本發(fā)明涉及液晶的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種液晶指向矢快速測量裝置及其實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

液晶是介于晶體和液體之間的中間態(tài)物質(zhì)，其分子在液晶內(nèi)部可自由移動但指向存在一定的有序性。此有序性的從優(yōu)方向被定義為指向矢，描述液晶分子在空間上的宏觀排列方向，表征液晶的宏觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。在外界磁場、電場等條件的影響下，指向矢易偏離原始方向重新排列，使液晶呈現(xiàn)出旋光和電控雙折射等電光特性。基于這些特性液晶被應(yīng)用于光開關(guān)、可調(diào)諧濾波器、生物傳感、三維顯示以及光通信等領(lǐng)域。雖然液晶器件應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但是普遍存在響應(yīng)速度較慢的技術(shù)難題。開發(fā)快速響應(yīng)的液晶器件，需要深入研究液晶內(nèi)部分子隨著外場的動態(tài)變化過程。目前液晶指向矢分布特性的實驗研究大多是通過探測液晶透射光強來進行的，這類方法在測量過程中會受光源功率波動的影響且只能單參數(shù)測量，無法同時獲得完整指向矢分布信息?，F(xiàn)有的Müller矩陣偏振測量法實現(xiàn)了對液晶分子平均指向矢的快速測量，該方法可測量液晶指向矢的多個參數(shù)，但設(shè)備昂貴且光路結(jié)構(gòu)和反演算法都極為復(fù)雜。隨著液晶顯示技術(shù)應(yīng)用范圍的擴展，并日益深入日常生活，需尋找一種光路簡單、低成本的裝置實現(xiàn)液晶指向矢的快速測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種液晶指向矢快速測量裝置及其實現(xiàn)方法，對液晶基礎(chǔ)物理的研究和器件性能的優(yōu)化都具有重要意義。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種液晶指向矢快速測量裝置，包括從左到右依次并排放置的起偏器、擴束鏡、檢偏器以及成像屏；一待測扭曲向列型液晶設(shè)置于所述起偏器和擴束鏡之間；一激光光源經(jīng)過所述起偏器入射到扭曲向列型液晶；一位于所述擴束鏡和檢偏器之間的用以形成干涉條紋的晶體斜劈，所述晶體斜劈為帶有劈角的雙折射晶體，且呈四棱錐狀；所述擴束鏡和晶體斜劈之間設(shè)有一半圓形1/4波片；還包括一用以采集干涉條紋光強數(shù)據(jù)的線陣相機，所述線陣相機設(shè)置于所述成像屏的右側(cè)，所述線陣相機的輸出端連接至一計算機用以進行數(shù)據(jù)處理。

進一步地，所述起偏器的偏振方向處于豎直方向。

進一步地，所述半圓形1/4波片的快軸方向處于45°。

進一步地，所述晶體斜劈的劈角為1°。

進一步地，所述檢偏器偏振方向處于45°。

本發(fā)明還采用以下方法實現(xiàn)：一種液晶指向矢快速測量裝置的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：所述激光光源經(jīng)過起偏器以一定的角度入射到待測扭曲向列型液晶，通過調(diào)整起偏器的偏振方向使其平行于待測液晶入射光測液晶分子錨定方向；

步驟S2：在待測液晶出射光方向放置擴束鏡，經(jīng)所述擴束鏡擴大后的光斑一部分直接入射到所述晶體斜劈，另一部分經(jīng)過半圓形1/4波片入射到晶體斜劈，再經(jīng)過所述檢偏器在所述成像屏上形成兩組分別對應(yīng)液晶透射光相關(guān)偏振參數(shù)Δ和γ的干涉條紋；

步驟S3：采用線陣相機對所述的兩組條紋進行同時采集，分別記錄其光強數(shù)據(jù)；

步驟S4：經(jīng)計算機對所述的光強數(shù)據(jù)進行濾波和除背景光處理，得到波谷或波峰位置，并與標(biāo)準偏振光產(chǎn)生的波谷或波峰位置進行對比，計算出透射光的兩相關(guān)偏振參數(shù)；

