（信号与信息处理专业论文）纯相位液晶空间光调制器的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 空阋光调制器凭借它的实时性和灵活性，广泛应用于模式识别、图像处理、数字全 息、空间滤波、二元光学等领域，是现代光学和光电信息处理必不可少的器件。本文介 绍的是以扭曲向列液晶为材料的液晶空间光调制器( l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h t m o d u l a t o r ，l c s l m ) 。液晶对光的调制本身包含了相位变化和强度变化，而在某些应用 中需要纯相位调制，或强度只在某个小范围内变化，我们的研究方向主要在纯相位调制。 本文首先对国内外的纯相位调制研究方法进行了分析与总结，阐述了基于扭曲向列 液晶的纯相位调制理论。综合了各种因素，我们选择从商用液晶屏的驱动电压入手，在 驱动电路上做了改变，扩大液晶分子上的电压范围，来提高液晶屏对透过光的相位调制 深度。 根据研究目的选取合适的液晶屏，进而基于液晶屏的驱动原理，结合我们对液晶分 子电压控制的考虑，设计并制作了驱动电路。其中主要包括模拟信号处理模块、数字同 步信号模块、单片机控审4 模块、电源模块等，调试电路板，使液晶屏正常显示。 然后将此液晶屏在光路中进行强度调制和相位调制测量，通常需要配合偏振片和 1 4 波片来实现。调节液晶屏前后的两个偏振片角度，液晶屏的调制特性也会随之改变。 通过实验得到了液晶屏的相位调制深度相对于偏振片角度的变化情况。进一步我们从中 选取了一些状态，进行强度调制测量，比较这些状态的调制特性，得出了最佳的纯相位 调制模式和纯强度调制模式，并给出了其相应的调制特性益线。从曲线中能够明显看出， 改变驱动电压对液晶屏的纯相位调制性能的提高，达到了我们预期的目的。 最后，与同类液晶空间光调制器产品l c 2 0 0 2 进行了性能比较分析，并用图像解码 实验来验证其应用能力，均得到了较好效果。 关键词：液晶空问光调制器；扭曲向列液晶；纯相位调制；液晶屏驱动电路 苎；塑奎兰里垡丝堡塞 r e s e a r c ho fp h a s e - o n l yl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r a b s t r a c t b e i n gr e a l t i m ea n df l e x i b l e ，s p a t i a lf i g h tm o d u l a t o ri sw i d e l yu s e di nm a n yi m p o r t a n t f i e l d ss u c ha sp a t t e mr e c o g n i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g , d i g i t a lh o l o g r a p h y ，s p a t i a lf i l t e ra n d b i n a r yo p t i c s i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e mo p t i c sa n do p t i c - e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rb a s e do nt w i s t e d n e m a t i cl ci si n t r o d u c e d i l lt h i sp a p e r t h em o d u l a t i o no fl c di n c l u d e sp h a s ev a r i a t i o na n di n t e n s i t yv a r i a t i o n , h o w e v e ri ns o m ef i e l d sp h 勰e - o n l ym o d u l a t i o ni sr e q u i r e do ri n t e n s i t yv a r i e si ns m a l lr a n g e w e e m p h a s i z ep h a s e - o n i ym o d u l a t i o ni nt h ep a p e r a f t e ra n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h er e s e a r c ho fp h 勰e o n l ym o d u l a t i o nh o m ea n d a b r o a d , w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fp h a s e o n l ym o d u l a t i o nb a s e do nt w i s t e d - n e m a t i cl c b a l a n c i n gs e v e r a