本發(fā)明屬于液晶光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于衍射光柵的液晶相位調(diào)制特性的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

液晶器件具有驅(qū)動(dòng)電壓低，驅(qū)動(dòng)電流小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在平板顯示，因?yàn)橐壕д{(diào)制相位可控，近年來在自適應(yīng)光學(xué)、自由空間光通信、光束偏轉(zhuǎn)等領(lǐng)域也成為研究熱點(diǎn)。液晶在使用之前必須要對(duì)在某一個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)相位調(diào)制特性進(jìn)行測(cè)量，才能根據(jù)想要得到的相位來施加相應(yīng)的電壓，調(diào)制特性將直接影響液晶器件的衍射效率、偏轉(zhuǎn)角度等重要的系統(tǒng)指標(biāo)。

液晶相位調(diào)制特性的測(cè)量方法已經(jīng)得到很廣泛的研究。傳統(tǒng)的方法主要是雙縫干涉測(cè)量法，將液晶分為2個(gè)區(qū)域，分別調(diào)制不同的相位，然后將雙縫的光分別通過這2個(gè)不同相位的區(qū)域，這樣就可以將液晶看成是兩組相位不同的狹縫，通過測(cè)量?jī)山M狹縫干涉條紋之間的偏移量計(jì)算相位調(diào)制量，得到相位調(diào)制特性，這種方法的缺點(diǎn)是只能對(duì)狹縫處的相位調(diào)制特性進(jìn)行測(cè)量，無法得到整面上的相位調(diào)制特性，且CCD的分辨率有限。2002年四川大學(xué)的趙曉鳳提出的徑向剪切干涉法，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分的干涉條紋的偏移量來確定液晶光柵的相位調(diào)制特性，但這種方法是一種共光路干涉法，對(duì)震動(dòng)和環(huán)境要求較高，光路調(diào)整比較復(fù)雜，而且后期數(shù)據(jù)處理量很大。數(shù)字相移干涉儀法同徑向剪切干涉法一樣，液晶光柵的一半相位延遲量為0，另外一半相位延遲量為可變值，通過測(cè)量經(jīng)過液晶相位光柵反射的光與zygo干涉儀參考平面形成的干涉條紋來測(cè)量液晶光柵的相位調(diào)制特性。這種方法光路簡(jiǎn)單，但是zygo干涉儀的光源是確定的，所以只能對(duì)zygo干涉儀光源波長(zhǎng)處的相位調(diào)制特性進(jìn)行測(cè)量，而且zygo干涉儀價(jià)格昂貴，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求也很高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于液晶光柵的相位調(diào)制的測(cè)量方法，該方法光路簡(jiǎn)單，能對(duì)整個(gè)液晶的相位調(diào)制特性測(cè)量，也不會(huì)局域于某一特定波長(zhǎng)，更換光源即可測(cè)量該光源波長(zhǎng)的相位調(diào)制特性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于衍射光柵的液晶相位調(diào)制特性的測(cè)量方法，包括以下步驟：在液晶上構(gòu)建相位光柵，液晶電極供電電壓可調(diào)整，用光電傳感器接收激光通過液晶后的第0級(jí)衍射光強(qiáng)，通過理論計(jì)算衍射屏處第0級(jí)衍射光強(qiáng)與相位值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及實(shí)測(cè)的光強(qiáng)和PWM波脈寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就測(cè)出了相位值與PWM波脈寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即測(cè)出了液晶相位調(diào)制特性。

更進(jìn)一步的，所述液晶供電電壓調(diào)整方法為PWM波，通過改變液晶公共電極電壓和液晶電極電壓占空比來實(shí)現(xiàn)幅度為±5V，脈寬從0％～100％的255個(gè)等級(jí)連續(xù)可控的PWM波。

更進(jìn)一步的，所述構(gòu)建的液晶相位光柵寬度為a，光柵平行于y軸方向，相位延遲分別為0和間隔。

更進(jìn)一步的，所述的接收衍射光強(qiáng)的光電傳感器為PSD傳感器。

更進(jìn)一步的，所述的理論計(jì)算觀察屏處光強(qiáng)與調(diào)制相位的分析方法為：衍射屏孔徑函數(shù)為t(x,y)，入射光為e(x,y)，由此可得衍射屏上的復(fù)振幅分布函數(shù)根據(jù)衍射理論可知，遠(yuǎn)場(chǎng)光束的衍射圖樣與液晶出射表面的光束復(fù)分布為傅里葉變化關(guān)系，由此可得出所構(gòu)建的液晶光柵模型的遠(yuǎn)場(chǎng)光束復(fù)分布振幅其中是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光的復(fù)振幅，是液晶出射表面的光束，光強(qiáng)分布即可得第0級(jí)衍射光斑的歸一化光強(qiáng)可得調(diào)制相位和光強(qiáng)的關(guān)系得調(diào)制相位和第0級(jí)衍射光強(qiáng)直接的關(guān)系。

