CN109187368A - 一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，包括光源模块、偏振测量模块和信号处理模块，其中，光源模块包括激光器和起偏器，偏振测量模块包括物镜、多通道检偏单元、CCD相机，其位置关系为：沿激光器的激光光束输出方向，依次是起偏器、待测液晶、物镜、多通道检偏单元和CCD相机，CCD相机的输出端连接至信号处理模块用以进行光强信号计算处理。本发明还公开了一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法。本发明设计光学测量技术领域，一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法，实现对液晶偏振特性实时检测，与现有技术相比，避免待测液晶与检测系统间的相对运动，测量精度高、效率高。

Description

一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法。

背景技术

液晶凭借其独特的物理化学特性和光场调制能力在当今工业生产及科学研究中发挥着重要作用，除显示领域外，在诸多非显示领域也存在诸多应用，如传感器、计量测试、光学仪器等。其偏振特性对于探究以液晶为代表的单轴类双折射晶体本身的双折射性质有这非常重要的意义。

现有的针对液晶器件偏振特性的测量系统多采用起偏器-待测液晶-检偏器(PSA)作为系统框架，其工作原理为：在测量过程中需要在起偏器与检偏器偏正方向平行或垂直的情况下同步旋转，或者旋转待测液晶，并利用光探测器测量光强度信号从而判断其极大值或极小值，记录极大值极小值时旋转角度确定光轴方向，进而判断其光学性质。现有方法需要记录大量数据，且必须扫描足够大的角度范围，需要花费时间较长，不具有实时性；旋转角度的过程引入了机械运动，对测量的精度带来一定影响；无法通过光学方法针对厚度不均匀的液晶样品，无法测得液晶样品厚度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法，实现对液晶偏振特性实时检测，测量精度高、效率高。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，包括光源模块、偏振测量模块和信号处理模块，其中，

所述光源模块包括激光器和起偏器，所述偏振测量模块包括物镜、多通道检偏单元、CCD相机，其位置关系为：沿所述激光器的激光光束输出方向，依次是所述起偏器、待测液晶、所述物镜、所述多通道检偏单元和所述CCD相机；所述物镜用于收集所述待测液晶出射的透射光，所述多通道检偏单元用于将所述物镜出射的光束解调成不同偏振方向的线偏振光，由所述CCD相机采集所述多通道检偏单元输出线偏振光的光强信号，所述CCD相机的输出端连接至所述信号处理模块用以进行光强信号计算处理。

作为上述方案的进一步改进，所述起偏器为偏振片或偏振棱镜。

作为上述方案的进一步改进，所述多通道检偏单元为偏振掩膜，所述偏振掩膜由检偏区域的阵列组成，所述检偏区域由四个结构相同的第一子检偏区域、第二子检偏区域、第三子检偏区域、第四子检偏区域在同一个平面内按四象限排列组合形成。

作为上述方案的进一步改进，所述第一子检偏区域、所述第二子检偏区域、所述第三子检偏区域、第四子检偏区域的偏振方向与所述起偏器的偏振方向所成的角度分别为0度、45度、90度和135度，每个子检偏区域与所述CCD相机的像素单元一一对应。

作为上述方案的进一步改进，所述多通道检偏单元包括分光棱镜、第一检偏器和第二检偏器，所述第一检偏器的偏振方向与所述起偏器的偏振方向所成的角度为0度、45度、90度、135度中的一种，所述第二检偏器的偏振方向与所述起偏器的偏振方向所成的角度为0度、45度、90度、135度中的一种，所述第一检偏器的偏振方向与所述第二检偏器的偏振方向不同，所述第一检偏器设置在所述分光棱镜的透射光束输出方向上，所述第二检偏器设置在所述分光棱镜的反射光束输出方向上。

作为上述方案的进一步改进，所述CCD相机包括第一CCD相机和第二CCD相机，所述分光棱镜的透射光束通过所述第一检偏器，被所述第一CCD相机采集，所述分光棱镜的反射光束通过所述第二检偏器，被所述第二CCD相机采集。

