PB06007131液晶光阀49164210.docx
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PB06007131液晶光阀49164210
实验报告
007系06级姓名：
PB06007131叶煜东日期：
08.3.21№：
10
实验题目：
电寻址液晶光阀的光信息综合实验
实验目的：
从实验现象中认识信息光学中广泛使用的空间光调制器，即液晶光阀的工作原理，加深对全息尤其是计算全息基本概念和基本性质的理解，为今后更深入的学习相关知识奠定基础。
实验内容：
（以下按具体实验分开论述）
一液晶的电光效应
1.1、实验目的：
1.加深对液晶的电光效应的理解。
2.掌握利用LCD液晶光阀的响应曲线进行图像反转和图像边缘增强的工作原理及方法。
1.2、实验原理：
1.液晶光阀的工作原理：
液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向特性，又有液体的流动性。
当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性：
光矢量沿分子长轴方向时具有较大的非常光折射率ne；而垂直分子长轴方向为寻常光折射率no（针对P型液晶材料）。
把两块玻璃合在一起，中间用一定厚度的间隔层控制玻璃间的距离，再在间隔中充满液晶，便形成一液晶盒。
液晶盒玻璃内表面经一定方法处理之后，可以使盒中的液晶分子长轴沿一定方向排列。
此时液晶盒和一块用晶体做成的相位器相仿，晶轴方向即为分子长轴方向。
若在组成液晶盒的两玻璃间加一定电压，盒里的液晶分子在电场的作用下会沿着电场方向排列，即光轴方向沿着电场方向偏转一个角度θ，θ是所加电压V的函数。
由此实现了电场控制的双折射效应的变化，沿光传播方向的折射系数no和ne发生变化，有关系式:
（1-1）
液晶光阀正是利用此特点制作的器件。
图1所示液晶光阀（LCTV）是利用液晶混合场效应制成的一种透射式电寻址空间光调制器。
它是一个由多层薄膜材料组成的夹层结构。
在两片玻璃衬底1和8的里面是两层氧化物制成的透明电极2和7。
低压电源E（一般取电压值在0～5V）就接在透明电极上。
液晶层5的两边是液晶分子取向膜层3和6，两取向层的方向互相垂直，起到液晶分子定向和保护液晶层的作用。
液晶层5的厚度由衬垫4和9的间隙决定，一般取d<10um,很多情况下d仅为2um。
图1液晶光阀结构示意图
利用90o扭曲向列型液晶的液晶光阀与起偏器、检偏器一起组成一个空间光调制器（LC-SLM），如图1.2所示。
控制液晶像素电光效应的实际电压值，是由液晶光阀驱动以60Hz的频率矩阵式扫描两边的像元电极来决定的。
起偏器与检偏器的偏振轴与x轴的夹角分别表示为
和
，由琼斯矩阵算法可以得到输出光束的光强透射率的表达式：
其中
当
或
有
当
时，有
。
当
时，有
。
因此改变起偏器和检偏器的偏振轴
和
，我们就可以得到不同的电光效应曲线，即输出光强与所加电压的关系曲线。
图1.2LC-SLM的结构示意图
当液晶层两边电场为0时，液晶分子取向在两液晶分子取向层表面处都是跟取向层的方向一致，并且它们的长轴方向相差90o。
此时，起偏器的方向跟液晶层的入射面的取向层方向一致。
透过起偏器的线偏光，随着液晶分子取向的偏转，旋转90度，这叫做旋光效应。
若检偏器与起偏器方向垂直，光线全部透过检偏器，因此透明（如图1.3中的a所示）。
若检偏镜平行于起偏镜，光线被检偏镜阻挡，此时不透明。
图1.3不同电压下的液晶像素状态
当加上比较大的电压值如5伏时，受所加电场的控制，液晶分子的倾角发生了变化，趋向于垂直于液晶光阀表面，旋光效应消失。