步驟S5：根據(jù)液晶指向矢的傾斜角θ和扭轉(zhuǎn)角φ和透射光偏振態(tài)的關(guān)系，結(jié)合步驟S4中測得的偏振參數(shù)計算出液晶的指向矢。

進一步地，所述晶體斜劈的劈角為1°。

進一步地，所述激光光源的波長為632.8nm的He-Ne激光光源。

進一步地，所述線陣相機的像素是1280*1024的CCD相機。

進一步地，所述計算機進行數(shù)據(jù)處理時采用Labview軟件平臺，依次采用波峰檢測模塊中值濾波模塊及數(shù)組操作模塊，進行濾波、扣除背景光和尋找波谷或波峰的運算，具體為：

假設(shè)液晶中透射光的偏振態(tài)用瓊斯矩陣表示，利用瓊斯矩陣對偏振光的傳播過程進行推到，得到經(jīng)過1/4波片和未經(jīng)過1/4波片的光路產(chǎn)生的干涉條紋對應(yīng)的光強分別為：

I₁(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(γ+l(y))

I₂(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(Δ+l(y))

I₁中的γ是振幅比角通過1/4波片轉(zhuǎn)換而來的相位差，Δ和γ意義相同，l(y)表示由劈角是α的晶體斜劈引入的相位差，與o光和e光的折射率差以及晶體斜劈橫向位置坐標(biāo)y相關(guān)，I₁只與位置坐標(biāo)y和相位差Δ相關(guān)。相位差的大小表現(xiàn)為條紋位置的變化，因而通過對條紋的定位來測量Δ，γ：

其中δy表示液晶中透射光產(chǎn)生的條紋與標(biāo)準偏振光產(chǎn)生的條紋位置的變化量，l_λ表示條紋間距，即Δ和γ是通過條紋移動量與條紋間距l(xiāng)_λ的比值獲得；因而測量的精度主要依賴于條紋位置測量的精度和條紋間距所對應(yīng)的像素比值。例如為了方便條紋的采集，采用1°的石英晶體斜劈，可以計算出干涉形成的條紋間距l(xiāng)_λ約為5mm。該間距的選擇主要考慮在整個光斑內(nèi)需要包含2到3個暗紋，便于相機對單個完整條紋進行記錄。在上述要求內(nèi)盡量大的條紋間距可以使單個條紋覆蓋更多的相機像素，從而調(diào)高測量精度。若調(diào)節(jié)相機的鏡頭，使整個條紋覆蓋相機的1000像素，其波谷的測量精度可以達到0.1個像素，因而透射光相關(guān)偏振參數(shù)測量的相對精度可以達到1×10^-4的量級。

綜上所述，通過晶體斜劈的偏光干涉將液晶中透射光轉(zhuǎn)換成沿著一維方向的干涉條紋，通過對干涉條紋位置的測量獲得液晶中透射光的相關(guān)偏振參數(shù)Δ和γ，根據(jù)液晶指向矢的傾斜角θ和扭轉(zhuǎn)角φ與Δ和γ關(guān)系，進而計算出液晶指向矢的θ和φ。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的方法采用單次曝光實現(xiàn)了液晶指向矢傾斜角和扭轉(zhuǎn)角的同步測量，結(jié)合高速線陣相機可以實現(xiàn)微秒量級的測量速度。

(2)本發(fā)明的方法測量結(jié)果不受光源波動性的影響，而且是線性測量，測量精度精度主要依賴于條紋定位的精度和條紋間距的比值，有利于提高傾斜角和扭轉(zhuǎn)角的測量精度。

