采用Zygo干涉儀測量LCOS相位調制特性的研究

殷路安，朱力行，吳建宏

（蘇州大學 物理與光電·能源學部，江蘇 蘇州 215000）

采用Zygo干涉儀測量LCOS相位調制特性的研究

殷路安，朱力行，吳建宏

（蘇州大學 物理與光電·能源學部，江蘇 蘇州 215000）

該文介紹了LCOS的基本結構和光波調制原理，當光波的偏振方向與液晶分子的光軸相一致時，LCOS處于純相位調制模式。介紹了Zygo干涉儀測量相位差的原理，針對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Zygo干涉儀進行了相位調制特性測量，并根據(jù)干涉儀原理對結果進行修正，得到了準確的相位調制特性曲線，其調制范圍為0～0.715 4λ。該實驗開創(chuàng)了一種新的相位調制度測量方法，對更好地使用液晶空間光調制器有重要意義。

信息光學；液晶空間光調制器；純相位調制；Zygo干涉儀；調制特性

液晶空間光調制器（liquid crystal spatial light modulator，LCSLM）是近代信息光學系統(tǒng)中的關鍵器件，其不僅可以提供特定相位的入射光，也可以對系統(tǒng)進行波前像差校正［1］和空間濾波［2］。硅基液晶（LCOS）是一種反射式的空間光調制器，具有衍射效率高、體積小、開口率高等優(yōu)點，因而具有更為廣泛的應用前景［3］。相位調制特性曲線作為LCOS關鍵參數(shù)對其在實際應用中有著極其重要的作用，然而出廠時的調制曲線一般并不線性。為了讓LCOS參數(shù)設置更符合實際情況，通常會對其進行相位調制曲線重新測量并標定。傳統(tǒng)測量一般是通過搭建干涉光路，采集干涉圖，對干涉圖進行圖像處理，再根據(jù)處理結果獲得標定曲線，如文獻［3］LCoS（硅基液晶）顯示器設計中提到的測量方法。該方法操作復雜，實驗要求較高，測量誤差也較大。本文提出一種采用Zygo干涉儀測量LCOS波面分布從而獲得相位調制特性的方法，它可以簡化測量步驟，并且獲得更加精確的測量結果。

1 LCOS結構和相位調制原理

LCOS是一種反射式的液晶空間光調制器，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，結合大規(guī)模集成電路工藝在硅芯片上加工制作而成。其結構如圖1所示，最上層為一附有ITO的透明導電玻璃，液晶分子被夾在兩個偏振膜之間，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結構

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。

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

液晶分子偏轉導致的非尋常光折射率［5］為：

θ與液晶分子兩端電壓V的關系為［6］：

式中，Vc為閾值電壓，V0是偏轉角為49.6°時的過載電壓。

2 Zygo干涉儀測量原理

本文采用Zygo公司VerifireTM系列的XPZ型號干涉儀，使用混合偏振態(tài)的點光源，分辨率為640×480像素，幀速為75 Hz。核心技術是相移干涉，其系統(tǒng)光路簡圖如圖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)過分光棱鏡分成兩束光，一束光經(jīng)相移器分別被測量平面和參考平面反射回來，與另一束光在CCD處交疊產(chǎn)生干涉條紋并被接收，測量平面和參考平面的相對光程差變化導致干涉條紋的移動［8］。

圖2 相移干涉儀系統(tǒng)簡圖

在面形測量之前，首先對CCD的幀頻、曝光時間和移相器的起始位置及圖像采集卡的觸發(fā)條件進行初始化，圖像采集卡此時處于預覽模式，即只實時地顯示接收到的圖像但并不保存圖像。開始測量時，圖像采集卡切換到等待觸發(fā)模式，通過移相器周期性改變干涉光程差，相當于對測量平面進行周期性的調制，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算得到測量鏡表面的二維相位分布，而相位分布對應被測表面的高低變化［9］。

3 Zygo干涉儀測量相位調制曲線

3.1 實驗裝置

搭建如圖3所示結構的光路，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，并用干涉儀進行測量，測量界面如圖4所示。波面整體為LCOS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，其跳變值對應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 測試光路圖

圖4 Zygo干涉儀測試界面

3.2 實驗數(shù)據(jù)及結果分析

記錄數(shù)據(jù)得到表格1，其中相位差是多次測量后的平均值。

表1 灰度差與相位差

表1 （續(xù)）

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

圖5 干涉儀測量相位跳變原理

下面結合干涉儀測量原理分析相位躍變出現(xiàn)負值的情況。假想條紋是平直的，在相位差出現(xiàn)正負跳變處（大約170灰度差），其干涉圖如圖5所示，灰度分界處錯開半個條紋左右，而半個條紋對應著π的相位差。相位差接近π時，如圖5（a）所示，干涉儀讀取相位差h（小于π）；而當相位差超過π時，干涉儀讀取圖5（b）中H（大于π）。一般LCOS的調制能力超過π，而干涉儀在臨近像素點的測量范圍是-π～π，所以無法讀到相位差超過π的數(shù)據(jù)。

H需要經(jīng)過修正才能與h放在同一坐標系。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

江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目。

殷路安（1992－），男，本科，主要從事光信息科學與技術專業(yè)研究。