一种设计最佳过驱动电压的方法与流程

本发明涉及液晶光束控制的技术领域，具体涉及一种设计最佳过驱动电压的方法，对液晶空间光调制器系统的最佳驱动电压进行选择。

背景技术：

空间激光通信具有信息容量大、保密性高以及体积小、重量轻等优点近些年来得到广泛的研究与应用。在星载环境等中，传统的机械式atp系统在重量、体积和功耗上具有一定的局限性，因此急需实现更为灵巧、便捷的微机械式或非机械式的光束偏转技术。在现有的非机械光束偏转控制器中，液晶器件采用电场进行驱动，功耗较低；可以对电极进行独立控制；光束偏转精度可以达到微弧度级，成为空间激光通信光束偏转的研究热点。

液晶在进行光束偏转控制时，其响应速度慢是液晶空间光调制系统急需解决的关键问题。过驱动方式是通过合理的提高驱动电压对液晶的响应进行加速的方法，该方法控制系统简单，易于实现；仅对液晶驱动电压进行调整，数据处理方便；系统体积小，功耗小，在近些年来得到了广泛的关注与应用。

过驱动方法最早由吴诗聪提出，其基本思想是使用更高的电压差来达到更快的响应速度，之后国内外对过驱动技术的应用开展大量研究。在过驱动技术中，在电场或者磁场的作用下，光入射到液晶之后其调制相位量会随驱动电极所施加的磁场或者电场发生变化，该现象被称为是液晶相位调制特性。根据液晶的相位调制特性可知，液晶器件的调制相位随着驱动电压的升高而升高，即在不同的驱动电压下，液晶系统可以实现不同的相位调制范围，并且驱动电压越高，对应的相位调制范围越大。

但是根据衍射场理论，液晶的相位调制是成周期性变化的，对应的衍射场的位置和光强分布也是呈周期性变化的，所以对与液晶器件来说，液晶器件的调制相位只需选则一段合适的2π段即可。所以施加电压过高并不一定会达到更好的效果，需要对最佳驱动电压进行判断。目前的过驱动研究方法中过驱动的驱动电压是采用直接选取并且实验的方法，没有从理论角度对最佳的过驱动电压进行分析和定义，针对以上问题，本发明提出了一种最佳过驱动电压的计算方法，根据对液晶的相位调制特性分析，最终得到最佳驱动电压的计算方程，经实验验证，该方法实际可行。

技术实现要素：

本发明设计一种设计最佳过驱动电压的方法，有效地解决了液晶空间光调制器过驱动系统最佳驱动电压的选择计算问题。实现了快速、准确建立过驱动系统基本要素的目标，进一步的提高了液晶空间调制器过驱动系统的响应速度，对于过驱动方法的实际应用具有重要意义。

本发明采用的技术方案为：一种设计最佳过驱动电压的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、测量液晶相位调制特性，通过傅里叶变换对基于夫琅禾费的液晶衍射光栅模型进行处理，建立起衍射光强与调制相位之间的关系，将光强与入射光相位调制量进行映射，最终得到调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性；

步骤二、建立计算液晶相位调制区间的方程，根据液晶相位时间响应公式，分别推导出液晶上升过程和下降过程的响应时间表达式，实现对液晶相位调制区间的计算；

步骤三、明确液晶器件的各项参数，对未知参数进行实验测量及计算；

步骤四、建立最佳过驱动电压的计算方程，对最佳驱动电压进行计算。

进一步地，测量液晶相位调制特性过程包括：

1)计算液晶光栅远场的衍射光强。对当液晶衍射光栅模型在衍射屏的复振幅分布函数进行傅里叶变换，求出入射光在透过光栅后在远场形成的衍射光强分布；

2)得到第0级衍射的归一化光强表达式如公式(1)所示，建立起液晶相位调制量与远场光强的关系。

式中，e0为入射光波振幅，为液晶的调制相位。

3)将远场光强合理映射到液晶驱动电压，最终得到液晶调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性；

