CN113237635A - 液晶透镜相位检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种液晶透镜相位检测装置和方法，液晶透镜相位检测装置包括干涉仪、遮光挡板以及相机。干涉仪包括参考光路、样品光路以及合光形成的干涉光路，液晶透镜设置于样品光路中。遮光挡板设置于干涉仪所形成的光路以外的第一位置，且能够从第一位置切换至参考光路或样品光路，以使干涉仪具有遮光挡板位于第一位置的未遮挡状态，遮光挡板运动至样品光路的第一遮挡状态，以及遮光挡板运动至参考光路的第二遮挡状态。相机设置于干涉光路，且用于分别获取干涉仪处于未遮挡状态时的干涉条纹、处于第一遮挡状态时的参考光束光强，以及处于第二遮挡状态时的样品光束光强。该装置不仅可以提高图像处理的准确性，还可以实现测试的自动化。

Description

液晶透镜相位检测装置和方法

技术领域

本申请属于液晶透镜技术领域，更具体地，涉及一种液晶透镜相位检测装置和方法。

背景技术

由于偏光显微***具有测量精度高的优点。目前，可以采用偏光显微***作为液晶透镜相位差的测量方式。

然而，由于偏光显微***采用的是点扫描的测量方式，不能实时测量大面积的液晶透镜的相位，例如：检测液晶透镜随电压变化过程中的相位变化。

发明内容

本申请的目的包括，例如，提供了一种液晶透镜相位检测装置和方法，以改善至少部分上述的问题。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，提供一种液晶透镜相位检测装置，包括干涉仪、遮光挡板以及相机。干涉仪包括由准直透镜和第一半透半反分光镜形成的参考光路和样品光路，位于参考光路和样品光路后端的第二半透半反分光镜，由第二半透半反分光镜合光形成的干涉光路，液晶透镜设置于样品光路中。遮光挡板设置于干涉仪所形成的光路以外的第一位置，且能够从第一位置切换至参考光路或样品光路，以使干涉仪具有遮光挡板位于第一位置的未遮挡状态，遮光挡板运动至样品光路的第一遮挡状态，以及遮光挡板运动至参考光路的第二遮挡状态。相机设置于干涉光路，且用于分别获取干涉仪处于未遮挡状态时的干涉条纹、处于第一遮挡状态时的参考光束光强，以及处于第二遮挡状态时的样品光束光强。

进一步地，样品光路上设置有第二位置，参考光路上设置有第三位置，遮光挡板可切换的在第一位置、第二位置及第三位置之间切换运动。

进一步地，干涉仪还包括第一反射镜和第二反射镜。第一反射镜位于第一半透半反分光镜和第二半透半反分光镜之间，且形成样品光路，液晶透镜位于第一反射镜和第二半透半反分光镜之间，第二反射镜位于第一半透半反分光镜和第二半透半反分光镜之间，且形成参考光路，第二位置位于第一半透半反分光镜和第一反射镜之间，第三位置位于第二反射镜和第二半透半反分光镜之间。

进一步地，还包括导轨组件，导轨组件包括第一位置、第二位置及第三位置，第二位置和第三位置分别位于第一位置的两侧，遮光挡板可移动的设置于导轨组件，且能够在第一位置、第二位置及第三位置之间切换；

当遮光挡板位于第一位置时，干涉仪处于未遮挡状态，当遮光挡板位于第二位置时，干涉仪处于第一遮挡状态，当遮光挡板位于第三位置时，干涉仪处于第二遮挡状态。

进一步地，导轨组件包括导轨本体和驱动件，导轨本体上设置有第一位置、第二位置及第三位置，遮光挡板可滑动的设置于导轨本体，驱动件与遮光挡板连接，且用于驱动遮光挡板在第一位置、第二位置及第三位置之间切换。

进一步地，干涉仪还包括由参考光路和样品光路围成的未遮挡区域，第一位置位于未遮挡区域内。

进一步地，干涉仪包括马赫-曾德尔干涉仪。

第二方面，提供一种液晶透镜相位检测方法，采用液晶透镜相位检测装置，包括：分别获取干涉仪的干涉条纹合强度〈I〉、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂；根据公式

计算获得cosδ的分布图片。

进一步地，分别获取干涉仪的干涉条纹合强度〈I〉、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂包括：切换遮光挡板，以使干涉仪分别处于未遮挡状态、第一遮挡状态及第二遮挡状态；采用相机获取相对应的干涉条纹合强度〈I>、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂。