(3)本發(fā)明的方法所采用的光路簡單緊湊且穩(wěn)定，測量過程無光學(xué)器件的調(diào)節(jié)，有利于提高測量的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例的晶體斜劈的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-激光光源；2-起偏器；3-扭曲向列型液晶；4-擴束鏡；5-半圓形1/4波片；6-晶體斜劈；7-檢偏器；8-成像屏；9-線陣相機；10-計算機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例具體對本發(fā)明進行進一步說明。

如圖1與圖2所示，本實施例提供的一種液晶指向矢快速測量裝置，包括從左至右依次并排設(shè)置的起偏器2、擴束鏡4、檢偏器7和成像屏8，一待測扭曲向列型液晶3設(shè)置于所述起偏器2和擴束鏡4之間；一激光光源1經(jīng)過所述起偏器2入射到扭曲向列型液晶3；一位于所述擴束鏡4和檢偏器7之間的用于形成干涉條紋的晶體斜劈6，所述晶體斜劈6是帶有劈角的雙折射晶體，且呈四棱錐狀。所述擴束鏡3和晶體斜劈6之間設(shè)有一半圓形1/4波片5；一用于采集干涉條紋光強數(shù)據(jù)的線陣相機9，所述線陣相機9設(shè)置于所述成像屏8的右側(cè)，所述線陣相機9的輸出端連接至一計算機軟件進行數(shù)據(jù)處理。

在本實施例中，所述晶體斜劈6的劈角是1°。

在本實施例中，所述起偏器2的偏振方向處于豎直方向。

在本實施例中，所述半圓形1/4波片5的快軸方向位于45°位置。

在本實施例中，所述檢偏器7的偏振方向處于45°位置。

在本實施例中，還提供一種液晶指向矢快速測量裝置的實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

步驟S1：所述激光光源1經(jīng)過起偏器2以一定的角度入射到待測扭曲向列型液晶3，通過調(diào)整起偏器2的偏振方向使其平行于待測液晶3入射光測液晶分子錨定方向；

步驟S2：在待測液晶出射光方向放置擴束鏡4，經(jīng)所述擴束鏡4擴大后的光斑一部分直接入射到所述晶體斜劈6，另一部分經(jīng)過半圓形1/4波片5入射到晶體斜劈6，再經(jīng)過所述檢偏器7在所述成像屏8上形成兩組分別對應(yīng)液晶透射光相關(guān)偏振參數(shù)Δ和γ的干涉條紋；

步驟S3：采用線陣相機9對所述的兩組條紋進行同時采集，分別記錄其光強數(shù)據(jù)；

步驟S4：經(jīng)計算機處理系統(tǒng)對所述的光強數(shù)據(jù)進行濾波和除背景光處理，得到波谷(或波峰)位置，與標(biāo)準偏振光產(chǎn)生地波谷(或波峰)位置進行對比，計算出透射光的兩相關(guān)偏振參數(shù)Δ和γ；

步驟S5：根據(jù)液晶指向矢的傾斜角θ和扭轉(zhuǎn)角φ和透射光偏振態(tài)的關(guān)系，結(jié)合步驟S4中測得的偏振參數(shù)計算出液晶的指向矢。

在本實施例中，所述晶體斜劈6的劈角式1°。

在本實施例中，所述激光光源1是波長為632.8nm的He-Ne激光。

在本實施例中，所述線陣相機9的像素是1280*1024的CCD相機。

在本實施例中，所述計算機處理系統(tǒng)是在Labview軟件平臺下采用波峰檢測、中值濾波及數(shù)組操作等模塊編寫程序，進行濾波、扣除背景光處理和尋找波谷(或波峰)等運算。