作为上述方案的进一步改进，所述第一检偏器为偏振片或偏振棱镜；所述第二检偏器为偏振片或偏振棱镜。

作为上述方案的进一步改进，所述信号处理模块为计算机。

一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法，适用于如上述的基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，包括步骤：

将激光光束调制成线偏振光后入射至待测液晶；

从所述待测液晶出射的透射光通过多个不同偏振方向的通道；

采集多个不同偏振方向的通道输出的线偏振光的光强信号；

对采集到的光强信号进行计算处理得出待测液晶的偏振特性。

作为上述方案的进一步改进，所述将激光光束调制成线偏振光后入射至待测液晶具体包括激光器发出的激光光束，经由起偏器调制后，形成线偏振光，然后入射到待测液晶；

所述从所述待测液晶出射的透射光通过多个不同偏振方向的通道具体包括所述线偏振光经由所述待测液晶调制后，从所述待测液晶出射的透射光由物镜收集，从所述物镜出射的光束再通过具有不同偏振方向的多通道检偏单元，所述多通道检偏单元解调输出不同偏振方向的线偏振光；

所述采集多个不同偏振方向的通道输出的光强信号具体包括CCD相机采集多通道检偏单元输出的不同偏振方向的线偏振光的光强信号；

所述对采集到的光强信号进行处理计算得出待测液晶的偏振特性具体包括CCD相机将采集到的光强信号发送至信号处理模块，信号处理模块接收光强信号后对光强信号进行计算处理，得到待测液晶的偏转角度和厚度。

本发明的有益效果是：

一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法，将待测液晶出射的透射光调制成不同偏振方向的线偏振光，采集不同偏振方向的线偏振光的光强信号，对光强信号进行计算处理，得出待测液晶的偏振特性，实现对液晶偏振特性实时检测，与现有技术相比，避免待测液晶与检测系统间的相对运动，测量精度高、效率高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统实施例一结构示意图；

图2是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统实施例一中偏振掩膜结构示意图；

图3是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统实施例二结构示意图；

图4是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法流程示意图；

图5是液晶分子分布结构图；

图6是液晶双折射示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，包括光源模块、偏振测量模块和信号处理模块，其中，光源模块包括激光器和起偏器，偏振测量模块包括物镜、多通道检偏单元、CCD相机，其位置关系为：

沿激光器的激光光束输出方向，依次是起偏器、待测液晶、物镜、多通道检偏单元和CCD相机。激光器发出的激光光束，经由起偏器调制后，形成线偏振光，然后入射到待测液晶，线偏振光经由待测液晶调制后，从待测液晶出射的透射光由物镜收集，从物镜出射的光束通过多通道检偏单元，由多通道检偏单元解调成不同偏振方向的线偏振光，由CCD相机采集多通道检偏单元输出线偏振光的光强信号，CCD相机的输出端连接至信号处理模块用以进行光强信号数据处理，信号处理模块为计算机。

实施例一

图1是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统实施例一结构示意图，参照图1，一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，包括激光器1、起偏器2，待测液晶3、物镜4、多通道检偏单元5、CCD相机6和计算机7，其位置关系为：沿激光器1的激光光束输出方向，依次是起偏器2、待测液晶3、物镜4、多通道检偏单元5和CCD相机6，CCD相机6的输出端与计算机7连接。

本实施例中，起偏器2可以是偏振片或偏振棱镜。激光器1发出的激光光束，经由起偏器2调制后，形成线偏振光，然后入射到待测液晶3，线偏振光经由待测液晶3调制后，从待测液晶3出射的透射光由物镜4收集，从物镜4出射的光束通过多通道检偏单元5，由多通道检偏单元5解调成不同偏振方向的线偏振光，由CCD相机6采集多通道检偏单元5输出线偏振光的光强信号，CCD相机6的输出端连接至计算机7用以进行光强信号数据处理。