进一步地，切换遮光挡板，以使干涉仪分别处于未遮挡状态、第一遮挡状态及第二遮挡状态包括：驱动遮光挡板在导轨组件的第一位置、第二位置及第三位置之间移动，且使遮光挡板位于第一位置时，干涉仪的光路处于未遮挡状态，遮光挡板位于第二位置时，干涉仪的光路处于第一遮挡状态，遮光挡板位于第三位置时，干涉仪的光路处于第二遮挡状态。

本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置，通过在马赫-曾德尔干涉仪的基础上，增加遮光挡板，且使遮光挡板选择性的遮挡参考光束或样品光束，以测量获得样品光束和参考光束单独的光强度分布，最后根据公式计算获得cosδ的分布图片。有利于提高图像处理的准确性，采用液晶透镜相位检测装置进行的相位检测方法，可以对液晶透镜的相位差进行测量，提高对比度，以使图像处理可以识别更大的范围。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为马赫-曾德尔干涉仪的光路图；

图2为马赫-曾德尔干涉仪中参考光束光强I₁的分布图片；

图3为马赫-曾德尔干涉仪中样品光束光强I₂的分布图片；

图4为马赫-曾德尔干涉仪中cosδ的分布图片；

图5为马赫-曾德尔干涉仪中两路平面光线在观察面上的合强度<I>的分布图片；

图6为本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置中导轨组件的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的液晶透镜相位检测方法的流程示意图；

图9为采用液晶透镜相位检测方法检测获得干涉条纹合强度<I>的分布图片；

图10为计算获得cosδ的分布图片；

图11为图8中步骤S110的流程示意图。

图标：100-液晶透镜相位检测装置；110-干涉仪；1102-激光器；1104-分光镜；1106-空间滤波器；115-未遮挡区域；120-遮光挡板；122-第一位置；124-第二位置；126-第三位置；130-相机；140-导轨组件；141-导轨本体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

目前，对于液晶透镜相位差的测量方式，可以采用偏光显微***。偏光显微***的最小测量直径达到3UM，波长精度为1.0nm，具有测量精度高的优点。

然而，由于偏光显微***采用点扫描的测量方式，无法实时的对液晶透镜随电压变化过程中面相位变化进行测量。

为了实现对液晶透镜随电压变化过程中的相位变化进行测量，可以采用马赫-曾德尔干涉仪来测量液晶透镜的透过相位。

具体地，请参照图1，所示为马赫-曾德尔干涉仪的光路图。点光源L经过准直透镜L1形成平面光线，平面光线通过半透半反分光镜P1，可以形成两路平面光线。

其中一路平面光线可以作为参考光，依次经过反射镜M2和分光镜P2后，进入相机物镜L2中。另外一路平面光线经过液晶透镜S，得到样品的透过波前，再依次经过反射镜M1和分光镜P2后，进入相机物镜L2中。在相机的图像传感器上，两路光线会产生干涉，进而产生干涉条纹。通常情况下，根据干涉条纹，可以计算出平面波经过液晶透镜样品后的相位变化情况。

根据干涉原理，两路平面光线在观察面上的合强度<I>(即干涉条纹亮度)，与参考光束光强I₁和样品光束光强I₂的关系式如下：

其中，δ为需要测量的相位差。请一并参照图2至图4，图2所示为参考光束光强I₁的分布图片；图3所示为样品光束光强I₂的分布图片；图4所示为cosδ的分布图片；根据公式(1)可以获得合强度<I>的分布图片，如图5所示。

在理想情况下，I₁和I₂为常量，可以通过检测干涉条纹亮度的分布情况获得相位差。

然而，由于实际测量环境中孔径限制和具有不可避免的灰尘，会产生衍射条纹。在实际情况中，参考光束光强I₁和样品光束光强I₂不再是常量。因此，液晶透镜相位差与干涉条纹亮度不再是完全相关，还受到衍射条纹的影响。

同时，由于光束边缘的强度比中心的强度低，会导致干涉条纹亮度在光束边缘位置处的对比度低，进而影响图像处理。

基于上述问题，本申请实施例提供了一种液晶透镜相位检测装置100。

请参照图6，所示为本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置100的结构示意图。

液晶透镜相位检测装置100可以包括干涉仪110、遮光挡板120以及相机130。

其中，干涉仪110可以包括准直透镜L1、第一半透半反分光镜P1以及第二半透半反分光镜P2。

准直透镜L1的前端设置有点光源L，点光源L经过准直透镜L1后形成平面光束。平面光束再经过第一半透半反分光镜P1可以形成两路不同的平面光束，该两路平面光束分别形成参考光路和样品光路。液晶透镜S设置于样品光路中，第二半透半反分光镜P2位于参考光路和样品光路的后端，且将参考光束和样品光束合光产生干涉光束，干涉光束形成干涉光路。

