一種快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，包括液晶可調(diào)濾光片和驅(qū)動(dòng)控制器，所述液晶可調(diào)濾光片為多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，由偏振片與電控液晶波片和固定位相延遲片依次相互平行排列、間隔疊放，形成多級(jí)，但第一級(jí)中可以設(shè)置或不設(shè)置固定位相延遲片；其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有電控液晶波片的快軸方向與所有偏振片透射偏振光方向成45°角；每級(jí)結(jié)構(gòu)中電控液晶波片由驅(qū)動(dòng)控制器控制，加載不同幅值的交流過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明的液晶電控可調(diào)濾光片具有快速光譜掃描和成像的特點(diǎn)，可有效提高光譜掃描速度和光譜成像幀頻，極大地拓展液晶電控可調(diào)濾光片在遙感探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)保監(jiān)測(cè)、農(nóng)林普查等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
【專利說明】一種快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用于光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]相比濾光片輪型、干涉型、色散型以及聲光可調(diào)諧型的光譜成像設(shè)備，基于液晶電控可調(diào)濾光片的光譜成像設(shè)備具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。但受限于驅(qū)動(dòng)方式和液晶材料等因素的影響，其光譜掃描速度較慢，光譜成像幀頻一般為10-20幀/秒，當(dāng)液晶可調(diào)濾光片的通光口徑較大時(shí)，采用常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式，響應(yīng)時(shí)間一般可達(dá)到幾百毫秒。對(duì)于動(dòng)態(tài)光譜成像來(lái)說，在很大程度上制約光譜成像系統(tǒng)獲取光譜信息的時(shí)間，對(duì)后續(xù)圖像處理帶來(lái)很大的難度，例如需要進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、幾何校正等一系列相關(guān)算法的支撐，還將對(duì)光譜圖像的分辨率和光譜信息提取和識(shí)別帶來(lái)較大的影響。因此，提高液晶可調(diào)濾光片的光譜掃描速度對(duì)于光譜成像技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。
[0003]目前，美國(guó)CRI公司提供的光譜成像設(shè)備響應(yīng)時(shí)間一般在50ms-150ms，成像幀頻在7-20幀/秒，在對(duì)運(yùn)動(dòng)物體或需要目標(biāo)較長(zhǎng)時(shí)間riOOs)保持靜止的情況下，進(jìn)行光譜掃描成像時(shí)，光譜掃描速度慢會(huì)導(dǎo)致光譜圖像模糊和光譜數(shù)據(jù)提取不準(zhǔn)，影響光譜識(shí)別的結(jié)果，嚴(yán)重影響了基于液晶電控可調(diào)濾光片的光譜成像設(shè)備在遙感探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)保監(jiān)測(cè)、農(nóng)林普查等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種快速掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，采用過壓驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)液晶可調(diào)濾光片的快速光譜掃描，其響應(yīng)時(shí)間可提高到小于20ms，相應(yīng)的光譜成像幀頻達(dá)到50幀/秒以上，極大地拓展液晶可調(diào)濾光片的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，其包括液晶可調(diào)濾光片和驅(qū)動(dòng)控制器。所述液晶可調(diào)濾光片為多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括:一組電控液晶波片、一組固定位相延遲片和一組偏振片；所述偏振片與電控液晶波片和固定位相延遲片相互平行排列、間隔疊放，形成多級(jí)，但第一級(jí)中可以設(shè)置或不設(shè)置固定位相延遲片。其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有電控液晶波片的快軸方向與所有偏振片透射偏振光方向成45°角。每級(jí)結(jié)構(gòu)中的液晶波片均由驅(qū)動(dòng)控制器控制，加載不同幅值的交流過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)方式為:如果液晶波片需要的驅(qū)動(dòng)電壓為V2，驅(qū)動(dòng)時(shí)首先施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間t很短的窄脈沖，0〈t ( 50ms，其幅度V3>V2，然后再施加V2的驅(qū)動(dòng)電壓，V3電壓幅值在10-50V之間，V2電壓幅值在0-10V之間，交變頻率在0.5-5KHz。
