CN113567092A - 液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法 - Google Patents

液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法 Download PDF

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CN113567092A
CN113567092A CN202111118341.5A CN202111118341A CN113567092A CN 113567092 A CN113567092 A CN 113567092A CN 202111118341 A CN202111118341 A CN 202111118341A CN 113567092 A CN113567092 A CN 113567092A
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黄小龙
李光源
杜聚有
林正华
米尔纳
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Abstract

本发明提供了一种液晶光栅衍射效率的测量装置，包括光源、分光单元、液晶光栅、TEC模块、第一图像采集单元和第二图像采集单元和控制单元；所述光源输出的光通过所述分光单元分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达所述第一图像采集单元，所述第二光束通过所述液晶光栅衍射后到达所述第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至所述控制单元，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数以及所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动；所述TEC模块与所述液晶光栅和所述控制单元连接，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度。

Description

液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法。
背景技术
LCoS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）光栅作为光器件广泛用于光通信/激光投影显示和3D打印等领域。尤其是在光通信领域，LCoS液晶光栅作为光栅使用，是波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)的核心器件。
耦合效率作为评价波长选择开关光学系统的关键指标之一，光栅的衍射效率直接影响耦合效率，是决定LCoS液晶光栅能否成功应用于波长选择开关系统的关键所在。所以，LCoS液晶光栅衍射效率的准确测量和提升是影响整个波长选择开关光学系统性能及优化的重要环节。
目前，测量光栅衍射效率的方法可分为线谱法、连续扫描法和傅里叶变换法，其中线谱法是最早出现的测量光栅衍射效率的方法，国际常用测量方法是连续扫描法。
现有关于光栅衍射效率测量仪的相关研究中，普遍的不足之处在于测试系统的智能化程度不够，不能实时控制所述液晶光栅的温度，以及如何提高光栅衍射效率是现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法，以实现测量装置的控制智能化和实时性，并提高液晶光栅的衍射效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种液晶光栅衍射效率的测量装置，包括光源、分光单元、液晶光栅、TEC模块、第一图像采集单元、第二图像采集单元和控制单元；所述光源输出的光通过所述分光单元分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达所述第一图像采集单元，所述第二光束通过所述液晶光栅衍射后到达所述第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至所述控制单元，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数，以提高所述液晶光栅的衍射效率以及所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动；所述TEC模块与所述液晶光栅和所述控制单元连接，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定。
可选的，所述控制单元包括控制器和计算机，所述控制器与所述计算机进行信息交互，所述控制器根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述液晶光栅改变参数，以提高所述液晶光栅的衍射效率，所述控制器根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度以保证所述液晶光栅的温度稳定，所述控制器包括FPGA模块。
可选的，所述测量装置还包括一圆弧导轨，所述第二图像采集单元位于所述圆弧导轨上。
可选的，所述第二图像采集单元与所述圆弧导轨滑动连接，所述第二图像采集单元在所述圆弧导轨上滑动，以自动调节所述第二图像采集单元上的光斑位置。
可选的，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数包括所述控制单元发送不同液晶像素值的图像给所述液晶光栅以改变所述液晶光栅的光栅周期和/或所述液晶光栅的电压。