本实施例中，多通道检偏单元5为像素级偏振掩膜，图2是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统实施例一中偏振掩膜结构示意图，参照图2，多通道检偏单元5由检偏区域50的阵列组成，检偏区域50由四个结构相同的第一子检偏区域501、第二子检偏区域502、第三子检偏区域503、第四子检偏区域504在同一个平面内按四象限排列组合形成。其中，第一子检偏区域501、第二子检偏区域502、第三子检偏区域503、第四子检偏区域504的偏振方向与起偏器2的偏振方向所成的角度分别为0度、45度、90度和135度，每个子检偏区域与CCD相机6的像素单元一一对应。

本实施例中，多通道检偏单元5输出四个不同偏振方向的线偏振光，被CCD相机6采集，CCD相机6相机将采集到四个不同偏振方向的线偏振光的光强信号转化为光强图，发送至计算机7，计算机7按照多通道检偏单元5每个子检偏区域与像素单元的对应关系，分离出四张不同偏振方向的光强分布图，计算出待测液晶3的偏转角θ与厚度信息d，从而得到待测液晶3的偏振特性。采用偏振掩膜简化检测系统的结构，提高液晶偏振特性的测量效率。

实施例二

图3是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统实施例二结构示意图，参照图3，一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，包括激光器1、起偏器2，待测液晶3、物镜4、多通道检偏单元5、CCD相机和计算机7，其位置关系为：沿激光器1的激光光束输出方向，依次是起偏器2、待测液晶3、物镜4、多通道检偏单元5和CCD相机，CCD相机的输出端与计算机7连接。

本实施例中，起偏器2可以是偏振片或偏振棱镜。激光器1发出的激光光束，经由起偏器2调制后，形成线偏振光，然后入射到待测液晶3，线偏振光经由待测液晶3调制后，从待测液晶3出射的透射光由物镜4收集，从物镜4出射的光束通过多通道检偏单元5。

本实施例中，多通道检偏单元5包括分光棱镜51、第一检偏器52和第二检偏器53，第一检偏器52和第二检偏器53均为偏振片、偏振棱镜。第一检偏器52的偏振方向与起偏器2的偏振方向所成的角度为0度、45度、90度、135度中的一种，第二检偏器53的偏振方向与起偏器2的偏振方向所成的角度为0度、45度、90度、135度中的一种，第一检偏器52的偏振方向和第二检偏器53的检偏方向不同，第一检偏器52设置在分光棱镜51的透射光束输出方向上，第二检偏器53设置在分光棱镜51的反射光束输出方向上，通过两个检偏器解调成不同偏振方向的线偏振光，由于两个检偏器只能同时解调两个不同偏振方向的线偏振光，如若需要解调出四个不同偏振方向的线偏振光，则将两个检偏器旋转一定的角度即可解调出另外两个不同偏振方向的线偏振光。

由CCD相机采集两个检偏器输出线偏振光的光强信号，CCD相机的输出端连接至计算机7用以进行光强信号数据处理，本实施例中，CCD相机包括第一CCD相机61和第二CCD相机62，分光棱镜51的透射光束通过第一检偏器52后，被第一CCD相机61采集，分光棱镜51的反射光束通过第二检偏器53后，被第二CCD相机62采集，第一CCD相机61的输出端和第二CCD相机62的输出端均与计算机7连接，分别将采集到的光强信号转化为光强图发送至计算机7计算处理。计算机7接收到CCD相机发送的光强图，计算出待测液晶3的偏转角θ与厚度信息d，从而得到待测液晶3的偏振特性。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法。

图4是本发明一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法流程示意图，参照图4，一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法，适用于上述基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，方法包括步骤S1至步骤S4。