此时，起偏镜的方向跟液晶层的入射面的取向层方向一致，透过起偏器的线偏光，透过液晶层不发生旋转。
若检偏器方向与起偏器垂直，光线被检偏镜阻挡，因此输出光强为最小值（如图1.3中的c所示）。
若检偏器平行于起偏器，光线最大程度透过检偏器，因此输出光强为最大值。
对于加其它的中间电压值的液晶像素，液晶分子的倾角为中间值，相应的输出光强也就介于最大值与最小值之间（如图1.3中的b所示）。
这样输出光束的光强空间分布就按照液晶光阀上的电压值的空间分布被调制。
改变所加的电压值，得到不同的输出光强，就得到液晶的电光响应曲线，即电压和输出光强的关系曲线。
2.液晶光阀用于图像反转和图像微分的工作原理
根据得到的液晶光阀的输出光强与所加电压的关系曲线，即液晶光阀的电光效应曲线如下图1.4：
图1.4不同θ夹角下的典型的电光效应曲线（x轴表示电压，单位V，y轴表示光强透过率）
图1.4中曲线1为检偏器在目前位置，即θ＝90度时电光效应曲线，可以反映出不同电压下灰度近似线性的变化趋势。
如果旋转检偏器改变a2的大小，在某一特定度数下会出现曲线2的情形，曲线2跟曲线1的强度值正好“相反”，此时若输入一幅图像，则必然会观察到：
原来图像的暗处，在输出图像中变亮了，而原来图像的亮处，在输出图像中相应的部分变暗。
因此通过调节偏振片的夹角，可在观察屏上看到原图像的反转图像，即可以实现图像的灰度翻转。
曲线3代表了另一特殊情形，此时液晶光阀最大透过率发生在某一中间电压值处。
若输入一幅图像，则会观察到原来图像的暗处和亮处都显示为较暗，而中间灰度级显示为极亮。
这时，图像的轮廓部分被增强了，这种现象称为边缘增强效应，即对图像进行了微分操作。
1.3、实验光路
如图1.5所示，半激光器提供入射光，LCD液晶光阀由驱动电路驱动，并与计算机相连，光探测器采用硅光电池以探测透过液晶的光强。
图1.5实验装置示意图
1.4、实验步骤：
按照图1.5所示实验装置组装实验仪器，选取合适的间隔改变检偏器的角度（由0゜至90゜），在每个角度下改变电压的数值，每隔0.5伏测量一次光强的数值，由0伏测至5伏，在表格中记录数据。
1.5、实验数据记录.
检偏器角度
电压/V光强值
0゜
30゜
45゜
60゜
75゜
90゜
0
0.05
0.22
0.44
0.62
0.79
0.85
0.5
0.09
0.15
0.61
0.49
0.68
0.80
1.0
0.27
0.12
0.18
0.31
0.49
0.68
0.80
0.58
0.20
0.11
0.13
0.29
0.49
2.0
0.79
0.30
0.11
0.05
0.09
0.33
2.5
0.89
0.37
0.14
0.03
0.03
0.24
3.0
0.94
0.41
0.16
0.03
0.02
0.24
3.5
0.95
0.44
0.17
0.03
0.01
0.21
4.0
0.96
0.44
0.17
0.04
0.01
0.20
4.5
0.97
0.44
0.17
0.04
0.01
0.20
5.0
0.97
0.45
0.18
0.04
0.01
0.20
二用衍射理论测量电寻址液晶光阀的微结构
2.1、实验目的：
1.了解液晶光阀的像素结构
2.理解液晶屏自身结构对频谱的影响
3.了解衍射理论
2.2、实验原理：
透射式液晶屏的两块平板上分别镀有行电极和列电极，由于电极是不透明的金属掩膜，必然影响液晶的透过率，构成了具有周期性分布的网格结构，每个网格对应一个像素，这种结构被形象的称为“纱窗结构”。
我们将每个液晶网格的透明部分占整个像素的比例定义为液晶的开口率。
正是由于液晶的这种网格结构，使激光照射到液晶屏上会产生非常明显的点阵状的衍射图样。
因此，通过测量衍射频谱就能求出液晶屏的像素尺寸。
