一种液晶滤波方法、液晶滤波器和空间滤波系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种液晶滤波方法、液晶滤波 器和空间滤波系统。

背景技术

空间频谱滤波是在光学系统的空间频谱面上放置适当的滤波器，去掉（或 有选择地通过）某些空间频率或改变它们的振幅和相位，使物体的图像按照 人们的希望得到改善。也就是说，空间频谱滤波是一种采用滤波处理的影像 增强方法，目地是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，及影像边缘增 强、线性增强以及去模糊等。分为低通滤波（平滑化）、高通滤波（锐化） 和带通滤波。处理方法有计算机处理（数字滤波）和光学信息处理两种。

在传统的4f系统中，空间频谱滤波单元一般采用机械结构，比如目前常用 到的刀口滤波器、圆孔滤波器等均还采用机械结构。采用机械结构的空间滤 波单元较适用于频谱位置固定的系统。但对于频谱位置经常发生变化的系统， 若采用手动操作来移动刀口滤波器或圆孔滤波器等空间滤波单元的位置，会 引起滤波位置控制精度差的问题；若采用驱动机械来移动刀口滤波器或圆孔 滤波器等空间滤波单元的位置，则需要在系统中安装驱动电机、连轴、丝杆、 机械滤波单元等多个元件，从而使系统结构复杂。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种液晶滤波方法、液晶滤波器和空间滤 波系统，其中，该液晶滤波方法包括：

逐次改变液晶滤波器上遮光部分的面积，记录遮光部分的面积每次改变 时所透过所述液晶滤波器的光线强度；

根据所记录的光线强度确定最佳频谱位置。

优选地，逐次改变液晶滤波器中遮光部分的面积，包括：逐次以相同步 长改变液晶滤波器中遮光部分的面积。

优选地，根据所记录的光线强度确定最佳频谱位置，包括：

根据所记录的光线强度计算遮光部分的面积每次改变时光线强度的变化 率；

提取光线强度变化率的最大值，确定该值所对应的遮光部分的边界为最 佳频谱位置。

当采用刀口滤波方式进行滤波时，通过改变滤波器上遮光部分的宽度来 改变遮光部分的面积。

当采用圆孔滤波方式进行滤波时，通过改变滤波器上遮光部分的半径来 改变遮光部分的面积。

本公开所提供的一种液晶滤波方法，通过改变液晶滤波器上遮光部分的 面积，记录遮光部分面积每次改变时透过液晶滤波器的光线强度，从而根据 所记录的光线强度确定最佳频谱位置。与现有技术相比较，在确定最佳频谱 位置时，通过改变液晶滤波器上遮光部分的面积的方法来取代传统滤波时移 动滤波器位置方法。因此，无需在空间滤波系统中安装驱动电机、连轴、丝 杠等元件，提高测量精度的同时也减小了空间滤波系统的复杂度。

本公开还提供了一种液晶滤波器，该滤波器包括：液晶阵列单元和电路 控制单元，其中：

所述液晶阵列单元，用于通过改变遮光部分的面积对透过液晶滤波器的 光线进行控制；

所述电路控制单元，用于控制所述液晶阵列单元，改变所述液晶阵列单 元上遮光部分的面积。

优选地，所述液晶阵列单元包括多个面积相同的液晶阵列子单元。

优选地，所述电路控制单元包括多个开关子单元，所述开关子单元与所 属液晶子单元一一对应，并分别对所对应的液晶阵列子单元进行控制。

优选地，所述电路控制单元还包括：

时钟电路子单元，用于控制所述开关子单元的闭合和断开。

优选地，所述液晶滤波器还包括：

机械固定支架，用于固定所述液晶阵列单元和所述电路控制单元。

本公开所提供的一种液晶滤波器，通过其内部的电路控制单元实现对液 晶阵列单元遮光面积的控制，从而实现对透过液晶滤波单元光线的控制。与 现有技术相比较，本公开所提供的液晶滤波器，在确定最佳频谱位置时，只 需要通过液晶阵列单元不断控制通过的光线，而无需移动滤波器本身。因此， 可以无需在空间滤波系统中安装驱动电机、连轴、丝杠等元件，提高测量精 度的同时也减小了空间滤波系统的复杂度。

本公开还提供了一种空间滤波系统，该系统包括：液晶滤波器和可见光 接收器，其中：

所述液晶滤波器，用于通过逐次改变其上遮光部分的面积控制通过的光 线；

所述可见光接收器，用于接收通过所述液晶滤波器的光线，并记录所述 液晶滤波器上遮光部分的面积每次改变时透过所述液晶滤波器的光线强度， 根据所记录的光线强度确定最佳频谱位置。

