一种液晶指向矢快速测量装置及其实现方法与流程

本发明涉及液晶的应用领域，特别是涉及一种液晶指向矢快速测量装置及其实现方法。

背景技术：

液晶是介于晶体和液体之间的中间态物质，其分子在液晶内部可自由移动但指向存在一定的有序性。此有序性的从优方向被定义为指向矢，描述液晶分子在空间上的宏观排列方向，表征液晶的宏观结构和状态。在外界磁场、电场等条件的影响下，指向矢易偏离原始方向重新排列，使液晶呈现出旋光和电控双折射等电光特性。基于这些特性液晶被应用于光开关、可调谐滤波器、生物传感、三维显示以及光通信等领域。虽然液晶器件应用已经很广泛，但是普遍存在响应速度较慢的技术难题。开发快速响应的液晶器件，需要深入研究液晶内部分子随着外场的动态变化过程。目前液晶指向矢分布特性的实验研究大多是通过探测液晶透射光强来进行的，这类方法在测量过程中会受光源功率波动的影响且只能单参数测量，无法同时获得完整指向矢分布信息。现有的Müller矩阵偏振测量法实现了对液晶分子平均指向矢的快速测量，该方法可测量液晶指向矢的多个参数，但设备昂贵且光路结构和反演算法都极为复杂。随着液晶显示技术应用范围的扩展，并日益深入日常生活，需寻找一种光路简单、低成本的装置实现液晶指向矢的快速测量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种液晶指向矢快速测量装置及其实现方法，对液晶基础物理的研究和器件性能的优化都具有重要意义。

本发明采用以下方案实现：一种液晶指向矢快速测量装置，包括从左到右依次并排放置的起偏器、扩束镜、检偏器以及成像屏；一待测扭曲向列型液晶设置于所述起偏器和扩束镜之间；一激光光源经过所述起偏器入射到扭曲向列型液晶；一位于所述扩束镜和检偏器之间的用以形成干涉条纹的晶体斜劈，所述晶体斜劈为带有劈角的双折射晶体，且呈四棱锥状；所述扩束镜和晶体斜劈之间设有一半圆形1/4波片；还包括一用以采集干涉条纹光强数据的线阵相机，所述线阵相机设置于所述成像屏的右侧，所述线阵相机的输出端连接至一计算机用以进行数据处理。

进一步地，所述起偏器的偏振方向处于竖直方向。

进一步地，所述半圆形1/4波片的快轴方向处于45°。

进一步地，所述晶体斜劈的劈角为1°。

进一步地，所述检偏器偏振方向处于45°。

本发明还采用以下方法实现：一种液晶指向矢快速测量装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光光源经过起偏器以一定的角度入射到待测扭曲向列型液晶，通过调整起偏器的偏振方向使其平行于待测液晶入射光测液晶分子锚定方向；

步骤S2：在待测液晶出射光方向放置扩束镜，经所述扩束镜扩大后的光斑一部分直接入射到所述晶体斜劈，另一部分经过半圆形1/4波片入射到晶体斜劈，再经过所述检偏器在所述成像屏上形成两组分别对应液晶透射光相关偏振参数Δ和γ的干涉条纹；

步骤S3：采用线阵相机对所述的两组条纹进行同时采集，分别记录其光强数据；

步骤S4：经计算机对所述的光强数据进行滤波和除背景光处理，得到波谷或波峰位置，并与标准偏振光产生的波谷或波峰位置进行对比，计算出透射光的两相关偏振参数；

步骤S5：根据液晶指向矢的倾斜角θ和扭转角φ和透射光偏振态的关系，结合步骤S4中测得的偏振参数计算出液晶的指向矢。

进一步地，所述晶体斜劈的劈角为1°。

进一步地，所述激光光源的波长为632.8nm的He-Ne激光光源。

进一步地，所述线阵相机的像素是1280*1024的CCD相机。

进一步地，所述计算机进行数据处理时采用Labview软件平台，依次采用波峰检测模块中值滤波模块及数组操作模块，进行滤波、扣除背景光和寻找波谷或波峰的运算，具体为：

假设液晶中透射光的偏振态用琼斯矩阵表示，利用琼斯矩阵对偏振光的传播过程进行推到，得到经过1/4波片和未经过1/4波片的光路产生的干涉条纹对应的光强分别为：

I₁(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(γ+l(y))

I₂(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(Δ+l(y))