S1，将激光光束调制成线偏振光后入射至待测液晶；

S2，从待测液晶出射的透射光通过多个不同偏振方向的通道；

S3，采集多个不同偏振方向的通道输出的线偏振光的光强信号；

S4，对采集到的光强信号进行计算处理得出待测液晶的偏振特性。

进一步地，步骤S1具体包括激光器发出的激光光束，经由起偏器调制后，形成线偏振光，然后入射到待测液晶。

进一步地，步骤S2具体包括线偏振光经由待测液晶调制后，从待测液晶出射的透射光由物镜收集，从物镜出射的光束通过具有不同偏振方向的多通道检偏单元，由多通道检偏单元解调输出不同偏振方向的线偏振光。

进一步地，步骤S3具体包括CCD相机采集多通道检偏单元输出的不同偏振方向的线偏振光的光强信号。从待测液晶出射的透射光由物镜收集后，通过多通道检偏单元，成像在CCD相机上，CCD相机采集不同偏振态的干涉条纹图。

进一步地，步骤S4具体包括CCD相机将采集到的光强信号发送至信号处理模块，信号处理模块接收光强信号后对光强信号进行计算处理，得到待测液晶的偏转角度和厚度。

下面结合实施例一种的基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统对基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法做进一步说明。

实施例三

图5是液晶分子分布结构图，结合图1、图2和图5，激光器1设置在待测液晶3的Z轴方向上，起偏器2的偏振方向为Y方向，θ为待测液晶的偏转角，激光器1发出的激光光束沿待测液晶的Z方向传播，经过偏振方向为Y方向(也可以是X方向)的起偏器2后，生成竖直方向(即Y方向)线偏振光，入射至待测液晶3的入射光的琼斯矩阵表示为：

其中，A是入射光振幅，竖直方向的线偏振光在经过待测液晶3调制，图6是液晶双折射示意图，如图6所示，由于液晶分子的双折射特性，入射的线偏振光的光轴方向即为待测液晶的长轴方向，在入射光为垂直入射且待测液晶仅在垂直于液晶法线的平面内存在偏转情况下，沿光轴方向的透射光为o光，即寻常光，其折射率为n_o；垂直于光轴方向的光为e光，即非寻常光，其折射率为n_e。待测液晶3出射的透射光的琼斯矩阵为：

其中，θ为待测液晶的偏转角，和是线偏振光经过待测液晶发生双折射后，对于偏振方向沿液晶光轴方向的o光与偏振方向垂直于液晶光轴方向的e光分别产生的相位调制。

待测液晶3表面出射的透射光由物镜4收集后通过多通道检偏单元5，通过四子检偏区域解调出四个不同偏振方向(0度、45度、90度、135度)的线偏振光，CCD相机6采集多通道检偏单元5输出的线偏振光，转化为相应的光强图，并传输给计算机7，通过计算机7对采集到的图片进行处理，按照多通道检偏单元5的偏振方向与CCD相机6的像素周期对应关系，将图片分离出四个不同偏振方向的光强分布图。其中，第一子检偏区域501(水平偏振方向(x方向)上)解调出的线偏振光的光强表达式为：

第二子检偏区域502(竖直偏振方向(y方向))解调出的线偏振光的光强表达式为：

第三子检偏区域503(偏振方向为与水平方向(x方向)夹角是45°时)解调出的线偏振光的光强表达式为：

第四子检偏区域504(偏振方向为与水平方向(x方向)夹角是135°时)解调出的线偏振光的光强表达式为：

通过液晶偏转角计算公式计算得出待测液晶3的偏转角θ，液晶偏转角计算公式为：

通过液晶厚度计算公式计算得出待测液晶3的厚度，液晶厚度计算公式为：

通过将不同偏振方向的光强代入公式8，可以计算出待测液晶3对应位置的厚度。

本实施例采用多通道检偏单元，简化对液晶偏振特性检测系统的结构，通过一次CCD相机拍图即可得到四个不同偏振方向的光强图，计算得到待测液晶的偏转角和厚度，检测方法更加简单，无需传统方法的机械转动，测量精度更高。

