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基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显示

红外与激光工程 2020年第1期49卷 246-250页

作者：范钧刘泽晟邓慧成都工业学院电子工程学院四川成都611730

为了解决视区分离的问题,设计了一种基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显示器,建立了3D成像模型,详细阐述了一维集成成像双视3D显示的原理;通过几何光学推导视区宽度以及观看视角的计算公式;研制了基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显... 详细信息

为了解决视区分离的问题,设计了一种基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显示器,建立了3D成像模型,详细阐述了一维集成成像双视3D显示的原理;通过几何光学推导视区宽度以及观看视角的计算公式;研制了基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显示测试装置,在左18°到右18°的范围内,通过左偏振眼镜和右偏振眼镜在同一视区内分别观看到两个不同的3D图像。

关键词：集成成像双视偏振光栅观看视角

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偏振光栅导航传感器电子系统设计

传感器与微系统 2014年第1期33卷 97-100,104页

作者：马强赵开春尤政清华大学精密仪器系北京100084

偏振光栅导航传感器的电子系统采用了适应图像处理的软硬件体系结构,使其能够实时处理全天域偏振信息,具有更高的分辨率和精度。为了验证这种新体系结构的可行性,并且提供研究图像提取航向信息算法的平台,在阐述偏振光栅导航传感器工作... 详细信息

偏振光栅导航传感器的电子系统采用了适应图像处理的软硬件体系结构,使其能够实时处理全天域偏振信息,具有更高的分辨率和精度。为了验证这种新体系结构的可行性,并且提供研究图像提取航向信息算法的平台,在阐述偏振光栅导航传感器工作原理的基础上提出其电子系统的设计方案。此电子系统是在现场可编程门阵列(FPGA)上构建的可编程片上系统(SOPC),通过Cameralink协议获取前级偏振检测图像数据,经过硬件化的算法模块和Nios II处理器计算出航向方位,并将结果通过串行通信协议发送上位机。测试显示:此电子系统能够实现偏振图像采集和处理,输出数据更新率高达20 Hz,计算结果精度优于±0.01°,便于图像提取航向信息算法的硬件化验证。

关键词：导航传感器偏振光栅图像采集 Cameralink 现场可编程门阵列可编程片上系统

基于琼斯矩阵的液晶偏振光栅扭曲角及厚度的测量方法

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液晶与显示 2021年第5期36卷 656-662页

作者：陈琎杨程亮穆全全王启东中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

液晶偏振光栅是一种基于几何相位原理的新型光栅器件,可以通过调控液晶光轴的空间分布来实现对入射光相位、偏振态等的调制。传统的液晶偏振光栅在正入射及波段范围较小时可以达到很高的衍射效率,但其在宽波段范围内难以保持很高的衍射... 详细信息

液晶偏振光栅是一种基于几何相位原理的新型光栅器件,可以通过调控液晶光轴的空间分布来实现对入射光相位、偏振态等的调制。传统的液晶偏振光栅在正入射及波段范围较小时可以达到很高的衍射效率,但其在宽波段范围内难以保持很高的衍射效率,大角度入射时衍射效率下降明显。多层扭曲结构的提出使这些问题可以得到解决,但引入了新的问题,如何精准控制扭曲角及厚度的大小。基于此问题,本文提出了一种新型的基于琼斯矩阵的液晶偏振光栅的扭曲角及厚度的测量方法,使用差值拟合的方法消除了由于整个波段折射率变化引起的误差,可以准确得到液晶片的扭曲角和厚度。分析了扭曲液晶片和扭曲液晶偏振光栅的异同,基于扭曲液晶片的测量结果可以得到相同条件下制备的液晶偏振光栅的扭曲角及厚度。实验结果表明对厚度的测量误差小于2%,对扭曲角的测量误差小于±0.5°。该方法能够快速和方便地实现对扭曲角及厚度的精准测量,有很高的测量准确性及稳定性,并分析了手性剂的浓度和扭曲角之间的关系,对扭曲液晶偏振光栅的制备方法提供了理论依据。

