一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法，属于偏振光领域，具体为在一种由两片液晶相位延迟器和一片偏振片构成的偏振组件中，引入随温度和电压变化的快轴方位角和相位延迟，优化了偏振组件的穆勒矩阵，消除因未考虑快轴方位角随温度和电压变化而产生的误差。变化而产生的误差。变化而产生的误差。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法


[0001]本专利技术涉及偏振系统优化方法领域，具体是一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法。

技术介绍

[0002]液晶相位延迟器(LCVR)是利用液晶的光电双折射特性制成的光偏振态调制器件，通过调节对液晶相位延迟器施加的驱动电压，便可以对入射光的相位延迟进行连续调节，通常可以将其视为相位延迟不同的一系列晶体波片。液晶相位延迟器具有宽的通光范围、无需机械传动、功耗低、响应速度快等优势，在显示、光信息和偏振成像等
得到广泛应用。
[0003]一维矢量(S0,S1,S2,S3)
T
被称作斯托克斯(Stokes)矢量，用来描述光的偏振态。当一束光照射在物体上时，物体的出射光的斯托克斯矢量与入射光的斯托克斯矢量之间的变换关系称为穆勒(Mueller)矩阵。
[0004]由两片液晶相位延迟器和一片线偏振片构成的偏振组件可以与照明光源结合成偏振态发生器(PSG)，也可以与检测光强的探测器相结合构成偏振态探测器(PSA)，PSG和PSA是斯托克斯偏振仪、穆勒偏振仪等偏振仪器的关键部件，其性能会对偏振仪器的测量精度产生直接影响。
[0005]液晶相位延迟器的快轴在温度和电压影响下会发生偏转，如图1、图2所示，图1中A为温度发生变化后的快轴方位角，B为温度发生变化前的快轴方位角；图2为快轴方位角关于温度和电压的对应关系，当改变温度或电压时快轴方位角会发生变化。现有文献中尚未见到温度对液晶相位延迟器快轴方位角影响的相关研究，更未见到温度和电压对快轴方位角的共同影响的研究。不考虑温度对快轴方位角的影响会导致液晶相位延迟器的穆勒矩阵理论模型与实际的穆勒矩阵不相同，使得在进行偏振光研究时引入误差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法，以解决现有技术中由于未研究液晶相位延迟器快轴方位角随温度和电压的变化，导致由两片液晶相位延迟器和一片偏振片构成的偏振组件的穆勒矩阵偏离理论值而产生误差的问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0008]一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法，在所述偏振组件的穆勒矩阵中，引入随温度变化的快轴方位角，由此得到所述偏振组件优化的穆勒矩阵，包括以下步骤：
[0009]步骤1、测量不同温度不同电压情况下两片液晶相位延迟器的快轴方位角，根据测量结果拟合成每片液晶相位延迟器快轴方位角关于温度和电压的对应关系θ(T，U)，其中θ表示每片液晶相位延迟器快轴方位角，T表示每片液晶相位延迟器温度，U表示每片液晶相位延迟器驱动电压；
[0010]步骤2、基于已经标定好的快轴方位角，测量不同温度不同电压情况下两片液晶相位延迟器的相位延迟，将测量数据拟合成每片液晶相位延迟器相位延迟关于温度和电压的对应关系δ(T，U)，其中δ表示每片液晶相位延迟器的相位延迟
[0011]步骤3、将每片液晶相位延迟器已经标定好的快轴方位角关于温度和电压的对应关系θ(T，U)和相位延迟关于温度和电压的对应关系δ(T，U)带入穆勒矩阵理论模型M(θ，δ)中，得到对应片液晶相位延迟器改写后的穆勒矩阵M(T，U)如公式(1)所示：
[0012]M(T，U)＝M(θ(T，U)，δ(T，U))(1)；
[0013]步骤4、根据偏振态发生器PSG和偏振态探测器PSA各自入射光、出射光的斯托克斯矢量关系，分别有以下公式：
[0014]S
out
＝M
i
(T，U1)
×
M2(T，U2)
×
M
P
×
S
in
＝M
PSG
(T，U1，U2)
×
S
in
(2)，
[0015]S
out
＝M
P
×
M2(T，U2)
×
M1(T，U1)
×
S
in
＝M
PSA
(T，U1，U2)
×
S
in
(3)，
[0016]公式(2)、(3)中，M1和M2分别为两片液晶相位延迟器的穆勒矩阵，U1和U2分别为两片液晶相位延迟器的驱动电压，M
P
是构成偏振组件的线偏振片的穆勒矩阵，M
PSG
和M
PSA
分别是偏振态发生器PSG和偏振态探测器PSA整体的穆勒矩阵，S
in
和S
ou
t分别是入射光和出射光的斯托克斯矢量；
[0017]在公式(2)和公式(3)中，若温度T确定，对于偏振态发生器PSG的任意一组电压组合(U1，U2)，PSG会产生一个特定偏振态的光束，如果用这束光照射到具有相同电压组合(U1，U2)的偏振态探测器PSA上，检测到的光强将会是最大的。除去偏振态发生器PSG的光源部分和偏振态探测器PSA的光强探测器部分，其余的组件拥有完全相同的结构，即所要优化的偏振组件。可用穆勒矩阵M
G
(T，U1，U2)来描述这个偏振组件，如公式(4)所示：
[0018]S
out
＝M2(T，U2)
×
M1(T，U1)
×
M
P
×
S
in
＝M
G
(T，U1，U2)
×
S
in
(4)，
[0019]其中，出射光S
out
的第一个分量S
out0
代表亮度，第一个分量S
out
