一种基于宾主液晶可调滤光片的光谱成像系统

技术领域

本发明涉及一种基于宾主液晶可调滤光片的光谱成像系统，该系统可以应用于遥感、环境/资源监测、生物医学显微成像、便携式光谱测量等领域。

技术背景

光谱成像技术作为一种可以同时获取光谱信息与图像信息的成像手段，可以得到现有传统成像技术无法探测的信息，在资源探测、环境监测、质量检测、生物医学显微成像等领域发挥着越来越重要的作用。传统的光谱成像技术依赖于机械扫描部件进行光谱探测，体积庞大、扫描速度慢，且稳定性不强，不适于器件小型化、紧凑化的发展。目前来看，基于可调滤光片的凝视型光谱成像系统在器件体积、扫描速度、稳定性、光谱及空间分辨率等方面均优于传统机械式光谱成像系统，具有非常大的发展潜力。这其中，液晶可调滤光片是目前主流的可调滤光片。然而，这种可调滤光片存在两个问题。一方面，这一器件的透过率很低，一般不足10%。极低的透过率主要是因为构成这种滤波器的单元器件过多，一般在5个以上，每个元件均至少具有两个反射界面，因而10个以上反射界面会产生很多反射，严重影响器件的透射率。低透过率使得基于该器件的光谱成像系统的信噪比不高，从而限制了其在暗光、低反射率等场合的应用；另一方面，这一类器件的价格非常昂贵，Thorlabs公司可见光波段的液晶可调滤波器，其售价高达6万元人民币，高昂的价格使得其应用范围仅限于军事、科研等少数领域。对于国内市场，由于液晶可调滤光片的工艺要求极高，鲜有公司研制成功这一类型的高性能液晶可调滤光片。因此，研制一种高透过率、高性能的可调滤光片，并基于此，实现一种价格低廉、适宜大规模生产、性能优异的光谱成像系统，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明旨在发明一种新型宾主液晶可调滤光片，并实现一种凝视型光谱成像系统。该可调滤光片具有透过率高、结构紧凑、成本低廉等特点，而基于该可调滤光片的光谱成像系统具有高信噪比、高空间分辨率及光谱分辨率的特性。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用宾主液晶器件的可调光谱特性，实现了一种具有偏振敏感特性的液晶可调滤光片，其具有高光通量、快响应速度，结构紧凑、价格低廉，易于进行大规模生产。

2.本发明采用液晶器件可调器件，通过电信号进行光谱调控，摒弃了传统凝视型光谱成像系统中的机械运动部件。

3.本发明为凝视型光谱成像系统，通过线性回归、压缩感知、机器学习等算法，可以从强度信号中复原出目标原始光谱。该系统可以减少现有光谱成像系统的体积，提高光谱成像系统的空间分辨率、光谱分辨率及信噪比。

附图说明

图1 基于宾主液晶可调滤光片的光谱成像系统示意图

图2宾主液晶可调滤光片侧视图

图3（a）负性宾主液晶可调滤光片示意图（b）可调滤光片不同电压下的透射谱示意图

图4（a）正性宾主液晶可调滤光片示意图（b）可调滤光片不同电压下的透射谱示意图

可调滤光片1、成像透镜2、CCD 3、驱动电源4、同步信号触发器5、数据采集卡6、起偏器7、液晶器件8、液晶基底9、透明导电层10、定向层11、液晶层12、液晶分子13、染料分子14、检偏器15。

具体实施方式

以下结合附图2和实例对本发明做进一步的阐述。

本发明涉及一种基于宾主液晶可调滤光片的光谱成像系统。该系统由基于可调滤光片1、成像透镜2、CCD 3、驱动电源4、同步信号触发器5、数据采集卡6等元件构成；其中可调滤光片1用来进行光谱分离；成像透镜2用来将物体成像在CCD 3上；驱动电源4用来控制可调滤光片1的滤波特性，使其在目标波段对物体进行光谱扫描；CCD 3在同步信号触发器5的控制下，同步采集图像，并获得目标在不同滤波器状态下强度的空间分布信息；数据采集卡6用来采集信号，并对信号进行处理，最终获得目标物体的图像及光谱信息。

这一系统的核心器件为基于宾主液晶的可调滤光片1，其具有透过率高、结构紧凑、响应速度快、价格低廉等优点。基于宾主液晶的可调滤光片1由起偏器7、液晶器件8、检偏器15构成。液晶器件8由液晶基底9、透明导电层10、定向层11以及内部的液晶层12组成。定向层11经取向处理，用来取向液晶层12。液晶层12的取向可以为平行、垂直、混合、扭曲等多种方式；液晶层12中包含液晶分子13以及具有二向色性吸收的染料分子14，这种染料一般呈棒状结构，其吸收谱对入射偏振敏感。当入射光的偏振方向垂直或者平行染料分子14时，其吸收强度不同。通过液晶的取向作用，二向色性染料沿特定方向排列，在液晶器件8上施加电信号，可以改变液晶分子13及染料分子14的长轴取向，进而影响入射到染料分子14上的光的偏振态，结合液晶的双折射特性，从而调控出射光谱。