可选的，所述分光单元与所述第一图像采集单元之间以及所述分光单元与所述液晶光栅之间均设置有扩束镜。
可选的，所述分光单元为半透半反镜，所述分光单元的反射透射比为1:1。
基于同一发明构思，本发明还提供一种液晶光栅衍射效率的测量方法，包括：
光源输出的光通过分光单元分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达第一图像采集单元，所述第二光束通过液晶光栅衍射后到达第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至所述控制单元；
所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数，以提高所述液晶光栅的衍射效率以及所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动；
同时，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定。
可选的，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数包括所述控制单元发送不同液晶像素值的图像给所述液晶光栅以改变所述液晶光栅的光栅周期和/或所述液晶光栅电压。
可选的，所述控制单元采用时钟产生脉冲宽度调制，对所述液晶光栅进行电压调制，以减小液晶光栅的像素之间的电压误差。
在本发明提供的一种液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法，通过第一图像采集单元和第二图像采集单元采集图像后传输至控制单元，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数以及所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动 ；所述控制单元实时性动态衍射光斑图形检测和计算；所述控制单元与所述第二图像采集单元形成反馈控制，以及所述控制单元与所述液晶光栅形成反馈控制，以提高所述液晶光栅的衍射效率；TEC模块与液晶光栅和控制单元连接，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定，所述控制单元对所述TEC模块形成反馈控制，保证所述液晶光栅的温度稳定。所述测量装置在整体控制方面设计三个回环反馈以保证所述液晶光栅的测量的智能化和实时性，并提高了所述液晶光栅的衍射效率。进一步的，通过设置将第二图像采集单元设置在所述圆弧导轨上，实现光斑位置自适应调节。
附图说明
图1是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的系统框架示意图；
图2是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的帧时序图；
图3是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的控制器与TEC模块的控制关系图；
图4是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的衍射光斑相机像面示意图；
图5是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的PID算法原理图；
图6是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的衍射光斑相机像面示意图；
图7是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的衍射光斑相机像面示意图；
图8是本发明实施例的阶梯闪耀光栅示意图；
图9是本发明实施例的液晶光栅相位曲线示意图；
图10是本发明实施例的控制单元对液晶光栅的控制模式示意图；
图11是本发明实施例的液晶光栅的边缘效应示意图；
图中，
11-光源；12-分光单元；13-扩束镜；13a-第一扩束镜；13b-第二扩束镜；14-液晶光栅；15-TEC模块；16a-第一图像采集单元；16b-第二图像采集单元；17-圆弧导轨；18-控制单元；18a-控制器；18b-计算机；20-阶梯图形；21-第一曲线；22-第二曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的系统框架示意图，如图1所示，本实施例提供一种液晶光栅衍射效率的测量装置，包括光源11、分光单元12、液晶光栅14、TEC（Thermo Electric Cooler，半导体制冷器）模块15、第一图像采集单元16a、第二图像采集单元16b和控制单元18；所述光源11输出的光通过所述分光单元12分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达所述第一图像采集单元16a，所述第二光束通过所述液晶光栅14衍射后到达所述第二图像采集单元16b，所述第一图像采集单元16a和所述第二图像采集单元16b采集图像后传输至所述控制单元18，所述控制单元18控制所述液晶光栅14改变参数，以提高所述液晶光栅的衍射效率以及所述控制单元18根据所述第二图像采集单元16b采集的图像控制所述第二图像采集单元16b移动；所述控制单元18实时性对动态衍射光斑图形检测和计算；所述控制单元18与所述第二图像采集单元16b形成反馈控制，以及所述控制单元18与所述液晶光栅14形成反馈控制，以提高所述液晶光栅14的衍射效率；所述TEC模块15与所述液晶光栅14和所述控制单元18连接，所述控制单元18根据所述液晶光栅14的实时温度控制所述TEC模块15调节所述液晶光栅14的温度，所述控制单元18对所述TEC模块15形成反馈控制，以保证所述液晶光栅14的温度稳定。所述测量装置在整体控制方面设计三个回环反馈以保证所述液晶光栅14的测量的智能化和实时性，并提高了所述液晶光栅14的衍射效率。