lf a c t o r s ，a na p p r o a c hb a s e do ni m p r o v i n g t h ed r i v i n gv o l t a g eo fc o m m e r c i a l l c di sp r o p o s e d w ec h a n g et h eo r i g i n a ld r i v i n gc i r c u i ta n de n l a r g et h er a n g eo fv o l t a g eo n l c dt oi m p r o v et h ep h 舾ed e p t h al c dw h i c hf i t sf o rs l mi s “c h o s e na n dc o m m o np r i n c i p l eo fd r i v i n gi sg i v e n c o m p a n i e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fv o l t a g ec o n t r o l ，w ed e s f 誊na n dm a k et h ed r i v i n gc i r c u i t w h i c hi n c l u d e sa n a l o gs i g n a lm o d u l e , d i g i t a ls i 酽a lm o d ! l e ，c o n t r o lm o d u l ea n dp o w e r m o d u l e t h el c d p l a y ss t e a d i l y t h e nt h em o d u l a t i o nc h a r a c t e ro fl c di sm e 蠲u r e di no p t i c a ls y s t e m g e n e r a l l yi tn e e d s p o l a r i z e r sa n dq u a r t e r - w a v ep l a t e s t h ep h a s em o d u l a t i o nc h 盯a c t e rc h a n g e sw i t ht h er o t a t i o n o ft w op o l a r i z e r sb e s i d et h el c d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mi s g i v e nt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t c o m p a n i e dw i t h m e a s u r e m e n to f i n t e n s i t ym o d u l a t i o n , t h ep h a s e - o n l y m o d u l a t i o nm o d ea n dt h ea m p l i t u d e - o n l ym o d u l a t i o nm o d ea r ef o u n d i tc a l lb ed e d u c e df r o m t h em o d u l a t i o nf i g u r et h a tt h ep h a s em o d u l a t i o nd e p t hi si m p r o v e df o rt h e 伽d r i v i n gc i r c u i t a sp r e d i c t e d f i n a l l y ，ac o m p a r i s o no fm o d u l a t i o nc h a r a c t e rb e t w e e no u rs y s t e ma n dl c 2 0 0 2s p a t i a l l i g h tm o d u l a t o ri s d e m o n s t r a t e d i nt h ea p p l i c a t i o no fi m a g ed e c o d i n g , t h er e s u l ti s s a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ；t w i s t e dn e m a t i cl i q u i dc r y s t a l ； p h a s e - o n l ym o d u l a t i o n ；d r i v i n gc i r c u i to fl c d - i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：李- 水日期：狻2 ：! 