[0006]所述電控液晶波片可以采用單級(jí)片或多級(jí)片，單級(jí)片包括中間的向列相液晶層和兩側(cè)依次對(duì)稱設(shè)置的取向膜、透明導(dǎo)電膜和透明基板，所述向列相液晶層兩側(cè)的取向膜摩擦方向反向平行，液晶層中的液晶分子沿面排列。多級(jí)片則是采用數(shù)量為偶數(shù)的電控液晶波片單級(jí)片和在所述液晶波片之間填充的折射率匹配液或匹配膠；其中所述的液晶波片以相鄰兩兩相互反向平行的方式貼合，即相鄰兩液晶波片以垂直于通光面的方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)180°后貼合。
[0007]由以上技術(shù)方案描述可見，本發(fā)明的液晶電控可調(diào)濾光片具有特殊的電壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如果液晶可調(diào)濾光片中每一個(gè)液晶波片正常工作時(shí)需要的電壓為V2，對(duì)其驅(qū)動(dòng)時(shí)首先施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間t很短的窄脈沖，其幅度V3>V2，然后再施加V2的電壓，這樣，相比與直接施加V2相比，液晶波片響應(yīng)時(shí)間的上升沿要短得多，大致與窄脈沖的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)。因此，對(duì)組成液晶可調(diào)濾光片中的每一個(gè)液晶波片在驅(qū)動(dòng)控制器的作用下采用過壓驅(qū)動(dòng)的方式，其驅(qū)動(dòng)方式如附圖1所示，采用過壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)液晶可調(diào)濾光片的快速光譜掃描，其響應(yīng)時(shí)間可提高到小于20ms，相應(yīng)的光譜成像幀頻達(dá)到50幀/秒以上，可以有效提高液晶可調(diào)濾光片的光譜掃描速度和光譜成像幀頻，液晶可調(diào)濾光片選擇透過特定的光譜通帶，并抑制通帶外其它波長(zhǎng)的光，可以實(shí)現(xiàn)快速的光譜掃描。
[0008]同時(shí)本發(fā)明采用的電控液晶波片對(duì)光的入射角度不敏感，接收有效角度可達(dá)±20°，接收有效角度大。因?yàn)閮蓚€(gè)液晶盒以預(yù)傾角相反的方式疊放，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同角度入射的光進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)延遲補(bǔ)償，即光線經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)時(shí)，第一個(gè)液晶盒里的離軸效應(yīng)(離軸光線經(jīng)過波片時(shí)，光學(xué)延遲量相對(duì)正入射有所變化，延遲變化量越大，波片的有效接收角就越小)基本被第二個(gè)液晶盒補(bǔ)償過來(lái)了，這種自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制降低了液晶波片對(duì)光線離軸角的敏感性，因而可使其有效接收角度顯著增大。另外波片的位相延遲量可通過電控方式精確控制。
[0009]本發(fā)明的液晶電控可調(diào)濾光片同目前的液晶可調(diào)濾光片相比，可以實(shí)現(xiàn)快速的光譜掃描，有效提高光譜掃描速度和光譜成像幀頻，極大地拓展液晶電控可調(diào)濾光片在遙感探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)保監(jiān)測(cè)、農(nóng)林普查等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為過壓驅(qū)動(dòng)方式示意圖。
[0011]圖2為液晶可調(diào)濾光片的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)不意圖。
[0012]圖3為單級(jí)液晶波片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4是多級(jí)液晶波片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖5是多級(jí)液晶波片的測(cè)試光路圖。
[0015]圖6為一級(jí)液晶可調(diào)濾光片響應(yīng)時(shí)間測(cè)量光路示意圖。
[0016]圖7A為厚度為4.8 _的液晶波片在過壓驅(qū)動(dòng)下的光電響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果。
[0017]圖7B為厚度為8.0mm的液晶波片在過壓驅(qū)動(dòng)下的光電響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0019]圖2是本發(fā)明的快速光譜掃描液晶可調(diào)濾光片結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)示意圖，顯示的是五級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的液晶可調(diào)濾光片，其包括六片偏振片(1，2，3，4，5，6)、5片電控液晶波片(7，8，9，10，11)和四片固定位相延遲片(12，13，14，15)，偏振片、電控液晶波片和固定位相延遲片依次相互平行排列、間隔疊放，一共形成五級(jí)，第一級(jí)沒加固定位相延遲片。其中所有偏振片(I，2，3，4，5，6)的透射偏振光方向相互平行，所有電控液晶波片(7，8，9，10，11)的快軸方向與偏振片(I，2, 3,4, 5,6)透射偏振光方向成45°角。