进一步地，根据液晶相位调制响应公式(2)：

式中，表示t0时刻所对应的相位调制量，表示t1时刻对应的相位调制量，τ表示时间常数。理论推导建立起液晶起始相位与目标相位的关系；

进一步地，建立液晶相位调制区间的方程步骤如下：

1)将公式(2)两边取对数，设为调制相位区间的最大值求得过驱动响应时间的通用表达式(3)：

2)设液晶的2π调制相位段为在上升响应过程中的起始相位为终到相位则为时间常数为τr，得到上升的响应时间表达式；

3)在下降响应过程中，起始相位为终到相位为时间常数为τf，得到下降的响应时间表达式；

4)液晶响应时间的定义为上升过程所用时间与下降过程所用时间的总和，在控制系统中，当液晶上升和下降过程的时间近似相等时，可以保证控制对象有较好的特性，最终得到液晶最佳相位调制区间的计算方程(4)：

进一步地，明确方程(4)的各项参数，根据液晶的相位调制特性曲线实验测量液晶系统的最大调制相位推导上升时间常数τr，下降时间常数τf表达式；

进一步地，将液晶弛豫特性中液晶下降过程的时间常数τf的表达式与液晶上升过程的时间常数表达式τr带入到方程(4)中，整理得到最佳驱动电压的计算方程：

式中，v为驱动电压值，vth为液晶的阈值电压，该方程建立了驱动电压与调制相位之间的关系，求解方程(5)得到液晶的最佳驱动电压值。

本发明的原理在于：如图5所示，共包括四个部分：测量液晶相位调制特性、建立液晶相位调制区间的计算方程、明确液晶器件参数、计算最佳过驱动电压。

各部分连接关系：其特征在于最佳过驱动电压的计算方法，首先对液晶相位调制特性进行测量，通过傅里叶变换对基于夫琅禾费的液晶衍射光栅模型进行处理，建立起衍射光强与调制相位之间的关系，将光强与入射光相位调制量进行合理映射，最终得到调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性；建立液晶相位调制区间的方程，根据液晶相位时间响应公式，分别推导出液晶上升过程和下降过程的响应时间表达式，实现对液晶相位调制区间的计算；根据液晶的相位调制特性曲线得到液晶系统的最大调制相位，将液晶下降过程的时间常数τf的表达式与液晶上升过程的时间常数表达式τr带入到方程(4)中，整理得到最佳驱动电压的计算方程，实现对过驱动方法最佳驱动电压的计算。具体结构如下：

测量液晶相位调制特性：首先需要对液晶光栅远场的衍射光强进行计算。理论证明，当液晶衍射光栅模型在衍射屏的复振幅分布函数已知时，通过傅里叶变换的方法就可以求出入射光在透过光栅后在远场形成的衍射光强分布，建立起衍射光强与调制相位之间的关系。将光强与入射光相位调制量进行合理映射，最终得到调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性。

建立液晶相位调制区间的计算方程：将液晶相位时间响应公两边取对数，可求得过驱动响应时间的通用表达式，设液晶的2π调制相位段为在上升响应过程中的起始相位为终到相位则为时间常数为τr，得到上升的响应时间表达式，在下降响应过程中，起始相位为终到相位为时间常数为τf，得到下降的响应时间表达式。由液晶响应时间的定义可知，液晶响应时间的定义为上升过程所用时间与下降过程所用时间的总和，在控制系统中，当液晶上升和下降过程的时间近似相等时，可以保证控制对象有较好的特性，最终，得到液晶相位调制区间的计算方程：

计算液晶的最佳相位调制区间：根据液晶的相位调制特性曲线得到液晶系统的最大调制相位，将液晶弛豫特性中液晶下降过程的时间常数τf的表达式与液晶上升过程的时间常数表达式τr带入到相位调制区间方程中，整理得到最佳驱动电压的计算方程：