是入射光S
in
的线性函数，如公式(5)所示：
[0020]S
out0
＝αS
in0
+βS
in1
+γS
in2
+εS
in3
(5)，
[0021]公式(5)中，α、β、γ、ε是矩阵M
G
(T，U1，U2)第一行的阵元m
11
(T，U1，U2)、m
12
(T，U1，U2)、m
13
(T，U1，U2)、m
14
(T，U1，U2)，S
in0
、S
in1
、S
in2
、S
in3
是入射光S
in
的四个斯托克斯分量；
[0022]对于公式(4)，若温度T已知，使用不同的电压组合可以获得不同的M
G
矩阵。对于给定的入射光S
in
，假设有4个暂时未知的电压组合(U
11
，U
12
)、(U
21
，U
22
)、(U
31
，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法，用于由两片液晶相位延迟器和一片线偏振片构成的偏振组件，所述偏振组件配合照明光源时构成偏振态发生器PSG，偏振组件配合光强探测器时构成偏振态探测器PSA，其特征在于：在所述偏振组件的穆勒矩阵中，引入随温度变化的快轴方位角，由此得到所述偏振组件优化的穆勒矩阵，包括以下步骤：步骤1、获取两片液晶相位延迟器快轴方位角关于温度和电压的对应关系θ(T，U)，其中θ表示每片液晶相位延迟器快轴方位角，T表示每片液晶相位延迟器温度，U表示每片液晶相位延迟器驱动电压；步骤2、获取两片液晶相位延迟器相位延迟关于温度和电压的对应关系δ(T，U)，其中δ表示每片液晶相位延迟器的相位延迟；步骤3、将每片液晶相位延迟器已经标定好的快轴方位角关于温度和电压的对应关系θ(T，U)和相位延迟关于温度和电压的对应关系δ(T，U)带入穆勒矩阵理论模型M(θ，δ)中，得到对应片液晶相位延迟器改写后的穆勒矩阵M(T，U)如公式(1)所示：M(T，U)＝M(θ(T，U)，δ(T，U))(1)；步骤4、根据偏振态发生器PSG和偏振态探测器PSA各自入射光、出射光的斯托克斯矢量关系，分别有以下公式：S
out
＝M1(T，U1)
×
M2(T，U2)
×
M
P
×
S
in
＝M
PSG
(T，U1，U2)
×
S
in
(2)，S
out
＝M
P
×
M2(T，U2)
×
M1(T，U1)
×
S
in
＝M
PSA
(T，U1，U2)
×
S
in
(3)，公式(2)、(3)中，M1和M2分别为两片液晶相位延迟器的穆勒矩阵，U1和U2分别为两片液晶相位延迟器的驱动电压，M
P
是构成偏振组件的线偏振片的穆勒矩阵，M
PSG
和M
PSA
分别是偏振态发生器PSG和偏振态探测器PSA整体的穆勒矩阵，S
in
和S
out
分别是入射光和出射光的斯托克斯矢量；在公式(2)和公式(3)中，若温度T确定，对于偏振态发生器PSG的任意一组电压组合(U1，U2)，PSG会产生一个特定偏振态的光束，如果用这束光照射到具有相同电压组合(U1，U2)的偏振态探测器PSA上，检测到的光强将会是最大的；除去偏振态发生器PSG的光源部分和偏振态探测器PSA的光强探测器部分，其余组件拥有完全相同的结构，即所要优化的偏振组件；可用穆勒矩阵M
G
(T，U1，U2)来描述这个偏振组件，如公式(4)所示：S
out
＝M2(T，U2)
×
M1(T，U1)
×
M
P
×
S
in
＝M
G
(T，U1，U2)
×
S
in
(4)，其中，出射光S
out
的第一个分量S
out0
代表亮度，第一个分量S
out0
是入射光S
in
的线性函数，如公式(5)所示：I＝S
out0
＝αS
in0
+βS
in1
+γS
in2
+εS
in3
(5)，公式(5)中，I表示亮度，α、β、γ、ε分别是矩阵M
G
(T，U1，U2)第一行的阵元m
11
(T，U1，U2)、m
12
(T，U1，U2)、m
13
(T，U1，U2)、m
14
(T，U1，U2)S
in0
、S
in1
、S
in2
、S
in3
是入射光S
in
的四个斯托克斯分量；对于公式(4)，若温度T已知，使用不同的电压组合可以获得不同的M
G
矩阵；对于给定的入射光S
in
，假设有4个暂时未知的电压组合(U
11
，U
12
)、(U
21
，U
22
)、(U
31
，U
32
)、(U
41
，U
42
)，则有4个穆勒矩阵M
G1
(T，U
11
，U
12
)、M
G2
(T，U
21
，U
22
)、M
G3
(T，U
31
，U
32
)、M
G4
(T，U
41
，U
42
)，结合公式(5)建立一个线性方程组如公式(6)所示：
公式(6)中，α1、β1、γ1、ε1是矩阵M
G1
(T，U
11
，U
12
)第一行的阵元，α2、β2、γ2、ε2是矩阵M
G2
(T，U
21
，U
22
)第一行的阵元，α3、β3、γ3、ε3是矩阵M
G3
(T，U
31
，U
32
)第一行的阵元，α4、β4、γ4、ε4是矩阵M
G4
(T，U
41
，U
42
)第一行的阵元，I1、I2、I3、I4代表亮度，I1等于α1S
in0
+β1S
in1
+γ1S
in2
+ε1S
in3
，I2等于α2S
in0
+β2S
in1
+γ2S
in2
+ε2S
in3
，I3等于α3S
in0
+β3S
in1
+γ3S
in2
+ε3S
in3
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇，岳明强，李进晔，胡俊涛，
申请(专利权)人：合肥工业大学智能制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：