兰：蛰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 銮冰 丑年旦月鲨日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 空间光调制器概述 空问光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，s l m ) 是实时光学信息处理、自适应光学和光 计算等现代光学领域中的关键器件。在很大程度上，它的性能决定了这些领域研究的实 用价值和发展前景。空间光调制器是指能将信息加载于一维或两维的光学场上，以便有 效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在某个信号的控制下， 改变空间上光分布的强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。广 泛应用于模式识别、图像处理、数字全息、空间滤波、二元光学等重要领域。 空间光调制器按照输入控制信号的方式不同，可分为光寻址【1 1 和电寻址1 2 - 5 1 ；按照读 出光的读出方式不同，又可以分为反射式【2 l 和透射式i 3 - 5 1 ；根据所用材料不同，还可以分 为电光晶体、声光晶体、磁光开关、变形薄膜等。液晶空阃光调制器( l i q u i dc r y s t a l s p a t i a l l i g h tm o d u l a t o r ，l c s l m ) 就是其中一种，以液晶的电控向列扭曲效应和电控双折射效应 为主要工作原理，采用电寻址方式。它具有响应速度快、驱动电压低、易控制、功耗小、 抗干扰能力强、价格便宜、体积小等优点，因而受到普遍的重视。本文主要研究的就是 液晶屏作为纯相位空问光调制器的工作特性。 所谓纯相位调制，就是传输光的相位随控制信号而变化，强度不变或者只在一定的 小范围内变化。调制深度为2 p 的相位连续变化是最理想的，但是由于液晶对光的调制 是相位和强度同时变化的过程，因此纯相位调制是不现实的。有些应用中也并不需要连 续的相位变化，如果进行8 阶的相位编码，相位调制深度达到1 7 5 p 就能满足，再使整 个范围内的强度变化符合要求。下面介绍前人在该研究领域取得的重要成就 1 2 液晶空间光调制器的发展历史 1 8 8 8 年，奥地利植物学家f r e i n i t z e r 在测定有机物的熔点时，发现了某些有机物熔 化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出美丽多彩的珍珠光泽。而只有将 其继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家0 l e h m a n n 使用他亲自设计，当时最新式，附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观 察。他发现，这类白而浑浊的物质外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有 的双折射性。于是0 l e h m a n n 将其命名为“液态晶体”，这也就是“液晶”名称的由来。 到了1 9 6 3 年，r c a 公司的w a a m e s 又发现，在用电刺激液晶时，其透光方式会改变。 5 年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这就是液晶显 示屏( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l e d ) 的开端。在当初，作为显示屏的材料，液晶还是很不 纯相位液晶空间光调制器的研究 稳定的。因此要大规模的商业利用，尚存在着很多问题。然而，1 9 7 3 年，j g r a y 教授发 现了稳定的液晶材料( 联苯系) ，这在液晶显示器的发展历程中具有里程碑式的意义。 1 9 7 6 年，s h a r p 公司在世界上，首次将其应用于计算器( e 【广8 0 2 5 ) 的显示屏中。现在此 材料已成为l c d 材料的基础。 1 2 1 基于扭曲向列液晶的纯相位空间光调制器 一般显示最常用的液晶是扭曲向列液晶，它的分子形状为细长棒形，在不同电流电 场作用下，液晶分子会做旋转9 0 。的规则排列，由此产生透光度的差别。这样在电压的 控制下，就产生明暗的区别。依据此原理控制每个像素，便可构成所需图像。又因为液 晶的电控双折射效应，会改变传播光的相位。这就是液晶显示屏作为空问光调制器的主 要工作原理，而实际上根据用途的不同，液晶屏的结构会有很大的差别。 较早的液晶空间光调制器是基于液晶电视的，随着液晶显示技术的成熟和液晶电视 的商用化，人们便开始利用它作为空间光调制器来研究。k a n g h u al u 6 】在1 9 8 9 年发表的 一篇文章里，分析了液晶电视的结构，阐述了它作为空白j 光调制器的可行性和工作原理。 从实验中得到了液晶电视改变亮度和对比度对调制效果的影响，并对当时常见的几种液 晶电视作为空问光调制器进行了比较分析。他在接下来发表的文章1 7 】中阐述了液晶屏的 分层模型，并用j o n e s 矩阵来模拟液晶电视对光的调制特性，在实验中得到了验证。他 还进一步给出了液晶电视作为纯相位调制需要改进的参数，包括液晶盒的厚度、峰值电 压的改变量、信号占空比和平均电压。