采用 Zygo 干涉仪测量 LCOS 相位调制特性的研究

殷路安;朱力行;吴建宏

【摘 要】This paper introduces the basic structure and light wave modulation principle of liquid crystal on silicon(LCOS)de-vice.When the polarization direction of light wave is accordant with the optic axisof 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 Re-allight Technology Co.,Ltd,revises the measuring results according to the interferometer principle,and gets the accurate phase char-acteristic curve,of which the modulation range is 0 -0.7154λ.This experiment creates a new method for measuring phase modulation, which can help better utilize LCOS.%该文介绍了 LCOS 的基本结构和光波调制原理，当光波的偏振方向与液晶分子的光轴相一致时，LCOS 处于纯相位调制模式。介绍了 Zygo 干涉仪测量相位差的原理，针对北京杏林睿光公司生产的 RL －SLM－R2反射式纯相位 LCOS 采用美国 Zygo 干涉仪进行了相位调制特性测量，并根据干涉仪原理对结果进行修正，得到了准确的相位调制特性曲线，其调制范围为0～0．7154λ。该实验开创了一种新的相位调制度测量方法，对更好地使用液晶空间光调制器有重要意义。 【期刊名称】《实验科学与技术》 【年(卷),期】2016(014)006

【总页数】4页(P43-45,92)

【关键词】信息光学;液晶空间光调制器;纯相位调制;Zygo 干涉仪;调制特性 【作 者】殷路安;朱力行;吴建宏

【作者单位】苏州大学 物理与光电·能源学部，江苏 苏州 215000;苏州大学 物理与光电·能源学部，江苏 苏州 215000;苏州大学 物理与光电·能源学部，江苏 苏州 215000

【正文语种】中 文

【中图分类】O436.1;O753+.2

液晶空间光调制器（liquid crystal spatial light modulator，LCSLM）是近代信息光学系统中的关键器件，其不仅可以提供特定相位的入射光，也可以对系统进行波前像差校正［1］和空间滤波［2］。硅基液晶（LCOS）是一种反射式的空间光调制器，具有衍射效率高、体积小、开口率高等优点，因而具有更为广泛的应用前景［3］。相位调制特性曲线作为LCOS关键参数对其在实际应用中有着极其重要的作用，然而出厂时的调制曲线一般并不线性。为了让LCOS参数设置更符合实际情况，通常会对其进行相位调制曲线重新测量并标定。传统测量一般是通过搭建干涉光路，采集干涉图，对干涉图进行图像处理，再根据处理结果获得标定曲线，如文献［3］LCoS（硅基液晶）显示器设计中提到的测量方法。该方法操作复杂，实验要求较高，测量误差也较大。本文提出一种采用Zygo干涉仪测量LCOS波面分布从而获得相位调制特性的方法，它可以简化测量步骤，并且获得更加精确的测量结果。

LCOS是一种反射式的液晶空间光调制器，它是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术，结合大规模集成电路工艺在硅芯

片上加工制作而成。其结构如图1所示，最上层为一附有ITO的透明导电玻璃，液晶分子被夹在两个偏振膜之间，由于偏振膜的存在，液晶分子方向可以平行偏振膜排列；最下层为硅晶圆，上面刻蚀可独立寻址电极（COMS电路），电极上镀有高反射率的金属铝膜［4］。

根据向列型液晶的双折射特性，液晶分子沿着光轴方向的折射率为ne，垂直于光轴方向的折射率为no，no和ne分别称为寻常光和非寻常光。

当光波的偏振方向与液晶分子的光轴相一致时，通过控制非寻常光折射率即可改变偏振光的光程，从而调制其相位延迟。 液晶分子偏转导致的非寻常光折射率［5］为： θ与液晶分子两端电压V的关系为［6］：

式中，Vc为阈值电压，V0是偏转角为49.6°时的过载电压。

本文采用Zygo公司VerifireTM系列的XPZ型号干涉仪，使用混合偏振态的点光源，分辨率为640×480像素，帧速为75 Hz。核心技术是相移干涉，其系统光路简图如图2所示［7］。移相系统的工作原理为，干涉光源发出干涉光，经过分光棱镜分成两束光，一束光经相移器分别被测量平面和参考平面反射回来，与另一束光在CCD处交叠产生干涉条纹并被接收，测量平面和参考平面的相对光程差变化导致干涉条纹的移动［8］。

在面形测量之前，首先对CCD的帧频、曝光时间和移相器的起始位置及图像采集卡的触发条件进行初始化，图像采集卡此时处于预览模式，即只实时地显示接收到的图像但并不保存图像。开始测量时，图像采集卡切换到等待触发模式，通过移相器周期性改变干涉光程差，相当于对测量平面进行周期性的调制，形成一系列的干涉条纹图，采集这些图像并按一定算法处理即可计算得到测量镜表面的二维相位分布，而相位分布对应被测表面的高低变化［9］。 3.1 实验装置

搭建如图3所示结构的光路，干涉仪、偏振片、LCOS位于同一直线，LCOS上逐幅加载0～255间隔为5变化的灰度图，并用干涉仪进行测量，测量界面如图4所示。波面整体为LCOS的相位分布，因加载的是左右灰度不同的灰度图，所以相位分布也存在左右跳变，其跳变值对应的是加载灰度图灰度差所引起的相位改变大小。这一跳变值可以从图4中直接读出并记录。 3.2 实验数据及结果分析

记录数据得到表格1，其中相位差是多次测量后的平均值。

从表1数据可见相位－灰度并非单调变化，而是在0～170灰度处出现了跳变。其次，灰度差在50以内，相位差没有明显改变；灰度差在50～165时，相位差为正值并且单调增加；灰度差在170～255时，相位差为负值也单调增加。按照液晶空间光调制特性，灰度－相位是正值并且单调变换。

下面结合干涉仪测量原理分析相位跃变出现负值的情况。假想条纹是平直的，在相位差出现正负跳变处（大约170灰度差），其干涉图如图5所示，灰度分界处错开半个条纹左右，而半个条纹对应着π的相位差。相位差接近π时，如图5（a）所示，干涉仪读取相位差h（小于π）；而当相位差超过π时，干涉仪读取图5（b）中H（大于π）。一般LCOS的调制能力超过π，而干涉仪在临近像素点的测量范围是-π～π，所以无法读到相位差超过π的数据。 H需要经过修正才能与h放在同一坐标系。修正如下： 其中，P0为相位差小于0的值，p为修正后的相位差。

将新数据用5次多项式拟合，得到如下相位改变值y与灰度差x的函数：