[0020]每級(jí)結(jié)構(gòu)中液晶波片由驅(qū)動(dòng)控制器控制。圖2右側(cè)為加載在液晶可調(diào)濾光片每級(jí)結(jié)構(gòu)中電控液晶波片上的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)的示意圖，該信號(hào)為交流過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電壓幅值在0-20V之間，交變頻率在0.5-5KHz。驅(qū)動(dòng)方式為:如果液晶波片需要的驅(qū)動(dòng)電壓為V2，驅(qū)動(dòng)時(shí)首先施加一個(gè)窄脈沖，其幅度V3>V2，然后再施加V2的驅(qū)動(dòng)電壓，在驅(qū)動(dòng)控制器的控制下，每級(jí)液晶波片加載不同幅值的交流過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)液晶可調(diào)濾光片的快速光譜掃描。
[0021]圖3是電控液晶波片(7，8，9，10，11)的結(jié)構(gòu)示意圖，由外到內(nèi)包括兩邊的玻璃基板(16，17)、ITO透明導(dǎo)電膜(18，19)、PI取向膜(20，21 )、控制厚度的透明隔墊(22，23)和中間液晶層24。其中ITO透明導(dǎo)電膜(18，19)通過電極與驅(qū)動(dòng)控制器(即多通道驅(qū)動(dòng)源)相連接，為液晶層24提供電場(chǎng)，使液晶分子的指向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，改變電控液晶波片(7，8，9，10，
11)的相位延遲，從而控制入射光的偏振態(tài)，PI取向膜(20，21)涂敷在玻璃基板(16，17)的內(nèi)表面上，經(jīng)過烘烤、摩擦等工藝處理后，可以誘導(dǎo)液晶層24中的液晶分子按照特定的方向排列，使電控液晶波片具有晶體的雙折射光學(xué)特性；液晶層24是在玻璃基板之間的灌注向列相液晶材料形成的，液晶層24的厚度通過厚度控制隔墊(22，23)進(jìn)行控制，折射率差Λη在0.05、.30之間。厚度控制透明隔墊(22，23)可以采用玻璃纖維、玻璃微珠、或塑料微珠或photo spacer等。
[0022]本發(fā)明中，電控液晶波片可以采用如圖3所示的單級(jí)片，也可以采用多個(gè)單級(jí)片組成的多級(jí)片，如圖4所示，其采用數(shù)量為偶數(shù)的電控液晶波片單級(jí)片，其包括4片液晶波片(104，105，106，107)，以及在相鄰界面之間填充的折射率匹配液或匹配膠(101，102，103)，其中第二和第四塊固定液晶波片(105，107)相對(duì)第一和第三塊固定液晶波片(104，106)以垂直于通光面(108,109)的方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)了 180° ,即液晶波片是以相鄰兩兩相互反向平行的方式貼合的。這樣形成的寬視場(chǎng)多級(jí)波片，其光學(xué)相位延遲可以細(xì)致地調(diào)節(jié)和精確地控制。
[0023]采用多級(jí)片，在環(huán)境溫度25°C時(shí)，使用波長(zhǎng)為532 nm的連續(xù)激光器測(cè)量不同角度下位相延遲，測(cè)量結(jié)果表明，該多級(jí)波片在入射角為-5°?+5 °范圍內(nèi)時(shí)，延遲量的變化可以忽略。
[0024]另外，實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明的多級(jí)片的光學(xué)延遲量對(duì)入射光的角度變化的敏感性:使用如圖5所示的測(cè)試光路測(cè)試光在-20°?+20°之間變化入射角時(shí)，液晶波片延遲量隨入射角度的變化。光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)I直后依次經(jīng)過由起偏器、液晶波片和檢偏器，然后被準(zhǔn)直透鏡2接收進(jìn)入光譜儀系統(tǒng)，可以通過轉(zhuǎn)臺(tái)精確控制入射光相對(duì)液晶波片的入射角度，這里以4°為步長(zhǎng)，在-20°?+20°之間變化入射角度，得到在不同角度下的透射光譜，如圖7所示。可以看出，在-20°?+20°之間變化入射角度時(shí)，透射光譜幾乎不發(fā)生變化。以532nm處的透射峰為例，在-20°?+20°之間變化入射角度時(shí)，透射峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)最大偏移量?jī)H約為lnm，可見液晶波片組的光學(xué)延遲量對(duì)入射光的角度變化是非常不敏感的。
[0025]為了驗(yàn)證本發(fā)明的過壓驅(qū)動(dòng)方式的有效性，將過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載于單級(jí)液晶波片上，測(cè)量其響應(yīng)時(shí)間。其時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)量光路如圖6所示，液晶波片由驅(qū)動(dòng)控制器提供過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并被放置在兩平行偏振器之間，激光器的波長(zhǎng)為632.8 nm，光電探測(cè)器采用可見光敏感器件，具有亞微秒級(jí)光電響應(yīng)速度，探測(cè)器的光電信號(hào)送入示波器記錄。
