CN111121970A - 光偏振态测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光偏振态测试装置及其测试方法，光偏振态测试装置包括：液晶盒组，包括矩阵式排列的多个液晶盒，每个液晶盒受设定的电压控制以产生λ/4的相位延迟；偏光片，贴合设于液晶盒组的表面；光侦测器，设于偏光片的远离液晶盒组的一侧，用于接收光信号，并将光信号转化为电信号，光侦测器包括多个矩阵式排列的侦测单元，侦测单元与液晶盒的数量相同，且侦测单元的位置与液晶盒的位置在垂直方向上一一对应；分析单元，与光侦测器连接，用于根据电信号获取测试光的偏振态；其中，多个液晶盒以设定的规则进行配向，且每个液晶盒的配向方向互不相同。

Description

光偏振态测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及光测量技术领域，特别是涉及一种光偏振态测试装置及其测试方法。

背景技术

偏振是光的一个重要特性，反映了光的振动方向与传播方向之间的不对称关系，光根据其偏振特性分为自然光、完全偏振光和部分偏振光，完全偏振光又包括线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。偏振光作为光源被广泛应用于各个技术领域，如光刻、3D电影、液晶显示屏、红外偏振光治疗等，光源的偏振态决定了其在所述各个领域中的应用效果，因此需要对光源的偏振态进行严格的测试，以保证其使用效果。此外，偏振光测试也被应用于材料分析领域，因为偏振光通过一些介质后，其偏振态会发生一定的变化，通过分析光束在入射介质前后的偏振态变化，可以获取介质的相关物理性质，从而根据其物理性质进一步分析材料的分子结构、组成等特性。

目前的光偏振态测试装置通常采用1/4波片、偏光片与光电探测器相配合的结构，通过机械结构旋转1/4波片改变投射到光电探测器上的光强大小，从而进行光的偏振态测试。但是，一方面旋转的机械结构较大，测试设备无法缩小，而且机械结构容易发生磨损，导致制造和维护成本较高；另一方面，机械旋转的速度较慢，测试效率不足。

发明内容

基于此，有必要针对现有光偏振态测试装置的成本高、效率低的问题，提供一种光偏振态测试装置及其测试方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种光偏振态测试装置，包括：

液晶盒组，包括矩阵式排列的多个液晶盒，每个所述液晶盒受设定的电压控制以产生λ/4的相位延迟；

偏光片，贴合设于所述液晶盒组的表面；

光侦测器，设于所述偏光片的远离所述液晶盒组的一侧，用于接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号后输出，所述光侦测器包括多个矩阵式排列的侦测单元，所述侦测单元与所述液晶盒的数量相同，且所述侦测单元的位置与所述液晶盒的位置在垂直方向上一一对应；

