高精度純相位液晶空間光調(diào)制器的研究_劉永軍_圖文

1、文章編號(hào):0253-2239(2005 12-1682-5高精度純相位液晶空間光調(diào)制器的研究*劉永軍1, 2宣麗1胡立發(fā)1曹召良1李大禹1穆全全1魯興海11中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春1300332中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京100039摘要:研制了平行排列液晶空間光調(diào)制器(L C S LM 。論述了平行排列液晶相位調(diào)制的理論, 進(jìn)行了計(jì)算模擬。對(duì)液晶空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性和振幅調(diào)制特性進(jìn)行了測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在整個(gè)灰度級(jí)范圍內(nèi)是純相位調(diào)制的空間光調(diào)制器, 并且調(diào)制的范圍可達(dá)到0. 6。在Z YGO 菲佐干涉儀上進(jìn)行了精度特性的研究, 得到了非常好

2、的結(jié)果, 在1cm 2的面積上, 進(jìn)行了畸變波前的調(diào)制, 其精度峰谷值可達(dá)0. 098, 均方根值可達(dá)0. 017。在此精度的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了相位差的柵結(jié)構(gòu), 證明了這種液晶空間光調(diào)制器可以很好的進(jìn)行相位調(diào)制。關(guān)鍵詞:光學(xué)器件; 空間光調(diào)制器; 液晶; 平行排列; 純相位中圖分類號(hào):O 753; O 436文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A*國(guó)家自然科學(xué)基金(50473040, 59973020, 60277033, 19974046 和吉林省科委基金(20020603, 20010579 資助課題。作者簡(jiǎn)介:劉永軍(1977 , 男, 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所博士研究生, 主要從事液晶物理以及液晶器件

3、方面的研究。E -mail :liuyj ciomp. ac. cn收稿日期:2004-12-24; 收到修改稿日期:2005-05-10Investigation on the Liquid Crystal Spatial Light Modulatorwith High Precision and Pure PhaseLiu Yongjun1, 2Xuan Li 1Hu Lifa 1Cao Zhao liang 1Li Dayu1Mu Q uanquan 1Lu Xinghai11S tate Key Laboratory of Applied Optics , Changchun Ins

4、tit ut e of Optics , Fine Mechanics and Physics , The Chinese Academy of S ciences , Changchun 1300332Graduat e School of the Chinese Academy of S ciences , Beijing 100039Abstract :A liquid c rystal spatial light modulator (L C SL M with parallel alignment TFT is prepared , the theory of which is al

5、so disc ussed. And properties of the m odulation are theoretically ca lculated. Measurements are c onducted on properties of the phase modulation and the amptitude modulation. The results indicate that it is a pure phase m odulator in the range of the gray level. Its precision is measured on a ZYGO

6、interferometer. The experiments show that on the area of 1cm ×1cm the peak to valley (PV value is up to 0. 098, RMS up to 0. 017, and the depth of m odulation up to 0. 6after c orrection. A grating configuration with the phase differences of /2is ac cordingly generated , which shows that the ph

7、ase of light can be medulated with it quite well. Key wo rds :optics devic es ; spatial light modulator ; liquid crystal ; parallel alignment ; pure phase1引言空間光調(diào)制器廣泛地應(yīng)用于光邏輯運(yùn)算、高速光互聯(lián)、輸入存儲(chǔ)、輸出顯示等諸多應(yīng)用領(lǐng)域13?？臻g光調(diào)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(xué)相位在光學(xué)信息處理系統(tǒng)、干涉和光互聯(lián)中起著重要的作用, 兩維純相位空間光調(diào)制器在光學(xué)信息處理方面起著更為重要的作用, 如光

8、學(xué)相關(guān)聯(lián)、光互連、相位比較技術(shù)等4。液晶空間光調(diào)制器以制作簡(jiǎn)單, 價(jià)格低, 耗能低, 易控制, 易制成二維器件, 且易構(gòu)成并行光學(xué)信息處理器件等優(yōu)點(diǎn), 倍受國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。但大多數(shù)的學(xué)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(diào)制器59。這種液晶電視在相位調(diào)制的時(shí)候伴有振幅調(diào)第25卷第12期2005年12月光學(xué)學(xué)報(bào)ACT A OPT ICA SINICAV ol. 25, N o. 12December , 2005制5, 6, 10, 在這種條件下通常解決的辦法是利用整個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓的一部分, 使得在這一部分電壓內(nèi)保證振幅調(diào)制盡量的小5, 8。因此減少了相位調(diào)制的范

9、圍, 且不是嚴(yán)格意義上的純相位調(diào)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(diào)制器, 從根本上解決了上述扭曲型液晶電視作為相位調(diào)制時(shí)的缺點(diǎn), 并對(duì)此液晶空間光調(diào)制器的光學(xué)特性進(jìn)行了研究。2液晶相位調(diào)制理論與計(jì)算模擬2. 1液晶相位調(diào)制的理論向列相液晶呈細(xì)長(zhǎng)棒狀, 極化率和電導(dǎo)率等有明顯的各向異性。對(duì)于平行排列的液晶來說, 在電場(chǎng)的作用下液晶分子易發(fā)生偏轉(zhuǎn)11, 不同的電場(chǎng)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(huì)引起此方向的有效折射率不同, 進(jìn)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

