Untersuchungen zur Erfassung der polarisierten Strahlung mit Hilfe eines nematischen Flüssigkristalls und einer NIR-Kamera

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war es, den Winkel, unter dem die Emission linear polarisierter Strahlung erfolgt, zu ermitteln. Mit Hilfe eines nematischen Flüssigkristalls und einer NIR-Kamera sollte die Erfassung der Polarisationszustände einer emittierenden Fläche bei 1500 nm bewerkstelligt werden. Dazu wurde die von einem Emitter ausgesendete Strahlung mittels Polarisator linear polarisiert. Dieser Polarisationszustand wurde mit einem Flüssigkristall durch Teilung der Strahlung und unterschiedliche Phasenverschiebung in Abhängigkeit der angelegten Spannung verändert und durch den darauf folgenden Analysator wieder linear polarisiert. Die resultierende Strahlung wurde anschließend von der Kamera erfasst (Versuch 2). Um den Winkel bestimmen zu können, wurden drei Aufnahmen gemacht und der Grau- wert über die Bildfläche gemittelt. Ein Bild wurde ohne Analysator (SLC ) aufgenommen, die anderen bei unterschiedlichen Spannungen (Sout1 und Sout2). Konstruktiv wurde dies durch einen aus- und einschwenkbaren Analysator gelöst. Bevor allerdings mit der eigentlichen Aufgabe begonnen werden konnte, musste das Verhalten des Flüssigkristalls bzw. die Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Spannung ermittelt werden (Versuch 1). Dies erfolgte jedoch nicht wie geplant bei einer Wellenlänge von 1500, sondern bei 1070 nm. Da die Empfindlichkeit der vorgesehenen Kamera nicht ausreichend war, wurde auf ein Ersatzgerät zurückgegriffen. Die Aufnahme der Bilder erfolgte über ein Programm des Kameraherstellers. Die Auswertung und anschließende Berechnung des Winkels führte dann ein Python-Programm durch. Versuche, die Kamera über eigene Programme anzusprechen, blieben erfolglos. Daher konnte eine Synchronisation von Flüssigkristall und Kamera nicht realisiert werden. Da der ermittelte Winkel kaum Rückschlüsse über mögliche Einflüsse und Fehlerquellen ermöglicht, wurden Soll-Grauwerte bestimmt, die für das verwendete Setup und die Ausrichtungen der Komponenten gültig sind. Die Analyse der Grauwerte zeigte, dass die Fehlstellung der Komponenten Flüssigkristall und Analysator maßgeblich zu den Abweichungen beitragen. Selbst eine fehlerhafte Ausrichtung des Polarisators, mit dem der zu bestimmende Winkel eingestellt wurde, ist nicht auszuschließen. Durch Einsatz einer Blende konnte eine Abschattung der Aufnahmen zum Bildrand hin vermieden werden. Die Apertur und Position der Blende beeinflussten jedoch die Ergebnisse. Mögliche Fehler bei den Resultaten aus Versuch 1, bei dem das Verhalten des Flüssigkristalls ermittelt wurde, konnten nicht nachgewiesen werden. Die Auswirkungen wären jedoch sehr gering gewesen. Auch die Zeit spielt eine gewisse Rolle. Kurzfristig kommt es durch einen Temperaturanstieg der elektronischen Komponenten, zu einer Zunahme der Grauwerte. Langfristig gesehen, kann es zu einer Änderung der Phasenverschiebung durch den Flüssigkristall kommen. Der Analysator brachte neben einer möglichen Fehlstellung, eine leichte Vergrößerung der Abbildung und einen Transmissionswert, der ebenfalls über Aufnahmen der Kamera ermittelt wurde. Aufgrund der Bildvergrößerung wurden die Grauwerte zunächst über die gesamte bzw. über einzelne Bereiche der Aufnahme gemittelt. Eine pixelweise Auswertung brachte trotz des Abbildungsfehlers gute Ergebnisse. Somit wäre auch eine ortsauflösende Bestimmung des Winkels möglich.

The aim of this work was to determine the angle at which the emission of linearly polarized radiation occurs. Using a nematic liquid crystal and a NIR camera, the polarization states of an emitting surface at 1500 nm were to be recorded. For this purpose, the radiation emitted by an emitter was polarized linearly by means of a polarizer. This polarization state was changed with a liquid crystal by division of the radiation and different phase shift depending on the applied voltage and then linearly polarized again by the subsequent analyzer. The resulting radiation was then recorded by the camera (experiment 2). In order to determine the angle, three images were taken and the grey value averaged over the image area. One image was taken without analyser (SLC ), the others at different voltages (Sout1 and Sout2). This was solved constructively by an analyzer that could be moved out and in. However, before the actual task could be started, the behavior of the liquid crystal and the phase shift had to be determined as a function of the voltage (experiment 1). However, this was not done as planned at a wavelength of 1500 nm, but at 1070 nm. Since the sensitivity of the intended camera was not sufficient, a replacement device was used. The images were taken using a program from the camera manufacturer. The evaluation and subsequent calculation of the angle was then carried out by a Python program. Attempts to address the camera via own programs were unsuccessful. Therefore a synchronization of liquid crystal and camera could not be realized. Since the determined angle hardly allows conclusions about possible influences and error sources, target grey values were determined which are valid for the setup used and the alignments of the components. The analysis of the gray values showed that the misalignment of the liquid crystal and analyzer components contributed significantly to the discrepancies. Even an incorrect alignment of the polarizer, with which the angle to be determined was set, cannot be ruled out. By using an aperture, a shadowing of the images towards the image edge could be avoided. However, the aperture and position of the iris influenced the results. Possible errors in the results from experiment 1, in which the behavior of the liquid crystal was determined, could not be proven. However, the effects would have been negligible. Also time plays a certain role. In the short term, an increase in the temperature of the electronic components leads to an increase in the grey values. In the long-term, the phase shift may change due to the liquid crystal. In addition to a possible misalignment, the analyzer produced a slight magnification of the image and a transmission value, which was also determined using camera images. Due to the image magnification, the gray values were first averaged over the entire or individual areas of the image. A pixel-by-pixel evaluation yielded good results despite the imaging error. Thus, a spatial resolution determination of the angle would also be possible.