遮光挡板120相对于干涉仪110可运动的设置，以使遮光挡板120可以位于干涉仪110所形成的光路以外的第一位置122，和从第一位置122运动切换至样品光路或参考光路。

当遮光挡板120位于第一位置122时，干涉仪110的两路光路均处于未遮挡状态。当遮光挡板120运动至样品光路时，干涉仪110处于样品光路被遮挡的第一遮挡状态。当遮光挡板120运动至参考光路时，干涉仪110处于参考光路被遮挡的第二遮挡状态。

相机130可以为工业相机，工业相机设置于干涉仪110的干涉光路上，且用于分别获取干涉仪处于未遮挡状态时的干涉条纹、处于第一遮挡状态时的参考光束光强，以及处于第二遮挡状态时的样品光束光强。

可选地，在干涉仪110的样品光路上可以设置有第二位置124，在干涉仪110的参考光路上可以设置有第三位置126。遮光挡板120可移动切换的在第一位置122、第二位置124及第三位置126之间运动。从而通过相机130获取干涉仪在不同状态下的光强分布。

进一步地，干涉仪110还可以包括第一反射镜M1和第二反射镜M2。

其中，第一反射镜M1设置于样品光路中，用于将样品光路中的平面光束引导至第二半透半反分光镜P2。第二反射镜M2设置于参考光路中，用于将参考光路中的平面光束引导至第二半透半反分光镜P2，以使参考光路和样品光路中的平面光束合光产生干涉光束。

具体地，第一反射镜M1位于第一半透半反分光镜P1和第二半透半反分光镜P2之间，且形成样品光路。液晶透镜S位于第一反射镜M1和第二半透半反分光镜P2之间。第二反射镜M2位于第一半透半反分光镜P1和第二半透半反分光镜P2之间，且形成参考光路。

可选地，第二位置124位于第一半透半反分光镜P1和第一反射镜M1之间，第三位置126位于第二反射镜M2和第二半透半反分光镜P2之间。且第一位置122、第二位置124及第三位置126可以设置于同一直线上，方便遮光挡板120移动切换。

为了便于遮光挡板120在第一位置122、第二位置124及第三位置126之间切换。可选地，干涉仪110还可以包括由参考光路和样品光路围成的未遮挡区域115，第一位置122位于未遮挡区域115内。如图6，遮光挡板120位于第一位置122上，通过相机130可以获取干涉仪110的干涉条纹合强度<I>，遮光挡板120从第一位置122移动到第二位置124，通过相机130可以获取参考光束的光强I₁，遮光挡板120从第一位置122移动到第三位置126，通过相机130可以获取样品光束的光强I₂。

第一位置122位于干涉仪110的未遮挡区域115内，有利于快速切换到第二位置124或第三位置126，位置切换方便。

请继续参照图6，干涉仪110还可以包括光源L和空间滤波器1106。其中，光源L可以为多个激光器1102经过分光镜1104后形成，光源L出射的光束经过空间滤波器1106后出射到准直透镜L1中，经过准直透镜L1形成平面光。

可选地，本申请实施例中的干涉仪可以采用马赫-曾德尔干涉仪。通过在马赫-曾德尔干涉仪中，增加遮光挡板120。通过遮光挡板120选择性的遮挡参考光束或样品光束，然后通过工业相机来测量样品光束和参考光束单独的光强度分布，可以计算得到对比度高的分布图片，从而提高图像处理的准确性。

进一步地，本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置100还可以包括导轨组件140。通过导轨组件140可以实现遮光挡板120在第一位置122、第二位置124及第三位置126之间的自动切换，不仅可以提高测试的速度，还可以避免测试人员手动移动遮光挡板时碰触到其他的光学器件，而造成测试不准的现象。

请参照图7，所示为导轨组件140的结构示意图。

可选地，导轨组件140上可以设置有第一位置122、第二位置124及第三位置126，其中，第二位置124和第三位置126分别位于第一位置122的两侧。遮光挡板120可移动的设置于导轨组件140上，且能够在第一位置122、第二位置124及第三位置126之间切换。

如图6，当遮光挡板120运动至导轨组件140的第一位置122时，干涉仪处于未遮挡状态。当遮光挡板120运动至导轨组件140的第二位置124时，干涉仪处于第一遮挡状态。当遮光挡板120运动至导轨组件140的第三位置126时，干涉仪处于第二遮挡状态。