一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统及方法，将待测液晶出射的透射光调制成不同偏振方向的线偏振光，采集不同偏振方向的线偏振光的光强信号，对光强信号进行计算处理，得出待测液晶的偏振特性，实现对液晶偏振特性实时检测，与现有技术相比，避免待测液晶与检测系统间的相对运动，测量精度高、效率高。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，其包括光源模块、偏振测量模块和信号处理模块，其中，

所述光源模块包括激光器和起偏器，所述偏振测量模块包括物镜、多通道检偏单元、CCD相机，其位置关系为：沿所述激光器的激光光束输出方向，依次是所述起偏器、待测液晶、所述物镜、所述多通道检偏单元和所述CCD相机；所述物镜用于收集所述待测液晶出射的透射光，所述多通道检偏单元用于将所述物镜出射的光束解调成不同偏振方向的线偏振光，由所述CCD相机采集所述多通道检偏单元输出线偏振光的光强信号，所述CCD相机的输出端连接至所述信号处理模块用以进行光强信号计算处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述起偏器为偏振片或偏振棱镜。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述多通道检偏单元为偏振掩膜，所述偏振掩膜由检偏区域的阵列组成，所述检偏区域由四个结构相同的第一子检偏区域、第二子检偏区域、第三子检偏区域、第四子检偏区域在同一个平面内按四象限排列组合形成。

4.根据权利要求3所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述第一子检偏区域、所述第二子检偏区域、所述第三子检偏区域、第四子检偏区域的偏振方向与所述起偏器的偏振方向所成的角度分别为0度、45度、90度和135度，每个子检偏区域与所述CCD相机的像素单元一一对应。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述多通道检偏单元包括分光棱镜、第一检偏器和第二检偏器，所述第一检偏器的偏振方向与所述起偏器的偏振方向所成的角度为0度、45度、90度、135度中的一种，所述第二检偏器的偏振方向与所述起偏器的偏振方向所成的角度为0度、45度、90度、135度中的一种，所述第一检偏器的偏振方向与所述第二检偏器的偏振方向不同，所述第一检偏器设置在所述分光棱镜的透射光束输出方向上，所述第二检偏器设置在所述分光棱镜的反射光束输出方向上。

6.根据权利要求5所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述CCD相机包括第一CCD相机和第二CCD相机，所述分光棱镜的透射光束通过所述第一检偏器，被所述第一CCD相机采集，所述分光棱镜的反射光束通过所述第二检偏器，被所述第二CCD相机采集。

7.根据权利要求6所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述第一检偏器为偏振片或偏振棱镜；所述第二检偏器为偏振片或偏振棱镜。

8.根据权利要求1所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，所述信号处理模块为计算机。

9.一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法，适用于如权利要求1至8任一项所述的基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测系统，其特征在于，其包括步骤：

将激光光束调制成线偏振光后入射至待测液晶；

从所述待测液晶出射的透射光通过多个不同偏振方向的通道；

采集多个不同偏振方向的通道输出的线偏振光的光强信号；

对采集到的光强信号进行计算处理得出待测液晶的偏振特性。

10.根据权利要求9所述的一种基于多通道测量的液晶偏振特性实时检测方法，其特征在于，所述将激光光束调制成线偏振光后入射至待测液晶具体包括激光器发出的激光光束，经由起偏器调制后，形成线偏振光，然后入射到待测液晶；

所述从所述待测液晶出射的透射光通过多个不同偏振方向的通道具体包括所述线偏振光经由所述待测液晶调制后，从所述待测液晶出射的透射光由物镜收集，从所述物镜出射的光束再通过具有不同偏振方向的多通道检偏单元，所述多通道检偏单元解调输出不同偏振方向的线偏振光；

所述采集多个不同偏振方向的通道输出的光强信号具体包括CCD相机采集多通道检偏单元输出的不同偏振方向的线偏振光的光强信号；

所述对采集到的光强信号进行处理计算得出待测液晶的偏振特性具体包括CCD相机将采集到的光强信号发送至信号处理模块，信号处理模块接收光强信号后对光强信号进行计算处理，得到待测液晶的偏转角度和厚度。