在本实施例中，所述测量装置还包括一圆弧导轨17，所述第二图像采集单元16b位于所述圆弧导轨17上。所述第二图像采集单元16b与所述圆弧导轨17滑动连接。所述第二图像采集单元16b在所述圆弧导轨17上滑动，以自动调节所述第二图像采集单元16b上的光斑位置。
在本实施例中，所述分光单元12与所述第一图像采集单元16a之间以及所述分光单元12与所述液晶光栅14之间均设置有扩束镜13。所述分光单元12与所述第一图像采集单元16a之间设置有第一扩束镜13a，用于调整第一光束；所述分光单元12与所述液晶光栅14之间均设置有第二扩束镜13b，用于调整第二光束；所述分光单元12为半透半反镜。所述分光单元12的反射率和透射率的比值为1:1。
在本实施例中，所述第一图像采集单元16a为第一相机，用于获得所述第一光束的光斑数据，所述第二图像采集单元16b为第二相机，用于获得所述第二光束的光斑数据。
在本实施例中，所述光源11为单色激光器，所述单色激光器用于输出单色光。
在本实施例中，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数包括所述控制单元发送不同液晶像素值的图像给所述液晶光栅以改变所述液晶光栅的光栅周期和/或所述液晶光栅的电压。
在本实施例中，所述控制单元18包括控制器18a和计算机18b，所述控制器18a与所述计算机18b进行信息交互，所述控制器18a用于控制所述液晶光栅14和TEC模块15。所述TEC模块15用于测试所述液晶光栅14的实时温度，并根据所述控制器18a的命令对所述液晶光栅14进行加热。所述控制器18a包括MCU和FPGA，所述FPGA用于控制所述TEC模块、所述液晶光栅以及所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元，所述MCU用于负责所述FPGA与所述计算机的信息交互，所述控制器18a作为液晶光栅衍射效率测量系统中光机结构和计算机的交互模块，有三个功能。
第一，对所述液晶光栅14进行反馈控制。所述控制器18a接收所述计算机18b生成所述液晶光栅14的数据模板，形成帧数据流输入所述液晶光栅14（LCoS），帧率例如是50帧/秒。帧率（Frame rate）是以帧称为单位的图像连续出现在显示器上的频率（速率）。请参考图2，图2是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的帧时序图，帧时序，用于确定形成液晶光栅的周期数和每个光栅周期内的相位台阶数。
当光束垂直入射时，周期性闪耀光栅的偏转角度满足光栅方程的一般形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，θ表示液晶相控阵对光束的衍射角度，m为衍射级次，λ为光束波长，D=Ntd为光栅周期，Nt表示每个光栅周期内的相位台阶数，d表示相邻电极之间的距离。
所述控制器18a接收所述第一图像采集单元16a和所述第二图像采集单元16b采集的光斑数据，并计算相应的衍射效率，将数据发送到所述计算机18b。
请参考图4，图4是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的衍射光斑相机像面示意图；所述第一图像采集单元16a和所述第二图像采集单元16b与所述控制器18a连接，以固定时序将采集的图像输出到所述控制器18a，由所述控制器18a内的FPGA读取图像灰度值，灰度值范围例如是0~255。测量光路中，需放置扩束和衰减装置，使光强转换出的像素值保持在0~255之间。FPGA设计为双通道数据读取，可同时采集所述第一图像采集单元16a和所述第二图像采集单元16b的图像灰度值。
设定有效光强对应的临界像素值为a，将像素值大于a的像素统计为有效像素，在a~255之间分为不同灰度等级，取某一特定值作为该灰度等级内的像素值，并通过FPGA统计每个等级内的像素个数作为权重，pixel_value为像素值，△b为一个等级的间隔像素值，n为像素等级的个数，如下表所示：
表1像素等级以及每个等级内的像素个数
像素值灰度范围 第一相机像素值个数 第二相机像素值个数
a≤pixel_value＜a+△b A X
a+△b≤pixel_value＜a+2*△b B Y
…… …… ……
a+n*△b≤pixel_value≤255 C Z
第一相机探测到的光强为输入光强I0，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
第二相机探测到的光强为±1级衍射输出光强I1，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
相对衍射效率：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
x 100% （4）
其中，a为有效光强对应的临界像素值，△b为一个等级的间隔像素值，n为像素等 级的个数，A为像素值灰度范围在（a，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
）内的第一相机采集的第一图像中的像素个 数，B为像素值灰度范围在（
Figure 195446DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
）内的第一相机采集的第一图像中的像素 个数，C为像素值灰度范围在（
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，255）内的第一相机采集的第一图像中的像素个 数，X为像素值灰度范围在（a，