分析单元，与所述光侦测器连接，用于根据所述电信号获取测试光的偏振态；

其中，所述多个液晶盒以设定的规则进行配向，且每个所述液晶盒的配向方向互不相同。

在其中一个实施例中，每个所述液晶盒设定的配向方向与所述偏光片的透过轴之间的夹角θ为0°、

中的一个，所述液晶盒与所述夹角θ一一对应，其中，N为所述液晶盒组包括的液晶盒的数量，N≥4。

在其中一个实施例中，每个所述液晶盒电压控制的方式为分空间调控。

在其中一个实施例中，所述液晶盒包括依次设置的第一玻璃层、第一电极层、第一配向膜、液晶层、第二配向膜、第二电极层和第二玻璃层。

在其中一个实施例中，所述液晶盒为ECB型液晶盒，所述液晶盒设定的配向方向为所述第一配向膜的配向方向，所述第二配向膜与所述第一配向膜的配向方向平行但相反方向。

在其中一个实施例中，所述液晶盒为OCB型液晶盒，所述液晶盒设定的配向方向为所述第一配向膜的配向方向，所述第二配向膜与所述第一配向膜的配向方向相同。

在其中一个实施例中，述第一电极层和第二电极层的材料均为氧化铟锡、银纳米线、石墨烯、金属网格和碳纳米管中的一种。

在其中一个实施例中，所述光偏振态测试装置还包括透镜单元，设于所述液晶盒组的远离所述偏振片的一侧，用于使测试光在所述光侦测器的光接收面上成像。

在其中一个实施例中，各所述液晶盒在液晶盒组中以任意顺序排列。

本发明的技术方案还提供了一种光偏振态测试方法，基于前述的光偏振态测试装置，所述光偏振态测试方法包括：

将测试光垂直入射液晶盒组；

按照设定的逻辑对液晶盒组中的液晶盒施加电压，产生多个不同的第一出射光；

将多个所述第一出射光穿过偏振片，产生多个不同的第二出射光；

接收所述第二出射光，并将所述第二出射光的光信号转化为电信号；

接收所述电信号，并根据所述电信号获取测试光的偏振态。

上述光偏振态测试装置，包括液晶盒组、偏振片、光侦测器和分析单元，所述液晶盒组包括多个矩阵式排列的液晶盒，测试光入射所述矩阵式排列的液晶盒后，通过对不同配向的液晶盒的施加设定的电压，可以在同一个测试周期中，通过多个不同的液晶盒产生多个不同偏振态的第一出射光，偏光片将所述多个第一出射光转化为发光强度不同的第二出射光，光侦测器中的侦测单元再分别对经过相应位置的液晶盒的光信号进行光电转换和数据输出，分析单元对所述光侦测器输出的多个数据进行计算和分析，从而获取测试光的偏振态。本发明基于矩阵式排列的液晶盒和侦测单元，实现了一种体积小、制造成本低且测试速度快的光偏振态测试装置。

附图说明

图1为一实施例中的光偏振态测试装置的结构示意图；

图2为一实施例中的液晶盒组的结构示意图；

图3为一实施例中的液晶盒的结构示意图；

图4为一实施例中的不施加电压状态的ECB型液晶盒的液晶分子的排列示意图；

图5为另一实施例中的不施加电压状态的ECB型液晶盒的液晶分子的排列示意图；

图6为一实施例中的施加设定的电压状态的ECB型液晶盒的液晶分子的排列示意图；

图7为一实施例中的发光强度-夹角θ的测试数据曲线图；

图8为一实施例中的对液晶盒进行光配向的流程示意图；

图9为另一实施例中的光偏振态测试装置的结构示意图。

符号说明

100、液晶盒组；110、液晶盒；111、第一玻璃层；112、第一电极层；113、第一配向膜；114、液晶层；115、第二配向膜；116、第二电极层；117、第二玻璃层；200、偏光片；300、光侦测器；310、侦测单元；400、分析单元；500、透镜单元。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1为一实施例中的光偏振态测试装置的结构示意图，如图1所示，所述光偏振态测试装置包括：

液晶盒组100，包括矩阵式排列的多个液晶盒110(如图2所示)，每个所述液晶盒110受设定的电压控制以产生λ/4的相位延迟；

偏光片200，贴合设于所述液晶盒组100的表面；

光侦测器300，设于所述偏光片200的远离所述液晶盒组100的一侧，用于接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号后输出，所述光侦测器300包括多个矩阵式排列的侦测单元310，所述侦测单元310与所述液晶盒110的数量相同，且所述侦测单元310的位置与所述液晶盒110的位置在垂直方向上一一对应(如图2所示)；

分析单元400，与所述光侦测器300连接，用于根据所述电信号获取测试光的偏振态；

其中，所述多个液晶盒110以设定的规则进行配向，且每个所述液晶盒110的配向方向互不相同。

在本实施例中，每个所述侦测单元310用于测试经过相应位置的液晶盒110和偏光片200的第二出射光的强度，因此，基于多个液晶盒110和相应的多个侦测单元310，本实施例的光偏振态测试装置可以在一个测试周期内同时获取多个测试数据，从而提高了光偏振态测试装置的测试速度。

液晶分子作为一种双折射材料，不同传播方向的光在液晶分子中的传播速度不同，因此当测试光穿过所述液晶盒110时，测试光中沿快轴传播的光和沿慢轴传播的光之间会产生相位差，从而改变测试光的偏振态。本实施例通过调节不同液晶盒110的配向方向，可以改变液晶盒110中液晶分子的排布方向，进而改变测试光的偏振面与液晶分子的光轴之间的夹角，使同一束测试光穿过不同配向方向的液晶盒110时，转化为不同偏振态的光。

在本实施例中，通过控制施加在液晶盒110上的电压使液晶盒110产生设定的相位延迟。而液晶盒110的类型决定了相位延迟与施加电压之间的对应关系，例如，ECB(Electrically Controlled Birefringence，电控双折射)型液晶盒在未施加电压时的相位延迟为λ/4，施加设定电压时的相位延迟为0°；而VA(Vertically Aligned，垂直取向)型液晶盒在未施加电压时的相位延迟为0°，施加设定电压时的相位延迟为λ/4。

