测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置和方法

专利名称：测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置和方法
技术领域：
本发明属于光电子学和测量技术领域，涉及一种液晶器件的 测试装置和方法，具体地说是一种测量液晶器件扭曲角和光延迟 的装置和方法。
背景技术：
液晶器件由于具有功耗低、体积小和重量轻等诸多优点，已 经被用在非常广泛的领域中。现在广泛应用的测量液晶器件的扭
曲角和光延迟的方法主要是Stokes参数法(Susumu Sato等，日 本)、光谱扫描法(S. T. Tang等，香港)和干涉法等。这些方 法都归于两类单色光法和光谱法。它们存在下列缺点
1. 采用光谱法测量，会由于液晶器件内部多层膜之间的反射 产生的Fabry-Perot效应，引起测量误差。
2. 采用光谱法测量，结构复杂，费用较高。
3. 采用单色光测量，由于光源的波动或环境的影响，光强值 易产生测量误差。
4. 采用光谱测量和采用单色光测量，由于光强信号及光电转 换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移也要产生测量误差。
光学外差测量技术具有精度高、抗干扰性强的优点，常用于 长度、位移、速度等物理量的精确测量，但是尚未应用在液晶器 件的测试领域。

发明内容
本发明的目的是提供 一 种测量液晶器件扭曲角和光延迟的装 置和方法，此方法将光学外差法应用于液晶器件的测量，且能克 服上述测量误差。
本发明测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置，如图1所示， 包括双频塞曼激光器l，入/4波片2，分束器3，被测液晶器件 4，检偏器5、 7，光电探测器6、 8，信号处理部分9。
在本发明测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置中，双频塞曼 激光器1的输出光轴与入/4波片2的表面互相垂直；双频塞曼激
光器1的输出光轴与分束器3的反射面成45度夹角；在分束器3
和光电探测器6之间依次是被测液晶器件4、检偏器5，被测液晶 器件4的表面、检偏器5的表面和光电探测器6的表面垂直于分 束器3的透射光，检偏器5的透光轴和A /4波片2的慢轴成45 度角；在分束器3和光电探测器8之间是检偏器7，检偏器7的 表面、光电探测器8的表面垂直于分束器3的反射光。
本发明的双频塞曼激光器1发出具有频差的左、右旋圆偏振 光，入/4波片2使双频塞曼激光器1的出射光成为偏振方向互相 垂直的双频线偏振光，分束器3使光线部分透射，部分反射，检 偏器5、 7使双频光的振动方向一致而产生拍频干涉，光电探测器 6、 8分别采集拍频信号，并送入信号处理部分9，信号处理部分 9对两路信号作比较，得到两路信号的相位差。
本发明的测量液晶器件扭曲角和光延迟装置的工作过程。 双频塞曼激光器1发出具有频差的左、右旋圆偏振光，经过 入/4波片2后使双频塞曼激光器1发出的具有频差的左、右旋圆
偏振光成为偏振方向互相垂直的双频线偏振光。分束器3将双频 线偏振光分成为两部分，透射光和反射光。透射光称为信号光， 反射光称为参考光。检偏器7使参考光产生光学拍频干涉，拍频 信号被光电探测器8采集。当信号光通过被测液晶器件4时，被 测液晶器件4使信号光产生与参考光不同的相位变化，再经过检 偏器5产生拍频干涉，拍频信号被光电探测器6采集。光电探测 器6、 8将拍频信号转变为交流电信号，送入信号处理部分9，得 到参考光和信号光干涉信号的相位差。根据参考光和信号光干涉 信号的相位差，计算出被测液晶器件4的扭曲角和光延迟数据。 本发明的测试方法。
以光轴为轴转动被测液晶器件4，当被测液晶器件4的转角 为0度、60度和180度时，记录信号处理部分9得到的相位差^、 %和％，由计算机利用外差式测量方程求解，外差式测量方程为
<formula>formula see original document page 5</formula>
方程中3和/ 表示如下<formula>formula see original document page 5</formula>
用^、 A和^替换外差式测量方程中的4S 用0、 ；r/3和2;r/3替
换外差式测量方程中的p由计算机进行曲线拟合，得到被测液晶 器件4的扭曲角和光延迟数据。
本发明的外差式测量方程及其导出过程。
