一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法

技术领域

本发明涉及带宽可调的液晶可调谐滤光片的带宽控制领域，具体涉及一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法。

背景技术

从20世纪90年代开始，基于物质发射或者反射光谱的成像技术经历了不断的发展，光谱分辨能力也提升到高光谱阶段(分辨率与波长的比值～0.01)，成像技术也由早期的滤波转轮、法-珀(Fabry-Perot)滤光片、色散型光谱成像、干涉型光谱成像等技术逐渐发展至调谐滤光片型光谱成像。调谐滤光片型光谱成像利用外部电压调节光谱中心波长，可快速实现波长的任意切换，目前该类设备主要有声光调滤光片(AOTF)型、液晶可调滤光片(LCTF)型光谱成像仪。与AOTF型光谱成像设备相比，LCTF型光谱成像设备具有结构简单、体积小、功耗小、光谱图像质量高等优点，因此实际应用中主要是该类设备。

宽光谱调节范围的LCTF可选用Lyot型或Solc型结构，但Solc型LCTF的光谱分辨率低，带外泄漏大，所以商业LCTF产品多采用向列相液晶的Lyot型滤光片。Lyot型LCTF有多个Lyot波光片单元级联而成，每级波光片均通过液晶盒调节相位差，通过外部电压的调节改变各液晶盒的状态实现透过光束波长的改变。

一束宽光谱光束经过LCTF后，仅光谱通带内的光能够透过LCTF，LCTF的光谱分辨率越高，透过带宽就越窄，透过的光能量就越少。在成像和探测等实际应用中，在LCTF后需设置探测器，用于接收透过光束的信号。由于经过LCTF后的光束能量会减少，当外界光强不足时，探测器接收的信号可能不足。在如野外、目标不能被强光照射等应用场合，外界的光强增加是受限的，此时可以考虑采用灵敏度更高的探测器，但高灵敏度探测器不仅体积、功耗增加，而且价格高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法，解决目前的LCTF在野外、目标不能被强光照射等应用场合中透过的光能量少的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法，包括以下步骤：

(a)对于由m级Lyot滤光片单元组成的Lyot型LCTF，其第1级的透过率可表示为：

其中δ₁为o光和e光在第1级产生的相位差，△n₁为o光和e光的在第1级液晶层中的折射率差，△d₁为第1级液晶层的厚度，λ为光的波长。

第i级的透过率为：

总通过率为：

(b)通过以下方法中的任意一种改变带宽：调节最高级单元的相位差的方法、将高级单元的相位差降为低级单元的相位差的方法、使高级单元调节光束能力失效的方法。

本发明对于同一LCTF器件，通过控制软件的设定就可以选择不同的工作带宽的切换，且带宽具有多个值可供选择；步骤(a)中的透光率原理，而步骤(b)根据步骤(a)的原理提出了3种调节Lyot型LCTF光谱带宽的技术路线：调节最高级单元的相位差、将高级单元的相位差降为低级单元的相位差、使高级单元调节光束能力失效；软件控制的方法是通过增加驱动数据，提供不同工作带宽的驱动电压，通过设定调用不同驱动数据，从而实现带宽切换；但LCTF驱动数据增多，驱动数据的标定难度也增大；而本发明的方法无需改变驱动数据就可实施波长切换，减少了驱动数据标定的工作量。

具体地讲，所述步骤(b)中调节最高级单元的相位差的方法如下：最高级相位差的改变量是第一级相位差的整数n倍,n为正整数，最高级为m级的LCTF其改变总档位数为2^m-1，依次减少第一级相位差的n倍，插入n-1个带宽改变档位，随着第m级相位差的减少，透过光谱曲线的带宽逐渐增加。

理想的m级Lyot型LCTF的带宽(FWHM)由最高级的相位差决定，可用公式(1)计算，

其中△nd_m为最高级的相位差，其数值为第一级的2^m-1倍，因此其变化档位共有2^m-1个，且随着该数值的减小，LCTF的带宽将增大。

具体地讲，所述步骤(b)中将高级单元的相位差降为低级单元的相位差的方法如下：将高级滤光片降级，相位差等于前一级：即将第m级的相位差减少到等于第m-1级，实现一次带宽的增加；同理将第m级和第m-1级的相位差减小到等于第m-2级，实现带宽的再一次增大；依次类推。

当第m级的相位差减少到等于第m-1级时，可以将LCTF看作m-1级LCTF和第m-1级的叠加，同公式(1)，m-1级LCTF的带宽可表示为：

叠加一个第m-1级后带宽有所减少，约降为公式(2)结果的76％。将第m级和第m-1级的相位差减小到等于第m-2级的带宽变化可同理类推。

具体地讲，所述步骤(b)中使高级单元调节光束能力失效的方法如下：将高级滤光片失去波长选择效果，使其相位差为零，各波长的透过率均为一。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法，通过以下三种方式中的任意一种来调整光谱的带宽：调节最高级单元的相位差、将高级单元的相位差降为低级单元的相位差、使高级单元调节光束能力失效。本发明通过纯软件实现和软硬件结合两种实现方式。纯软件实现通过增加驱动数据，提供不同工作带宽的驱动电压，通过软件设定调用不同驱动数据，从而实现带宽切换；该方法无需改变硬件，但LCTF驱动数据增多，驱动数据的标定难度也增大，软硬件结合方式通过软件设定改变硬件的状态来实现带宽的切换；本发明的方法无需改变驱动数据就可实施波长切换，减少了驱动数据标定的工作量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是6级单元构成的Lyot型LCTF的透过率曲线；