当液晶盒110产生的相位延迟为λ/4时，测试光穿过所述液晶盒110后，会依据以下规则产生偏振态的变化。当圆偏振光穿过所述液晶盒110后，会转化为线偏振光。当线偏振光穿过所述液晶盒110后，若线偏振光的偏振面与液晶分子的快轴或慢轴相平行，仍出射线偏振光；若线偏振光的偏振面与液晶分子的快轴或慢轴之间的夹角为45°，会转化为圆偏振光；其他情况则转化为椭圆偏振光。当椭圆偏振光穿过所述液晶盒110后，若椭圆的主轴方向与液晶分子的快轴或慢轴相一致，则转化为线偏振光；其他情况则仍出射椭圆偏振光。因此，可以根据液晶盒组100发出的多个第一出射光的偏振态和不同液晶盒110的配向方向，反向获取所述测试光的偏振态。

马吕斯定律指出，强度为I0的线偏振光透过偏光片200后，透射光的强度I满足：I＝I0*(cosφ)²，其中φ为入射的线偏振光的偏振面与偏光片200的透过轴之间的夹角。因此，不同偏振态的第一出射光经过所述偏光片200后，会被转化为不同发光强度的第二出射光。光侦测器300接收到第二出射光的光信号后，将光信号转化为电信号，再传输至分析单元400，经过分析单元400的计算和分析，获取第一出射光的偏振态。本实施例基于液晶分子的加电偏转和双折射的特性，实现了对不同偏振态的测试光低成本、快速度的测试。

进一步地，所述光侦测器300可以与所述偏光片200贴合设置，这一设置方法可以避免外部的杂散光入射光侦测器300，从而减少外部因素对测试结果的影响；所述光侦测器300也可以与所述偏光片200分离设置，这一设置方法易于更换不同类型、不同精度的光侦测器300，从而使光偏振态测试装置的灵活度更高。

在一实施例中，每个所述液晶盒110电压控制的方式为分空间调控，即同一时间在不同的液晶盒110上施加相同的恒定电压，使每个液晶盒110均产生λ/4的相位延迟，由于每个液晶盒110的配向方向不同，同一偏振态的测试光通过不同的液晶盒110之后，会转化为不同偏振态的第一出射光，而不同偏振态的第一出射光经过偏光片200后会转化为发光强度不同第二偏振光，从而进行光的偏振态测试。

在一实施例中，每个所述液晶盒110设定的配向方向与所述偏光片200的透过轴之间的夹角θ为0°、

中的一个，所述液晶盒110与所述夹角θ一一对应。本实施例通过等距设置所述夹角θ，可以提高光偏振态测试装置的测试精度和测试效率，因为若两个液晶盒110的所述夹角θ之间差值较小，相应的出射光的发光强度之间的差异较小，则无法高效获取夹角θ与发光强度之间的关系，测试效率较低。

在本实施例中，所述液晶盒组100包括的液晶盒110的数量N≥4，进一步地，所述液晶盒110的数量N≤20，例如，所述液晶盒110的数量N可以为4个、9个、12个、20个。本实施例是通过分空间驱动不同的液晶盒110的方法，获取多个发光强度进行偏振态的测试和分析，可以理解的是，液晶盒组100中包含的液晶盒110的数量越多，可以获得越多的测试数据，则测试光的偏振态的测试结果越精确，但是设置的液晶盒110的数量越多，液晶盒组100的制备难度越高。因此，应当选择恰当数量的所述液晶盒110，从而平衡测试精度和液晶盒组100制造难度之间的关系。

在一示例中，所述液晶盒组100包括9个矩阵式排列的液晶盒110，所述液晶盒即为3×3的矩阵式排列，根据前述夹角θ的设置方法，9个液晶盒110的所述夹角θ分别为0°、20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°和160°中的一个，所述液晶盒110与所述夹角θ一一对应。需要说明的是，本实施例不限定各液晶盒110在液晶盒组100中的排列顺序，而且所述液晶盒110的任一排列顺序都可以获得相同的测试结果。

如图3所示，所述液晶盒110包括依次设置的第一玻璃层111、第一电极层112、第一配向膜113、液晶层114、第二配向膜115、第二电极层116和第二玻璃层117，测试光从液晶盒110的所述第一玻璃层111的一侧射入，并从所述第二玻璃层117的一侧射出，所述第一电极层112和第二电极层116用于向所述液晶层114施加电压，使液晶层114中的液晶分子在电压的驱动下发生偏转，通过施加设定的电压值，实现所述液晶盒110的相位延迟为0°或λ/4。所述液晶盒110的盒厚根据以下公式获取：

