高精度純相位液晶空間光調制器的研究

高精度純相位液晶空間光調制器的研究

劉永軍 宣 麗 胡立發 ?曹召良 李大禹 穆全全 魯興海

摘要: 研制了平行排列液晶空間光調制器(LCSLM)。論述了平行排列液晶相位調制的理論, 進行了計算模擬。 對液晶空間光調制器相位調制特性和振幅調制特性進行了測量, 實驗結果表明, 在整個灰度級范圍內是純相位調 制的空間光調制器, 并且調制的范圍可達到 0. 6λ。 在 ZYGO 菲佐干涉儀上進行了精度特性的研究, 得到了非常好 的結果, 在 1 cm2 的面積上, 進行了畸變波前的調制, 其精度峰谷值可達 0. 098λ, 均方根值可達 0. 017λ。 在此精度 的基礎上產生了π相位差的柵結構, 證明了這種液晶空間光調制器可以很好的進行相位調制。 關鍵詞: 光學器件;空間光調制器;液晶;平行排列;純相位

1 引 言

空間光調制器廣泛地應用于光邏輯運算、高速、光互聯、輸入存儲、輸出顯示等諸多應用領域。 空間光調制器的種類很多 ,例如微通道板、可變形反 射鏡、磁光器件等五六十種。光學相位在光學信息 處理系統、干涉和光互聯中起著重要的作用, 兩維純相位空間光調制器在光學信息處理方面起著更為重要的作用，如光學相關聯、光互連、相位比較技術等。液晶空間光調制器以制作簡單,價格低,耗能低，易控制, 易制成二維器件 ,且易構成并行光學信 息處理器件等優點, 倍受國內外研究學者的關注。但大多數的學者由于制作液晶屏條件的限制 ,僅研 究扭曲型液晶電視作為相位型空間光調制器。這種液晶電視在相位調制的時候伴有振幅調制，在這種條件下通常解決的辦法是利用整個驅動電壓的一部分,使得在這一部分電壓內保證振幅調制盡量的小。因此減少了相位調制的范圍,且不是嚴格意義上的純相位調制。

本文研制了平行排列 、電尋址的二維陣列TFT 型的液晶純相位空間光調制器，從根本上解決了上述扭曲型液晶電視作為相位調制時的缺點, 并對此液晶空間光調制器的光學特性進行了研究。

2 液晶相位調制理論與計算模擬

2. 1 液晶相位調制的理論

向列相液晶呈細長棒狀，極化率和電導率等有 明顯的各向異性。對于平行排列的液晶來說, 在電場的作用下液晶分子易發生偏轉，不同的電場使液晶分子的傾斜角度不同, 且沿盒厚方向不同位置處的液晶傾角也不同, 如使入射光的偏振方向與液 晶排列方向相同 ,就會引起此方向的有效折射率不同,進而影響了光束在液晶中的有效光程,因此可以通過給液晶施加電壓的方法控制出射光的相位。

根據液晶連續彈性體理論 ,電場作用下液晶體系的吉布斯自由能可表示為

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其中K 11 ,K 22 ,K 33 分別是液晶分子的展曲彈性常量、扭曲彈性常量和彎曲彈性常量, n(x , y , z) 是液晶分子的指向矢，D、E分別是電位移矢量和電場強度矢量。由于我們研制的摩擦取向的液晶屏對液晶來說是強錨定, 在這種情況下平行排列液晶的吉布斯自由能可寫為

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其中ε0 是真空中的介電常量, ε⊥ 、ε∥ 分別是垂直和平行液晶分子軸方向的介電常量,Dz 是z 軸方向的電位移矢量即是外部電場的方向, 盒厚沿z 軸方向,d 為液晶層厚度, θ是液晶分子的傾角。由(2)式可得沿z 軸方向上某一位置與該位置處液晶傾角的關系為：

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其中

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θm 是液晶分子的最大傾角, 通過兩邊界層的邊界條件解方程(3)就可以得到在給定的電壓下液晶盒內部分子傾角的分布。根據各向異性介質的折射率橢球的公式

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2. 2　計算模擬

根據所用日本油墨公司生產的RDP-92975 型液晶參量, K11 =11. 9 PN , K33 =13. 6 PN , ε∥ =12. 3 ,ε⊥ =4. 1 , no =1. 516 , ne =1. 714 , 擬定液晶盒的厚度是5 μm , 并且液晶盒的上下基板是相同的強錨定摩擦。根據以上理論我們進行了計算模擬。如圖1 所示, 計算模擬了不同外加電壓條件下液晶盒中不同厚度處的傾角分布情況, 從圖1 中可以看出液晶的傾角隨著所加電壓的增加而增加, 另外, 沿液晶層的垂直方向, 由層外向層內傾角逐漸加大到達中間時達到最大, 且相對與中間層成對稱分布。圖2 是在0. 6328 μm 波長下, 計算模擬光波相位隨電壓變化的關系, 可以看出在外加電壓低于1 V 時, 由于低于液晶的閾值電壓所以相位基本保持不變, 高于1 V時相位隨電壓的增大而減小。

