CN112525493A - 一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学元件检测领域，并具体公开了一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法及装置，其包括步骤：S1、入射偏振光通过铁电液晶延迟器得到出射偏振光，同时使铁电液晶延迟器的快轴方位角在两个状态之间切换，测量在两个状态下出射偏振光光谱的斯托克斯向量；S2、旋转铁电液晶延迟器，使两个状态的快轴方位角均增加Δ；S3、重复步骤S1和S2，得到多组不同快轴方位角在两个状态下的出射偏振光光谱的斯托克斯向量，根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量与铁电液晶延迟器光学特性参数的对应关系，拟合得到铁电液晶延迟器的光学特性参数。本发明可测量快轴方位角高速变化的FLC的光学特性，并且可以在一次测量循环中获得所有特征光谱参数。

Description

一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法及装置

技术领域

本发明属于光学元件检测领域，更具体地，涉及一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法及装置。

背景技术

铁电液晶(Ferroelectric Liquid Crystals,FLC)是一种近晶型液晶，其液晶相由分层的长分子排列而成，每一层的分子都朝向相同的方向。液晶中正电荷和负电荷的中心不重合，从而诱发了一个可以控制分子方向的电偶极矩。在液晶上施加一个电场可以改变晶体上电场的极性，分子的方向也会改变，从而使液晶的快轴方向发生改变。FLC可以认为是一种具有固定延迟量的相位延迟器或波片，但是其快轴方位角有两个状态(状态1和状态2)，两个状态之间相差约45°(快轴切换角ψ)，直流驱动电压可以控制方位角在这两个状态之间切换。FLC在两种状态之间的切换速度非常快，甚至可以小于50μs；但FLC必须要保持在这两种状态之间不断切换的状态，切换速度通常不低于1s。利用这种特性可以将FLC加工成可电控切换方位角状态的延迟器，从而实现对入射光偏振态的调制。与传统的光学器件相比，FLC的快轴方位角状态由电压控制，具有无机械转动、响应速度极快、功耗低、成本低等优点；因而在偏振光学、液晶显示等领域有广泛的应用，例如延迟器、光开关、旋光器、偏振仪等。

FLC的光学特性包括相位延迟量、快轴方位角、快轴切换角、旋光角等，这些光学特性决定了偏振光学装置的优化方向和最终性能，因而准确检测FLC的光学特性在实际的使用中十分重要。检测和标定光学器件的相位延迟量和方位角的方法有很多，例如光谱扫描法、补偿法、激光频率分裂法、偏振干涉法等。这些现有技术虽然能够对波片或者液晶可变相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)这类光学特性可长时间保持不变的延迟器的某些光学特性进行精确的检测和标定，但这些方法对于FLC的光学特性检测存在以下的一些不足：

(1)现有技术通常只能表征波片或者LCVR这类光学特性可长时间保持不变(至少数秒)的延迟器；如CN105628343A的测量方法，只能检测波片这类光学特性在特定波长下保持固定的光学器件；如CN108534993B的测量方法，在检测不同电压下LCVR的光学响应时，要求电压(光学特性)在单次测量过程中保持不变。

(2)现有技术通常只能表征FLC的快轴切换角，难以同时检测出旋光角、延迟量以及两个状态的快轴方位角等参数。

(3)现有检测技术通常只能在单次测量中给出波片或者LCVR在某个波长点的光学特性参数，难以在单次测量中给出光谱参数。

(4)现有精度较高的检测技术，通常包含穆勒矩阵测量，会导致检测装置的成本较高。

(5)一些技术对检测对象有严格的位置要求，在检测过程中由于检测对象的安装位置不准确，导致检测精度大幅度下降。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法及装置，其目的在于，利用FLC快轴方位角的电控特性构建一种可精确测量FLC光学特性的模型，可以在单次测量循环中获得任意FLC的所有四个特征光谱参数，满足光学系统的使用需求，并且具有操作简单、数据处理方便等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法，包括如下步骤：

