殷路安，朱力行，吳建宏

（蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215000）

采用Zygo干涉儀測(cè)量LCOS相位調(diào)制特性的研究

殷路安，朱力行，吳建宏

（蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215000）

該文介紹了LCOS的基本結(jié)構(gòu)和光波調(diào)制原理，當(dāng)光波的偏振方向與液晶分子的光軸相一致時(shí)，LCOS處于純相位調(diào)制模式。介紹了Zygo干涉儀測(cè)量相位差的原理，針對(duì)北京杏林睿光公司生產(chǎn)的RL－SLM－R2反射式純相位LCOS采用美國(guó)Zygo干涉儀進(jìn)行了相位調(diào)制特性測(cè)量，并根據(jù)干涉儀原理對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，得到了準(zhǔn)確的相位調(diào)制特性曲線，其調(diào)制范圍為0～0.715 4λ。該實(shí)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)了一種新的相位調(diào)制度測(cè)量方法，對(duì)更好地使用液晶空間光調(diào)制器有重要意義。

信息光學(xué)；液晶空間光調(diào)制器；純相位調(diào)制；Zygo干涉儀；調(diào)制特性

液晶空間光調(diào)制器（liquid crystal spatial light modulator，LCSLM）是近代信息光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其不僅可以提供特定相位的入射光，也可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行波前像差校正［1］和空間濾波［2］。硅基液晶（LCOS）是一種反射式的空間光調(diào)制器，具有衍射效率高、體積小、開(kāi)口率高等優(yōu)點(diǎn)，因而具有更為廣泛的應(yīng)用前景［3］。相位調(diào)制特性曲線作為L(zhǎng)COS關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中有著極其重要的作用，然而出廠時(shí)的調(diào)制曲線一般并不線性。為了讓LCOS參數(shù)設(shè)置更符合實(shí)際情況，通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行相位調(diào)制曲線重新測(cè)量并標(biāo)定。傳統(tǒng)測(cè)量一般是通過(guò)搭建干涉光路，采集干涉圖，對(duì)干涉圖進(jìn)行圖像處理，再根據(jù)處理結(jié)果獲得標(biāo)定曲線，如文獻(xiàn)［3］LCoS（硅基液晶）顯示器設(shè)計(jì)中提到的測(cè)量方法。該方法操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)要求較高，測(cè)量誤差也較大。本文提出一種采用Zygo干涉儀測(cè)量LCOS波面分布從而獲得相位調(diào)制特性的方法，它可以簡(jiǎn)化測(cè)量步驟，并且獲得更加精確的測(cè)量結(jié)果。

1 LCOS結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制原理

LCOS是一種反射式的液晶空間光調(diào)制器，它是一種基于反射模式，尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)，結(jié)合大規(guī)模集成電路工藝在硅芯片上加工制作而成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，最上層為一附有ITO的透明導(dǎo)電玻璃，液晶分子被夾在兩個(gè)偏振膜之間，由于偏振膜的存在，液晶分子方向可以平行偏振膜排列；最下層為硅晶圓，上面刻蝕可獨(dú)立尋址電極（COMS電路），電極上鍍有高反射率的金屬鋁膜［4］。

圖1 LCOS結(jié)構(gòu)

根據(jù)向列型液晶的雙折射特性，液晶分子沿著光軸方向的折射率為ne，垂直于光軸方向的折射率為no，no和ne分別稱為尋常光和非尋常光。

當(dāng)光波的偏振方向與液晶分子的光軸相一致時(shí)，通過(guò)控制非尋常光折射率即可改變偏振光的光程，從而調(diào)制其相位延遲。

液晶分子偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的非尋常光折射率［5］為：

θ與液晶分子兩端電壓V的關(guān)系為［6］：

式中，Vc為閾值電壓，V0是偏轉(zhuǎn)角為49.6°時(shí)的過(guò)載電壓。

2 Zygo干涉儀測(cè)量原理

本文采用Zygo公司VerifireTM系列的XPZ型號(hào)干涉儀，使用混合偏振態(tài)的點(diǎn)光源，分辨率為640×480像素，幀速為75 Hz。核心技術(shù)是相移干涉，其系統(tǒng)光路簡(jiǎn)圖如圖2所示［7］。移相系統(tǒng)的工作原理為，干涉光源發(fā)出干涉光，經(jīng)過(guò)分光棱鏡分成兩束光，一束光經(jīng)相移器分別被測(cè)量平面和參考平面反射回來(lái)，與另一束光在CCD處交疊產(chǎn)生干涉條紋并被接收，測(cè)量平面和參考平面的相對(duì)光程差變化導(dǎo)致干涉條紋的移動(dòng)［8］。