Figure 237220DEST_PATH_IMAGE005
）内的第二相机采集的二图像中的像素个数，Y为像素 值灰度范围在（
Figure 751378DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 740063DEST_PATH_IMAGE006
）内的第二相机采集的第二图像中的像素个数，Z为像 素值灰度范围在（
Figure 852638DEST_PATH_IMAGE007
，255）内的第二相机采集的第二图像中的像素个数，I0为第一 图像采集单元探测的第一光束的光强，I1为第第二图像采集单元探测的第二光束的光强，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为液晶光栅的相对衍射效率。
第二，对所述TEC模块15进行反馈控制。所述液晶光栅14的稳定工作需要对温度严格控制，在本实施例中，所述测量装置采用所述TEC模块对所述液晶光栅14进行加热，实现方法如图3所示：所述控制器18a中的FPGA读取所述TEC模块的温度参数，并判断所述液晶光栅14的实时温度与所述液晶光栅14的工作温度是否一致。通过逻辑算法实现PWM（Pulsewidth modulation，脉冲宽度调制）占空比的调整，输出到所述TEC模块15，进而控制所述TEC模块15的工作电压，达到调节温度的目的。所述逻辑算法例如是温度控制自适应算法，所述温度自适应算法包括PID算法，所述PID算法为在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。通过PID算法实现优于0.1℃的温度控制。通过温度控制自适应算法对所述TEC模块15进行控制。
请参考图5，图5是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的PID算法原理图；用开环系统测加热温度和PWM之间的特性曲线，再进行闭环参数整定。PID的离散表示形式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（5）
第三，光斑位置自适应调节。也就是说，判断光斑中心的相对位置，调节第二相机的位置。也即判断衍射光斑中心处于探测面中心，调节第二相机的位置。
单周期内，当入射光垂直于光栅主平面入射时，衍射角θ满足
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（6）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为每个光栅周期内的相位台阶数，d为相邻两个像素单元中心点的距离, D为光栅周期。随着
Figure 799734DEST_PATH_IMAGE011
的增大，衍射角θ的角度在不断的减小，进而衍射光斑的位置也随之 改变。为将衍射光强完整探测，需要所述控制器18a自动判断光斑在相机像面的相对位置， 再控制所述圆弧导轨17的电机转动方向，使光斑始终处于相机像面中心位置。
图6是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的衍射光斑相机像面示意图；图7是本发明实施例的液晶光栅衍射效率的测量装置的衍射光斑相机像面示意图。
请参考图6，在FPGA采集衍射光斑图像数据时，Col为像素的列，row为像素的行，识别光斑第1列像素位置col1和最后1列像素的位置col2，并判断出最大光斑为±1级闪耀光斑。光斑的中心位置由式（7）得出。
Beam_center =
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（7）
与之相应的电机控制方向如下表2，步进角通过电机控制器设置。
表2 光斑中心相对位置与电机工作方向
光斑中心位置计算 相对位置 电机工作方向
Beam_center < col/2 像面中心左侧 正转
Beam_center > col/2 像面中心右侧 反转
所述圆弧导轨17的电机每步进一次，所述测量装置进行一次光斑位置判断，当|Beam_center - col/2|<δ时，即光斑中心和像面中心在一定范围内，则相机位置停止调整。
相较传统光栅衍射效率测量装置的单一采集模式，本实施例在整体控制方面设计三个回环反馈：液晶光栅、控制器和计算机，相机与控制器和计算机，TEC模块、控制器和计算机，以保证液晶光栅的正常工作和衍射效率优化。
在系统控制方面，采用控制器和计算机结合的模式，控制器使用FPGA技术，使整体测量系统在智能化和实时性方面有的很大的提升。
基于同一发明构思，本发明还提供一种液晶光栅衍射效率的测量方法，包括：
步骤S10，所述光源输出的光通过所述分光单元分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达所述第一图像采集单元，所述第二光束通过所述液晶光栅衍射后到达所述第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至所述控制单元。
步骤S20，所述控制单元接收所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像。
步骤S30，所述控制单元与所述液晶光栅形成自动反馈控制，所述控制单元控制所述液晶光栅，以提高所述液晶光栅的衍射效率以及所述控制单元与所述第二图像采集单元形成自动反馈控制，所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动。同时，所述控制单元对所述TEC模块形成自动反馈控制，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定。