I₁中的γ是振幅比角通过1/4波片转换而来的相位差，Δ和γ意义相同，l(y)表示由劈角是α的晶体斜劈引入的相位差，与o光和e光的折射率差以及晶体斜劈横向位置坐标y相关，I₁只与位置坐标y和相位差Δ相关。相位差的大小表现为条纹位置的变化，因而通过对条纹的定位来测量Δ，γ：

其中δy表示液晶中透射光产生的条纹与标准偏振光产生的条纹位置的变化量，l_λ表示条纹间距，即Δ和γ是通过条纹移动量与条纹间距l_λ的比值获得；因而测量的精度主要依赖于条纹位置测量的精度和条纹间距所对应的像素比值。例如为了方便条纹的采集，采用1°的石英晶体斜劈，可以计算出干涉形成的条纹间距l_λ约为5mm。该间距的选择主要考虑在整个光斑内需要包含2到3个暗纹，便于相机对单个完整条纹进行记录。在上述要求内尽量大的条纹间距可以使单个条纹覆盖更多的相机像素，从而调高测量精度。若调节相机的镜头，使整个条纹覆盖相机的1000像素，其波谷的测量精度可以达到0.1个像素，因而透射光相关偏振参数测量的相对精度可以达到1×10^-4的量级。

综上所述，通过晶体斜劈的偏光干涉将液晶中透射光转换成沿着一维方向的干涉条纹，通过对干涉条纹位置的测量获得液晶中透射光的相关偏振参数Δ和γ，根据液晶指向矢的倾斜角θ和扭转角φ与Δ和γ关系，进而计算出液晶指向矢的θ和φ。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的方法采用单次曝光实现了液晶指向矢倾斜角和扭转角的同步测量，结合高速线阵相机可以实现微秒量级的测量速度。

(2)本发明的方法测量结果不受光源波动性的影响，而且是线性测量，测量精度精度主要依赖于条纹定位的精度和条纹间距的比值，有利于提高倾斜角和扭转角的测量精度。

(3)本发明的方法所采用的光路简单紧凑且稳定，测量过程无光学器件的调节，有利于提高测量的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例测量装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的晶体斜劈的结构示意图。

图中：1-激光光源；2-起偏器；3-扭曲向列型液晶；4-扩束镜；5-半圆形1/4波片；6-晶体斜劈；7-检偏器；8-成像屏；9-线阵相机；10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例具体对本发明进行进一步说明。

如图1与图2所示，本实施例提供的一种液晶指向矢快速测量装置，包括从左至右依次并排设置的起偏器2、扩束镜4、检偏器7和成像屏8，一待测扭曲向列型液晶3设置于所述起偏器2和扩束镜4之间；一激光光源1经过所述起偏器2入射到扭曲向列型液晶3；一位于所述扩束镜4和检偏器7之间的用于形成干涉条纹的晶体斜劈6，所述晶体斜劈6是带有劈角的双折射晶体，且呈四棱锥状。所述扩束镜3和晶体斜劈6之间设有一半圆形1/4波片5；一用于采集干涉条纹光强数据的线阵相机9，所述线阵相机9设置于所述成像屏8的右侧，所述线阵相机9的输出端连接至一计算机软件进行数据处理。

在本实施例中，所述晶体斜劈6的劈角是1°。

在本实施例中，所述起偏器2的偏振方向处于竖直方向。

在本实施例中，所述半圆形1/4波片5的快轴方向位于45°位置。

在本实施例中，所述检偏器7的偏振方向处于45°位置。

在本实施例中，还提供一种液晶指向矢快速测量装置的实现方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光光源1经过起偏器2以一定的角度入射到待测扭曲向列型液晶3，通过调整起偏器2的偏振方向使其平行于待测液晶3入射光测液晶分子锚定方向；

步骤S2：在待测液晶出射光方向放置扩束镜4，经所述扩束镜4扩大后的光斑一部分直接入射到所述晶体斜劈6，另一部分经过半圆形1/4波片5入射到晶体斜劈6，再经过所述检偏器7在所述成像屏8上形成两组分别对应液晶透射光相关偏振参数Δ和γ的干涉条纹；

步骤S3：采用线阵相机9对所述的两组条纹进行同时采集，分别记录其光强数据；

步骤S4：经计算机处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景光处理，得到波谷(或波峰)位置，与标准偏振光产生地波谷(或波峰)位置进行对比，计算出透射光的两相关偏振参数Δ和γ；