S1、入射偏振光通过铁电液晶延迟器得到出射偏振光，同时使铁电液晶延迟器的快轴方位角在两个状态之间切换，分别测量在两个状态下出射偏振光光谱的斯托克斯向量；

S2、旋转铁电液晶延迟器，使两个状态的快轴方位角均增加Δ；

S3、重复步骤S1和S2，得到多组不同快轴方位角在两个状态下的出射偏振光光谱的斯托克斯向量，根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量与铁电液晶延迟器的光学特性参数的对应关系，拟合得到铁电液晶延迟器的光学特性参数。

作为进一步优选的，通过改变输入铁电液晶延迟器的直流驱动电压，使铁电液晶延迟器的快轴方位角在两个状态之间切换。

作为进一步优选的，出射偏振光光谱的斯托克斯向量S_out(λ)与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式如下：

S_out(λ)＝R(ρ(λ))M_FLC(θ+nΔ，δ(λ))S_in(λ)

其中，λ是铁电液晶延迟器光学特征参数光谱范围中的任一波长点，S_in(λ)是入射偏振光的斯托克斯向量，R(ρ(λ))是表征旋光角的穆勒矩阵，M_FLC(θ+nΔ,δ(λ))表征快轴方位角和相位延迟量的穆勒矩阵。

作为进一步优选的，根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式，得到出射偏振光光谱的斯托克斯向量S_out(λ)与铁电液晶延迟器光学特性参数的关系式如下：

其中，α为快轴方位角，α＝θ+nΔ，n＝0,1,2,…，θ为初始快轴方位角，δ(λ)为相位延迟量，ρ(λ)为旋光角。

作为进一步优选的，在状态二时出射偏振光光谱的斯托克斯向量与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式中添加退偏指数的穆勒矩阵，进而拟合得到铁电液晶延迟器的退偏指数，添加退偏指数的穆勒矩阵后的关系式如下：

S_out2(λ)＝M_dep(λ)R(ρ(λ))M_FLC(θ₂+nΔ，δ(λ))S_in(λ)

其中，S_out2(λ)是状态二时出射偏振光光谱的斯托克斯向量，M_dep(λ)是退偏指数的穆勒矩阵，M_FLC(θ₂+nΔ,δ(λ))分别是状态二时表征方位角和相位延迟量的穆勒矩阵。

作为进一步优选的，所述步骤S2中，快轴方位角增加值Δ为1°～10°。

作为进一步优选的，采用基于单旋转调制法的斯托克斯偏振仪测量出射偏振光光谱的斯托克斯向量。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述铁电液晶延迟器光学特性检测方法的装置，包括光源、起偏器、旋转中空电机、斯托克斯偏振仪、驱动电源和电机控制器，其中：所述光源、起偏器、旋转中空电机、斯托克斯偏振仪依次同轴放置，所述旋转中空电机用于安装待检测的铁电液晶延迟器；所述驱动电源用于使铁电液晶延迟器在两个状态之间切换，所述电机控制器通过所述旋转中空电机控制铁电液晶延迟器的旋转。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用FLC快轴方位角的电控特性构建一种可精确测量FLC光学特性的模型，可以测量FLC这类光学特性随时间高速变化的动态响应，且本发明通过测量出射偏振光的偏振态变化给出FLC的光谱光学特性，因而能够在单次测量循环中获得任意FLC的所有特征光谱参数。

2.本发明利用穆勒矩阵分别表征FLC在两个状态下的快轴方位角、旋光角、相位延迟量，通过测量FLC出射光的偏振态，建立模型，得到两个状态下由相位延迟量、快轴方位角、旋光角、快轴切换角这四个参数表征的方程，进而求解出FLC的光学特性，可以给出FLC光学特性的特征参数光谱曲线，满足了光学系统的使用需求。

3.本发明可以检测FLC快轴在任意方位角时的光学特性，因而器件无需精确安装，所用装置结构简单、成本低，同时检测时不需进行穆勒矩阵测量，操作简单、数据处理方便、检测精度高。