关键词：液晶偏振光栅扭曲角厚度琼斯矩阵

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偏振光栅的光学特性及其应用研究

偏振光栅的光学特性及其应用研究

作者：夏人杰上海交通大学

学位级别：硕士

偶氮材料作为一种光致异构材料,有着较强的偏振敏感性。由于其独特的光学性质,偶氮材料在光学领域吸引了很多研究人员的关注。偶氮液晶聚合物为偶氮高分子材料,具有较强的稳定性,所以偶氮液晶聚合物可以作为制作偏振光栅的基底材料。根... 详细信息

偶氮材料作为一种光致异构材料,有着较强的偏振敏感性。由于其独特的光学性质,偶氮材料在光学领域吸引了很多研究人员的关注。偶氮液晶聚合物为偶氮高分子材料,具有较强的稳定性,所以偶氮液晶聚合物可以作为制作偏振光栅的基底材料。根据记录光偏振态的不同,所形成的偏振光栅衍射特性也不同。偏振光栅在各个领域有着广泛的应用,通过融合此类偏振全息元件,可以设计出更为高效的系统。本论文第二章中我们基于偏振光栅提出了新的裸眼3D方案。该光学系统由带透明电极层的扭曲向列相液晶盒、四分之一波片和偏振光栅组成。通过控制是否在扭曲向列相液晶盒的电极层上加电压来控制液晶层中是否存在电场,从而进一步控制光通过液晶层后的偏振态变化。最后当光入射到偏振光栅上时会根据入射光偏振态的不同有不同的衍射方向。该光学系统利用了偏振光栅的偏振选择性,可以在保证图像清晰度的前提下提供给观看者高质量的三维视觉体验。在本文中我们搭建了系统的简化模型,验证了其基本工作原理。我们还讨论了多视点的解决方案,并从理论上探讨了其可行性。在下一步的工作中,将给出该系统的原型和具体的实验结果。在第三章中,我们以正交线偏振光干涉记录的偏振光栅和正交圆偏振光干涉记录的偏振光栅为核心元件,结合他们的衍射特性设计了一个全光逻辑序列发生器,该逻辑序列发生器为1X4的输入输出结构,根据入射端光信号偏振态的不同,会产生不同的输出。它可以产生四种逻辑序列输出信号:1000、0100、0010和0001,对应于四种不同偏振态的输入光信号:P-线偏态、S-线偏态、左旋圆偏态和右旋圆偏态。该结构为新的光通信或者光计算系统研究提供了思路。第四章中我们将偏振光栅用于光线偏转器以及光波导耦合输入结构中,提出了新的增强现实显示系统。该光学系统主要包括光线偏转器、耦合输入光栅、光波导层和耦合输出光栅。与其他AR方案相比,该AR光学系统不仅将微型投影光源的数目从两个减少到一个,而且在其耦合输入结构中,利用偏振光栅的单级衍射特性,提高了光线耦合进入光波导的效率,降低了能量损失。光线偏转器基于偏振光栅的偏振选择性和扭曲向列相液晶层的旋光特性来实现光束偏转。我们对该光学系统的工作原理进行了实验和理论论证,确保了其在实际应用中的可行性。

关键词：偶氮材料偏振光栅裸眼3D 逻辑序列发生器增强现实

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偏振光栅导航传感器的电子学设计与算法实现

偏振光栅导航传感器的电子学设计与算法实现

作者：马强清华大学

学位级别：硕士

仿生偏振光导航传感器以天空偏振光分布模式和生物偏振光导航机理的研究为基础，模仿昆虫复眼的偏振敏感结构，利用天空偏振光自主导航定向。目前的传感器样机采用光电二极管检测光的偏振态，具有通道数量有限，空间分辨率低，航向角精... 详细信息

