高精度纯相位液晶空间光调制器的研究

高精度纯相位液晶空间光调制器的研究

刘永军 宣 丽 胡立发  曹召良 李大禹 穆全全 鲁兴海

摘要: 研制了平行排列液晶空间光调制器(LCSLM)。论述了平行排列液晶相位调制的理论, 进行了计算模拟。 对液晶空间光调制器相位调制特性和振幅调制特性进行了测量, 实验结果表明, 在整个灰度级范围内是纯相位调 制的空间光调制器, 并且调制的范围可达到 0. 6λ。 在 ZYGO 菲佐干涉仪上进行了精度特性的研究, 得到了非常好 的结果, 在 1 cm2 的面积上, 进行了畸变波前的调制, 其精度峰谷值可达 0. 098λ, 均方根值可达 0. 017λ。 在此精度 的基础上产生了π相位差的栅结构, 证明了这种液晶空间光调制器可以很好的进行相位调制。 关键词: 光学器件;空间光调制器;液晶;平行排列;纯相位

1 引 言

空间光调制器广泛地应用于光逻辑运算、高速、光互联、输入存储、输出显示等诸多应用领域。 空间光调制器的种类很多 ,例如微通道板、可变形反 射镜、磁光器件等五六十种。光学相位在光学信息 处理系统、干涉和光互联中起着重要的作用, 两维纯相位空间光调制器在光学信息处理方面起着更为重要的作用，如光学相关联、光互连、相位比较技术等。液晶空间光调制器以制作简单,价格低,耗能低，易控制, 易制成二维器件 ,且易构成并行光学信 息处理器件等优点, 倍受国内外研究学者的关注。但大多数的学者由于制作液晶屏条件的限制 ,仅研 究扭曲型液晶电视作为相位型空间光调制器。这种液晶电视在相位调制的时候伴有振幅调制，在这种条件下通常解决的办法是利用整个驱动电压的一部分,使得在这一部分电压内保证振幅调制尽量的小。因此减少了相位调制的范围,且不是严格意义上的纯相位调制。

本文研制了平行排列 、电寻址的二维阵列TFT 型的液晶纯相位空间光调制器，从根本上解决了上述扭曲型液晶电视作为相位调制时的缺点, 并对此液晶空间光调制器的光学特性进行了研究。

2 液晶相位调制理论与计算模拟

2. 1 液晶相位调制的理论

向列相液晶呈细长棒状，极化率和电导率等有 明显的各向异性。对于平行排列的液晶来说, 在电场的作用下液晶分子易发生偏转，不同的电场使液晶分子的倾斜角度不同, 且沿盒厚方向不同位置处的液晶倾角也不同, 如使入射光的偏振方向与液 晶排列方向相同 ,就会引起此方向的有效折射率不同,进而影响了光束在液晶中的有效光程,因此可以通过给液晶施加电压的方法控制出射光的相位。

根据液晶连续弹性体理论 ,电场作用下液晶体系的吉布斯自由能可表示为

其中K 11 ,K 22 ,K 33 分别是液晶分子的展曲弹性常量、扭曲弹性常量和弯曲弹性常量, n(x , y , z) 是液晶分子的指向矢，D、E分别是电位移矢量和电场强度矢量。由于我们研制的摩擦取向的液晶屏对液晶来说是强锚定, 在这种情况下平行排列液晶的吉布斯自由能可写为

其中ε0 是真空中的介电常量, ε⊥ 、ε∥ 分别是垂直和平行液晶分子轴方向的介电常量,Dz 是z 轴方向的电位移矢量即是外部电场的方向, 盒厚沿z 轴方向,d 为液晶层厚度, θ是液晶分子的倾角。由(2)式可得沿z 轴方向上某一位置与该位置处液晶倾角的关系为：

其中

θm 是液晶分子的最大倾角, 通过两边界层的边界条件解方程(3)就可以得到在给定的电压下液晶盒内部分子倾角的分布。根据各向异性介质的折射率椭球的公式

2. 2　计算模拟

根据所用日本油墨公司生产的RDP-92975 型液晶参量, K11 =11. 9 PN , K33 =13. 6 PN , ε∥ =12. 3 ,ε⊥ =4. 1 , no =1. 516 , ne =1. 714 , 拟定液晶盒的厚度是5 μm , 并且液晶盒的上下基板是相同的强锚定摩擦。根据以上理论我们进行了计算模拟。如图1 所示, 计算模拟了不同外加电压条件下液晶盒中不同厚度处的倾角分布情况, 从图1 中可以看出液晶的倾角随着所加电压的增加而增加, 另外, 沿液晶层的垂直方向, 由层外向层内倾角逐渐加大到达中间时达到最大, 且相对与中间层成对称分布。图2 是在0. 6328 μm 波长下, 计算模拟光波相位随电压变化的关系, 可以看出在外加电压低于1 V 时, 由于低于液晶的阈值电压所以相位基本保持不变, 高于1 V时相位随电压的增大而减小。