附图说明

图1为本发明实施例铁电液晶延迟器结构示意图；

图2为本发明实施例铁电液晶延迟器光学特性检测装置结构示意图；

图3为本发明实施例检测得到的FLC相位延迟量δ(λ)的光谱曲线；

图4为本发明实施例检测得到的FLC旋光角ρ(λ)的光谱曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-光源，2-起偏器，3-旋转中空电机，4-铁电液晶延迟器，5-斯托克斯偏振仪，6-驱动电源，7-电机控制器，8-计算机。

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。

本发明实施例提供的一种铁电液晶延迟器光学特性检测装置，如图2所示，包括光源1、起偏器2、旋转中空电机3、斯托克斯偏振仪5、驱动电源6、电机控制器7和计算机8，其中：

所述光源1、起偏器2、旋转中空电机3、斯托克斯偏振仪5依次同轴放置，所述旋转中空电机3用于安装铁电液晶延迟器4；光源1发出的光经过起偏器2之后成为线偏振光，即入射偏振光，该入射偏振光经过具有一定快轴方位角的铁电液晶延迟器4调制后获得出射偏振光，最后由斯托克斯偏振仪5测量得到出射偏振光的光谱斯托克斯参数；所述斯托克斯偏振仪为使用补偿法、单旋转调制法或液晶调制法等原理的斯托克斯偏振仪，优选为基于单旋转调制法的斯托克斯偏振仪，以提高斯托克斯参数的测量精度；

所述驱动电源6通过改变输入待测铁电液晶延迟器4的直流驱动电压，使铁电液晶延迟器4的快轴方位角在状态1和状态2之间切换；所述电机控制器7通过所述旋转中空电机3控制铁电液晶延迟器4旋转，从而改变出射光的偏振态；所述计算机8与所述斯托克斯偏振仪5、驱动电源6、电机控制器7相连，计算机8中设有光学特征解算程序模块，该光学特征解算程序模块包括绘制光学特性曲线绘制子模块，可记录光学特性随波长λ的变化情况。

具体的，铁电液晶延迟器FLC的结构如图1所示，光线沿着z轴正方向传播，FLC与xoy平面平行放置，FLC的快轴与x轴之间的夹角θ称为快轴方位角，因为FLC的快轴在状态1和状态2之间不断切换，因此FLC具有两个快轴方位角，即θ₁和θ₂；两个状态的快轴方位角之差为快轴切换角ψ＝θ₂-θ₁。

采用上述装置进行铁电液晶延迟器光学特性检测，包括如下步骤：

S1、入射偏振光通过铁电液晶延迟器得到出射偏振光，同时改变输入铁电液晶延迟器的直流驱动电压，使铁电液晶延迟器的快轴方位角在两个状态之间切换，分别测量在两个状态下出射偏振光光谱的斯托克斯向量；

S2、旋转铁电液晶延迟器，使两个状态的快轴方位角均增加Δ；

S3、重复步骤S1和S2，得到多组不同快轴方位角在两个状态下的出射偏振光光谱的斯托克斯向量，根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量与铁电液晶延迟器的光学特性参数的对应关系，拟合得到铁电液晶延迟器的光学特性参数。

进一步的，改变FLC的直流驱动电压的变化速度，可以测量状态1和状态2切换速度不同时的光学特性参数；还可以测量不同温度下的FLC光学特性，并绘制随温度变化的曲线。

进一步的，起偏器的安装方位角可以处于任意角度，仍可由光学特征解算程序模块求解FLC的光学特征；此外，将FLC的快轴方位角θ₁的参考标注刻线置于任意特定角度，使后续进行多组数据拟合时有更好的初始值，优化检测精度。

进一步的，所述步骤S2中，快轴方位角每次增加值Δ为1°～10°，以保证旋转过程的稳定、准确，同时能够获取到足够多组斯托克斯向量。

以下以可用波长为500nm～700nm的FLC光学特性检测过程为例，对检测过程进行具体说明，但本发明的测量波长不限于此。

S1、打开光源，安装起偏器、旋转中空电机、斯托克斯偏振仪，使其中心在同一条直线上，并且光线依次垂直通过这些器件的表面，保证光谱仪接收到的信号最强；调整起偏器的光轴方向至0°。