具体地，导轨组件140可以包括导轨本体141和驱动件。导轨本体141上设置有第一位置122、第二位置124及第三位置126，遮光挡板120卡设于导轨本体141上且能够沿导轨本体141滑动。

驱动件与遮光挡板120连接，且驱动件用于驱动遮光挡板120在第一位置122、第二位置124及第三位置126之间运动切换。通过驱动件来控制遮光挡板120在三个位置之间的运动，可以使整个测试过程实现自动化，也提高了测试的准确率。

本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置，结构简单，通过导轨组件驱动遮光挡板在三个位置之间切换，通过工业相机获取样品光束、参考光束单独的光强度分布，有利于根据公式计算得到对比度高的cosδ分布图片，不仅可以提高图像处理的准确性，还可以实现测试的自动化。

本申请实施例还提供了一种液晶透镜相位检测方法，采用上述的液晶透镜相位检测装置进行检测。

请参照图8，所示为液晶透镜相位检测方法的流程示意图。

步骤S110，分别获取干涉仪在未遮挡状态下的干涉条纹合强度<I>、在第一遮挡状态下的参考光束的光强I₁以及在第二遮挡状态下的样品光束的光强I₂。

调节遮光挡板120位于第一位置122，使得点光源通过干涉仪后形成的样品光束和参考光束均处于未遮挡状态，通过工业相机测量获得干涉条纹合强度<I>，如图9，所示为干涉条纹合强度<I>的分布图片。

同理，分别调节遮光挡板120分别位于第二位置124和第三位置126，以使遮光挡板120遮挡点光源通过干涉仪后形成的样品光束或者参考光束，通过工业相机分别测量获取样品光束和参考光束单独的光强度分布。

步骤S120，根据公式计算获得cosδ的分布图片。

根据干涉原理，两束光束在观察面上的合强度<I>与参考光束光强I₁和样品光束光强I₂的关系式为：

根据该关系式(1)可以反推获得关系式：

根据步骤S110获得<I>、I₁以及I₂，代入上述公式(2)，计算可以获得cosδ的分布图片，如图10，所示为cosδ的分布图片。

需要注意的是，上述步骤S110中获取干涉条纹合强度<I〉、参考光束的光强I₁及样品光束的光强I₂，相互之间无先后获取顺序，只要满足在步骤S120之前，获取得到<I>、I₁及I₂，然后根据公式计算获得cosδ即可。

如图11，可选地，在上述步骤S110中，分别获取干涉仪的干涉条纹合强度<I>、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂，可以包括：

步骤S112，切换遮光挡板，以使干涉仪分别处于未遮挡状态、第一遮挡状态及第二遮挡状态。

采用液晶透镜相位检测装置中的导轨组件驱动遮光挡板运动，使得遮光挡板位于第一位置、不会遮挡参考光束和样品光束的未遮挡状态。

遮光挡板位于样品光路上，遮挡样品光束的第一遮挡状态；遮光挡板位于参考光路上，遮挡参考光束的第二遮挡状态。

步骤S114，采用相机获取相对应的干涉条纹合强度<I>、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂。

采用位于干涉仪干涉光路上的工业相机，分别测量干涉仪处于未遮挡状态下的干涉条纹合强度<I>、干涉仪处于第一遮挡状态下的参考光束的光强I₁、以及干涉仪处于第二遮挡状态下的样品光束的光强I₂。

进一步地，在上述步骤S112中，切换遮光挡板，使得干涉仪分别处于三个不同状态，可以包括：

驱动遮光挡板在导轨组件的第一位置、第二位置及第三位置之间移动，且使遮光挡板位于第一位置时，干涉仪的光路处于未遮挡状态。当遮光挡板位于第二位置时，干涉仪的光路处于第一遮挡状态。当遮光挡板位于第三位置时，干涉仪的光路处于第二遮挡状态。

本申请实施例提供的液晶透镜相位检测方法，首先，在马赫-曾德尔干涉仪的基础上，根据干涉原理，使用遮光挡板，遮挡参考光束或样品光束。接着，再通过工业相机获取参考光束和样品光束的光强分布。最后，通过计算，提高条纹图像的对比度。