这为后来的研究打下了基础。 近些年国内外基于液晶电视的纯相位调制研究主要有两个方面：第一是利用现有液 晶屏和驱动电路，调整光学系统参数，达到最大的相位调制动态范围，从事这种方法的 研究最多。液晶分子通常被夹到两个偏振片之间，调节两个偏振片的角度，就可以改变 液晶屏的调制模式。早期的研究是将液晶电视上的偏振片取下，代之以可旋转角度的偏 振片，这样通过优化偏振片的角剧8 i ，就可以得到纯相位调制。对于不同的液晶屏，调 制效果会有不同，但是这种方法的普遍缺点在于伴随的强度变化较大，因为光在透过液 晶屏时，偏振态发生了变化。研究人员试图找到这样一种偏振光，它在液晶屏传输时偏 振态不发生变化。 1 9 9 3 年j l p e z z a a i t i 和r a c h j p m a n 卅最早从实验中得到了这一特征偏振光，他们 在光路中引入了1 4 波片，并用m u e l l e r 矩阵来进行计算，实验结果证明了在某一电压 范围内纯相位调制的可能。1 9 9 8 年j e f f r e ya d a v i s 等人【1 1 】从理论上得出了特征偏振态 的表达方法，它是一种椭圆偏振态，光路中用两个1 4 波片和两个偏振片配合就能实现。 但是这个方法需要在整个电压范围内定义一个平均特征向量。2 0 0 6 年v d u r a n 等人1 1 2 3 2 一 大连理工大学硕士学位论文 基于上面方法的不足，提出了等倾角偏振态法，它的椭圆率可以随外加的电压而变化。 实验光路中可以少用一个1 4 波片，使用波长为5 1 4 n m 的激光源，相位调制深度为1 5 p ， 伴随的强度变化仅有2 5 。 随着液晶屏工艺水平的进步，小尺寸高分辨率的液晶屏取代了液晶电视作为空间光 调制器，这样有利于提高衍射效率和显示精度。但是液晶屏厚度变薄是不利于相位调制 的，而且较薄的液晶屏的边缘效应更加明显，不能忽略。k a n g h u al u 最原始的分层模型 已经不适于这样的液晶屏，对于液晶屏模型的改进，也有人做过很多研究。j e f f r e y a d a v i s 等人提出的三层模型1 3 l ，对于边缘效应进行了数学模拟，边缘层的厚度和折射 率都是外加电压的函数，对液晶屏调制特性的分析与实验结果比较符合。m a k o t o y a m a u c h i 进一步提出了多层模型和微分模型1 1 4 l ，模拟液晶屏的调制特性更加精确，但 是越复杂的模型需要的计算就越复杂，采用什么样的模型取决于液晶屏和实验要求。 目前，基于扭曲向列液晶屏的纯相位调制最好的研究成果是j e f f r e ya d a v i s 1 5 j 等人 给出的。实验中的液晶屏是用于投影仪的s o n y 公司l c x 0 1 2 a l 液晶屏，激光波长为 4 5 8 n m ，这是为了得到更大的相位调制深度。用三层模型来模拟边缘效应，按照计算的 结果生成特征偏振光，理论值与测量结果比较符合。相位调制深度接近2 d ，同时伴随的 强度变化为5 ，这是一个不错的结果。 第二种研究方法是针对不同的液晶屏，重新设计驱动电路【1 6 1 ，通过控制液晶分子上 的电压范围，来找到合适的纯相位调制区域。这种方法不具有普遍性，但是方便可行， 能够省去复杂的数学计算和光学实验，适于实验室研究之用。这部分内容是以n k o n f o r t i 等人1 1 1 7 l 的理论为基础，他们在文章中指出，液晶分子在电压逐渐增大的过程中，分为两 个阶段变化。当电压大于f r e e d e r i c k s z 转变阈值，而小于光学阈值的时候，液晶分子开 始旋转，有效的双折射作用逐渐减小，但液晶分子的扭曲还保持着当初的格局，此时液 晶盒相当于光波导，在这个区域内相位调制占据主要因素。而当电压大于光学阈值，分 子将沿电场方向排列，双折射和光波导作用都很小，为强度调制区域。一般用于显示的 驱动电路为了保证液晶屏显示效果，会故意把电压限制在某个范围内，从而影响了它的 相位调制能力。改变驱动电路的目的就是消除这一电压限制，发挥液晶屏的最大相位调 制能力。这个方法简单实用，但是有局限性，目前这方面的研究还没有一个统一的结论。 1 2 2 其它关于纯相位液晶空间光调制器的研究 为了达到纯相位调制的目的，还可以选择重新设计液晶剑”。平行捧列的液晶分子 从原理上可以减少由于分子扭曲对透过光偏振态的改变，从而减小强度变化，只保留相 3 一 纯相位液晶空间光调制器的研究 位调制的能力，但是这种方法存在很多问题。技术难度大，无法大规模生产，相位调制 深度也不能保证，单一的调制模式也不利用应用。 近些年来，一种基于l c o s ( “q u i dc r y s t a lo rs i l i c o n ) 墙l 技术的液晶空间光调制器得 到了广泛应用，l c o s 是一种反射型的液晶显示屏，结构是在单晶硅上生长电晶体，利 用半导体集成制作驱动面板，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极 作为反射镜，形成c m o s 有源点阵基板，然后将c m o s 基板与含有i t o ( 铟锡氧化物) 透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装。