S2、将待检测的FLC安装至旋转中空电机，调整FLC的高度及方位，保证其中心与偏振片等位于同一直线，被光线垂直入射，并且光线能完全通过待检测的FLC，得到出射偏振光；在本实施例中将状态1的快轴方位角θ₁大致调整至10°。

S3、将待测FLC连接至具有电压值变化的直流驱动电压，使铁电液晶延迟器的快轴方位角在状态1和状态2之间不断切换，用斯托克斯偏振仪分别测量在快轴方位角θ₁、θ₂两个状态下出射偏振光光谱的斯托克斯向量。

S4、用旋转中空电机旋转铁电液晶延迟器，使两个状态的快轴方位角均增加Δ。

S5、重复步骤S3和S4，得到足够多组不同快轴方位角在两个状态下的出射偏振光光谱的斯托克斯向量。

S6、根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量得到铁电液晶延迟器的光学特性，即位延迟量δ(λ)、旋光角ρ(λ)，以及初始的快轴方位角θ₁、θ₂，快轴切换角ψ，具体包括如下步骤：

S61、入射偏振光经过待测FLC后的出射偏振态具体为：

在状态1下，快轴方位角α为θ₁+nΔ(n＝0,1,2,…)时的出射偏振光光谱的Stokes向量S_out1(λ)：

S_out1(λ)＝R(ρ(λ))M_FLC(θ₁+nΔ，δ(λ))S_in(λ) (1)

在状态2下，快轴方位角α为θ₂+nΔ(n＝0,1,2,…)时的出射偏振光光谱的Stokes向量S_out2(λ)：

S_out2(λ)＝R(ρ(λ))M_FLC(θ₂+nΔ，δ(λ))S_in(λ) (2)

其中，λ是待测FLC光学特征参数的光谱范围Г中的任意一个波长点，S_in(λ)是入射偏振光的Stokes向量，R(ρ(λ))是表征旋光角的穆勒矩阵，M_FLC(θ₁+nΔ,δ(λ))、M_FLC(θ₂+nΔ,δ(λ))分别是状态1、状态2时表征方位角和相位延迟量的穆勒矩阵，上述参数具体表示为：

S_in(λ)＝(S_0i(λ) S_1i(λ) S_2i(λ) S_3i(λ)) (3)

S_out(λ)＝(S_0o(λ) S_1o(λ) S_2o(λ) S_3o(λ)) (6)

其中，快轴方位角α＝θ_i+nΔ，n＝0,1,2,…，i＝1或2，θ₁和θ₂为状态1和状态2下的初始快轴方位角，δ(λ)为相位延迟量，ρ(λ)为旋光角；S_0i(λ)、S_1i(λ)、S_2i(λ)、S_3i(λ)为入射偏振光Stokes向量S_in(λ)中的参数，S_0o(λ)、S_1o(λ)、S_2o(λ)、S_3o(λ)出射偏振光光谱的Stokes向量S_out(λ)中的参数。

进一步的，在状态2下出射偏振光光谱的斯托克斯向量S_out2(λ)与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式中添加退偏指数的穆勒矩阵M_dep(λ)，即将式(2)替换为式(7)，采用同样的采集方式，带入M_dep(λ)的参数进行拟合还可以得到FLC的退偏指数，添加M_dep(λ)后的关系式如下：

S_out2(λ)＝M_dep(λ)R(ρ(λ))M_FLC(θ₂+nΔ，δ(λ))S_in(λ) (7)

S62、起偏器的光轴方向为0°，进而根据式(1)～(6)，得到出射偏振光光谱的斯托克斯向量S_out(λ)与铁电液晶延迟器光学特性参数的关系式如下：

S63、由式(8)与测量的足够多的FLC快轴方位角不同时的出射偏振光光谱的Stokes向量可以得到待检测的FLC的光谱光学特性，在本实施例中求得快轴方位角θ₁＝14.5°、θ₂＝52.5°，快轴切换角ψ＝θ₂-θ₁＝38°，在波长500nm～700nm下，FLC光学特性的光谱曲线，包括相位延迟量δ(λ)和旋光角ρ(λ)的曲线如图3和图4所示。