信号光路的坐标系如图2所示。检偏器5的透光轴取为x轴， 与检偏器5的透光轴垂直方向取为y轴。图中A是被测液晶器件 4的光线进入面上的分子指向矢投影；B是被测液晶器件4的光线 射出面上的分子指向矢投影；"是被测液晶器件4的转角为0度 时，被测液晶器件4的光线进入面上的液晶分子指向矢方向在x-y 平面的投影与x轴方向的夹角；^为被测液晶器件的扭曲角。
以后所使用的数学符号统一说明如下。
未知参数
0为被测液晶器件的扭曲角、And为被测液晶器件的光延迟；
"为被测液晶器件4的转角为0度时，被测液晶器件4的光 线进入面上的液晶分子指向矢方向在x-y平面的投影与x轴方向 的夹角。"、0、 And将同时得到求解。
已知参数，即由本发明的装置可以直接得到的参数
甲为信号处理部分9得到的相位差；
/为被测液晶器件4的转角；
义为塞曼激光器的波长。
外差式测量方程的推导目标即是将上述未知参数和己知参数 组合成一个可以求解的方程。为此，下述式(l) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 即是为了利用已知公式表达g、甲2、 ％与"、0、 And、 y、义的
关系式。
信号处理部分9得到的相位差？满足如下已知公式
中二arg(H,2) (1) Efolt,、 E^,。分别表示x、 y轴方向振动的频率不同的两束光通 过检偏器5后的表达式
<formula>formula see original document page 6</formula>
(2) (3)式中R为旋转矩阵
R(*)=
cos(*) sin(*) —sin(*) cos(*)
(4)
M是光在液晶中传输的琼斯矩阵
义sin"
—0<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
(5)式中的R同(4)式，(5)式中
<formula>formula see original document page 7</formula>(6)
<formula>formula see original document page 7</formula>(7)
至此，已经列出甲与"、0 、And 、义、/的关系式即
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)式。继续推导得到液晶器件扭曲角和光延
迟的外差式测量方程(8)
0&os2(^ + or + y)sin2/ _ "&in2(^ + + /)sin;&osy9
tan甲=2 x
(8)
外差式测量方程中5和/ 表示如下
本发明的特点和积极效果
1. 本发明是把光学外差法用于测量液晶器件扭曲角和光延 迟的方法和装置。
2. 被测液晶器件使信号光相位发生了变化，在信号光和参考 光分别产生节拍干涉时，这两个节拍信号的相位差等于被测液晶 器件使信号光发生的相位变化。
3. 本发明由传统测量方法的测量光强大小，转为光学外差法 的测量光学拍频信号的相位变化。由于本发明的拍频信号的频率 只有几兆赫兹，光电探测器能够响应信号的频率和相位变化。相
对于传统方法测量的易受干扰的光强信号，拍频信号更能避免光 源波动或环境影响造成的误差。
4. 由传统方法的直流电信号，转为交流电信号。传统方法的 光电探测器输出为直流信号，本方法的光电探测器输出为随相位 变化的交流信号。因此由交流放大器代替常规的直流放大器，这 样可以隔绝由外界干扰引起的直流电平漂移。
5. 利用琼斯矩阵推导相位差与其他参变量之间的关系。
6. 测试前不需知道液晶表层分子方向，而且在得到液晶器件
的扭曲角和光延迟的同时，得到液晶表层分子方向。


图1为本发明的测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置的结构
示意图。图中l是双频塞曼激光器，2是A/4波片，3是分束器， 4是被测液晶器件，5、 7是检偏器，6、 8是光电探测器，9是信
号处理部分。
图2为信号光路的坐标系示意图。A是被测液晶器件的光线 进入面上的分子指向矢投影；B是被测液晶器件的光线射出面上 的分子指向矢投影；"是被测液晶器件4的转角为0度时，被测 液晶器件4的光线进入面上的液晶分子指向矢方向在x-y平面的 投影与x轴方向的夹角；^为被测液晶器件的扭曲角。
图3中的曲线为信号处理部分9得到的相位差T和被测液晶 器件4的转角y的关系示意曲线，图3中的黑点表示在测量中，使 被测液晶器件4的转角7等于0度、60度和120度时，分别由信 号处理部分9测得的相位差^、甲2和^。
具体实施例方式
本发明的一个实施例为
装置示意图如图1所示。双频塞曼激光器1的波长A为
0. 6328戶，频差2. 7MHz。检偏器5、 7采用偏振棱镜。光电探测 器6、 8采用光电倍增管。信号处理部分9为相位计。