在步骤S30中，还包括以下细分步骤：
步骤S301，所述控制单元读取所述第一图像采集单元采集的第一图像和所述第二图像采集单元采集的第二图像的像素灰度值，并将所述像素灰度值分为多个等级。
步骤S302，所述控制单元统计每个等级内的像素个数。
步骤S303，通过像素灰度值等级与每个等级内的像素个数加权计算所述第一图像采集单元探测的第一光束的光强和所述第二图像采集单元探测的第二光束的光强。
步骤S304，通过所述第一图像采集单元探测的第一光束的光强和所述第二图像采集单元探测的第二光束的光强计算所述液晶光栅的衍射效率。
在步骤S305中，所述液晶光栅14的衍射效率的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
x 100% （4）
其中，η为液晶光栅的衍射效率，I0为第一图像采集单元探测的第一光束的光强，I1为第二图像采集单元探测的第二光束的光强。
在步骤S30中，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数包括所述控制单元发送不同液晶像素值的图像给所述液晶光栅以改变所述液晶光栅的光栅周期和/或所述液晶光栅电压。所述控制单元采用高频率时钟产生脉冲宽度调制，对所述液晶光栅进行电压调制，以减小液晶光栅的像素之间的电压误差。
具体的，影响所述液晶光栅衍射效率的因素有液晶填充因子，光栅周期数
Figure DEST_PATH_IMAGE014
与单 位周期内的相位台阶数
Figure 689936DEST_PATH_IMAGE011
，光栅灰度值分布。光栅周期数与单位周期内的相位台阶数的增 大有助于提高衍射效率；降低边缘场效应，能减小目标输出端口对其它端口产生的串扰。液 晶填充因子在生产所述液晶光栅时已经固定，所以在测量衍射效率是无法改变。
所以闪耀光栅的衍射效率主要由三个因素决定：光栅周期Λ，相位调制幅度φ_h和回程区宽度Λ_f。
在本实施例中，采用周期性阶梯闪耀光栅模型，所述液晶光栅的光栅周期数和单位周期内的相位台阶数自适应调整到所述液晶光栅的衍射效率最大。
请参考图8，所述液晶光栅等效的阶梯型液晶闪耀光栅，取连续的
Figure 357678DEST_PATH_IMAGE011
个像素点作 为闪耀光栅的一个周期，例如像素a1、a2、a3、a4、a5…an；a1、a2、a3…an对应的电压为V11、 V12、V13…V1n从左往右加上递增的电压使e光的折射率递减,形成第一个阶梯型液晶闪耀 光栅，以及像素b1、b2、b3、b4、b5…bn；b1、b2、b3…bn对应的电压为V21、V22、V23…V2n从左 往右加上递增的电压使e光的折射率递减,形成第二个阶梯型液晶闪耀光栅，依次形成t个 阶梯型液晶闪耀光栅，即模拟出如图8所示的阶梯型闪耀光栅，φ（V11）为电压V11的位相， φ（V1n）为电压V1n的位相，光束最大偏转角度θ表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（8）
其中，d为相邻两个像素单元中心点的距离，
Figure 885611DEST_PATH_IMAGE011
为每个光栅周期内的相位台阶数， θ表示液晶对光束的衍射角度，λ为光束波长。
Figure 347817DEST_PATH_IMAGE011
为每个光栅周期内的相位台阶数，也称为电压的量化相位级次；波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
的光 入射到所述液晶光栅时，会发生衍射，通过控制电压的量化相位级次
Figure 898884DEST_PATH_IMAGE011
，即可控制衍射角 度，实现指定的角度偏转。
请参考图9，降低边缘效应，提高衍射效率。用所述液晶光栅建立的相位光栅，相邻像素在存在驱动电压差时，会产生相位调制幅度，产生边缘场效应，降低衍射效率。相邻像素的电压差值越大，边缘场效应越明显，导致衍射效率下降。液晶光栅形成的阶梯光栅结构最终会平滑形成图9所示的理想锯齿状结构的理想曲线。实际的相位轮廓曲线图9所示的实际曲线, 在周期为Λ的区域内存在长度为Λ-Λ_f，相位调制幅度为φ_h的相位线性增长区和长度为Λ_f的相位回程区。
当波长
Figure 229371DEST_PATH_IMAGE016
，衍射角θ，
Figure 221598DEST_PATH_IMAGE011
确定时，液晶光栅已经稳定在某一光通道模式下工作，要提 高衍射效率，需降低液晶阈值电压以减小边缘场效应。液晶光栅的液晶电压由控制器18a的 FPGA输入液晶光栅的液晶像素值决定，改变像素灰度值从而调整衍射效率，测量相邻两次 所述液晶光栅的衍射效率并进行比较，进而决定液晶像素值增加或减小的趋势，优化所述 液晶光栅的衍射效率。在本实施例中，所述液晶阈值电压例如是1.5伏-2.0伏。
请参考图10，所述控制器18a 2次分别采集衍射光强并计算出衍射效率η1，η2，判断两次衍射效率大小，决定输出像素灰度值的增减趋势。
请参考图11，阶梯图形20为理想的阶梯型闪耀光栅；第一曲线21为实际存在边缘场效应的阶梯闪耀光栅；第二曲线22为优化之后阶梯闪耀光栅。
减小像素电压误差，提高衍射效率。在本实施例中，梯形闪耀光栅的台阶划分提高ADC的精度或者PWM的时钟频率，每级台阶的步进较小。在确定光栅周期和每个周期内的阶梯数的情况下，每个像素上存在一个∆V的电压误差时，会产生一个等效于台阶的刻蚀误差。当整体确定单个周期像素两端加载电压后，进一步消除相邻像素电压误差对衍射效率的影响。
为了减小像素之间的电压误差，在用PWM（脉冲宽度调制）进行电压调制时，使用高频率的时钟产生PWM，从而将电压误差尽可能减小。所述时钟的频率例如为100MHZ-150MHZ。