仿生偏振光导航传感器以天空偏振光分布模式和生物偏振光导航机理的研究为基础，模仿昆虫复眼的偏振敏感结构，利用天空偏振光自主导航定向。目前的传感器样机采用光电二极管检测光的偏振态，具有通道数量有限，空间分辨率低，航向角精度低等缺点。新型偏振光导航传感器使用偏振感光器阵列，敏感全天域偏振光分布模式，获得了更高的分辨率和精确度，因而要求电路处理系统也采用适应图像处理的软硬件体系结构，这种新型传感器即偏振光栅导航传感器。为了验证这种新体系结构的可行性，本文设计并实现了偏振光栅导航传感器的电路处理系统，既可作为研究图像提取航向信息算法的平台，又可作为传感器样机的重要部件。电路处理系统使用Cameralink协议接口获取偏振图像，在FPGA上构建SOPC系统，经过硬件化的算法模块和Nios II处理器实时计算绝对航向角，通过串行协议接口将结果发送至上位机。首先，论文在阐述偏振光栅导航传感器的原理和算法基础上，提出了传感器电路处理系统的总体设计方案，从架构平台、处理器件、信号接口、电路模块等方面设计了由电源板、核心板和接口板组成的电路处理系统。其次，论文在介绍系统开发环境之后，重点分析了FPGA电路模块设计和SOPC系统构建集成。硬件电路上阐述三个层次，其一是图像采集和像元重组的时序和逻辑;其二是基于CORDIC圆周系统算法的正余弦和反正切计算，分别应用于偏振方位角解算模块和太阳方位角计算的自定义指令;其三是实现阈值松弛法的流水线控制器、均值计算器和松弛筛选器，构成对称轴提取模块。软件系统上介绍NiosII处理器的高级定制，包括紧耦合存储器配置、HAL Memory区域分配和自定义指令集成等以获取高性能的SOPC系统。开发数据通信的中断子程序和调用定制指令模块的太阳方位角计算程序。最后，论文以灵活配置的单元组合构建了验证系统，分别验证了系统的图像采集和指令通信，以及软硬件算法的精确度。测试表明，电路处理系统能够实现偏振图像采集和处理的任务，性能稳定，工作可靠，输出数据更新率高达20Hz，硬件电路计算精度优于±0.01°，太阳方位角程序计算精度达到了最大误差0.02°（3σ）的设计要求。

关键词：导航传感器偏振光栅图像采集太阳方位角 FPGA SOPC

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基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转

液晶与显示 2022年第11期37卷 1411-1419页

作者：袁方谭庆贵王光耀袁瑞胡伟西安空间无线电技术研究所陕西西安710100 空间微波技术国家级重点实验室陕西西安710100 南京大学现代工程与应用科学学院江苏南京210093

基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转技术在航空航天、激光通信、车载雷达、光信息处理、生物医药和军事对抗等领域具有重要应用前景,并得到了极大的关注。液晶聚合物偏振光栅可以实现高效率、大角度的光束偏转,并且制备工艺简单、成... 详细信息

基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转技术在航空航天、激光通信、车载雷达、光信息处理、生物医药和军事对抗等领域具有重要应用前景,并得到了极大的关注。液晶聚合物偏振光栅可以实现高效率、大角度的光束偏转,并且制备工艺简单、成本低,逐渐被应用到非机械式光束偏转系统中。本文采用两种偏振全息光路分别实现大周期和小周期的液晶聚合物偏振光栅的制备,获得的液晶聚合物偏振光栅最高衍射效率达到99.3%。级联两个液晶聚合物偏振光栅,再层叠液晶聚合物铁电液晶液晶聚合物波片组,实现了更大角度范围的偏转,验证了70μs的4通道光束快速扫描。

关键词：偏振光栅光束扫描液晶聚合物铁电液晶

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高效率、宽谱段液晶偏振光栅的设计与实现

高效率、宽谱段液晶偏振光栅的设计与实现

作者：陈琎中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

液晶偏振光栅是一种新型的几何相位元件,它可以通过调控液晶指向矢的空间分布来实现对入射光相位、偏振态等的调制,理论上可以对入射圆偏振光达到100%的衍射效率,其在激光扫描、偏振成像、光纤通信、液晶显示等领域有着广泛的应用前景... 详细信息

