模块在被处理器调用时，执行如下步骤：
记录根据不同电压U解算出的对应的相位延迟量δ(U)和快轴方位角θ(U)，并绘制偏振特征参数曲线U-δ(U)和U-θ(U)。
进一步地，该系统还包括穆勒矩阵曲线绘制程序模块，用于在被处理器调用时，执行如下步骤：记录不同电压U对应的光信号的mij(U)，并绘制U-mij(U)曲线图，进而得到待检测LCVR的穆勒矩阵曲线。
总体而言，相比现有技术，本发明的LCVR偏振特性检测方法及系统具有如下技术优势：
(1)本发明所提供的LCVR偏振特性检测方法及系统可以在一次测量中同时给出待检测LCVR的相位延迟量和快轴方位角；
(2)本发明所提供的LCVR偏振特性检测方法及系统可以检测LCVR快轴在任意方位下的相位延迟量、快轴方位角；因此，不需要刻意摆放LCVR，操作容易、数据处理简单。
(3)本发明所提供的LCVR偏振特性检测方法及系统可以给出待检测LCVR相位延迟量、快轴方位角随电压变化的特征参数曲线，包括所选择电压范围内所有电压点的特征参数值。
(4)针对同一LCVR，起偏臂、检偏臂、样品台的位姿只需要在最开始调节一次，获得测试结果也只需要一次检测，相比于现有技术需要多次调节、多次检测才能计算出结果而言，大大减少了系统误差，提升测量效率及精度。
附图说明
图1液晶可变相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)结构示意图；
图2本发明所提出的LCVR偏振特性检测系统结构示意图；
图3利用本发明所提出的LCVR偏振特性检测系统得到LCVR穆勒矩阵曲线；
图4利用本发明所提出的LCVR偏振特性检测系统得到LCVR特征参数曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
液晶可变相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)的结构示意图如图1所示，光线沿z轴正方向传播，LCVR与x-o-y平面平行放置，LCVR的快轴(F)与x轴之间的夹角θ称为LCVR的快轴方位角。LCVR的偏振特性用穆勒矩阵可以表示为
其中，M为LCVR的穆勒矩阵，Mij(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)为LCVR穆勒矩阵中第i行第j列非归一化元素，mij(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)为LCVR穆勒矩阵相对于M11归一化后的第i行第j列穆勒矩阵元素。
本发明所提供LCVR偏振特性检测系统基于穆勒矩阵椭偏仪，如图2所示。该系统包括一个光源1、一个起偏臂2、一个样品台3、一个检偏臂4、一个探测器5，待检测LCVR 6放置在样品台3上，LCVR控制器7的输出端与LCVR 6的输入端相连，PC端8与LCVR控制器7相连。其中样品台3可以上下移动和水平转动以便调整待检测LCVR 6的高度和方位，起偏臂2和检偏臂4可以调整角度以便光束可以以不同的入射角入射到待测LCVR 6。光源发出的光经过起偏臂2调制后称为调制偏振光，调制偏振光经过待检测LCVR 6，偏振光的偏振态发生一定的变化，从而耦合了LCVR的信息，然后经过检偏臂4后，偏振光被进一步调制，最后被探测器5接收，对探测器5接收到的信号进行处理可以得到待检测LCVR 6的穆勒矩阵，进一步利用本发明所提供LCVR偏振特性检测方法可以获得待检测LCVR 6的所有偏振特征参数。
本发明实施例中，用一台穆勒矩阵椭偏仪来具体说明本发明所提供LCVR偏振特性检测方法和系统的实施过程，但本发明所提供LCVR偏振特性检测方法及系统并不局限于此。本发明实施例中的穆勒矩阵椭偏仪的可用波长范围为200-1000nm。
下面结合具体实施过程详细描述本实施例的LCVR偏振特性检测方法及系统的操作步骤。
第1步：仪器设备调试、待检测LCVR安装
(1)启动本发明所提供LCVR偏振特性检测系统穆勒矩阵椭偏仪并对其进行校准，调整穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂2和检偏臂4，使穆勒矩阵椭偏仪处于透射测量模式，即起偏臂2和检偏臂4的中心在同一条直线上，保证从光源发出的光束依次经过起偏臂2和检偏臂4后，探测器5接收到的光强信号达到最强。
(2)将待检测LCVR 6放置在穆勒矩阵椭偏仪的样品台3上，调整待检测LCVR 6的高度及方位，保证待检测LCVR 6的中心与穆勒矩阵椭偏仪检偏臂2和检偏臂4的中心在同一条直线上，光束垂直入射待检测LCVR 6，并且光束光斑能够全部通过待检测LCVR 6。
第2步：利用本发明所提供LCVR偏振特性检测系统的穆勒矩阵椭偏仪测量待检测LCVR 6的穆勒矩阵Mc，待检测LCVR在电压为U时的测量穆勒矩阵Mc(U)为：
Figure BDA0001603614900000081
其中，电压范围Γ选为该LCVR的工作电压范围，即Γ＝[0V,10V]，mij(U)(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)为在电压为U时LCVR测量穆勒矩阵Mc(U)中第i行第j列归一化元素。通过电压控制软件来改变LCVR 6的驱动电压，再通过本发明所提供的穆勒矩阵椭偏仪来测量待检测LCVR 6在该驱动电压下的穆勒矩阵，反复操作即可获得电压范围Γ下待检测LCVR 6的测量穆勒矩阵。该实施例在633nm波长下LCVR的穆勒矩阵曲线如图3所示。