与传统的l c d 相比，具有分辨 率高、光源利用率高、响应速度快、对比度高、成本低、开口率高、图像细腻、使用寿 命长等优点。但是生产它有一定的技术难度，目前b n s l l 9 1 公司在此领域的研究已经成 熟，有面阵和点阵的，各种调制模式的空间光调制器产品。 1 3 研究目的和主要内容 本文介绍了液晶空间光调制器在光信息处理等领域的重要应用，分析并总结了纯相 位调制的研究方法。整个研究过程涉及的方面很多，从液晶屏的工艺到参数的测型”i ， 从理论模型的建立到不确定性分析【2 l j ，相位的精确测量更是方法众多1 2 2 之7 】。我们根据实 验条件和应用的需要，选择了可行的研究方案，即通过改变驱动电压来达到纯相位调制 的目的。对这方面已有的研究结果进行分析，找出并改进其中的不足之处。设计了适合 纯相位调制的驱动电路，配合光路进行测量，根据调制特性曲线来选择应用电压范围。 这样就省去了复杂繁琐的计算，可以满足某些纯相位调制的应用需求。所以对于这方面 的研究具有很重要的价值。 本文第一部分为绪论。第二部分介绍了扭曲向列液晶作为纯相位调制的基本原理， 以及基于光学系统的纯相位调制研究方法。第三部分是驱动方案的选定和具体电路设 计。第四部分是液晶屏在光路中的测量和特性分析，最后得到了较好的纯相位调制，并 与同类产品进行了调制性能比较分析。第五部分总结本文所完成的主要工作和得到的主 要结论，并对进一步研究提出了建议。附录中，给出了电路原理图和控制程序。其中三、 四部分是本文的核心，也是本人的主要工作内容。 大连理工大学硕士学位论文 2 基于扭曲向列液晶光调制的基本理论 2 1扭曲向列液晶的调制原理 根据液晶分子的空间排列不同，可将液晶分为向列型、近晶型、胆甾型3 类。其中 扭曲向列液晶( t w i s t e dn e m a t i cl i q u i dc r y s t a l ，t n l c ) 是液晶屏的主要材料之一，它是一 种各向异性的媒质，可以看作是同轴晶体，它的光轴与液晶分子的长轴平行。 n 虹c 分子自然状态下扭曲排列，在电场作用下会沿电场方向倾斜，过程中对空问 光的强度和相位都会产生调制。n k o n f o r t i 等人1 1 1 l 对它的解释是：当液晶盒上电压逐渐 增加，大于f r e e d e r i c k s z 转变阈值，而小于光学阈值的时候，液晶分子开始旋转，有效 的双折射作用逐渐减小，但液晶分子的扭曲还保持着当初的格局，此时液晶盒相当于光 波导，在这个区域内相位调制占据主要因素。而当电压大于光学阈值，分子将沿电场方 向排列，双折射和光波导作用都很小，为强度调制区域。对驱动电路的改变正是基于这 一理论，如图2 1 。一般的驱动电路为了保证液晶屏显示效果，会故意把电压限制在某 个范围内，影响了它的相位调制能力。 相位调制区域 厂、 分子几乎分子完全 不倾斜倾斜 0 f r e e d e r i c k s z o p t i c a l液晶分子电压 t h r e s h o l dt h r e s h o l d 图2 1 液晶分子电压区域 f i g 2 1v o l t a g eo i lt h el cm o l e c u l e 2 1 1 强度调制原理 在液晶盒内，t n l c 分子自然状态下扭曲排列，沿光的透过方向旋转9 0 。，如果有 外加电场，则液晶分子向电场方向倾斜，如图2 2 所示。液晶盒的厚度为d ，图( a ) 的液 晶分子在自然状态下，若设下表面分子扭曲为o 。，则上表面分子已经扭曲了, f = 9 0 。； 图( b ) 和图( c ) 都是液晶盒加电压的情况，但图( b ) 中所加电压较小，液晶分子逐渐向电 场方向倾斜。图中所示的0 为倾斜角，是液晶分子受电场影响所倾斜的角度。图( c ) 中 液晶分子已经完全沿电场方向倾斜，即皓9 0 。但是两个边缘部分的液晶分子并不随 纯相位液晶空间光调制器的研究 着电压而变化，它们被固定在两侧的取向层上，取向在制作时就已经确定，这部分液晶 分子的处理将在后面的模型分析中讨论。 嚣司 z 舢璺鲫 ( b 1 黝 护 丞 衙 妒 图2 2 液晶盒加电压情况 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o no ft h el c f o rd i f f e r e n tv o l t a g e 目前主流的1 1 可型的液晶显示器组成比较复杂，它主要是由荧光管、导光板、偏光 板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等构成。作为空白j 光调制器 来使用时，通常只保留液晶材料和偏振片。液晶被夹在两个偏振片之间，就能实现显示 功能，光线入射面的称为起偏器，出射面的称为检偏器。实验时通常将这两个偏振片从 液晶屏中分离出来，取而代之的是可旋转的偏振片，这样方便调节角度。