物体反射或透射的光信号进入可调滤光片1，经成像透镜2，成像在CCD 3上，驱动电源4在可调滤光片1上施加特定的电信号，CCD 3同步采集强度信息，并将相应的电信号传输至数据采集卡6，进行数据处理。

CCD 3既可以是单通道黑白CCD也可以是多通道彩色CCD，只要得到不同电压（对应于不同透射或反射光谱）下CCD记录到的每一点的强度分布信息，即可复原出物体该点的原始光谱。CCD的输出信号与光谱值之间的关系如式1：

其中

式2为一

更进一步的具体实施中，液晶器件8中的液晶分子13可以采用常见的正性液晶、也可以采用负性液晶，且该液晶器件8可以由施加在上下两基底上的电信号进行垂直驱动，也可以由施加在单个基底上的电信号进行平面驱动。

更进一步的具体实施中，在可调滤光片1中，起偏器7和检偏器15的偏振夹角可以为任意角度。

更进一步的具体实施中，通过采用适用于红外波段的液晶、染料以及其他光学元件，该方案可以拓展到红外波段。

实施例1 基于负性宾主液晶可调滤光片的光谱成像系统

下面结合图3对本发明做进一步说明。

如图3（a）所示，负性宾主液晶可调滤光片包括起偏器7、液晶器件8（液晶基底9、透明导电层10、定向层11、液晶层12）、检偏器15。其中，染料分子14具有二向色吸收特性。当入射光偏振垂直于染料分子14长轴时（图3（a）中虚线所示方向为染料分子长轴方向），染料分子14几乎没有吸收，因而，透射谱强度基本不受染料分子14影响，透射谱仅由液晶分子13调制；当入射光偏振方向平行于染料分子14长轴时，染料分子14在特定波段有强烈吸收，器件透射谱同时受液晶分子13及染料分子14共同调制。

在这一实例中，光信号穿过起偏器7，进入液晶器件8，随后经过检偏器15。液晶器件8中的液晶分子13长轴及染料分子14长轴通过两侧的定向层11，均形成垂直排列方式。在透明导电层10上设置电极，通过在上下电极上施加电信号，液晶层12随外加电场发生偏转，因而液晶分子13排列发生改变，从而使得染料分子14长轴方向（染料分子13长轴方向与液晶分子14长轴方向始终保持一致）相对于入射光的偏振发生变化。施加不同电压，可以得到不同取向的染料分子14，当染料分子14长轴与入射光偏振夹角变化时，在其吸收峰处，透射光强会发生相应变化。当施加电压超过饱和电压（一般小于10 V）时，液晶分子13长轴及染料分子14长轴基本平行于基板。被液晶分子13及染料分子14调制后的光经过检偏器15，便可以得到不同的光谱信号。

图3（b）为该器件在不同电压下的透射率示意图。

在该可调滤光片1上施加不同信号，调控出射谱，利用CCD 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归、压缩感知或机器学习等算法即可还原出原始光谱。

实施例2 基于正性宾主液晶可调滤光片的光谱成像系统

下面结合图4对本发明做进一步说明。如图4（a）所示，正性宾主液晶可调滤光片包括起偏器7、液晶器件8（液晶基底9、透明导电层10、定向层11、液晶层12）、检偏器15。其中，染料分子14具有二向色吸收特性。当入射光偏振垂直于染料分子14长轴时（图4（a）中虚线所示方向为染料分子长轴方向），染料分子14几乎没有吸收，因而，透射谱强度基本不受染料分子14影响；当入射光偏振方向平行于染料分子14长轴时，染料分子14在特定波段有强烈吸收，器件透射谱同时受液晶分子13及染料分子14共同调制。

在这一实例中，光信号穿过起偏器7，进入液晶器件8，随后经过检偏器15。液晶器件8中的液晶分子13及染料分子14通过两侧的定向层11，均形成平行排列方式。在透明导电层10上设置电极，通过在上下电极上施加电信号，液晶层13随外加电场发生偏转，因而液晶分子13排列发生改变，从而使得染料分子14长轴方向（染料分子14的长轴方向与液晶分子13长轴方向始终保持一致）相对于入射光的偏振发生变化。施加不同电压，可以得到不同取向的染料分子14，当染料分子14长轴与入射光偏振夹角变化时，在其吸收峰处，透射光强会发生相应变化。当施加电压超过饱和电压（一般小于10 V）时，液晶分子13及染料分子14长轴基本垂直于基板。被液晶分子13及染料分子14调制后的光经过检偏器15，便可以得到不同的光谱信号。

图3（b）为该器件在不同电压下的透射率示意图。

在该可调滤光片1上施加不同信号，可以调控出射谱，利用CCD 3获得不同光谱响应下的强度信息，采用线性回归、压缩感知或机器学习等算法即可还原出原始光谱。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。