温度对液晶波前校正器响应速度及LUT的影响研究
申文;张逸新;陈国庆;胡立发;马文超;胡栋挺;刘新宇;苏宙平;朱华新;张秀梅;阙立志;朱卓伟
【摘 要】温度起伏会对液晶器件的相位调制特性、响应速度有影响,从而影响自适应光学系统中的液晶波前校正器的相位调制精度.针对该问题,本文研究了温度对512×512像素的硅基液晶波前校正器(LCOS)的LUT(look-up table)的影响,正是由于LUT的变化导致其相位调制特性不同;实验测量了不同温度下LCOS的时间和相位响应特性,由此计算了对应的L U T,利用最小二乘拟合方法对得到的数据进行拟合,给出了16～26℃范围内的关系式,利用此关系式可以获得该温度范围内不同温度下合理的LUT.我们在LCOS上施加闪耀光栅灰度图后,对不同LUT下入射光束的衍射效率分别进行测量,结果表明我们利用关系式内对应温度下的LUT取代LCOS中固定值的LUT方法可以克服温度的起伏带来的影响,提高LCOS的相位调制能力.本方法对于液晶器件在自适应光学、显示等领域的应用也有帮助.
【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2018(033)011
【总页数】7页(P911-917)
【关键词】液晶波前校正器;相位调制;自适应光学
【作 者】申文;张逸新;陈国庆;胡立发;马文超;胡栋挺;刘新宇;苏宙平;朱华新;张秀梅;阙立志;朱卓伟
【作者单位】江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡214122;江南大学理学院 ,江苏无锡214122;江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡21英国香港
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【正文语种】中 文
丑陋【中图分类】O753+.2;O439
早泄的症状有哪些1 引 言
液晶能够实现对入射光的振幅、相位和偏振态的控制，越来越广泛地应用于非显示领域，例如，波前校正(Wavefront correction)、光学相控阵中光束指向(Beam steering)、激光光束整形(Lar beam shaping)、产生涡旋光束、显微镜中产生结构光、光镊中用来产生空心光束、光学元件面形测量[1-3]等等。液晶以其相位调制准确、可编程控制、无机械运动和结构紧凑的优点，引起了人们的高度重视[4]，在光学领域表现出良好的应用前景[5-6]。特别是在自适应光学领域，液晶波前校正器是基于一种反射式的硅基液晶(Liquid crystal on silicon, LCOS)，与传统的变形镜相比，它突出的优点是像素密度高、相位调制精度高。
在自适应光学应用中，一天内不同时间段、甚至不同季节进行实验时，不可避免存在环境温度的起伏；如果在外场进行实验，温度起伏会更剧烈。将安装了LCOS的自适应光学系统置于库徳(Coude)房内，可以适当地降低温度的波动，但仍然存在室温附近小范围内的起伏可能。然而液晶材料对温度的影响比较敏感，温度的起伏会导致其响应速度、相位调制深度、特别是查找表(Look-up table, LUT)发生变化，从而影响LCOS的相位调制精度等电光特性，而这些特性对于LCOS的应用非常关键。另一方面，商用的LCOS一般没有控温装置，而 Meadowlark公司的LCOS也只有加温装置，防止温度过低；同时，商业LCOS的LUT在出厂时是某一室温和波长下设置好，实验时一般没有改变。由此可见，一般的LCOS不具备克服温度起伏的能力，有必要针对该问题进行研究。
温度的变化会影响液晶材料和器件的特性[7-8]。2004年Li等人对液晶材料的折射率随温度变化的特性进行了研究，并建立了四参数的数学模型[9]。2010年Lin等人测量了不同温度下液晶材料的阈值电压的变化情况[10]。2013年Hong等人测量了垂直取向的LCOS在不同温度下的电光特性，给出了在30～70 ℃范围内LCOS响应时间的测量结果[11]。2016年，Kim提出了与温度有关特性的电路模型[12]，利用该模型可以预测液晶显示器件在任意温度下的光学响应特性。同年，Zhang等人利用升高温度来提高LCOS的响应时间特性[13]。
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ssd和hdd从已有的研究可见，人们对液晶的温度依赖特性已经有了广泛的研究，但对于克服该问题的方法研究的较少。因此，我们对LCOS的LUT温度特性进行详细研究，通过实验测量和数据分析，找出其在室温附近一定温度范围内LUT的变化规律。在此基础上，可以根据LCOS环境温度的变化来给出合理的LUT，补偿温度起伏导致LUT的变化，从而提高其波前校正精度。
2 相位调制与时间响应测试
在对LCOS的测量中，一般采用干涉仪对液晶波前校正器的相位调制特性进行测量，但干涉条纹受室内气流干扰明显，因此，本文采用偏振光干涉法来进行测量[14]，其中激光光束直径小，受室内湍流影响小。测量液晶的时间响应和相位延迟特性时，所采用的实验光路如图1所示，光源采用635 nm半导体激光器，激光光束透过偏振片P1变成光矢量沿偏振片透光轴方向振动的线偏振光，经分光镜(BS)分光后一路光进入LCOS，经过调制后其反射光再次经过BS，透射光经过偏振片P2后，o光和e光发生干涉，利用小孔光阑Pd滤除其他表面反射的杂光，并利用衰减片F进行光强衰减后，用光电探测器(Kight nsitive detector)接收，并将光强信号输出给示波器(Oscilloscope)，示波器型号为SIGLENT SDS1
102CNL，采样频率100 MHz。由于本实验中的LCOS为纯相位调制型，为了保证它的电光响应测量的准确，两个偏振片的偏振方向和液晶取向角度关系如图1中的插图所示，偏振片P1与LCOS成45°，且P1和P2成90°。
图1 偏振干涉法光路。P1，P2:偏振片的偏振方向；LC：液晶的取向。Fig.1 Polarization interferometry optical layout. P1,P2: the polarization direction of polarizer; LC: the alignment direction of liquid crystal molecular.