下面通過本實施例的具體實施過程做進一步說明。

以632.8nm的He-Ne光源1為例，調(diào)節(jié)起偏器2的偏振方向至豎直方向，與待測液晶3入射光側(cè)的分子錨定方向平行。在外界電壓的驅(qū)動下，液晶中透射光的偏振偏態(tài)發(fā)生變化。光斑經(jīng)過擴束鏡4后變成直徑為20mm的光斑，此光斑部分經(jīng)過的半圓形1/4波片5是零級石英波片，其快軸與水平方向夾角為45°。半圓形1/4波片5的作用在于偏振光的豎直和水平方向的分量之間引入90°，將液晶中出射光的振幅比角轉(zhuǎn)換成相位差γ。與另一部分未經(jīng)過1/4波片5的光斑同時入射到石英晶體斜劈6，所述石英晶體斜劈6的劈角是1°，外觀尺寸是20×20×2mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。其中箭頭表示光軸方向，與x，y坐標(biāo)軸重合，即分別位于水平和豎直方向上。光沿著z軸方向傳播，劈角沿著y軸(水平)方向。光束通過石英晶體斜劈6后在光斑的不同水平位置上引入不同的光程差，最后通過偏振方向處于45°的檢偏器7到達成像屏8形成兩組分別對應(yīng)Δ和γ的干涉圖樣。用1280*1024像素的工業(yè)線陣相機9采集圖像，并在Labview軟件平臺下采用波峰檢測、中值濾波及數(shù)組操作等模塊編寫程序，進行濾波、扣除背景光和尋找波谷(或波峰)等運算，具體為：

假設(shè)液晶中透射光的偏振態(tài)用瓊斯矩陣表示，利用瓊斯矩陣對偏振光的傳播過程進行推到，可得到經(jīng)過1/4波片和未經(jīng)過1/4波片的光路產(chǎn)生的干涉條紋對應(yīng)的光強分別為：

I₁(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(γ+l(y))

I₂(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(Δ+l(y))

I₁中的γ是振幅比角通過1/4波片轉(zhuǎn)換而來的相位差，由I₁和I₂的比較可知，Δ和γ意義相同。l(y)表示由劈角是α的晶體斜劈6引入的相位差，與o光和e光的折射率差以及晶體斜劈6橫向位置坐標(biāo)y相關(guān)。I₁只與位置坐標(biāo)y和相位差Δ相關(guān)。相位差的大小表現(xiàn)為條紋位置的變化，因而可以通過對條紋的定位來測量Δ，γ。

其中δy表示液晶中透射光產(chǎn)生的條紋與標(biāo)準偏振光產(chǎn)生的條紋位置的變化量。l_λ表示條紋間距。即Δ和γ是通過條紋移動量與條紋間距l(xiāng)_λ的比值來獲得。因而測量的精度主要依賴于條紋位置測量的精度和條紋間距所對應(yīng)的像素比值。例如為了方便條紋的采集，采用1°的石英晶體斜劈6，可以計算出干涉形成的條紋間距l(xiāng)_λ約為5mm。該間距的選擇主要考慮在整個光斑內(nèi)需要包含2到3個暗紋，便于相機對單個完整條紋進行記錄。在上述要求內(nèi)盡量大的條紋間距可以使單個條紋覆蓋更多的相機像素，從而調(diào)高測量精度。若調(diào)節(jié)相機的鏡頭，使整個條紋覆蓋相機的1000像素，其波谷的測量精度可以達到0.1個像素，因而透射光相關(guān)偏振參數(shù)測量的相對精度可以達到1×10^-4的量級。

綜上所述，通過晶體斜劈的偏光干涉可以將液晶中透射光轉(zhuǎn)換成沿著一維方向的干涉條紋。通過對干涉條紋位置的測量可以獲得液晶中透射光的相關(guān)偏振參數(shù)Δ和γ，根據(jù)液晶指向矢的傾斜角θ和扭轉(zhuǎn)角φ與Δ和γ關(guān)系，進而可以計算出液晶指向矢的θ和φ。該方法測量的結(jié)果與光源波動性無關(guān)，可以有效排除光強波動帶來的影響，提高測量的精度和可靠性。而測量速度由相機的采集速率決定。若采用100KHz以上的高速線陣相機，則該方法測量液晶指向矢的時間分辨率可達到微秒量級。

本發(fā)明提供的上列較佳實施例，對本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。