本公开提供的空间滤波系统采用液晶滤波器进行滤波，液晶滤波器通过 逐次改变其上遮光部分的面积以控制通过的光线。因此，在滤波过程中，无 需移动液晶滤波器的位置即可实现最佳频谱位置的确定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所提供的一种液晶滤波方法流程示意图；

图2为采用本公开实施例所提供的液晶滤波方法的光读出红外焦平面阵 列的光路系统结构示意图；

图3为本公开实施例所提供的液晶滤波器的结构示意图；

图4为本公开实施例所提供的液晶滤波器中液晶阵列单元的结构示意图；

图5为如图2所示系统中液晶滤波器遮光部分变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种液晶滤波方法，该方法如图1所示，包括：

步骤101：逐次改变液晶滤波器上遮光部分的面积，记录遮光部分的面积 每次改变时透过所述液晶滤波器的光线强度；

通过控制液晶滤波器中液晶分子的排列，可以实现液晶滤波器对透过光 线的控制。因此，当液晶滤波器上遮光部分面积增大时，相应地，透过液晶 滤波器的光线会减少；反之，透过液晶滤波器的光线会增多。

在本步骤中，优选地，可采用相同步长改变液晶滤波器上遮光部分的面 积。也就是说，液晶滤波器每次可以增大或减小相同的遮光面积。

另外，需要说明的是，由于存在多种方式的空间滤波，例如刀口滤波、 圆孔滤波等，在改变液晶滤波器上遮光部分的面积时，也需考虑所采用的滤 波方式。当采用刀口滤波方式时，可通过增大或减小遮光部分的宽度来实现 遮光部分面积的改变；而当采用圆孔滤波方式时，可通过增大或减小遮光部 分的半径来实现遮光部分面积的改变。而具体采用何种方式实现遮光部分面 积的改变，视滤波方式而定，本公开对此不做限制。

由于液晶滤波器上遮光部分面积发生变化，相应地，透过液晶滤波器的 光线就会发生变化，通过对每次遮光面积发生变化时透过光线强度的记录， 可实现最佳频谱位置的确定。

步骤102：根据所记录的光线强度确定最佳频谱位置。

由于步骤101中已对每次遮光面积发生变化时透过液晶滤波器的光线强 度做了记录，因此，在本步骤中，根据所做记录，计算遮光面积每次改变时 光线强度的变化率，并提取变化率的最大值。

通过所提取的变化率最大值，获取该最大值所对应的遮光部分的面积， 并确定此时的遮光部分的边界为最佳频谱位置。

实施例二

图2为使用本公开所提供的液晶滤波方法的光读出红外焦平面阵列的光 路系统结构示意图。如图2所示，该系统包括红外目标201、红外成像物镜镜 头202、红外平面阵列203、点光源204、准直系统205、分光棱镜206、傅里 叶变换透镜207、滤波平面上的液晶滤波器208、成像系统209和可见光接收 器210。

在该系统中，采用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS） 技术加工的微梁阵列作为红外辐射的吸收结构将辐射能量转化为探测单元的 热能；通过覆盖于微梁上的金属薄膜构成双材料梁结构将单元的热能转化为 微梁的转角；依靠刀口滤波非干涉光学系统将微梁的转角转化为光线强度的 变化；最终采用光学电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）将光线强 度转变为电流并以灰度图像输出。其工作原理可分为MEMS微悬臂梁热形变 过程与光学微转角读出过程两部分。本实施例重点介绍光学微转角读出过程。

在本实施例中，光学读出系统采用非相干光空间滤波技术中的谱平面刀 口滤波技术，包括：

谱平面刀口滤波技术基于4f光学系统，光学原理见图2所示。入射的可 见光经分光棱镜206照射到位于傅里叶变换透镜207前焦平面的红外平面阵 列203的表面。从红外平面阵列203返回的的光线经过傅里叶变换后在傅里 叶透镜207的后焦平面上形成衍射谱。滤波平面上的液晶滤波器208放置在 此后焦平面上，用以选择衍射谱的通光量。透过滤波刀口的光线经过成像系 统209被放置在成像系统209焦平面的CCD接收，形成可见光图像。假设红 外平面阵列203上每个悬臂梁的光学反射面可以简化为规则的矩形板，这样 一个个矩形板排列起来形成二维的光栅结构。当用可见光照明光栅时，光栅 上每个矩形板单元在谱平面形成相同的衍射谱，但是当吸收红外辐射后由于 每个矩形板偏转的角度不同，每个单元的衍射谱将相互错开一个小小的位移。 有些悬臂梁的转角偏大，导致衍射光大部分移入液晶滤波器208不通光区域， 透过的光亮变少；而有些悬臂梁大转角偏小，衍射光大部分仍在液晶滤波器 208的通光区域内，透过的光亮变少的程度不大。这样可见光接收器210（CCD 等）上不同的部分看到的光强就有差别，换句话说，也就是“看到”了红外 热图像。尽管透过液晶滤波器208的光强与悬臂梁的偏转角为非线性关系， 但在偏转角很小的情况下，还是可以近似认为满足线性关系，而且近似线性 区间位于曲线的最灵敏段。由于零级衍射谱的光能最集中，因此透过光强变 化率最大的时候，此时液晶滤波器208的刀口的边界正好在零级衍射谱的中 心线上，该位置也称为最佳频谱位置。因此，最佳频谱位置可以通过测量透 过光线强度变化率来进行确定。