液晶偏振光栅是一种新型的几何相位元件,它可以通过调控液晶指向矢的空间分布来实现对入射光相位、偏振态等的调制,理论上可以对入射圆偏振光达到100%的衍射效率,其在激光扫描、偏振成像、光纤通信、液晶显示等领域有着广泛的应用前景。但是,目前的液晶偏振光栅的综合衍射效率还不够高,而且光谱范围也比较窄,这限制了液晶偏振光栅在各种光学系统中的应用。因此本文基于这些问题研究了高衍射效率与宽波段的液晶偏振光栅的结构设计,并制备出了高衍射效率、宽谱段的液晶偏振光栅。首先,本论文分析了引起液晶偏振光栅能量损耗的主要因素,主要包括高级次衍射引起的本征能量损失、光栅形貌缺陷造成的散射损耗及多界面折射率不匹配引起的菲涅尔反射。研究了上述能量损耗的发生机理,并基于此对制备流程进行了优化,首先通过曝光光路的的优化消除了高级次衍射,然后通过液晶层临界厚度的控制降低了缺陷出现的概率,最后通过镀多层增透膜的方法降低了菲涅尔反射,从而实现了单波长下高衍射效率的液晶偏振光栅的制备。然后,本论文对扭曲结构进行了研究,基于琼斯矩阵设计了一种新的扭曲液晶偏振光栅的扭曲角与厚度的测量方法。该方法从扭曲液晶盒的透过率的计算方法出发,通过令起偏器和检偏器相互平行的方法简化了透过率函数,并分析了扭曲液晶片和扭曲液晶偏振光栅的异同,论述了基于扭曲液晶片的测量结果可以得到相同条件下制备的扭曲液晶偏振光栅的扭曲角与厚度,而且还通过旋转液晶片的方法提高了扭曲角与厚度测量过程中的重复性和精度。接着,本论文基于几何相位理论对宽谱段的液晶偏振光栅的多层扭曲结构进行了分析。由扭曲液晶片的穆勒矩阵出发得到入射光在扭曲液晶片中的偏振转换过程,同时将偏振态的斯托克斯参量转化为庞加莱球上的坐标,从而将这个过程直观而清晰的描绘在庞加莱球上。同样可以发现扭曲液晶偏振光栅在圆偏振光之间的转换过程中可以等效为一系列初始取向角旋转的扭曲液晶片,因此基于扭曲液晶片的穆勒矩阵,可以通过优化得到最终的可以实现宽谱段的扭曲液晶偏振光栅的结构。最后,本论文基于在相同厚度下,添加的手性剂的浓度和扭曲角之间的线性关系,通过测量出几个手性剂浓度下的扭曲角即得到线性函数,从而可以得到需求的扭曲液晶偏振光栅的每一层的扭曲角与厚度实现所需求的添加的手性剂的浓度,从而依据得到的多层扭曲的结构实现宽波段的液晶偏振光栅的制备。通过本论文的研究,这种宽谱段、高衍射效率的元件有望在显示领域、光通信领域真正的实现实用化。

关键词：液晶偏振光栅衍射效率庞加莱球宽谱段

基于液晶材料的平面透镜和偏振光栅制备与应用研究

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基于液晶材料的平面透镜和偏振光栅制备与应用研究

作者：杨阳湖南大学

学位级别：硕士

液晶在现代生活中有着广泛的应用。利用液晶制成的几何相位元件因具有制造方便,成本低等特点而受到科研人员的关注,比如由液晶材料制造出来的平面透镜和偏振光栅。这篇文章研究了基于液晶材料的平面透镜的制备方法及其原理。并成功利用... 详细信息

液晶在现代生活中有着广泛的应用。利用液晶制成的几何相位元件因具有制造方便,成本低等特点而受到科研人员的关注,比如由液晶材料制造出来的平面透镜和偏振光栅。这篇文章研究了基于液晶材料的平面透镜的制备方法及其原理。并成功利用液晶偏振光栅和液晶平面透镜实现了物体的光学边缘检测。本论文的获得的成果如下。作者提出三种制备液晶平面透镜的方法。偏振全息曝光法与基于DMD的投影曝光法能够制备传统的液晶平面透镜,复制曝光法来制备超大F/#的平面透镜。其中,偏振全息曝光法能够很轻松的制备大尺寸小焦距的平面透镜样品。基于DMD的投影曝光法曝光的时候受环境影响小,曝光样品条纹规则。复制曝光法曝光的光路简单,曝光效率高,能够曝光出F/#为9472.4的平面透镜和周期为2.2mm的偏振光栅。为制作超大F/#平面透镜和超大周期偏振光栅提供新的思路。作者利用液晶偏振光栅实现了物体的一维光学边缘检测。证明两个液晶偏振光栅平行叠加放置时,透过两者的光束的衍射角可以通过对两液晶偏振光栅的相对夹角进行旋转而改变,从而对光学边缘检测的分辨率进行调整。在635nm、532nm和450nm三种不同波长的入射光条件下,物体边缘信息都能够被很好地提取出来,偏振光栅所产生的除±1级光斑外的其它光斑并未对边缘检测结果产生影响。验证液晶偏振光栅的光学边缘检测的广谱适用性。为并行大数据图像处理提供有力帮助。作者利用液晶平面透镜实现了物体的二维光学边缘检测。发现液晶平面透镜能够在各种波长下实现物体的光学边缘检测,说明液晶平面透镜具有广谱适用性。验证与液晶偏振光栅相比,基于液晶平面透镜的二维边缘检测完全保留了边缘信息而不产生模糊。研究CCD传感器曝光时间对边缘检测的影响,在曝光时间为0.2～0.4s左右时边缘检测效果较好,在进行液晶平面透镜的边缘检测时采用的曝光时间为0.3s。低成本、易批量生产、二维检测模式特点使该边缘检测机制的实际应用成为可能。而且薄膜的特性,也能够在柔性电子领域大放异彩。