以光轴为轴转动被测液晶器件4，当被测液晶器件4的转角 为0度、60度和180度时，记录信号处理部分9得到的相位差T,、 %和^，由计算机利用外差式测量方程求解，外差式测量方程为:
<formula>formula see original document page 8</formula>方程中5和々表示如下
用^、 A和^替换外差式测量方程中的甲，用0、冗/3和2丌/3替 换外差式测量方程中的y，由计算机进行曲线拟合，得到被测液晶 器件4的扭曲角和光延迟数据。
图3即为本实施例中，信号处理部分9得到的相位差甲和被 测液晶器件4的转角r的关系曲线示意图。黑点为本实施例中，使 被测液晶器件4的转角7等于0度、60度和120度时，分别由信 号处理部分9测得的相位差T,、 ％和^。
权利要求
1、一种测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置，其特征是由双频塞曼激光器(1)、λ/4波片(2)、分束器(3)、检偏器(5)和(7)、光电探测器(6)和(8)、信号处理部分(9)组成；双频塞曼激光器(1)的输出光轴与λ/4波片(2)的表面互相垂直，双频塞曼激光器(1)的输出光轴与分束器(3)的反射面成45度夹角，在分束器(3)和光电探测器(6)之间依次是被测液晶器件(4)、检偏器(5)，被测液晶器件(4)的表面、检偏器(5)的表面和光电探测器(6)的表面垂直于分束器(3)的透射光，在分束器(3)和光电探测器(8)之间是检偏器(7)，检偏器(7)的表面、光电探测器(8)的表面垂直于分束器(3)的反射光；双频塞曼激光器(1)发出具有频差的左、右旋圆偏振光，λ/4波片(2)使双频塞曼激光器(1)的出射光成为偏振方向互相垂直的双频线偏振光，分束器(3)使光线部分透射，部分反射，检偏器(5)和(7)使双频光的振动方向一致而产生拍频干涉，光电探测器(6)和(8)分别采集拍频信号，并送入信号处理部分(9)，信号处理部分(9)对两路信号作比较，得到两路信号的相位差。
2、 根据权利要求1所述的测量液晶器件扭曲角和光延迟的装 置，其特征是检偏器(5)、 (7)采用偏振棱镜，光电探测器(6)、(8)采用光电倍增管，信号处理部分(9)采用相位计。
3、 根据权利要求2所述的测量液晶器件扭曲角和光延迟的装 置，其特征是双频塞曼激光器(1)的波长义为0.6328戶，频差 2. 7MHz。
4、 利用权利要求1所述的装置测量液晶器件扭曲角和光延迟 的方法，其特征是以光轴为轴转动被测液晶器件(4)，当被测 液晶器件(4)的转角为0度、60度和180度时，记录信号处理 部分(9)得到的相位差甲,、？2和甲3，用^、 ^和^替换外差式 测量方程中的甲，用0、 ；r/3和2;r/3替换外差式测量方程中的y， 由计算机进行曲线拟合，得到被测液晶器件(4)的扭曲角和光延 迟数据。
5、 根据权利要求4所述的测量液晶器件扭曲角和光延迟的方法，其特征是所述的外差式测试方程为<formula>see original document page 3</formula>外差式测试方程中<formula>see original document page 3</formula>，Φ是被测液晶器件(4) 的扭曲角，And是被测液晶器件(4)的光延迟，义是塞曼激光器(1)的波长，/是被测液晶器件(4)的转角，"是y为0度时， 被测液晶器件(4)的光线进入面上的液晶分子指向矢方向在x-y 平面的投影与x轴方向的夹角，甲是信号处理部分(9)测得的相 位差。
全文摘要
本发明属于光电子学和测量技术领域，是一种测量液晶器件扭曲角和光延迟的装置和方法。本发明的装置，包括双频塞曼激光器，λ/4波片，分束器，检偏器，光电探测器，信号处理部分。测试时，以光轴为轴转动被测液晶器件4，当被测液晶器件的转角为0度、60度和180度时，记录信号处理部分9得到的相位差Ψ₁、Ψ₂和Ψ₃，由计算机利用外差式测量方程对Ψ₁、Ψ₂、Ψ₃和0、π/3、2π/3进行曲线拟合，得到被测液晶器件的扭曲角和光延迟数据。由于本发明的拍频信号的频率只有几兆赫兹，光电探测器能够响应信号的频率和相位变化，相对于传统方法测量的易受干扰的光强信号，拍频信号更能避免光源波动或环境影响造成的误差。由交流放大器代替常规的直流放大器，这样可以隔绝由外界干扰引起的直流电平漂移。
文档编号G02F1/13GK101169525SQ200610131610
公开日2008年4月30日 申请日期2006年11月9日 优先权日2006年11月9日
发明者涛 于, 付国柱, 航 张, 张睿鹏, 海 荆, 陆云涛 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所