更進(jìn)一步的，占空比從0％～100％改變所加液晶電極PWM波的占空比來改變電極所加電壓V，實(shí)測(cè)調(diào)制占空比和0級(jí)光斑光強(qiáng)關(guān)系。

更進(jìn)一步的，衍射光的光強(qiáng)值由PSD轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)后用AD采集，可得實(shí)際光強(qiáng)變化值，并記錄脈寬從0％～100％光強(qiáng)變化值的最大值和最小值，最大值對(duì)應(yīng)為最小值對(duì)應(yīng)為根據(jù)最大值、最小值以及其他點(diǎn)處光強(qiáng)值，可得該光強(qiáng)變化值對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制量結(jié)合該光強(qiáng)值處對(duì)應(yīng)的PWM占空比，即得到了該液晶的相位調(diào)制特性，AD轉(zhuǎn)換器采集一定時(shí)間并求均值來消除光源噪聲帶來的光強(qiáng)抖動(dòng)。

本發(fā)明一種基于衍射光柵的液晶相位調(diào)制特性的測(cè)量方法具體步驟如下：

步驟(1)：在液晶上構(gòu)建寬度為a，在平行于y軸方向的狹縫，相位延遲分別為0和間隔的液晶相位光柵，孔徑函數(shù)為t(x,y)，入射光為e(x,y)，由此可得衍射屏上的復(fù)振幅分布函數(shù)

步驟(2)：根據(jù)衍射理論可知，遠(yuǎn)場(chǎng)光束的衍射圖樣與液晶相控陣出射表面的光束復(fù)分布為傅里葉變化關(guān)系，由此可得出周期性閃耀光柵模型的遠(yuǎn)場(chǎng)光束復(fù)分布振幅

步驟(3)：光強(qiáng)分布即可得第0級(jí)衍射光斑的光強(qiáng)和調(diào)制相位關(guān)系其中I₀相位光柵調(diào)制相位時(shí)第0級(jí)衍射光斑光強(qiáng)。

步驟(4)：在實(shí)驗(yàn)室中搭建光路，如圖6所示，光源所發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直、擴(kuò)束后照射到液晶光柵，透過液晶光柵的激光再經(jīng)過透鏡后匯聚在觀察屏處，觀察屏處用PSD采集衍射光斑，并經(jīng)過AD采集后輸入計(jì)算機(jī)記錄。

步驟(5)：改變電極供電占空比來調(diào)節(jié)所加電壓V，如圖4所示，記錄在該占空比條件下的第0級(jí)衍射光強(qiáng)直接的關(guān)系。實(shí)測(cè)調(diào)制占空比和0級(jí)光斑光強(qiáng)關(guān)系如圖7所示。

步驟(6)：利用步驟(3)第0級(jí)衍射光斑的光強(qiáng)和調(diào)制相位關(guān)系以及實(shí)測(cè)第0級(jí)衍射光斑光強(qiáng)，可求得該光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的調(diào)制相位值。

步驟(7)：利用步驟(5)所得調(diào)制占空比和0級(jí)光斑光強(qiáng)關(guān)系，步驟(6)所得光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的調(diào)制相位值，可以得到調(diào)制占空比和調(diào)制相位的關(guān)系，如圖8所示，由此，也就求得液晶相位光柵的相位調(diào)制特性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明該方法光路簡(jiǎn)單，光路中僅需光源、擴(kuò)束鏡、匯聚透鏡，接收PSD，光路無需折返。

(2)本發(fā)明該方法光路簡(jiǎn)單能對(duì)整個(gè)液晶的相位調(diào)制特性測(cè)量。

(3)本發(fā)明該方法光路簡(jiǎn)單可對(duì)任一波長(zhǎng)激光測(cè)量，更換光源即可對(duì)測(cè)量該光源波長(zhǎng)的相位調(diào)制特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種液晶相位調(diào)制特性的測(cè)量方法流程圖；