3 　实　　验

3. 1　液晶空间光调制器的设计

我们研制了TFT 透射型640 pixel ×480 pixel ×3 pixel的液晶空间光调制器, 其像素单元100 μm ×300 μm , 像素间距10 μm , 摩擦过的液晶取向膜呈反平行排列, 注入的是在2. 2 中计算模拟时用的日本油墨公司生产的RDP-92975 型液晶, 液晶层厚为5 μm , 驱动电路采用8 位控制器控制。

3. 2　液晶空间光调制器的纯相位特性

利用干涉原理测量了相位延迟随灰度级变化的关系, 使用的是美国ZYGO 公司的生产的菲佐型GPI1000 干涉仪, 实验的光路如图3 。

ZYGO 菲佐干涉仪的632. 8 nm He-Ne 激光被部分反射镜TF 分成反射和透射两束光:反射光被反射回干涉仪内部称为参考光;透射光经偏振片P后变为与液晶的排列方向相同的线偏振光, 垂直经过液晶空间光调制器(LC S LM)后被部分反射镜RM 反射回干涉仪内部, 称为物光。物光与参考光发生干涉, 通过分析干涉条纹可以计算求得物光波的相位变化, 这些变化由计算机PC1 算出, 计算机PC2 根据计算机PC1 算出相位变化, 通过控制驱动电路施加相应的灰度级信号于液晶空间光调制器上。液晶空间光调制器的透过率随灰度级的变化关系在液晶综合测试仪LCD-5016 上进行了测量, 实验时起偏器的起偏方向与液晶的取向方向相同。

3. 3　液晶空间光调制器的精度特性

利用图3 的光路和3. 2 节中得到的相位延迟随灰度级的变化关系, 并根据共轭相位的原理进行了畸变波前调制的实验。由于在整个液晶空间光调制器的范围内, 屏的不平整度达到几个波长, 这主要是由于玻璃基板的平整度和加工的工艺造成的, 所以我们选取其中1 cm2 的面积, 包括32 pixel ×32 pixel ×3 pixel 。调制实验不是在实时的条件下进行的。

4 　实验结果与讨论

图4 是实验得到的相位延迟和透过率随灰度级变化的关系。图中实心三角表示相位延迟随灰度级变化关系, 调制的范围达到0. 6λ, 要比理论值小, 这是由于我们在选用折射率较大液晶的同时没有根据相应的液晶更换驱动电路, 反映出了驱动电路与液晶的参量不相匹配的问题。主要原因是在原电路灰度级相对应的电压大小和电压范围没有改变的情况下, 更换了液晶, 所用液晶的阈值和饱和值的范围相应的改变了, 导致电路相对所用液晶的驱动电压过小或不匹配, 没有充分利用液晶的调制范围, 使得调制范围减小了。如果改进驱动电路是可以增加相位调制范围,可以达到理论值, 同时增加液晶层的厚度和增大液晶的各向异性差值都可以增大相位调制量的范围, 但是会影响响应速度, 要根据实际应用选择合适的参量。而扭曲型液晶电视原理上是不能得到大的相位调制的。图中的空心三角表示透过率随灰度级变化的关系, 可以看出在整个灰度级变化范围内透过率基本保持不变, 这就保证了纯相位的调制特性。

图5 是液晶空间光调制器的精度特性的实验结果, 图5(a)是调制前的光波波前, 图5(b)是调制后的光波波前。x 轴, y 轴表示干涉仪CCD 相机的二维像素坐标轴, z 轴表示光波前的相位。从中可以看出在1 cm2 的面积上, 利用液晶空间光调制器调制后, 波面峰谷值由调制前的0. 291λ达到调制后的0. 098λ, 均方根值由调制前的0. 059λ达到调制后的0. 017λ。

　为了能进一步说明液晶空间光调制器的相位调制特性, 利用图3 的光路图, 我们在液晶屏的驱动行上每16 行施加同一灰度级使之成栅形, 且使栅之间的相位差是π。实验的结果如图6 。由图6 可以看出凸的顶部和凹的底部都较平, 但是可以看出整体有一个小的倾斜量, 是由系统本身造成的, 去除这个小的倾斜量后凸的顶部和凹的底部的很接近π相位差, 说明利用我们所研制的液晶空间光调制器可以产生特定的相位, 在相移器、相位补偿器、光束偏转器等方面有潜在的应用。

5 　结论

研制了平行排列TFT 投射型液晶空间光调制器, 对其光学特性进行了研究, 结果表明平行排列液晶空间光调制器可进行纯相位调制, 在ZYGO 干涉仪上进行了精度特性的研究, 在1 cm2 的面积上, 调制波前畸变的精度为峰谷值可达到0. 098λ, 均方根值可达0. 017λ, 调制的范围可达到0. 6λ。在本器件研制中, 由于工艺的限制调制器的像素单元较大, 如能研制更高单元数和更小单元尺寸的器件, 利用本文提出的平行取向液晶的方法, 将能得到更好的实验结果。这种平行排列的液晶空间光调制器在光学相关、相位比较技术等光学信息处理以及在自适应光学方面有着重要的应用前景。