设液晶屏像素的几何尺寸为a×b，谱面上相邻谱点的间距为u×v，则根据光的衍射理论有：
，
（2－1）
实验中，若采用激光器波长λ＝650nm，傅立叶变换透镜的焦距ƒ＝300mm，可以测得谱面单位间距（u×v），由公式
（1）求得液晶的单位像素大小（a×b）
2.3、实验光路
2.4、实验步骤：
如上图所示组装仪器，测量谱面上相邻谱点的间距u与v，在下表中记录数据，本实验中所用激光的波长λ=6328Å。
傅立叶变换透镜的焦距ƒ＝300mm。
由公式计算液晶的单位像素大小（a×b）。
2.5、实验数据记录：
序号
测量谱面
计算液晶像素尺寸
u（mm）
v（mm）
a（μm）
b（μm）
1
22.5
23.5
8.44
8.08
2
22.5
24.0
8.44
7.91
3
23.0
24.0
8.25
7.91
4
23.0
23.5
8.25
8.08
像素尺寸平均值（μm）
8.35╳8.00
2.6、思考题
1实验中为何需要全屏显示一张白色图片，不这么做的影响是什么？
答：
屏上显示的尺寸即为液晶光阀的实际尺寸，不全屏显示时所处的实验条件即发生了变化，会带来很容易被忽略的误差。
2观察频谱面，发现在规则的亮点周围还存在一些不太亮的“杂斑”，如何解释该现象？
应
答：
因为激光有一定的宽度，由于透镜的像差导致杂斑的存在。
三光的干涉和衍射实验
3.1、实验目的：
1．加深对光的干涉和衍射理论的认识。
2．掌握干涉条纹和衍射条纹的特点。
3.2、实验原理：
1．杨氏干涉实验
在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象成为光的干涉现象。
并不是任意的两个光波都能形成干涉现象，根据波的叠加原理，叠加后该点的光强应是该点光振动平方的时间平均值，它不仅与两振动单独在该点产生的强度有关，还与干涉项有关，即与两光波的振动方向及在该点的相位差δ有关。
由此，产生干涉的条件是：
频率相同、振动方向相同、相位差恒定、两叠加光波的光程差不超过光波的波列长度。
一般，通过分波前法和分振幅法，可以由一个光波获得两个或多个相干光波。
我们这里采用典型的杨氏干涉。
杨氏干涉实验是用分波前法产生干涉的最著名的实验。
杨氏装置如图5.1所示，S是一个受到单色光源照明的小孔，从S射出的光波照射屏A上对称放置的小孔S1和S2。
由S1和S2发散出的光波来源于同一光波，因而是相干光波，在距屏A为的屏M上叠加并形成干涉图样。
其干涉图样由一系列平行等距的明暗直条纹组成，条纹的分布呈余弦变化规律，条纹的走向垂直于S1、S2连线（x轴）方向。
我们定义相邻两个亮条纹或暗条纹的距离为条纹间距，在d<（3-1）
其中是两相干光源到观察屏（干涉场）M的距离，d是两相干点光源S1、S2间的距离。
本实验中两个小孔的尺寸为180μm。
图3.1杨氏实验装置
2．光的衍射
在单色点光源和屏幕之间放置一个中间开有圆孔的不透明屏，会发现有光线偏离直线传播而进入到几何阴影区，并出现亮暗相间的条纹，这种现象称为光的衍射。
光的衍射是光的波动性的主要标志之一。
实际上波面的任何变形（通过相位物体）或者说波面（波前）上光场的复振幅分布受到任何空间调制，都将导致衍射现象的发生，而使障碍物后的光场的复振幅重新分布。
导致衍射发生的障碍物称作“衍射屏”。
1）矩孔衍射
选取矩孔中心作为坐标原点，由衍射公式，可得到观察平面上P点的强度
（3-2）
其中
是P0点的强度，
和
分别为
，
（3-3）
其中a和b分别是矩孔沿x和y轴的宽度，
和
分别表示x和y坐标的方向余弦，表明P点的强度与它的两个坐标有关。
对x轴上的点的强度分布，这时
，故强度分布公式（3-3）变为
（3-4）
在
处（对应于P0点）有主极大，
即衍射角