圖2為雙縫干涉法的測(cè)量原理圖；

圖3為液晶相位光柵示意圖；

圖4為所加PWM波示意圖；

圖5為調(diào)制相位和光強(qiáng)關(guān)系圖；

圖6為液晶光柵相位調(diào)制測(cè)量光路圖；

圖7為實(shí)測(cè)調(diào)制占空比和0級(jí)光斑光強(qiáng)關(guān)系圖；

圖8為實(shí)測(cè)調(diào)制占空比和調(diào)制相位關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

本發(fā)明一種液晶相位光柵相位調(diào)制測(cè)量方法，如圖1所示，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)：分析液晶相位光柵調(diào)制相位與衍射光斑中第0級(jí)主極大光強(qiáng)的關(guān)系。假設(shè)液晶光柵常數(shù)為2a，在平行于y軸方向的狹縫，相位延遲分別為0和間隔的液晶相位光柵分別均為a，相位延遲為0的光柵孔徑可以表示為矩形函數(shù)相位延遲為的光柵孔徑可以表示為整個(gè)孔徑函數(shù)為t(x,y)具體表達(dá)式如下：

假設(shè)入射光函數(shù)e(x,y)＝E₀exp(i2πu₀x)，則衍射屏上的復(fù)振幅分布函數(shù)為：

根據(jù)衍射理論可知，遠(yuǎn)場(chǎng)光束的衍射圖樣與液晶相控陣出射表面的光束復(fù)分布為傅里葉變化關(guān)系，由此可得出周期性閃耀光柵模型的遠(yuǎn)場(chǎng)光束復(fù)分布振幅為：

其中C為常數(shù)，F(xiàn)為傅里葉運(yùn)算符；

可得，衍射屏光強(qiáng)分布的具體表達(dá)式如下：

可得第0級(jí)衍射光斑的歸一化光強(qiáng)為：其中I₀相位光柵調(diào)制相位時(shí)第0級(jí)衍射光斑光強(qiáng)。

步驟(2)：液晶光柵整個(gè)周期的電極所加PWM占空比均為0，此時(shí)前1/2周期和后前1/2周期調(diào)制相位無差別，記錄下占空比值和采集PSD的AD值，此時(shí)AD值為I₀。

步驟(3)：液晶光柵中前1/2周期電極所加電壓PWM占空比為0，后1/2周期電極所加PWM占空比分為255個(gè)等級(jí)，從0～255均勻改變，并記錄下后1/2周期電極所加PWM占空比和對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射屏光強(qiáng)值，得到PWM占空比和第0級(jí)衍射光強(qiáng)直接的關(guān)系，如圖3所示。

步驟(4)：在PWM占空比0～255個(gè)等級(jí)中，從第0級(jí)開始尋找最小值，最小值點(diǎn)為光柵調(diào)制相位為π，如圖4所示，從實(shí)測(cè)值可看出，占空比為第52級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)調(diào)制相位為π。

步驟(5)：假設(shè)AD讀數(shù)值與調(diào)制相位值比例系數(shù)為b，背景光初值為a，則調(diào)制相位與AD讀數(shù)關(guān)系為

步驟(6)：根據(jù)步驟(5)調(diào)制相位與AD讀數(shù)關(guān)系為步驟(4)中相位為0的AD值，以及相位為π的AD值，可計(jì)算出背景光初值為a，AD讀數(shù)值與調(diào)制相位值比例系數(shù)為b，得到了a，b后可求得在0～π范圍內(nèi)其他點(diǎn)處AD讀數(shù)所對(duì)應(yīng)的相位值也就得到了0～π的相位調(diào)制特性。

步驟(7)：PWM占空比52～255個(gè)等級(jí)中，從第52級(jí)開始尋找最大值，最大值點(diǎn)為光柵調(diào)制相位為2π，如圖4所示，從實(shí)測(cè)值可看成，占空比為第77級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)調(diào)制相位為2π。

步驟(8)：根據(jù)步驟(7)所找到的調(diào)制相位為2π對(duì)應(yīng)的AD值以及調(diào)制相位為π對(duì)應(yīng)的AD值，同步驟(6)可得到π～2π范圍的a，b值，然后就可以求得得在π～2π范圍內(nèi)其他點(diǎn)處AD讀數(shù)所對(duì)應(yīng)的相位值也就得到了π～2π的相位調(diào)制特性。

步驟(9)：結(jié)合步驟(6)，步驟(8)可得到一個(gè)周期內(nèi)0～2π的相位調(diào)制特性，以PWM占空比為橫坐標(biāo)，調(diào)制相位為縱坐標(biāo)可繪制調(diào)制占空比和調(diào)制相位關(guān)系圖，如圖8所示。