图2是本发明实施例一调节第六级相位差的LCTF透过率曲线；

图3是本发明实施例二将高级单元相位差减少为低级单元值的LCTF透过率曲线；

图4是本发明实施例三将高级单元失效的LCTF透过率曲线；

图5是本发明实施例一、二、三的带宽变化图；

图6是本发明实施例一、二、三的带内能量变化；

图7是本发明实施例一、二、三的带内外能量比值变化；

图8为本发明方法实现的框图；

图9为本发明实施例一中使用负性液晶的设计结构图；

图10为本发明实施例一中使用正性液晶的设计结构图；

图11为本发明正性液晶和负性液晶的差异图；

图12为本发明实施例二中使用负性液晶的硬件结构示意图；

图13为本发明实施例二中使用正性液晶的硬件结构示意图；

图14为本发明实施例三中使用负性液晶的硬件结构示意图；

图15为本发明实施例三中使用正性液晶的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法，包括以下步骤：

(a)对于由m级Lyot滤光片单元组成的Lyot型LCTF，其第1级的透过率可表示为：

其中δ₁为o光和e光在第1级产生的相位差，△n₁为o光和e光的在第1级液晶层中的折射率差，d₁为第1级液晶层的厚度，λ为光的波长；

第i级的透过率为：

总通过率为：

图1是由设定550nm为透过波长时6级Lyot滤光片单元组成的LCTF各级及总体的透过率，各级在550nm波长处的透过率均为1，所以叠加后在该波长的总体透过率仍为1，而其他波长由于各级透过率存在差异而被抑制；

(b)总体透过率曲线的带宽主要由最高级滤光片的带宽决定，改变带宽最直接的方式就是调节最高级的相位差从而改变其带宽,为保证透过率中心波长的一致，最高级相位差的该变量必须是第一级相位差的整数倍，最高级为m级的LCTF其改变总档位数为2^m-1，以6级滤光片为例，将原始状态标为方案1.1，可以依次减少第一级相位差的4倍，插入3个带宽改变档位，分别标记为方案1.2、1.3、1.4，相关模拟结果如图2，随着第6级相位差的减少，透过光谱曲线的带宽逐渐增加。

本实施例的实现方法如下：

以数据模拟的方案为例，主体由偏正片101和液晶盒102组成的LCTF滤光层按图9和图10的结构设计，将第六级液晶盒替换为1个第五级和4个第三级的叠加，叠加的总相位差和第六级相位差相等。第三级所需的驱动电压是相同的，波长一定带宽改变时第三级的驱动电压无需改变，只需要进行电路的开关或切换。对第六级滤光片的替换可采取其他分解方式，不限于示例，相位差为第一级的整数倍的单元均可作为构建单元。

由于液晶盒可以使用负性液晶或正性液晶，它们的偏转方向与电压加载的关系是不同的。负性液晶盒在不加电的情况下液晶分子竖向排列，相位差为零，加电后液晶分子开始偏转，相位差增大；正性液晶盒在不加电的情况下液晶分子横向排列，相位差最大，加电后液晶分子开始偏转，相位差减小，当电压足够大时，液晶分子竖起，相位差为零。

图9对应使用负性液晶的情况：当3个开关均接通时对应模拟的方案1，LCTF按6级Lyot滤光片方式工作。当仅开关1断开时对应模拟的方案2，此时1个第三级的驱动电压为零，该层相位差降为零。当开关1、2同时断开而开关3接通时对应方案3，2个第三级的驱动电压为零，这两层相位差降为零。开关1、2、3全断开时对应方案4，3个第三级的驱动电压为零，这三层相位差降为零。

图10对应使用正性液晶的情况，其原理与使用负性液晶时一样，只是用电压切换代替电压开关，当需要将某层的相位差降为零时，将其驱动电压切换至高低压即可。

在器件进行带宽改变是时，可通过软件进行带宽选择设定，硬件通过开关信号或切换信号的改变实现对应的功能，而此时驱动文件不需要进行变化。

实施例二

一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法，包括以下步骤：

(a)对于由m级Lyot滤光片单元组成的Lyot型LCTF，其第1级的透过率可表示为：

其中δ₁为o光和e光在第1级产生的相位差，△n₁为o光和e光的在第1级液晶层中的折射率差，△d₁为第1级液晶层的厚度，λ为光的波长；

第i级的透过率为：

总通过率为：

图1是由设定550nm为透过波长时6级Lyot滤光片单元组成的LCTF各级及总体的透过率，各级在550nm波长处的透过率均为1，所以叠加后在该波长的总体透过率仍为1，而其他波长由于各级透过率存在差异而被抑制；