根据两束独立光束干涉的特点，通过干涉前光强和干涉光强的采集，提高测量液晶透镜相位的精度。

本申请实施例提供的液晶透镜相位检测装置，在马赫-曾德尔干涉仪的基础上，增加遮光挡板，来选择性的遮挡参考光束或样品光束，以测量获得样品光束和参考光束单独的光强度分布，最后根据公式计算获得cosδ的分布图片，有利于提高图像处理的准确性。采用液晶透镜相位检测装置进行的相位检测方法，可以对液晶透镜的相位差进行测量，提高对比度，以使图像处理可以识别更大的范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种液晶透镜相位检测装置，其特征在于，包括：

干涉仪，所述干涉仪包括由准直透镜和第一半透半反分光镜形成的参考光路和样品光路，位于所述参考光路和所述样品光路后端的第二半透半反分光镜，由所述第二半透半反分光镜合光形成的干涉光路，液晶透镜设置于所述样品光路中；

遮光挡板，所述遮光挡板设置于所述干涉仪所形成的光路以外的第一位置，且能够从所述第一位置切换至所述参考光路或所述样品光路，以使所述干涉仪具有所述遮光挡板位于所述第一位置的未遮挡状态，遮光挡板运动至所述样品光路的第一遮挡状态，以及遮光挡板运动至所述参考光路的第二遮挡状态；以及

相机，所述相机设置于所述干涉光路，且用于分别获取所述干涉仪处于未遮挡状态时的干涉条纹、处于第一遮挡状态时的参考光束光强，以及处于第二遮挡状态时的样品光束光强。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，所述样品光路上设置有第二位置，所述参考光路上设置有第三位置，所述遮光挡板可切换的在所述第一位置、所述第二位置及所述第三位置之间切换运动。

3.根据权利要求2所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，所述干涉仪还包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜位于所述第一半透半反分光镜和所述第二半透半反分光镜之间，且形成所述样品光路，所述液晶透镜位于所述第一反射镜和所述第二半透半反分光镜之间，所述第二反射镜位于所述第一半透半反分光镜和所述第二半透半反分光镜之间，且形成所述参考光路，所述第二位置位于所述第一半透半反分光镜和所述第一反射镜之间，所述第三位置位于所述第二反射镜和所述第二半透半反分光镜之间。

4.根据权利要求1所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，还包括导轨组件，所述导轨组件包括所述第一位置、第二位置及第三位置，所述第二位置和所述第三位置分别位于所述第一位置的两侧，所述遮光挡板可移动的设置于所述导轨组件，且能够在所述第一位置、所述第二位置及所述第三位置之间切换；

当所述遮光挡板位于所述第一位置时，所述干涉仪处于未遮挡状态，当所述遮光挡板位于所述第二位置时，所述干涉仪处于第一遮挡状态，当所述遮光挡板位于所述第三位置时，所述干涉仪处于第二遮挡状态。

5.根据权利要求4所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，所述导轨组件包括导轨本体和驱动件，所述导轨本体上设置有所述第一位置、所述第二位置及所述第三位置，所述遮光挡板可滑动的设置于所述导轨本体，所述驱动件与所述遮光挡板连接，且用于驱动所述遮光挡板在所述第一位置、所述第二位置及所述第三位置之间切换。

6.根据权利要求1所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，所述干涉仪还包括由所述参考光路和所述样品光路围成的未遮挡区域，所述第一位置位于所述未遮挡区域内。

7.根据权利要求1-6任一所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，所述干涉仪包括马赫-曾德尔干涉仪。

8.一种液晶透镜相位检测方法，采用权利要求1-7任一项所述的液晶透镜相位检测装置，其特征在于，包括：

分别获取干涉仪的干涉条纹合强度<I>、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂；

根据公式

计算获得cosδ的分布图片。

9.根据权利要求8所述的液晶透镜相位检测方法，其特征在于，所述分别获取干涉仪的干涉条纹合强度<I>、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂包括：

切换遮光挡板，以使干涉仪分别处于未遮挡状态、第一遮挡状态及第二遮挡状态；

采用相机获取相对应的干涉条纹合强度<I>、参考光束的光强I₁以及样品光束的光强I₂。

10.根据权利要求9所述的液晶透镜相位检测方法，其特征在于，所述切换遮光挡板，以使干涉仪分别处于未遮挡状态、第一遮挡状态及第二遮挡状态包括：

驱动所述遮光挡板在导轨组件的第一位置、第二位置及第三位置之间移动，且使所述遮光挡板位于所述第一位置时，所述干涉仪的光路处于未遮挡状态，所述遮光挡板位于所述第二位置时，所述干涉仪的光路处于第一遮挡状态，所述遮光挡板位于所述第三位置时，所述干涉仪的光路处于第二遮挡状态。

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