第3步：根据穆勒矩阵椭偏仪测量得到的待检测LCVR的测量穆勒矩阵Mc计算得到待检测LCVR在电压为U时的待检测LCVR的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)，此时有如下关系
联立式(2)、(3)可以得到待检测LCVR在电压为U时的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)。
第4步：反复操作第2～3步，即可得到相位延迟量曲线、快轴方位角曲线。该实施例在633nm波长下LCVR的偏振特征参数随电压变化的曲线图如图4所示，包括相位延迟量曲线、快轴方位角曲线。
由以上实施例，可见本发明所提供LCVR偏振特性检测方法及系统可以在通过一次测量中给出LCVR的相位延迟量、快轴方位角随电压变化的曲线。
上文在叙述具体的实施过程时仅以驱动电压范围为0-10V的LCVR偏振特性检测过程为例，但本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步：将待检测LCVR两端的驱动电压调到0V；将待检测LCVR放置在穆勒矩阵椭偏仪的样品台上，调整样品台、穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂和检偏臂的位姿，使待检测LCVR的中心与穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂和检偏臂的中心线共线，光束垂直入射到待检测LCVR，并且光束光斑能够全部通过待检测LCVR；
第2步：测量待检测LCVR在电压为U时测得的穆勒矩阵Mc(U)：
Figure FDA0002189441550000011
其中，
Γ为所要检测LCVR特征参数的电压变化范围，
U为电压范围Γ中的任意一个电压，
mij(U)为在电压为U时LCVR测量穆勒矩阵Mc(U)中第i行第j列归一化元素，i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4；
第3步：式(2)所示的Mc(U)与待检测LCVR在电压为U时的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)的关系如下：
Figure FDA0002189441550000012
联立式(2)、式(3)得到待检测LCVR在电压为U时的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)；
第4步：改变LCVR两端的电压U的值，重复第2～3步，得到不同驱动电压下LCVR的相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)；重复直至驱动电压U覆盖所选电压范围Γ，得到待检测LCVR随电压变化的偏振特征参数曲线U-δ(U)和U-θ(U)，U∈Γ。
2.如权利要求1所述的一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测方法，其特征在于，在第4步中，记录不同电压U对应的光信号的mij(U)，并绘制U-mij(U)曲线图，进而得到待检测LCVR的穆勒矩阵曲线。
3.一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测系统，其特征在于，包括穆勒矩阵椭偏仪、驱动电源、偏振特征参数解算程序模块、偏振特性曲线绘制程序模块；以及处理器；
穆勒矩阵椭偏仪包括样品台、光源、起偏臂、检偏臂以及探测器；样品台用于承载待检测LCVR；起偏臂、待检测LCVR、检偏臂三者的中心在同一条直线上；
光源发出的光经过起偏臂的调制后透过待检测LCVR进入检偏臂，经检偏臂进一步调制后被探测器接收；
探测器用于将接收到的光信号传输至处理器；
驱动电源用于向待检测LCVR提供电压U；
偏振特征参数解算程序模块预设有在电压U下待检测LCVR的穆勒矩阵Mc(U)与相位延迟量δ(U)、快轴方位角θ(U)的对应关系，该对应关系如下：
Figure FDA0002189441550000021
Figure FDA0002189441550000031
其中，
Γ为所要检测LCVR特征参数的电压变化范围，
U为电压变化范围Γ中的任意一个电压值，
mij(U)为在电压为U时LCVR测量穆勒矩阵Mc(U)中第i行第j列归一化元素，i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4；
偏振特性曲线绘制程序模块在被处理器调用时，执行如下步骤：
记录根据不同电压U解算出的对应的相位延迟量δ(U)和快轴方位角θ(U)，并绘制偏振特征参数曲线U-δ(U)和U-θ(U)；
处理器连接驱动电源以控制驱动电源改变输出电压U的值，U∈Γ，处理器还用于调用偏振特征参数解算程序模块根据探测器上传的光信号获得待检测LCVR的穆勒矩阵Mc(U)进而根据式(2)、(3)解算出待检测LCVR的相位延迟量δ(U)和快轴方位角θ(U)。
4.如权利要求3所述的一种液晶可变相位延迟器的偏振特性检测系统，其特征在于，包括穆勒矩阵曲线绘制程序模块，用于在被处理器调用时，执行如下步骤：记录不同电压U对应的光信号的mij(U)，并绘制U-mij(U)曲线图，进而得到待检测LCVR的穆勒矩阵曲线。
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