步骤S5：根据液晶指向矢的倾斜角θ和扭转角φ和透射光偏振态的关系，结合步骤S4中测得的偏振参数计算出液晶的指向矢。

在本实施例中，所述晶体斜劈6的劈角式1°。

在本实施例中，所述激光光源1是波长为632.8nm的He-Ne激光。

在本实施例中，所述线阵相机9的像素是1280*1024的CCD相机。

在本实施例中，所述计算机处理系统是在Labview软件平台下采用波峰检测、中值滤波及数组操作等模块编写程序，进行滤波、扣除背景光处理和寻找波谷(或波峰)等运算。

下面通过本实施例的具体实施过程做进一步说明。

以632.8nm的He-Ne光源1为例，调节起偏器2的偏振方向至竖直方向，与待测液晶3入射光侧的分子锚定方向平行。在外界电压的驱动下，液晶中透射光的偏振偏态发生变化。光斑经过扩束镜4后变成直径为20mm的光斑，此光斑部分经过的半圆形1/4波片5是零级石英波片，其快轴与水平方向夹角为45°。半圆形1/4波片5的作用在于偏振光的竖直和水平方向的分量之间引入90°，将液晶中出射光的振幅比角转换成相位差γ。与另一部分未经过1/4波片5的光斑同时入射到石英晶体斜劈6，所述石英晶体斜劈6的劈角是1°，外观尺寸是20×20×2mm，结构示意图如图2。其中箭头表示光轴方向，与x，y坐标轴重合，即分别位于水平和竖直方向上。光沿着z轴方向传播，劈角沿着y轴(水平)方向。光束通过石英晶体斜劈6后在光斑的不同水平位置上引入不同的光程差，最后通过偏振方向处于45°的检偏器7到达成像屏8形成两组分别对应Δ和γ的干涉图样。用1280*1024像素的工业线阵相机9采集图像，并在Labview软件平台下采用波峰检测、中值滤波及数组操作等模块编写程序，进行滤波、扣除背景光和寻找波谷(或波峰)等运算，具体为：

假设液晶中透射光的偏振态用琼斯矩阵表示，利用琼斯矩阵对偏振光的传播过程进行推到，可得到经过1/4波片和未经过1/4波片的光路产生的干涉条纹对应的光强分别为：

I₁(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(γ+l(y))

I₂(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(Δ+l(y))

I₁中的γ是振幅比角通过1/4波片转换而来的相位差，由I₁和I₂的比较可知，Δ和γ意义相同。l(y)表示由劈角是α的晶体斜劈6引入的相位差，与o光和e光的折射率差以及晶体斜劈6横向位置坐标y相关。I₁只与位置坐标y和相位差Δ相关。相位差的大小表现为条纹位置的变化，因而可以通过对条纹的定位来测量Δ，γ。

其中δy表示液晶中透射光产生的条纹与标准偏振光产生的条纹位置的变化量。l_λ表示条纹间距。即Δ和γ是通过条纹移动量与条纹间距l_λ的比值来获得。因而测量的精度主要依赖于条纹位置测量的精度和条纹间距所对应的像素比值。例如为了方便条纹的采集，采用1°的石英晶体斜劈6，可以计算出干涉形成的条纹间距l_λ约为5mm。该间距的选择主要考虑在整个光斑内需要包含2到3个暗纹，便于相机对单个完整条纹进行记录。在上述要求内尽量大的条纹间距可以使单个条纹覆盖更多的相机像素，从而调高测量精度。若调节相机的镜头，使整个条纹覆盖相机的1000像素，其波谷的测量精度可以达到0.1个像素，因而透射光相关偏振参数测量的相对精度可以达到1×10^-4的量级。

综上所述，通过晶体斜劈的偏光干涉可以将液晶中透射光转换成沿着一维方向的干涉条纹。通过对干涉条纹位置的测量可以获得液晶中透射光的相关偏振参数Δ和γ，根据液晶指向矢的倾斜角θ和扭转角φ与Δ和γ关系，进而可以计算出液晶指向矢的θ和φ。该方法测量的结果与光源波动性无关，可以有效排除光强波动带来的影响，提高测量的精度和可靠性。而测量速度由相机的采集速率决定。若采用100KHz以上的高速线阵相机，则该方法测量液晶指向矢的时间分辨率可达到微秒量级。

本发明提供的上列较佳实施例，对本发明的目的，技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并不用限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。