在不加电压和 加电压的情况下，液晶屏的透光原理如图2 3 所示 v 如 自然光 十十 起偏器 开 关 图2 3 液晶屏的透光原理 f i g 2 3 s t a t eo fl c df o rd i f f e r e n tv o l t a g e 一6 一 ：蚕铝 大连理工大学硕士学位论文 图中液晶屏两侧的起偏器和检偏器相互平行，自然光透过起偏器后变为线偏振光， 偏振方向为水平。右侧v = o ，不加电压，液晶分子自然扭曲9 0 。，透过光的偏振方向也 旋转9 0 。，与检偏器方向垂直，无光线射出，即为关态。然而在左侧嘲，分子沿电场 方向排列，对光的偏振方向没有影响，光线经检偏器射出，即为开态。这样即实现了通 过电压控制光线通过的功能。若两个偏振片相互垂直，对光的透过情况与图中正相反。 2 1 2 相位调制原理 液晶分子沿电场方向旋转的过程中，由于双折射效应的存在，还产生了对光的相位 调制。双折射的产生原理如图2 4 入射光 。停 1 o9 i r o 参 1 9 、 、1 、 ( a ) 均匀介质 ( b ) 液晶 ( c ) 液晶( d ) 液晶 。偏振方向垂直纸面铮偏撮方向平行纸面液晶分子 图2 4 射入液晶的光线 v i e , , 2 4u g h t st h x o u g ht h el c 液晶是光学各向异性的物质，液晶分子轴平行方向和垂直方向上的折射率不相同， 分子轴就是光轴。如图( a ) 所示，当光线垂直射入两个均匀的各向同性介质界面时，即使 折射率不同，光线仍然不会改变传播方向。对于图( b ) 来说，光线沿着光轴入射，同样不 会改变光的行进方向。但对于图( c ) 和( d ) 就不仅要考虑液晶是各向异性物质，还要考虑到 分子轴方向和入射光线的偏振方向之间的夹角。图( c ) 的状态下，入射光只含有偏振方向 垂直于纸面的偏振光。此时入射光的振动方向垂直于光线与光轴组成的平面，因此该光 线为寻常光，遵守折反射定律，直线前进。图( d ) 表示入射光只含有平行于纸面的偏振光， 该振动方向平行于光线与光轴组成的平面，为非常光，此时光线有偏转角。这种光在平 行于分子轴方向和垂直于分子轴方向的速度不同。通常，入射光既含有图( c ) 所示的偏振 纯相位液晶空间光调制器的研究 光，也有图( d ) 中的偏振光，因此一束光入射时既产生寻常光，也产生非常光，也就是说 光在液晶中传播时会产生双折射。 若想定量分析液晶屏对光的调制特性，需要将调制过程用数学方法来模拟，液晶盒 里的扭曲向列液晶可沿光的透过方向分层，每一层可看作是单轴晶体，它的光学轴与液 晶分子的取向平行。由于分子的扭曲结构，分子在各层间按螺旋方式逐渐旋转，各层单 轴晶体的光学轴沿光的传输方向也螺旋式旋转。如图2 5 所示 x 图2 5t n l c 分层模型 f i g 2 5m o d e lo ft n l c z 偏振光沿z 轴传输，各层分子可以看作具有相同性质的单轴晶体，它的j o n e s 矩阵 的表达式和液晶分子的寻常折射率和非常折射率n 。以及液晶盒的厚度d 和扭曲角a 有关。除此之外，j o n e s 矩阵还与两个偏振片的转角f l ，f 2 有关。因此光波强度和相位 的信息可简单表示为t - t ( p ，蛾，九) ：6 - 6 ( ，疵，九) ，其中卢- 耐m 。( o ) - n o i l , t 称为双 折射，它其实为隐含电场的量，因为j 为非常折射率 。的函数，非常折射率行。随液晶 分子的倾角口改变，0 又随外加电压而变化。下面详细介绍j o n e s 矩阵的计算方法。 2 2 基于j o n e s 矩阵的理论研究 j o n e s 矩阵用来描述空间光偏振态的变化情况，它是一个2 x 2 矩阵。光是横波，即 振动方向与传播方向垂直。在空间坐标中，设光线沿z 轴传播，则其偏振态可以用以下 向量来表示：局- i 茎“i ，透过偏光器件后的偏振态e - l ：“i ，假设透光过程为线性 1 0r l li - r 2 l 姚则喉二笼0 耋。渤一式针“j z l 删，即e r - i e , ， 8 一 大连理工大学硕士学位论文 其中，。出纠即为该器件的矩阵如果有一系列光学元件对入射光进行作 用，其透射光可用各元件的j o n e s 矩阵依次相乘得到 e j j 2 j 1 日 ( 2 1 ) 这样第一个元件的透射光就成了第二个元件的入射光，依次类推。在液晶屏的使用 中，光线依次通过起偏器p 1 、液晶分子、检偏器p 2 ，如图2 6 所示 x 图2 6 直角坐标中的角度定义 f i g 2 6d e f i n i t i o no f a n g l ei nc o o r d i n a l es y s k m z 光路中要求偏振片和液晶屏表面都在x - y 平面上，图中已经分别标出了液晶屏前后 表面分子的取向，两者相差9 0 。偏振片角度的定义是，逆着光的方向看，f 1 为液晶屏 前表面分子的方向顺时针到p 1 偏振方向的角度，2 为液晶屏后表面分子的方向逆时针 到1 2 偏振方向的角度。 如果偏振器件的透光方向与x 轴夹角为0 ，那么在直角坐标系中该偏振器件的j o n e s 矩阵是： 加瑚m c o s ；- 瞄s i n 0 。1 辩 c o 血s o 口训s i n 0 】 眦、 一层口紫1 瞄“ 其中尺( - 一c 。o i s 。