如图1中所示，当振片P1和P2相互正交，且均与液晶SLMLCSLM的光轴成45°角时，根据偏振光学的原理，光强由o光和e光的相位差表示，可表示为：
(1)
其中，δ表示位相差，I表示光强，Imax表示最大光强值。由公式(1)可得：
(2)
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考虑到背景杂光干扰，以及起偏角和检偏角无法精确满足度等情况及一些误差，我们在结果中对光强采取归一化处理：
，
(3)
其中：Inorm为归一化光强，Ibac为背景光强。因而可以通过实验测的光强I，从而得到相位的变化曲线δ。在LCOS上施加不同的灰度图，从而改变液晶调制器中液晶层上的电压，对入射光的相位进行调制。记录液晶在不同温度、不同灰度间的响应数据，并进行处理，从而得到不同温度下LCOS的相位、响应速度等特性。温度的调控通过对环境温度进行适当的温控来完成，温度的测量误差小于0.5 ℃，为了保证测量的精度，我们在每一环境温度下都进行了3次重复测量。
3 结果与分析
3.1 温度对液晶波前校正器响应时间的影响
利用图1的光路进行LCOS的响应时间测量。LCOS的驱动信号如图2中实线所示，给LCOS交替施加0和255两个单一灰度值的512×512像素的灰度图，且0灰度级代表低电平，255灰度级代表高电平，每幅灰度图的施加持续时间为40 ms，与LCOS响应时间相比足够长，因
此，在0～255灰度和255～0灰度转换的时候，我们能测量得到上升和下降阶段的响应时间，如图2中23 ℃测得的曲线所示。
图2 23 ℃在灰度值为0和255切换时液晶调制的光强变化Fig.2 Light intensity variation modulated by LC switched between 0 and 255 at 23 ℃
价值英语图3 不同温度下液晶波前校正器的平均响应时间Fig.3 Average respon time of liquid crystal wavefront correctors at different temperature
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在自适应光学系统中，我们关注液晶波前校正器的响应时间，响应时间越长，系统的波前校正能力越差，因此，人们主要考虑较长的液晶下降时间，而不考虑相对很短的液晶上升时间。我们对16～30 ℃温度范围内不同温度下的LCOS的响应时间进行了测试。结果如图3所示。图3中横坐标是温度，纵坐标是液晶的下降时间。在实验中，我们每个温度下测了3组实验数据，对它们取平均得到该温度下的响应时间，图3中用圆圈表示；每组实验的与平均值的偏离值在图中用幅度表示。从图3中可以看出，随着温度的升高，响应时间越来越短，响应时间从16 ℃的4.86 ms降低到了30 ℃时的2.60 ms，且响应时间随温度近似呈线性变化，该变化趋势与Huang等人的结果一致[15]。
3.2 温度对液晶波前校正器相位调制量的影响
利用图1的光路进行相位调制特性测量时，与3.1中LCOS的驱动信号不同，依次对LCOS施加灰度值为0，1，2，…255的256幅灰度图，对应外加电压对液晶进行连续调制，每幅灰度图的保持时间为100 ms，与LCOS响应时间相比该时间足够长，以保证LCOS灰度响应到位。并且对在同一灰度下示波器测得的多个光强数据进行平均，以减少噪声的影响，进一步提高该灰度下光强响应测量精度。对每一个灰度内的光强数据取平均后，得到256个灰度值与相应的平均光强关系，如图4所示，横坐标是液晶校正器上施加的灰度图的灰度级，纵坐标是对应灰度下光强的平均值(average intensity)。再根据公式(2)和(3)得到灰度值与相位调制的关系(以波长为单位)，如图5所示，横坐标是液晶校正器上施加的灰度级，纵坐标是16 ℃时该灰度下对应的相位延迟，我们称之为相位调制量(Dp)。
图4 液晶在不同灰度级下的光强响应Fig.4 Intensity respon of LC at different gray scale
图5 灰度级与相位关系图Fig.5 Pha retardation as a function of gray level Intensity respon of LC at different gray scale