，说明抵达P0点的衍射光具有相同相位，因此这个零级衍射斑中心就是几何光学像点，而在
处，有极小值
，所以零强度点（暗点）满足条件
（3-5）
相邻两个零强度点之间的距离与宽度成反比。
同理还能确定次级大的
值及相应的强度。
矩孔衍射y轴上的分析方法同x轴。
并可求得中央亮斑的半宽尺寸为
（3-6）
2）单缝衍射
如果矩形孔一个方向的宽度比另一个方向的宽度大得多，比如b>>a，矩孔就变成狭缝，试验中可以观察到单缝夫琅和费衍射的图样。
显然单缝衍射在x轴上的衍射图样分布为
（3-7）
式中
根据前面的讨论，可知在单缝衍射图样中，中央亮纹的角半宽度为
，由于观察位置在透镜焦面上，因此中央亮斑半宽度近似为
（3-8）
3）圆孔衍射
假设圆孔的半径为a，中心处在光轴上，表征衍射光强度的公式为
（3-9）
I0表示中心点处的光强度，I表示半径为r处的光强度，J1（Z）为贝赛尔函数，Z＝kaθ，2k＝πλ表示波矢，θ=r/f，θ或者r相等处出光强度一样，因此衍射图样时圆环条纹。
在衍射图样中光能绝大部分集中在中央亮斑内，这一亮斑称为艾里（Airy）斑，它的半径r0由对应于第一强度为0的Z值决定：
因此
（3-10）
此式表明衍射斑的大小与圆孔的半径成反比，而与光波的半径正正比，这些规律与矩孔和单缝衍射完全类似。
4）多缝衍射
多缝衍射的实验装置与上同，P点处的光强分布公式为：
（3-11）
其中I0是单缝在中心点产生的光强，
，a为单缝宽度，
，其中d为光栅常数（即一个缝宽和一个间距之和），θ为衍射角，N表示缝数目。
称为单缝衍射因子，
称为多光束干涉因子，因此多缝衍射也是衍射和干涉两种效应共同作用的结果。
单缝衍射因子与单缝本身的性质有关，多光束干涉因子来源于狭缝的周期行排列结构，与单缝本身性质无关。
本实验的目的是观察多缝衍射图样，增加感性认识。
3.3、实验光路
1．杨氏干涉
图3.2干涉实验系统
两相干小孔由液晶板显示，CCD平面到液晶光阀平面的间距就是观察屏到小孔的距离D。
激光器的波长λ＝632.8nm
2．衍射
这里仍旧由液晶光阀来显示矩孔、单缝、圆孔和多缝，透镜应尽量接近液晶光阀，CCD放在透镜的后焦面上。
用CCD显示终端来进行观察并测量衍射尺寸。
图3.3衍射测量实验系统
3.4、实验步骤：
按照上面各图组装仪器，测量双孔间距、小孔到观察屏的距离，用CCD显示终端来进行观察并测量衍射尺寸，分别在表格中记录数据。
3.5、实验数据记录：
1.数据表格一：
杨氏干涉
序号
双孔间距d（mm）
小孔到观察屏的距离D（mm）
测得条纹间距（mm）
理论计算条纹间距（mm）
1
0.54
520
1.42
2.14
2
1
520
1.32
1.14
3
2
520
1.07
0.57
2.数据表格二：
矩孔衍射（透镜ƒ＝300mm）
序号
x方向尺寸（mm）
Y方向尺寸（mm）
X方向测得中央亮斑尺寸（mm）
y方向测得中央亮斑尺寸（mm）
1
0.018
0.018
2.64
2.64
2
0.20
0.20
2.28
2.28
3
1
1
2.14
2.14
3.数据表格三：
单缝衍射
序号
缝宽（mm）
0级亮纹实验测量宽度（mm）
1
0.1
0.93
2
0.9
0.89
3
1.5
0.82
4.数据表格四：
圆孔衍射
序号
圆孔尺寸（mm）
实验测量艾里斑半径（mm）
1
0.54
1.61
2
2
1.43
3
5
1.25
成绩：
８５
批语：
实验报告中要求写原理部分，是要求学生对实验原理进行阅读、思考并予总结，而不是盲目抄写，更不是原文粘贴。
思考题做得很好。
王宝轩于2008年4月9日星期三阅
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