8 口c 咖o s 口0 1 为旋转矩阵。 对于旋光物质，当旋转的角度为a 时，对应的j o n e s 矩阵为： 一9 一 纯相位液晶空间光调制器的研究 j t p ) - c x “一，加d a ) e 口。5 眦i ( 2 3 ) 【s i n 口 c o s aj 其中雄是介质的折射率，d 为介质厚度，丑为光的波长。 对于液晶这种复杂的双折射旋光介质，其j o n e s 矩阵的计算比较复杂，根据不同的 模型会有不同的表达式，在k a n g h u al u 7 1 最早提出的简单模型中，认为液晶分子扭曲9 0 0 是均匀变化，在某一固定电场下，分子的倾斜角护不因z 而变化，即不考虑边缘效应。 他给出了液晶层自然状态下的j o n e s 矩阵： j - e x p ( - j 目0 ) ( 号卜螂川争r c o s r + ，( 鸟s i n ， y ( 号) 咖r ( 2 4 ) 其中卢- 等”，妒t 等巾睁2 1 j l 二l 当液晶屏加有电场时，液晶分子向电场方向倾斜0 ，它完全是电压k 的函数。由上 一节的理论可知，液晶分子存在一个倾斜的阈值电压，当阼小于k 时，0 为0 。当 i i , 大于k 时，0 是k 的函数。另定义k 是0 等于4 9 6 。时的电压，则0 可如下定义 r 0，kt k t a n 。1 h 半肛屹 q 墙 由于分子的倾斜，改变了液晶的双折射，件。是0 的函数。 妥t c o s e ( o ) + t s i n 2 ( o ) ( 2 6 ) h 。p ) n 。 所以当有电场存在时，液晶层的j o n e s 矩阵就是将式( 2 4 ) o e 的n e 用n 。仰来代替。 根据式( 2 1 ) 将计算出偏振片和液晶组成的系统的j o n e s 矩阵，进一步由复振幅可分 别得到系统的强度变化和相位变化。 卜伊r 蝴训一细) 胖s i n 细) 】2 亿7 ) 6 户一t a n 一，上塑尘坐磐堂立盟- 一 ( 2 8 ) o r 2 y ) s i n r c o s ( # 1 一九) + c o s , s i n ( 唬一妒2 ) 以上公式建立了液晶屏调制特性与分子所受电压之间的关系，是研究纯相位空间光 调制器的理论基础，后面的研究引入了椭圆偏振光和更精确的分层模型。 一l o 大连理工大学硕士学位论文 2 3 本征矢量分析 调制过程中光强度的变化，是研究纯相位调制的一个重要分析指标。由于分子的螺 旋扭曲，改变了线偏振光的偏振方向，这样再透过固定的检偏器，强度变化必然会很大。 如果能够使透过光的偏振态不变化，必然能使强度变化大为减小。j l p e z z a n i t i 和 r a c h i p m a n 9 j 最早从实验中得到了这一偏振光，它具有椭圆偏振态，生成它的方法是 在偏振片后放置1 4 波片。实验证明了用椭圆偏振光比线偏振光更适于纯相位调制。后 来j e f f r e y a d a v i s 等人对这一偏振态做了详细的说明。根据不同的模型，选择不同的矩 阵，利用数学方法求得它的特征向量。该特征向量所代表的入射光经过液晶屏，其偏振 态不会发生变化。因此，他们称这一偏振态为特征偏振态。首先选择j o n e s 矩阵 _ ，- e x p ( - f p ) r ( - a ) m ( a ，户) ( 2 9 ) j 其中，一半o 。一n o ) ，a 是液晶分子扭曲角 m ( a ，卢) - 口s i n y c o s y + i f l s i n 7 r ( 2 1 0 ) ! 其中r - ( 口2 + 卢2 ) ：。求矩阵r ( - 口) m ( a ，声) 的特征向量，称为标准特征向量。但是它对 于纯相位调制并不是很有帮助，首先特征向量的椭圆率随着电压而变化，其次偏振态随 着双折射的变化，快速地在线偏振态、椭圆偏振态和圆偏振态之间变化。因此，无法在 整个双折射范围内定义一个偏振特征向量，而且此特征向量所生成的相位变化也太小。 前表面 后表面 前表面 后表面 ( a ) 标准特征向量( b ) 旋转特征向量 图2 7 椭圆偏振光的传输 f 嘻2 7 t r a n s m i s s i o no f e l l i p t i c a l l yp o l a r i z e dl i g h t s 等严 卜竺 宝 八u 觚 纯相位液晶空间光调制器的研究 若只计算m 似，p ) 的特征向量，则它透过液晶屏会被旋转，称为旋转特征向量。相 对于标准特征向量，它随着双折射的变化相对线性，椭圆率的变化较缓，更重要的是能 够带来较大的相位变化。图2 7 示出了两种特征向量透过液晶屏时的变化情况。 生成椭圆特征偏振向量，可以通过两个1 “波片( o w p ) 和两个线偏振片配合，对称 放置在液晶屏两侧，如图2 8 所示。o w e l 和q w p 2 的快轴方向分别平行于液晶屏前后 表面分子的取向，偏振片的相对于波片的转角为p 。 x ， 7 图2 8 椭圆偏振光的生成 f i g 2 8 g e n e r a t i o no f e l l i p t i c a u yp o l a r i z e df i g h t 实验中证明了用椭圆偏振光透过液晶屏，强度的变化比用线偏振光小很多，但是过 程中需要将波片对光的影响加入j o n e s 矩阵计算，从强度和相位的表达式中得出最优化 的角度，再指导实验，因此过程比较复杂。 