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3 　實　　驗

3. 1　液晶空間光調制器的設計

我們研制了TFT 透射型640 pixel ×480 pixel ×3 pixel的液晶空間光調制器, 其像素單元100 μm ×300 μm , 像素間距10 μm , 摩擦過的液晶取向膜呈反平行排列, 注入的是在2. 2 中計算模擬時用的日本油墨公司生產的RDP-92975 型液晶, 液晶層厚為5 μm , 驅動電路采用8 位控制器控制。

3. 2　液晶空間光調制器的純相位特性

利用干涉原理測量了相位延遲隨灰度級變化的關系, 使用的是美國ZYGO 公司的生產的菲佐型GPI1000 干涉儀, 實驗的光路如圖3 。

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ZYGO 菲佐干涉儀的632. 8 nm He-Ne 激光被部分反射鏡TF 分成反射和透射兩束光:反射光被反射回干涉儀內部稱為參考光;透射光經偏振片P后變為與液晶的排列方向相同的線偏振光, 垂直經過液晶空間光調制器(LC S LM)后被部分反射鏡RM 反射回干涉儀內部, 稱為物光。物光與參考光發生干涉, 通過分析干涉條紋可以計算求得物光波的相位變化, 這些變化由計算機PC1 算出, 計算機PC2 根據計算機PC1 算出相位變化, 通過控制驅動電路施加相應的灰度級信號于液晶空間光調制器上。液晶空間光調制器的透過率隨灰度級的變化關系在液晶綜合測試儀LCD-5016 上進行了測量, 實驗時起偏器的起偏方向與液晶的取向方向相同。

3. 3　液晶空間光調制器的精度特性

利用圖3 的光路和3. 2 節中得到的相位延遲隨灰度級的變化關系, 并根據共軛相位的原理進行了畸變波前調制的實驗。由于在整個液晶空間光調制器的范圍內, 屏的不平整度達到幾個波長, 這主要是由于玻璃基板的平整度和加工的工藝造成的, 所以我們選取其中1 cm2 的面積, 包括32 pixel ×32 pixel ×3 pixel 。調制實驗不是在實時的條件下進行的。

4 　實驗結果與討論

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圖4 是實驗得到的相位延遲和透過率隨灰度級變化的關系。圖中實心三角表示相位延遲隨灰度級變化關系, 調制的范圍達到0. 6λ, 要比理論值小, 這是由于我們在選用折射率較大液晶的同時沒有根據相應的液晶更換驅動電路, 反映出了驅動電路與液晶的參量不相匹配的問題。主要原因是在原電路灰度級相對應的電壓大小和電壓范圍沒有改變的情況下, 更換了液晶, 所用液晶的閾值和飽和值的范圍相應的改變了, 導致電路相對所用液晶的驅動電壓過小或不匹配, 沒有充分利用液晶的調制范圍, 使得調制范圍減小了。如果改進驅動電路是可以增加相位調制范圍,可以達到理論值, 同時增加液晶層的厚度和增大液晶的各向異性差值都可以增大相位調制量的范圍, 但是會影響響應速度, 要根據實際應用選擇合適的參量。而扭曲型液晶電視原理上是不能得到大的相位調制的。圖中的空心三角表示透過率隨灰度級變化的關系, 可以看出在整個灰度級變化范圍內透過率基本保持不變, 這就保證了純相位的調制特性。

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圖5 是液晶空間光調制器的精度特性的實驗結果, 圖5(a)是調制前的光波波前, 圖5(b)是調制后的光波波前。x 軸, y 軸表示干涉儀CCD 相機的二維像素坐標軸, z 軸表示光波前的相位。從中可以看出在1 cm2 的面積上, 利用液晶空間光調制器調制后, 波面峰谷值由調制前的0. 291λ達到調制后的0. 098λ, 均方根值由調制前的0. 059λ達到調制后的0. 017λ。

　為了能進一步說明液晶空間光調制器的相位調制特性, 利用圖3 的光路圖, 我們在液晶屏的驅動行上每16 行施加同一灰度級使之成柵形, 且使柵之間的相位差是π。實驗的結果如圖6 。由圖6 可以看出凸的頂部和凹的底部都較平, 但是可以看出整體有一個小的傾斜量, 是由系統本身造成的, 去除這個小的傾斜量后凸的頂部和凹的底部的很接近π相位差, 說明利用我們所研制的液晶空間光調制器可以產生特定的相位, 在相移器、相位補償器、光束偏轉器等方面有潛在的應用。

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5 　結論

研制了平行排列TFT 投射型液晶空間光調制器, 對其光學特性進行了研究, 結果表明平行排列液晶空間光調制器可進行純相位調制, 在ZYGO 干涉儀上進行了精度特性的研究, 在1 cm2 的面積上, 調制波前畸變的精度為峰谷值可達到0. 098λ, 均方根值可達0. 017λ, 調制的范圍可達到0. 6λ。在本器件研制中, 由于工藝的限制調制器的像素單元較大, 如能研制更高單元數和更小單元尺寸的器件, 利用本文提出的平行取向液晶的方法, 將能得到更好的實驗結果。這種平行排列的液晶空間光調制器在光學相關、相位比較技術等光學信息處理以及在自適應光學方面有著重要的應用前景。