本发明与现有系统相比具有如下优点：

(1)同当前液晶相位调制特性测量方法相比，该发明通过傅里叶变换对基于夫琅禾费的液晶衍射光栅模型进行处理，建立起衍射光强与调制相位之间的关系，将光强与入射光相位调制量进行合理映射，最终得到调制相位与驱动电压的对应关系。该方法实验光路十分简单，不需要外加干涉装置，对环境要求较低，并且光源可以任意更换，能够满足在不同波长情况下相位调制的测量需要，通过光强来对相位进行映射，具备更好的动态测量范围和分辨率。

(2)同当前建立液晶相位调制区间的方程方法相比，该发明根据控制系统理论建立起液晶调制相位区间的计算方程。该方法有效地解决了过驱动系统构建过程中实验操作繁琐的问题，实现了快速、准确建立过驱动系统基本要素的目标。

(3)对于液晶最佳过驱动电压的计算方法，该发明首次提出了一种液晶最佳过驱动电压的计算方法，通过实验测量各项参数，提高了液晶系统的准确性，该方法有效的提高了液晶空间调制器过驱动系统的响应速度，对于过驱动方法的实际应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的过驱动方法的原理图。

图2是本发明的过驱动系统结构框图。

图3是本发明的过驱动相位响应上升过程示意图。

图4是本发明的过驱动相位响应下降过程示意图。

图5是本发明的最佳过驱动电压的计算方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，液晶过驱动的响应过程中，曲线1所示的为在正常驱动电压下液晶相位调制量的响应过程，在t0时刻对应的相位为液晶的初始相位，要使达到目标相位则t0时刻对液晶施加正常驱动电压u1，最终在t2时刻到达相位在t0时刻对液晶电极施加更高的驱动电压u2，入射光调制相位发生快速偏转，相位调制量在t1时刻便到达相位此时再将驱动电压切回u1使调制相位一直保持在整个液晶相位变化过程如曲线2所示，该过程即为液晶的过驱动方法的上升响应过程。

如图2所示，液晶过驱动系统的实现即为驱动电路读取当前帧的相位数据，并通过帧缓存器接收上一帧的相位数据，根据两组数据的对比进行过驱动查表，选取一个预设定的过驱动量输入到驱动电路中，实现驱动电压输出。在处理完当前帧的同时将该帧数据存储在帧缓存器中来覆盖前一帧的数据，用来处理下一组相位数据，以此类推。

如图3所示，液晶相位响应的上升过程中，响应曲线近似为指数函数，在电场驱动下，电场力为动力，克服弹性力做功。并且由于液晶的弛豫特性，随着响应时间的推移，调制相位响应速度逐渐减小。在单纯考虑上升响应过程的情况下2π调制相位段应该选择在低相位段，在0到2π段上升响应时间最短。

如图4所示，在液晶相位响应的下降过程中，液晶分子的弹性能转变为动力能克服弛豫特性和电场力做功，由于阻力等因素影响，弹性力的力矩随着时间变化逐渐减小，相位响应速度逐渐减慢。所以对于下降响应过程，应将调制相位段选择在高相位段，在区间响应速度最快。

如图5所示，最佳过驱动电压的计算方法，首先对液晶相位调制特性进行测量，通过傅里叶变换对基于夫琅禾费的液晶衍射光栅模型进行处理，建立起衍射光强与调制相位之间的关系，将光强与入射光相位调制量进行合理映射，最终得到调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性；建立液晶相位调制区间的方程，根据液晶相位时间响应公式，分别推导出液晶上升过程和下降过程的响应时间表达式，实现对液晶相位调制区间的计算；根据液晶的相位调制特性曲线得到液晶系统的最大调制相位，将液晶弛豫特性中液晶下降过程的时间常数τf的表达式与液晶上升过程的时间常数表达式τr带入到相位调制区间方程中，整理得到最佳驱动电压的计算方程，实现对过驱动方法最佳驱动电压的计算。