关键词：液晶平面透镜偏振光栅边缘检测

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主动式液晶偏振光栅的制备研究

主动式液晶偏振光栅的制备研究

作者：刘春杰中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

主动式液晶偏振光栅是液晶分子沿基板平面,每个光栅周期可实现液晶分子指向渐变式旋转180°的可电控的光栅器件。该光栅制备原理简单,成型方式快捷,理论的偏转效率可达到100%,在光学成像、激光通信、激光雷达等领域有着重要的应用前景... 详细信息

主动式液晶偏振光栅是液晶分子沿基板平面,每个光栅周期可实现液晶分子指向渐变式旋转180°的可电控的光栅器件。该光栅制备原理简单,成型方式快捷,理论的偏转效率可达到100%,在光学成像、激光通信、激光雷达等领域有着重要的应用前景。然而目前国内对于液晶偏振光栅的制备研究尚未见报道,需要投入人力、物力来填补国内在该领域的技术空白。为了响应这一需求,本文研究了主动式液晶偏振光栅的制备研究这一课题。本文探索了主动式液晶偏振光栅衍射效率低的内在原因,是由于液晶分子的排列存在缺陷。归纳总结出以下三点:第一,本论文探究了临界厚度对主动式液晶偏振光栅厚度的制约作用。定义了临界厚度是指保证有效区域内全部液晶分子可以理想取向的最大液晶盒厚度。实验归纳和总结出临界厚度存在这一既定结论。在强锚定情况下,本文定量化地研究了临界厚度的约束条件。为制备液晶盒时厚度上限的界定提供了理论分析和依据,有效地解释了制备小周期液晶偏振光栅时良品率低的原因。第二,针对制备液晶盒的过程中,厚度误差无法避免这一问题,本论文定量化地研究了厚度误差对衍射效率的影响。为了减弱这种影响,本文制备出双折射?n依次增大的系列向列相的混合液晶,提出通过替换液晶材料和施加电压驱动液晶分子两种方式改变液晶的双折射,进而分别实现光延迟与液晶盒厚度的粗匹配和精确匹配。利用此方式,主动式液晶偏振光栅的衍射效率可提升至94.4%。但由此引出新的问题:同一片主动式液晶偏振光栅,不同位置的最佳微调电压存在差异;第三,上面所述的问题,会极大地降低主动式液晶偏振光栅的适用性和实用性。为此,本文定量地讨论了记录光不理想对衍射效率的影响。研究发现,记录光为非等光强正交圆偏振光时,衍射效率与液晶盒厚度的匹配关系发生改变。并以此为依据,提出高斯光束整形和扩大光束口径的解决方案。本文除了对衍射效率低的原因和解决方案进行了探究外,也从理论层面,推导出主动式液晶偏振光栅具有100%的衍射效率、大角度的偏转、可调制偏振态等光学特性的理论解释。以及给出了详尽的主动式液晶偏振光栅的制备流程,并提出一系列的制备规范、设计了一套简单有效的评估环境振动的方法和标准,实现了对微弱环境振动的可视化。本论文中的研究结论为国内主动式液晶偏振光栅的实用化进程奠定了坚实基础。

关键词：液晶偏振光栅衍射效率制备流程