如图2所示，液晶滤波器208位于傅里叶透镜207的后焦平面上，用于 选择衍射谱的通光量，为实现透过光线强度变化率最大，需要控制液晶滤波 器208的遮光部分面积，进而实现对透过光线强度变化率的控制。在本公开 实施例中，液晶滤波器的工作原理为：液晶是由棒状分子组成的液态晶体， 当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻 止光线通过，因此可以通过通断电来控制液晶显示器中液晶像素对光的阻隔 和穿透。

在本公开实施例中，液晶滤波器208具体结构如图3所示，可包括：液 晶阵列单元301，电路控制单元302。其中，液晶阵列单元301，放置于傅里 叶透镜207的后焦平面上，为显示图形的功能区域，通过控制其内部棒状分 子的排列，可实现光的阻隔和穿透；电路控制单元301，与液晶阵列单元301 电性连接，用于控制施加于液晶阵列单元301上的电场，通过电场的变化控 制液晶阵列单元301中的液晶的排列和转向，实现对通过液晶阵列子单元301 的光线的控制。另外，除了上述两个子单元，液晶滤波器208还可包括一个 机械固定支架303，该机械固定支架为液晶阵列单元301和电路控制单元302 的固定支架，以实现上述两个单元的固定。

结合上述光读出红外焦平面阵列的光路系统以及该系统中液晶滤波器 208的具体结构，下面介绍液晶滤波器208如何在光读出红外焦平面阵列光路 系统中进行空间频谱滤波，并实现最佳频谱位置的确定。

首先，控制液晶滤波单元208的液晶阵列，使光线全部透过液晶滤波器 208。

在本公开实施例中，由于采用刀口滤波方式，液晶阵列单元301可以由 多个平行排列的液晶阵列子单元组成，具体结构可参见图4。其中，每个液晶 阵列子单元分别由对应的电路控制单元302中的开关子单元进行控制。例如， 电路控制单元302包括多个开关子单元，通过对各个开关子单元进行通断控 制，实现对液晶阵列单元301中各个液晶阵列子单元的控制。在本步骤中， 要使光线全部透过液晶滤波器208，可以将各个电路控制单元302中的开关子 单元设置为闭合状态，对液晶阵列单元301中的所有液晶阵列子单元施加电 压，使液晶阵列单元301中各液晶阵列子单元中的液晶像素整齐排列，致使 光线能够全部通过液晶滤波器208，并记录当前透过液晶滤波器208的光线强 度。

控制电路控制单元302中的部分开关子单元，使其处于断开状态，相应 地，该部分开关子单元所对应的液晶阵列单元301中的液晶阵列子单元，由 于未被施加电压，其内部的液晶像素排列混乱，光线无法透过。在本公开实 施例中，可按如图5所示的方式通过电路控制单元对液晶阵列单元301中的 液晶阵列子单元进行控制，即，逐渐减少液晶阵列单元301中能够透光的液 晶阵列子单元数量，以一定步长增加遮光部分的宽度，实现对透过液晶阵列 单元301的光线强度的控制。另外，为便于电路控制单元302对液晶阵列单 元301的控制，可在电路控制单元302中增加一个时序电路，通过该时序电 路实现对电路控制单元302中开关子单元的控制。需要说明的是，由于遮光 部分宽度每次发生变化时，都需要记录下当时透过液晶阵列单元301的光线 强度，因此在采用时序电路对电路控制单元302中的开关子单元进行控制时， 时序电路的周期要大于或等于系统中CCD等元件记录光线强度的时间。

当液晶阵列单元301中的液晶阵列子单元全部处于不透光状态，即，电 路控制单元302中所有开关子单元全部处于断开状态时，光线强度数据采集 完成。根据所采集到的光线强度数据，计算遮光部分宽度每次变化时光线强 度的变化率，并得到光线强度变化率的最大值，该值所对应的遮光部分的边 界即可认为位于零级衍射谱的中心线上，也即最佳频谱位置。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。