[发明专利]一种液晶指向矢快速测量装置及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及液晶的应用领域，特别是涉及一种液晶指向矢快速测量装置及其实现方法。

背景技术

液晶是介于晶体和液体之间的中间态物质，其分子在液晶内部可自由移动但指向存在一定的有序性。此有序性的从优方向被定义为指向矢，描述液晶分子在空间上的宏观排列方向，表征液晶的宏观结构和状态。在外界磁场、电场等条件的影响下，指向矢易偏离原始方向重新排列，使液晶呈现出旋光和电控双折射等电光特性。基于这些特性液晶被应用于光开关、可调谐滤波器、生物传感、三维显示以及光通信等领域。虽然液晶器件应用已经很广泛，但是普遍存在响应速度较慢的技术难题。开发快速响应的液晶器件，需要深入研究液晶内部分子随着外场的动态变化过程。目前液晶指向矢分布特性的实验研究大多是通过探测液晶透射光强来进行的，这类方法在测量过程中会受光源功率波动的影响且只能单参数测量，无法同时获得完整指向矢分布信息。现有的Müller矩阵偏振测量法实现了对液晶分子平均指向矢的快速测量，该方法可测量液晶指向矢的多个参数，但设备昂贵且光路结构和反演算法都极为复杂。随着液晶显示技术应用范围的扩展，并日益深入日常生活，需寻找一种光路简单、低成本的装置实现液晶指向矢的快速测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种液晶指向矢快速测量装置及其实现方法，对液晶基础物理的研究和器件性能的优化都具有重要意义。

本发明采用以下方案实现：一种液晶指向矢快速测量装置，包括从左到右依次并排放置的起偏器、扩束镜、检偏器以及成像屏；一待测扭曲向列型液晶设置于所述起偏器和扩束镜之间；一激光光源经过所述起偏器入射到扭曲向列型液晶；一位于所述扩束镜和检偏器之间的用以形成干涉条纹的晶体斜劈，所述晶体斜劈为带有劈角的双折射晶体，且呈四棱锥状；所述扩束镜和晶体斜劈之间设有一半圆形1/4波片；还包括一用以采集干涉条纹光强数据的线阵相机，所述线阵相机设置于所述成像屏的右侧，所述线阵相机的输出端连接至一计算机用以进行数据处理。

进一步地，所述起偏器的偏振方向处于竖直方向。

进一步地，所述半圆形1/4波片的快轴方向处于45°。

进一步地，所述晶体斜劈的劈角为1°。

进一步地，所述检偏器偏振方向处于45°。

本发明还采用以下方法实现：一种液晶指向矢快速测量装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光光源经过起偏器以一定的角度入射到待测扭曲向列型液晶，通过调整起偏器的偏振方向使其平行于待测液晶入射光测液晶分子锚定方向；

步骤S2：在待测液晶出射光方向放置扩束镜，经所述扩束镜扩大后的光斑一部分直接入射到所述晶体斜劈，另一部分经过半圆形1/4波片入射到晶体斜劈，再经过所述检偏器在所述成像屏上形成两组分别对应液晶透射光相关偏振参数Δ和γ的干涉条纹；

步骤S3：采用线阵相机对所述的两组条纹进行同时采集，分别记录其光强数据；

步骤S4：经计算机对所述的光强数据进行滤波和除背景光处理，得到波谷或波峰位置，并与标准偏振光产生的波谷或波峰位置进行对比，计算出透射光的两相关偏振参数；

步骤S5：根据液晶指向矢的倾斜角θ和扭转角φ和透射光偏振态的关系，结合步骤S4中测得的偏振参数计算出液晶的指向矢。

进一步地，所述晶体斜劈的劈角为1°。

进一步地，所述激光光源的波长为632.8nm的He-Ne激光光源。

进一步地，所述线阵相机的像素是1280*1024的CCD相机。

进一步地，所述计算机进行数据处理时采用Labview软件平台，依次采用波峰检测模块中值滤波模块及数组操作模块，进行滤波、扣除背景光和寻找波谷或波峰的运算，具体为：

假设液晶中透射光的偏振态用琼斯矩阵表示，利用琼斯矩阵对偏振光的传播过程进行推到，得到经过1/4波片和未经过1/4波片的光路产生的干涉条纹对应的光强分别为：

I₁(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(γ+l(y))

I₂(y,Δ)＝1/2+1/2sin 2ψcos(Δ+l(y))