其中，

δ为所述液晶盒110产生的最大相位延迟，即λ/4；

λ为测试光的波长；

Δn为液晶分子快轴和慢轴之间的折射率的差值；

d为液晶盒110的盒厚。

在一实施例中，所述液晶盒110为ECB型液晶盒，所述液晶盒110设定的配向方向为所述第一配向膜113的配向方向，如图4～图5所示为两个示例中的ECB型液晶盒中液晶分子的排列方式，在图4所示的示例中，所述第二配向膜115与所述第一配向膜113的配向方向相同，在图5所示的示例中，所述第二配向膜115与所述第一配向膜113的配向方向平行但相反方向。

如图4～图5所示，当所述液晶盒110的第一电极层112和第二电极层116不施加电压时，在第一配向膜113和第二配向膜115的作用下，液晶分子以近似水平的方向排列，测试光垂直于液晶分子的光轴入射，测试光在通过所述液晶盒110后，光的偏振态根据前述规则发生变化。如图6所示，当所述第一电极层112和第二电极层116施加设定的电压时，液晶分子垂直排列，测试光平行于液晶分子的光轴入射，测试光在通过所述液晶盒110后，光的偏振态不发生变化。

在一示例中，所述液晶盒组100包括9个所述ECB型液晶盒，当对每个液晶盒110均不施加电压时，每个ECB型液晶盒都会对测试光产生λ/4的相位延迟，由于每个液晶盒110的配向方向不同，测试光经过不同液晶盒110后即可转化为相应偏振态的第一出射光，当不同偏振态的所述第一出射光通过偏光片200后，会形成不同强度的第二出射光。因此，所述液晶盒110的配向方向与偏光片200的透过轴之间的夹角θ、第一出射光的偏振态以及第二出射光的发光强度之间存在一一对应的关系，即可根据所述第二出射光的发光强度和夹角θ，获取如图7所示的对应关系。本实施例基于ECB液晶盒110的相位延迟特性，在进行偏振态测试时，无需对液晶盒110施加电压，因此是一种低能耗的光偏振态测试装置，而且不受供电电源位置的约束，可以移动至任一位置进行测试，具有较高的便携性。

在另一实施例中，所述液晶盒110为OCB(optically compensatedBirefringence，光学补偿弯曲)型液晶盒，所述液晶盒110设定的配向方向为所述第一配向膜113的配向方向，所述第二配向膜115与所述第一配向膜113的配向方向相同。所述OCB型液晶盒中的液晶可以为正性液晶E7，E7的Δn为0.2236，液晶盒110的cell gap(盒厚)约为3um。OCB型液晶盒由于其高电压和低电压相配合的驱动方式，液晶分子可以实现更快的偏转速度，因此具有较好的测试速度。

需要说明的是，所述液晶盒110的类型不仅限于前述实施例中的ECB型液晶盒和OCB型液晶盒，TN(Twisted Nematic，扭曲向列)、IPS(In-Plane Switching，面内切换)、VA等其他类型的液晶盒110也可应用于光偏振态测试装置。

在一实施例中，所述第一配向膜113与所述第二配向膜115的配向方法均为光配向，液晶盒组100中的多个液晶盒110共用相同的第一玻璃层111和第二玻璃层117。在本实施例中，先在所述第一玻璃层111的表面形成图形化的第一电极层112，使不同液晶盒110的第一电极层112互相分离设置，然后在所述第一电极层112的表面涂布配向液，之后再针对不同的液晶盒110分次进行配向，以形成不同液晶盒110的不同配向方向的第一配向膜113。如图8所示，以4个配向方向为例，每次配向都重复以下步骤：先利用的光罩对涂布的配向液的设定区域进行进行遮挡，以暴露出待配向的区域，所述不同的光罩的形状如图8右侧的光罩俯视图所示，再将配向光以设定的角度照射所述配向液，使配向液中的分子整齐、规则排列。同时，再以形成第一电极层112和第一配向膜113相同的步骤，在第二玻璃层117的表面形成图形化的第二电极层116和第二配向膜115。最后在所述第一配向膜113的表面形成隔离结构并灌注液晶，并将第二玻璃层117进行盖合从而形成液晶盒组100。相比接触式的摩擦配向法，光配向方法在配向时无需与配向膜直接接触，因此可以避免静电或颗粒污染，从而有效地提高液晶盒110的制造良率。

在一实施例中，所述第一电极层112和第二电极层116的材料均为氧化铟锡、银纳米线、石墨烯、金属网格和碳纳米管中的一种，通过以上透过率较好的电极层材料，可以防止第一电极层112或第二电极层116发生反射、吸收等现象，从而避免对测试结果的影响。