由以上实施例，可见本发明提供的铁电液晶延迟器光学特性检测装置及方法可以测量FLC的光谱光学特性，并在一次测量循环中给出相位延迟量、旋光角的光谱曲线，以及快轴方位角、快轴切换角。同时，本发明的测量对象不限于FLC的光学特性，对于如液晶可变相位延迟器(LCVR)、波片等的光学特性也可进行测量。

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 (8)

1.一种铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、入射偏振光通过铁电液晶延迟器得到出射偏振光，同时使铁电液晶延迟器的快轴方位角在两个状态之间切换，分别测量在两个状态下出射偏振光光谱的斯托克斯向量；

S2、旋转铁电液晶延迟器，使两个状态的快轴方位角均增加Δ；

S3、重复步骤S1和S2，得到多组不同快轴方位角在两个状态下的出射偏振光光谱的斯托克斯向量，根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量与铁电液晶延迟器的光学特性参数的对应关系，拟合得到铁电液晶延迟器的光学特性参数。

2.如权利要求1所述的铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，通过改变输入铁电液晶延迟器的直流驱动电压，使铁电液晶延迟器的快轴方位角在两个状态之间切换。

3.如权利要求1所述的铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，出射偏振光光谱的斯托克斯向量S_out(λ)与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式如下：

S_out(λ)＝R(ρ(λ))M_FLC(θ+nΔ，δ(λ))S_in(λ)

其中，λ是铁电液晶延迟器光学特征参数光谱范围中的任一波长点，S_in(λ)是入射偏振光的斯托克斯向量，R(ρ(λ))是表征旋光角的穆勒矩阵，M_FLC(θ+nΔ,δ(λ))表征快轴方位角和相位延迟量的穆勒矩阵。

4.如权利要求3所述的铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，根据出射偏振光光谱的斯托克斯向量与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式，得到出射偏振光光谱的斯托克斯向量S_out(λ)与铁电液晶延迟器光学特性参数的关系式如下：

其中，α为快轴方位角，α＝θ+nΔ，n＝0,1,2,…，θ为初始快轴方位角，δ(λ)为相位延迟量，ρ(λ)为旋光角。

5.如权利要求3所述的铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，在状态二时出射偏振光光谱的斯托克斯向量与表征各光学特性参数的穆勒矩阵的关系式中添加退偏指数的穆勒矩阵，进而拟合得到铁电液晶延迟器的退偏指数，添加退偏指数的穆勒矩阵后的关系式如下：

S_out2(λ)＝M_dep(λ)R(ρ(λ))M_FLC(θ₂+nΔ，δ(λ))S_in(λ)

其中，S_out2(λ)是状态二时出射偏振光光谱的斯托克斯向量，M_dep(λ)是退偏指数的穆勒矩阵，M_FLC(θ₂+nΔ,δ(λ))分别是状态二时表征方位角和相位延迟量的穆勒矩阵。

6.如权利要求1所述的铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，快轴方位角增加值Δ为1°～10°。

7.如权利要求1-6任一项所述的铁电液晶延迟器光学特性检测方法，其特征在于，采用基于单旋转调制法的斯托克斯偏振仪测量出射偏振光光谱的斯托克斯向量。

8.一种用于实现如权利要求1-7任一项所述铁电液晶延迟器光学特性检测方法的装置，其特征在于，包括光源(1)、起偏器(2)、旋转中空电机(3)、斯托克斯偏振仪(5)、驱动电源(6)和电机控制器(7)，其中：所述光源(1)、起偏器(2)、旋转中空电机(3)、斯托克斯偏振仪(5)依次同轴放置，所述旋转中空电机(3)用于安装待检测的铁电液晶延迟器(4)；所述驱动电源(6)用于使铁电液晶延迟器(4)在两个状态之间切换，所述电机控制器(7)通过所述旋转中空电机(3)控制铁电液晶延迟器(4)的旋转。

Images