综上可见，在本发明实施例提供的一种液晶光栅衍射效率的测量装置及测量方法，通过所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至所述控制单元，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数以及所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动，所述控制单元实时性动态衍射光斑图形检测和计算；所述控制单元与所述第二图像采集单元形成反馈控制，以及所述控制单元与所述液晶光栅形成反馈控制，以提高所述液晶光栅的衍射效率；所述TEC模块与所述液晶光栅和所述控制单元连接，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定，所述控制单元对所述TEC模块形成反馈控制，保证所述液晶光栅的温度稳定。所述测量装置在整体控制方面设计三个回环反馈；以保证所述液晶光栅的测量的智能化和实时性，并提高了所述液晶光栅的衍射效率。进一步的，通过设置将第二图像采集单元设置在所述圆弧导轨上，实现光斑位置自适应调节。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，包括光源、分光单元、液晶光栅、TEC模块、第一图像采集单元、第二图像采集单元和控制单元；所述光源输出的光通过所述分光单元分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达所述第一图像采集单元，所述第二光束通过所述液晶光栅衍射后到达所述第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至所述控制单元，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数以及所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动，所述控制单元与所述液晶光栅形成自动反馈控制以及所述控制单元与所述第二图像采集单元形成自动反馈控制，提升衍射效率的测量速率，且提高所述液晶光栅的衍射效率；所述TEC模块与所述液晶光栅和所述控制单元连接，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，所述控制单元对所述TEC模块形成自动反馈控制，以保证所述液晶光栅的环境温度稳定。
2.如权利要求1所述的液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，所述控制单元包括控制器和计算机，所述控制器与所述计算机进行信息交互，所述控制器控制所述液晶光栅改变参数，以提高所述液晶光栅的衍射效率，所述控制器根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定，所述控制器包括FPGA模块。
3.如权利要求1所述的液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括一圆弧导轨，所述第二图像采集单元位于所述圆弧导轨上。
4.如权利要求3所述的液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，所述第二图像采集单元与所述圆弧导轨滑动连接，所述第二图像采集单元在所述圆弧导轨上滑动，以自动调节所述第二图像采集单元上的光斑位置。
5.如权利要求1所述的液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数包括所述控制单元发送不同液晶像素值的图像给所述液晶光栅以改变所述液晶光栅的光栅周期和/或所述液晶光栅的电压。
6.如权利要求5所述的液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，测量相邻两次所述液晶光栅的衍射效率并进行比较，进而决定液晶像素值的增加或者减小趋势，以优化所述液晶光栅的衍射效率。
7.如权利要求1所述的液晶光栅衍射效率的测量装置，其特征在于，所述液晶光栅采用周期性阶梯闪耀光栅模型，所述液晶光栅的参数包括光栅周期数和单位周期内的相位台阶数，所述液晶光栅的光栅周期数和单位周期内的相位台阶数自适应调整到所述液晶光栅的衍射效率最大。
8.一种液晶光栅衍射效率的测量方法，其特征在于，包括：
光源输出的光通过分光单元分为第一光束和第二光束，所述第一光束到达第一图像采集单元，所述第二光束通过液晶光栅衍射后到达第二图像采集单元，所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元采集图像后传输至控制单元；
所述控制单元与所述液晶光栅形成自动反馈控制，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数，以提高所述液晶光栅的衍射效率以及所述控制单元与所述第二图像采集单元形成自动反馈控制，所述控制单元根据所述第二图像采集单元采集的图像控制所述第二图像采集单元移动；
同时，所述控制单元对TEC模块形成自动反馈控制，所述控制单元根据所述液晶光栅的实时温度控制所述TEC模块调节所述液晶光栅的温度，以保证所述液晶光栅的温度稳定。
9.如权利要求8所述的液晶光栅衍射效率的测量方法，其特征在于，所述控制单元控制所述液晶光栅改变参数包括所述控制单元发送不同液晶像素值的图像给所述液晶光栅以改变所述液晶光栅的光栅周期和/或所述液晶光栅电压。
10.如权利要求8所述的液晶光栅衍射效率的测量方法，其特征在于，所述控制单元采用时钟产生脉冲宽度调制，对所述液晶光栅进行电压调制，以减小液晶光栅的像素之间的电压误差。
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