10、加電壓的方法控制出射光的相位。根據(jù)液晶連續(xù)彈性體理論, 電場(chǎng)作用下液晶體系的吉布斯自由能可表示為12F 2VK 11( n 2+K 22n ( ×n 2+K 33n ×( ×n 2-D E d v , (1 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(chǎng)強(qiáng)度矢量。由于我們研制的摩擦取向的液晶屏對(duì)液晶來說是強(qiáng)錨定, 在這種情況下平行排列液晶的吉布斯自由能可寫為13F 2d0(K 11co s 2+K 33sin 2d z2d z -20d

11、2zcos 2+sin 2d z , (2其中0是真空中的介電常量, 、分別是垂直和平行液晶分子軸方向的介電常量, D z 是z 軸方向的電位移矢量即是外部電場(chǎng)的方向, 盒厚沿z 軸方向, d 為液晶層厚度, 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(guān)系為:d 2=112C -D z /0(1+r sin , (3其中K =3311K 11, r =,C =2z0(1+r sin m , m 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(nèi)部分子傾角的分布。根據(jù)各向異性介質(zhì)的折射率橢球的公式n e (z =o e(n

12、2o cos 2z +n 2e sin 2z 1/2, (4就可以得到有效光程為L(zhǎng) =d n eff =dn e (z d z ,(5所以得到相位為=2L / .(62. 2計(jì)算模擬圖1計(jì)算模擬不同電壓下液晶傾角與其所在盒內(nèi)位置的關(guān)系Fig. 1The simulated result of the tilt angle along the no rmal of LC cell as a function of z at different applied voltages根據(jù)所用日本油墨公司生產(chǎn)的RDP -92975型液晶參量, K 11=11. 9PN , K 33=13. 6PN , =

13、12. 3, =4. 1, n o =1. 516, n e =1. 714, 擬定液晶盒的厚度是5m , 并且液晶盒的上下基板是相同的強(qiáng)錨定摩擦。根據(jù)以上理論我們進(jìn)行了計(jì)算模擬。如圖1所示, 計(jì)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?qū)觾?nèi)傾角逐漸加大到達(dá)中間時(shí)達(dá)到最大, 且相對(duì)與中間層成對(duì)稱分布。圖2是在0. 6328m 波長(zhǎng)下, 計(jì)算模擬光波相位隨電壓變化的關(guān)系, 可以看出在外加電壓低于1V 時(shí), 由于低于液晶的閾值電壓所以相位基本保持不變, 高于1V 時(shí)相位隨電壓的增大而減小

14、。12期劉永軍等:高精度純相位液晶空間光調(diào)制器的研究 圖2計(jì)算模擬電壓與相位的關(guān)系Fig. 2T he simulated result of the phase as a functio nof the vo ltag e3實(shí)驗(yàn)3. 1液晶空間光調(diào)制器的設(shè)計(jì)我們研制了TFT 透射型640pixel ×480pixel ×3pixel 的液晶空間光調(diào)制器, 其像素單元100m ×300m , 像素間距10m , 摩擦過的液晶取向膜呈反平行排列, 注入的是在2. 2中計(jì)算模擬時(shí)用的日本油墨公司生產(chǎn)的RDP -92975型液晶, 液晶層厚為5m , 驅(qū)動(dòng)電路采用8位控

15、制器控制。3. 2液晶空間光調(diào)制器的純相位特性利用干涉原理測(cè)量了相位延遲隨灰度級(jí)變化的關(guān)系, 使用的是美國(guó)ZYGO 公司的生產(chǎn)的菲佐型GPI1000干涉儀, 實(shí)驗(yàn)的光路如圖3 。圖3測(cè)量相位的實(shí)驗(yàn)光路圖F ig. 3Schematic of the ex perimental setup fo r the phasemeasurement. PC :compute r ; T F , RM :par tial reflecto r ; P :po lirizer ; LC SL M :liquid cry stal spatial light modulato rZYGO 菲佐干涉儀的632.

16、 8nm H e -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(nèi)部稱為參考光; 透射光經(jīng)偏振片P 后變?yōu)榕c液晶的排列方向相同的線偏振光, 垂直經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器(LC S LM 后被部分反射鏡RM 反射回干涉儀內(nèi)部, 稱為物光。物光與參考光發(fā)生干涉, 通過分析干涉條紋可以計(jì)算求得物光波的相位變化, 這些變化由計(jì)算機(jī)PC1算出, 計(jì)算機(jī)PC2根據(jù)計(jì)算機(jī)PC1算出相位變化, 通過控制驅(qū)動(dòng)電路施加相應(yīng)的灰度級(jí)信號(hào)于液晶空間光調(diào)制器上。液晶空間光調(diào)制器的透過率隨灰度級(jí)的變化關(guān)系在液晶綜合測(cè)試儀LCD -5016上進(jìn)行了測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)時(shí)起偏器的起偏方向與液晶的取向方向相同。3