[0026]圖7A和圖7B所示是厚度分別為4.8 mm和8.0mm、灌注SLC-9023液晶材料的液晶波片在過壓驅(qū)動(dòng)下的光電響應(yīng)測(cè)量結(jié)果。由圖7A可以看出，厚度為4.8 mm的液晶波片，在5V電壓的常規(guī)驅(qū)動(dòng)下，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為25 ms，采用在10 V，3ms的過壓驅(qū)動(dòng)下，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間僅為3?5 ms (電壓在10-50V之間較為合適);同樣的，厚度為8.0 mm的液晶波片，在2V電壓的常規(guī)驅(qū)動(dòng)下，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為450 ms，采用在9.6 V，7ms的沖擊驅(qū)動(dòng)下，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間僅為7 ms。由圖7B給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，過壓驅(qū)動(dòng)方法可以有效提高液晶波片的光電響應(yīng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)液晶可調(diào)濾光片的快速光譜掃描和成像。
[0027]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限定，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的宗旨和范圍前提下，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的修改和等同替換，也均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，包括液晶可調(diào)濾光片和驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于:所述液晶可調(diào)濾光片為多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括:一組電控液晶波片、一組固定位相延遲片和一組偏振片；所述偏振片與電控液晶波片和固定位相延遲片依次相互平行排列、間隔疊放，形成多級(jí)，但第一級(jí)中設(shè)置或不設(shè)置固定位相延遲片；其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有電控液晶波片的快軸方向與所有偏振片透射偏振光方向成45 °角；每級(jí)結(jié)構(gòu)中電控液晶波片由過壓驅(qū)動(dòng)控制器控制，加載不同幅值的交流過壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)方式為:如果液晶波片需要的驅(qū)動(dòng)電壓為V2，驅(qū)動(dòng)時(shí)首先施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間t很短的窄脈沖，0〈t ( 50ms，其幅度V3>V2，然后再施加V2的驅(qū)動(dòng)電壓，V3電壓幅值在10-50V之間，V2電壓幅值在0-10V之間，交變頻率在0.5-5KHZ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，其特征在于:所述液晶電控可調(diào)濾光片中的電控液晶波片為單級(jí)片，包括中間的向列相液晶層和兩側(cè)依次對(duì)稱設(shè)置的取向膜、透明導(dǎo)電膜和透明基板，所述向列相液晶層兩側(cè)的取向膜摩擦方向反向平行，液晶層中的液晶分子沿面排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速光譜掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，其特征在于:所述液晶電控可調(diào)濾光片中的電控液晶波片為多級(jí)片，包括:數(shù)量為偶數(shù)的電控液晶波片單級(jí)片和在所述液晶波片之間填充的折射率匹配液或匹配膠；其中所述的液晶波片以相鄰兩兩相互反向平行的方式貼合，即相鄰兩液晶波片以垂直于通光面的方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)180°后貼合；所述電控液晶波片單級(jí)片包括中間的向列相液晶層和兩側(cè)依次對(duì)稱設(shè)置的取向膜、透明導(dǎo)電膜和透明基板，所述向列相液晶層兩側(cè)的取向膜摩擦方向反向平行，液晶層中的液晶分子沿面排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的快速光譜 掃描的液晶電控可調(diào)濾光片，其特征在于:所述液晶層的厚度通過在其中設(shè)置透明隔墊進(jìn)行控制，其折射率差△/?在0.05、.30之間。
【文檔編號(hào)】G02F1/133GK103792730SQ201410041914
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】駱永全, 沈志學(xué), 龍燕, 劉倉(cāng)理, 趙劍衡, 吳軍, 張大勇, 黃立賢 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所