(b)实施例一的带宽该变量较小，若让高级滤光片降级，相位差等于前一级，这样带宽的该变量将增大，以6级LCTF为例，原始状态为方案2.1，可以将第6级的相位差减少到等于第5级，实现一次带宽的增加得到方案2.2；同理将第6级和第5级的相位差减小到等于第4级，实现带宽的再一次增大得到方案2.3；依次类推还可以将第4、5、6级相位差减小到等于第3级，带宽进一步增大得到方案2.4，相关模拟结果如图3所示。

本实施例的方法是通过如下方式实现的：

以数据模拟的方案为例，主体由偏正片101和液晶盒102组成的LCTF滤光层按图12和图13的结构设计。第四级由2个第三级叠加替代；第五级由2个第三级和1个第四级叠加替代；第六级由2个第三级、1个第四级和1个第五级叠加替代。相同级所需的驱动电压是一致的。对各级滤光片的替换可采取其他分解方式，不限于示例，相位差为第一级的整数倍的单元均可作为构建单元。

图12对应使用负性液晶的情况。当3个开关均接通时对应模拟的方案1，LCTF按6级Lyot滤光片方式工作。当仅开关1断开时对应模拟的方案2，此时1个第五级的驱动电压为零，该子层相位差降为零，整个第六层的相位差等于第五级。当开关1、2同时断开而开关3接通时对应方案3，2个第四级和1个第五级的驱动电压为零，这3个子层相位差降为零，使得第五层、第六层的相位差等于第四级。开关1、2、3全断开时对应方案4，3个第三级、2个第四级和1个第五级的驱动电压为零，这6个子层相位差降为零，使得第四层、第五层、第六层的相位差等于第三级。

图13对应使用正性液晶的情况，其原理与使用负性液晶时一样，只是用电压切换代替电压开关，当需要将某层的相位差降为零时，将其驱动电压切换至高低压即可。

在器件进行带宽改变是时，可通过软件进行带宽选择设定，硬件通过开关信号或切换信号的改变实现对应的功能，而此时驱动文件不需要进行变化。

实施例三

一种Lyot型液晶可调滤光片的带宽调整方法，包括以下步骤：

(a)对于由m级Lyot滤光片单元组成的Lyot型LCTF，其第1级的透过率可表示为：

其中δ₁为o光和e光在第1级产生的相位差，△n₁为o光和e光的在第1级液晶层中的折射率差，△d₁为第1级液晶层的厚度，λ为光的波长；

第i级的透过率为：

总通过率为：

图1是由设定550nm为透过波长时6级Lyot滤光片单元组成的LCTF各级及总体的透过率，各级在550nm波长处的透过率均为1，所以叠加后在该波长的总体透过率仍为1，而其他波长由于各级透过率存在差异而被抑制；

(b)实施例二的带宽该变量不大，进一步增加带宽，可让高级滤光片失去波长选择效果，使其相位差为零，各波长的透过率均为一，以6级LCTF为例，原始状态为方案3.1，第6级失效为方案3.2，第5、6级失效为方案3.3，第4、5、6级失效为方案3.4，透过率的模拟结果如图4所示。

本实施例的方法是通过下述方式实现的：

以数据模拟的方案为例，主体由偏正片(101)和液晶盒(102)组成的LCTF滤光层按图14和图15的结构设计。其滤光层的结构并未发生改变，硬件改变的仅是电路部分。

图14对应使用负性液晶的情况：当3个开关均接通时对应模拟的方案1，LCTF按6级Lyot滤光片方式工作。当仅开关1断开时对应模拟的方案2，此时第六级的驱动电压为零，该层相位差降为零。当开关1、2同时断开而开关3接通时对应方案3，第五级和第六级的驱动电压为零，这两层相位差降为零。开关1、2、3全断开时对应方案4，第四级、第五级和第六级的驱动电压为零，这三层相位差降为零。

图15对应使用正性液晶的情况，其原理与使用负性液晶时一样，只是用电压切换代替电压开关，当需要将某层的相位差降为零时，将其驱动电压切换至高低压即可。

在器件进行带宽改变是时，可通过软件进行带宽选择设定，硬件通过开关信号或切换信号的改变实现对应的功能，而此时驱动文件不需要进行变化。

综上所述，对于实施例一、二、三所带来的光谱带宽内能量的增加量，如图5所示，如图6所示带能能量强度增加的趋势和带宽的增加是一致的，实施例三带能能量增加量最大，实施例二次之，实施例一最小。

带外透过的能量会影响光谱分析的精度，考虑带内能量的同时也要考虑带外的能量变化情况，带内外能量比(相当于信噪比)实施例二具有优势，在带宽增加的同时可明显提高带内外能量比值，实施例三次之，如图7实施例一在方案1.2、1.3时带内外能量比值还略有减小，实际使用时根据具体情况而选择合适的技术路线，也可将采取不同技术路线组合的方式增加带宽改变范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。