在一实施例中，如图9所示，所述光偏振态测试装置还包括透镜单元500，设于所述液晶盒组100的远离所述偏光片200的一侧，用于使测试光在所述光侦测器300的光接收面上成像。根据前述实施例中的光偏振态测试装置，每次测试只能获取单点测试光的偏振态测试结果，本实施通过加入所述透镜单元500，利用成像的方式，配合相应尺寸的液晶盒组100，仅需一次测试过程即可获取多点的偏振特性。例如，可以通过光路结构设置每4个液晶盒110用于获取一个点的偏振特性，通过在液晶盒组100中设置40个液晶盒110，即可同时获取10个点的偏振特性，从而进一步提高了光偏振态测试装置的测试效率。其中，所述透镜单元500可以为一个透镜，也可以为多个透镜组成的透镜组，从而根据实际的测试需求，更加灵活地调节测试距离和测试精度等参数。

本发明的技术方案还提供了一种光偏振态测试方法，基于前述的光偏振态测试装置，所所光偏振态测试方法包括：

将测试光垂直入射液晶盒组100；

按照设定的逻辑对液晶盒组100中的液晶盒110施加电压，产生多个不同的第一出射光；

将多个所述第一出射光穿过偏光片200，产生多个不同的第二出射光；

接收所述第二出射光，并将所述第二出射光的光信号转化为电信号；

接收所述电信号，并根据所述电信号获取测试光的偏振态。

本实施例的所述光偏振态测试方法，利用液晶分子偏转速度快、灵活性高的特性，节省了传统机械结构测试过程中的波片旋转时间，而且，基于多个在垂直方向上位置一一对应的液晶盒110和侦测单元310，可以在一个测试周期中获取多个测试数据，从而实现了更高效率的光偏振态测试方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光偏振态测试装置，其特征在于，包括：

液晶盒组，包括矩阵式排列的多个液晶盒，每个所述液晶盒受设定的电压控制以产生λ/4的相位延迟；

偏光片，贴合设于所述液晶盒组的表面；

光侦测器，设于所述偏光片的远离所述液晶盒组的一侧，用于接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电信号后输出，所述光侦测器包括多个矩阵式排列的侦测单元，所述侦测单元与所述液晶盒的数量相同，且所述侦测单元的位置与所述液晶盒的位置在垂直方向上一一对应；

分析单元，与所述光侦测器连接，用于根据所述电信号获取测试光的偏振态；

其中，所述多个液晶盒以设定的规则进行配向，且每个所述液晶盒的配向方向互不相同。

2.根据权利要求1所述的光偏振态测试装置，其特征在于，每个所述液晶盒设定的配向方向与所述偏光片的透过轴之间的夹角θ为

中的一个，所述液晶盒与所述夹角θ一一对应，其中，N为所述液晶盒组包括的液晶盒的数量，N≥4。

3.根据权利要求2所述的光偏振态测试装置，其特征在于，每个所述液晶盒电压控制的方式为分空间调控。

4.根据权利要求3所述的光偏振态测试装置，其特征在于，所述液晶盒包括依次设置的第一玻璃层、第一电极层、第一配向膜、液晶层、第二配向膜、第二电极层和第二玻璃层。

5.根据权利要求4所述的光偏振态测试装置，其特征在于，所述液晶盒为ECB型液晶盒，所述液晶盒设定的配向方向为所述第一配向膜的配向方向，所述第二配向膜与所述第一配向膜的配向方向平行但相反方向。

6.根据权力要求4所述的光偏振态测试装置，其特征在于，所述液晶盒为OCB型液晶盒，所述液晶盒设定的配向方向为所述第一配向膜的配向方向，所述第二配向膜与所述第一配向膜的配向方向相同。

7.根据权利要求4任一项所述的光偏振态测试装置，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的材料均为氧化铟锡、银纳米线、石墨烯、金属网格和碳纳米管中的一种。

8.根据权利要求1所述的光偏振态测试装置，其特征在于，所述光偏振态测试装置还包括透镜单元，设于所述液晶盒组的远离所述偏振片的一侧，用于使测试光在所述光侦测器的光接收面上成像。

9.根据权利要求2所述的光偏振态测试装置，其特征在于，各所述液晶盒在液晶盒组中以任意顺序排列。

10.一种光偏振态测试方法，基于权利要求1～9任一项所述的光偏振态测试装置，其特征在于，所述光偏振态测试方法包括：

将测试光垂直入射液晶盒组；

按照设定的逻辑对液晶盒组中的液晶盒施加电压，产生多个不同的第一出射光；

将多个所述第一出射光穿过偏振片，产生多个不同的第二出射光；

接收所述第二出射光，并将所述第二出射光的光信号转化为电信号；

接收所述电信号，并根据所述电信号获取测试光的偏振态。

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