2 4 模型分析 若要得出正确的j o n e s 矩阵表达式，建立合理的理论模型是前提条件。按照k a n g h u a h 的假设，光线沿z 轴方向垂直透过液晶屏，扭曲角a 随z 线性变化，而倾斜角0 不随 z 变化，只和电压有关系。而实际上，液晶屏在有电场作用时，由于靠近液晶屏两侧的 液晶分子已经被固定在边缘的极板上，它们倾斜和扭曲的规律与中间的液晶分子不同， 对于日趋变薄的液晶屏来说，这部分边缘效应更不能忽略。图2 9 示出了扭曲角和倾斜 角在电场下的变化情况，其中横坐标为z ，变化范围是液晶屏的厚度d 。 大连理工大学硕士学位论文 2 口 o _ 2 0 0 0d 2 ( a ) - d 2 0 d 2 “) i 2 0 0 d 2 ( c ) 厂 a 2 0 厂、 0 d 2 z ( f ) 图2 9 扭曲角和倾斜角的变化情况 ( a ) ( d ) 理想模型，不加电压；( b ) ( e ) 理想模型，加电压：( c ) ( f ) 实际变化加电压 f i g 2 9 v a r i a t i o no ft w i s t e da n g l ea n dt i l ta n g l e 可见在有电场作用时，由于边缘效应的影响，原始模型的理论值和实际值有较大的 差别。为了适应新液晶屏的研究，需要新的模型来进行模拟。以下是j e f f r e y a , d a v i s 等 人【廿j 提出的三层模型及计算方法，如图2 1 0 丌2 o - d 20d ，2z d 2od 2 z 扭曲角倾斜角 图2 1 0 液晶屏的三层模型 f i g 2 1 0t h r e e - l a y e rm o d e lf o ri c d 纯相位液晶空间光调制器的研究 在该模型中，将液晶屏靠近两侧边缘的液晶分子单独分析，设边缘部分的厚度为d 1 ， 剩下中间层厚度出耐豺l 。边缘部分的双折射, s o ) 定义为 6 ) 。2 i ( v x n , - n o )( 2 1 1 ) 。 a 其中d l 随着电压的增大而增大。中间部分的双折射卢) 定义为 声) 耐= 6 x n e ( v ) - n o ) ( 2 1 2 ) 其中如随着电压的增大而减小，l 。随着电压的增大而减小。这样，边缘层的厚度和电压 之间建立了联系，可以较好的模拟液晶屏的边缘效应。实验证明，这个三层模型的实际 仿真度比原始的模型有了很大的改进。但是要想提高精度，需要将液晶屏分为更多的层， 来分别考虑，甚至进行微分计算，但是那样带来的计算量太大。因此采用什么样的模型 要根据实际情况，一般这种三层模型就能达到很好的模拟效果。 2 5t f t - l c d 的工作原理 n 丌是薄膜晶体管( t h i n f i l m t r a n s i s t o r ) 的缩写，这类液晶屏以其图像质量高、色彩 逼真、体积薄和功耗低等优点，已广泛应用于笔记本电脑中。下面结合常用的t f t - l c d 有源矩阵结构来说明其驱动方法，如图2 1 1 触 咭； 型增 如肇i 型： 一 一、 阳鼋铡j 图2 1 1t f r - i l - d 的矩阵结构 f i g , 2 1 1 s t r u c t u r eo f i f r - l c d 图中每个像素为一个1 下t 电路，通过场效应管的通断来控制液晶分子上有无电压。 其中g a t e 线是扫描线，控制一排像素被选通，s o u r c e 线为信号线，来自前级放大 的视频信号。当g a t e 为高电平时，s o u r c e 上的信号通过场效应管加到液晶分子上。 大连理工大学硕士学位论文 由于公共电极电压v t c c o m 的存在，实际上加在液晶分子上的电压是v t c c o m 与v s o t m c e 的差值。关于液晶屏的驱动原理，将在下一部分中详细介绍，这里只是将液晶分子上的 电压和电路中的信号联系在一起。 2 6 小结 本章介绍了基于扭曲向列液晶的纯相位空间光调制器的一般研究方法，包括了扭曲 向列液晶的光电特性，研究偏振光的j o n e s 矩阵及其计算方法，椭圆偏振光的理论推导 和生成方法，以及扭曲向列液晶屏的模型选取。最后介绍了t f t - l c d 的驱动电压和液 晶分子的关系，下一章将详细介绍液晶屏的驱动原理。 纯相位液晶空问光调制器的研究 3 液晶屏驱动电路的设计 本章中，我们首先分析一般液晶屏的驱动方法和需要解决的问剃嬲l ；然后针对我 们所选用的液晶屏，设计驱动电路及制作电路板。 3 1 液晶屏驱动原理 3 1 1 液晶屏驱动板构成 对于目前的有源矩阵液晶屏的驱动方法，都是由模拟信号放大部分和数字同步控制 部分组成，其系统框图如图3 1 驱动控制电路 计算机 模拟视频信号处理通道 液晶 显示卡显示屏 数字同步信号处理通道 图3 1 液晶屏显示系统框图 f 培3 1 f r a m eo ft h ed r i v i n gs y s t e m 计算机显示卡输出标准v ( 认视频信号