17、. 3液晶空間光調(diào)制器的精度特性利用圖3的光路和3. 2節(jié)中得到的相位延遲隨灰度級(jí)的變化關(guān)系, 并根據(jù)共軛相位的原理進(jìn)行了畸變波前調(diào)制的實(shí)驗(yàn)。由于在整個(gè)液晶空間光調(diào)制器的范圍內(nèi), 屏的不平整度達(dá)到幾個(gè)波長(zhǎng), 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1cm 2的面積, 包括32pixel ×32pixel ×3pixel 。調(diào)制實(shí)驗(yàn)不是在實(shí)時(shí)的條件下進(jìn)行的 。圖4相位延遲和透過率隨灰度級(jí)變化的關(guān)系Fig. 4The phase retardation and transmittance as functionsof the g ray level4實(shí)

18、驗(yàn)結(jié)果與討論圖4是實(shí)驗(yàn)得到的相位延遲和透過率隨灰度級(jí)變化的關(guān)系。圖中實(shí)心三角表示相位延遲隨灰度級(jí)變化關(guān)系, 調(diào)制的范圍達(dá)到0. 6, 要比理論值小, 這是由于我們?cè)谶x用折射率較大液晶的同時(shí)沒有根據(jù)相應(yīng)的液晶更換驅(qū)動(dòng)電路, 反映出了驅(qū)動(dòng)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(jí)相對(duì)應(yīng)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(yīng)的改變了, 導(dǎo)致電路相對(duì)所用液晶的驅(qū)動(dòng)電壓過小或不匹配, 沒有充分利用液晶的調(diào)制范圍, 使得調(diào)制范圍減光學(xué)學(xué)報(bào)25卷小了。如果改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路是可以增加相位調(diào)制范圍, 可以達(dá)到理論值, 同時(shí)增加液晶層的厚度和增大液晶的各向

19、異性差值都可以增大相位調(diào)制量的范圍, 但是會(huì)影響響應(yīng)速度, 要根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(diào)制的。圖中的空心三角表示透過率隨灰度級(jí)變化的關(guān)系, 可以看出在整個(gè)灰度級(jí)變化范圍內(nèi)透過率基本保持不變, 這就保證了純相位的調(diào)制特性。圖5是液晶空間光調(diào)制器的精度特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 圖5(a 是調(diào)制前的光波波前, 圖5(b 是調(diào)制后的光波波前。x 軸, y 軸表示干涉儀CCD 相機(jī)的二維像素坐標(biāo)軸, z 軸表示光波前的相位。從中可以看出在1cm 2的面積上, 利用液晶空間光調(diào)制器調(diào)制后, 波面峰谷值由調(diào)制前的0. 291達(dá)到調(diào)制后的0. 098, 均方根值由調(diào)制前的0

20、. 059達(dá)到調(diào)制后的0. 017 。圖5Z YG O 干涉儀測(cè)定的控制相位精度的結(jié)果。(a 相位調(diào)制前,(b 相位調(diào)制后Fig. 5T he precisio n o f phase co ntro lling with ZYG O inte rfero meter. (a Befor e modulation , (b after modulatio n為了能進(jìn)一步說明液晶空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性, 利用圖3的光路圖, 我們?cè)谝壕恋尿?qū)動(dòng)行上每16行施加同一灰度級(jí)使之成柵形, 且使柵之間的相位差是。實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(gè)小的傾斜

21、量, 是由系統(tǒng)本身造成的, 去除這個(gè)小的傾斜量后凸的頂部和凹的底部的很接近相位差, 說明利用我們所研制的液晶空間光調(diào)制器可以產(chǎn)生特定的相位, 在相移器、相位補(bǔ)償器、光束偏轉(zhuǎn)器等方面有潛在的應(yīng)用 。圖6Z YG O 干涉儀得到的相位差是的柵形結(jié)構(gòu)圖Fig. 6T he obtained gr ating -shape phase distribution withZ YGO interfe rometer5結(jié)論研制了平行排列TFT 投射型液晶空間光調(diào)制器, 對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明平行排列液晶空間光調(diào)制器可進(jìn)行純相位調(diào)制, 在ZYGO 干涉儀上進(jìn)行了精度特性的研究, 在1cm 2的面積

22、上, 調(diào)制波前畸變的精度為峰谷值可達(dá)到0. 098, 均方根值可達(dá)0. 017, 調(diào)制的范圍可達(dá)到0. 6。在本器件研制中, 由于工藝的限制調(diào)制器的像素單元較大, 如能研制更高單元數(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種平行排列的液晶空間光調(diào)制器在光學(xué)相關(guān)、相位比較技術(shù)等光學(xué)信息處理以及在自適應(yīng)光學(xué)方面有著重要的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1F. T. S. Yu , S. Jutamulia , T. W. Liu e t a l. . Adaptive real -tim e pattern recog nition usin g a liquid

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