圖2 相移干涉儀系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

在面形測(cè)量之前，首先對(duì)CCD的幀頻、曝光時(shí)間和移相器的起始位置及圖像采集卡的觸發(fā)條件進(jìn)行初始化，圖像采集卡此時(shí)處于預(yù)覽模式，即只實(shí)時(shí)地顯示接收到的圖像但并不保存圖像。開(kāi)始測(cè)量時(shí)，圖像采集卡切換到等待觸發(fā)模式，通過(guò)移相器周期性改變干涉光程差，相當(dāng)于對(duì)測(cè)量平面進(jìn)行周期性的調(diào)制，形成一系列的干涉條紋圖，采集這些圖像并按一定算法處理即可計(jì)算得到測(cè)量鏡表面的二維相位分布，而相位分布對(duì)應(yīng)被測(cè)表面的高低變化［9］。

3 Zygo干涉儀測(cè)量相位調(diào)制曲線

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建如圖3所示結(jié)構(gòu)的光路，干涉儀、偏振片、LCOS位于同一直線，LCOS上逐幅加載0～255間隔為5變化的灰度圖，并用干涉儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量界面如圖4所示。波面整體為L(zhǎng)COS的相位分布，因加載的是左右灰度不同的灰度圖，所以相位分布也存在左右跳變，其跳變值對(duì)應(yīng)的是加載灰度圖灰度差所引起的相位改變大小。這一跳變值可以從圖4中直接讀出并記錄。

圖3 測(cè)試光路圖

圖4 Zygo干涉儀測(cè)試界面

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

記錄數(shù)據(jù)得到表格1，其中相位差是多次測(cè)量后的平均值。

表1 灰度差與相位差

表1 （續(xù)）

從表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)相位－灰度并非單調(diào)變化，而是在0～170灰度處出現(xiàn)了跳變。其次，灰度差在50以內(nèi)，相位差沒(méi)有明顯改變；灰度差在50～165時(shí)，相位差為正值并且單調(diào)增加；灰度差在170～255時(shí)，相位差為負(fù)值也單調(diào)增加。按照液晶空間光調(diào)制特性，灰度－相位是正值并且單調(diào)變換。

圖5 干涉儀測(cè)量相位跳變?cè)?/p>

下面結(jié)合干涉儀測(cè)量原理分析相位躍變出現(xiàn)負(fù)值的情況。假想條紋是平直的，在相位差出現(xiàn)正負(fù)跳變處（大約170灰度差），其干涉圖如圖5所示，灰度分界處錯(cuò)開(kāi)半個(gè)條紋左右，而半個(gè)條紋對(duì)應(yīng)著π的相位差。相位差接近π時(shí)，如圖5（a）所示，干涉儀讀取相位差h（小于π）；而當(dāng)相位差超過(guò)π時(shí)，干涉儀讀取圖5（b）中H（大于π）。一般LCOS的調(diào)制能力超過(guò)π，而干涉儀在臨近像素點(diǎn)的測(cè)量范圍是-π～π，所以無(wú)法讀到相位差超過(guò)π的數(shù)據(jù)。

H需要經(jīng)過(guò)修正才能與h放在同一坐標(biāo)系。修正如下：

其中，P0為相位差小于0的值，p為修正后的相位差。

將新數(shù)據(jù)用5次多項(xiàng)式擬合，得到如下相位改變值y與灰度差x的函數(shù)：

Research of Measuring Phase Modulation Characteristic of LCOS by Zygo Interferometer

YIN Lu'an，ZHU Lixing，WU Jianhong
（College of physics，Optoelectronics and Energy，Soochow University，Soochow 215000，China）

This paper introduces the basic structure and light wave modulation principle of liquid crystal on silicon（LCOS）device.When the polarization direction of light wave is accordant with the optic axis of liquid crystal polymer，LCOS is under phase－only modulation model.This paper also introduces the principle of Zygo interferometer phase－difference measurement，measures the phase modulation characteristics with American Zygo interferometer of RL－SLM－R2 reflection pure－phase LCOS produced by Beijing Reallight Technology Co.，Ltd，revises the measuring results according to the interferometer principle，and gets the accurate phase characteristic curve，of which the modulation range is0－0.7154λ.This experiment creates a new method for measuring phase modulation，which can help better utilize LCOS.

information optics；liquid crystal spatial light modulator；phase－only modulation；Zygo interferometer；modulation characteristic

O436.1；O753＋.2

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.012

2015－03－12；修改日期：2015－04－12

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

殷路安（1992－），男，本科，主要從事光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究。