CN105509886A - 基于电控液晶的像素化光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电控液晶的像素化光谱仪，属于光谱探测及液晶技术领域。该光谱仪包括依次设置的带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器和光电探测器；入射光依次经过带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器，最后达到光电探测器；所述带通滤波片设置在该光谱仪的最前端，紧靠起偏器，其波段范围与光谱仪的一致；所述液晶单元大小为一个像素，在其两端加载电控装置，实现电压可控；两个偏振片分别为相互垂直的起偏器和检偏器，紧靠液晶单元的两侧；所述光电探测器为光电二极管、CCD或CMOS的一个像素。该光谱仪利用双折射液晶的宽带滤波特性即得到了高分辨率的光谱探测性能，且器件在尺度上只有一个像素大小，体积小、易集成。

Description

基于电控液晶的像素化光谱仪

技术领域

本发明属于光谱探测及液晶技术领域，涉及一种基于电控液晶的像素化光谱仪。

背景技术

光谱仪对样品的分析检测功能被广泛用在地质，冶金，化学等领域。而光谱仪小型化的发展起源于传统光谱仪在尺寸上的限制。

目前商业化的微小型光谱仪主要是光栅型、傅里叶变换型和窄带滤波型。这两种光谱仪在尺寸做小的同时其分辨率会降低，故小型化和高分辨率很难同时达到。对于窄带滤波型光谱仪，可以实现小型化和较高的分辨率，但其制造加工精度要求严格且滤波器所需品质因数高。液晶作为一种特殊的材料，因其在外加电场下可以改变光波传输行为而制成了许多小型光学器件。受液晶厚度限制，其所制备光学器件的品质因素不高，若利用液晶以传统方法制备光谱仪，其光谱分辨率较低，如何在低品质因素下构建高分辨率的微型化光谱仪成为了一个难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电控液晶的像素化光谱仪，突破现有光谱仪的尺寸、分辨率以及窄带宽滤波所需高品质因数和加工精度高的限制，通过调节液晶两端电压实现滤波阵列功能，再紧密结合光电探测器等器件实现输出光谱探测，最后利用稀疏算法恢复输入的光谱信号。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电控液晶的像素化光谱仪，所述光谱仪包括依次设置的带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器和光电探测器；入射光依次经过带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器，最后达到光电探测器；所述带通滤波片设置在该光谱仪的最前端，紧靠起偏器，其波段范围与光谱仪的一致；所述液晶单元大小为一个像素，在其两端加载电控装置，实现电压可控；两个偏振片分别为相互垂直的起偏器和检偏器，紧靠液晶单元的两侧；所述光电探测器为光电二极管、CCD或CMOS的一个像素。

进一步，在本光谱仪中，入射光信号经过带通滤波片后为光信号I(λ)，I(λ)照射到液晶表面，在电压V_j的作用下，液晶分子重新排列，光学性质改变，产生的o光和e光强度改变；电控装置对液晶单元两端施加不同的n组电压值，得到对应的n组透过率曲线，相当于一个滤波阵列；

两偏振片相互垂直时，o光、e光相互干涉，其透射光强满足：

$I^{\′}(V_j,\mathrm{\λ})=I\left(\mathrm{\λ}\right){\sin }^{2}2\mathrm{\φ}\×\exp (-{\mathrm{\α}}_{o}d)(1-cos\frac{2\mathrm{\π}d\mathrm{\Δ}n\left(V_j\right)}{\mathrm{\λ}})=I\left(\mathrm{\λ}\right)t(V_j,\mathrm{\λ}),---\left(1\right)$

其中，I(λ)为经过带通滤波片的入射光信号，φ为起偏器透光方向与液晶盒寻常光振动方向的夹角，α_o为O光的吸收系数，d为液晶的厚度，V_j表示液晶所施加的第j个电压，Δn(V_j)为V_j时的o、e光的折射率差，t(V_j,λ)表示与电压和光波长有关透过率；

光电探测器所探测到的透射强度表示为

$I^{\′}\left(V_j\right)=\underset{\mathrm{\λ}}{\∫}{I}^{\′}(V_j,\mathrm{\λ})d\mathrm{\λ}=\underset{\mathrm{\λ}}{\∫}t(V_j,\mathrm{\λ})I\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ},---\left(2\right)$

透射光强受n组不同电压调控下滤波单元的光谱能量调制，用矩阵表示为：

或者I'＝TI(3)

其中n为所施加电压的组数，m为采样的波长数(n＜m)；

利用算法进行光谱恢复，具体为：

利用稀疏表示算法描述探测器接收的透射光强，其强度表示为

I'＝TI＝Tψs(4)

其中，入射光表示为I＝ψs，ψ为稀疏字典，s为稀疏信号；

利用非负L1范最小(NNLM)算法，令A＝Tψ，稀疏信号的估计可以表示为

$\hat{s}=\underset{s}{\min }\left|\right|s|{|}_1+\frac{\mathrm{\τ}}{2}||I^{\′}-As|{|}_2^2,subjecttos\≥0---\left(5\right)$

通过上式得到因此得到恢复的入射光的光信号

$I=\mathrm{\ψ}\hat{s}---\left(6\right).$

本发明的有益效果在于：

1)本发明所述的光谱仪在尺寸上，与传统的光栅分光光谱仪、傅里叶变换光谱仪相比，其尺寸最小，仅为一个探测器像素大小，因此体积小、重量轻、易集成；

2)本发明所述的光谱仪在光谱分辨率上，与传统滤波型光谱相比，利用极低的品质因素即获得了很高的光谱分辨率，因此在大幅降低器件的制备难度的情况下仍具有很高的光谱探测能力；

3)本发明所述光谱仪与波导型光谱仪相比，无需波导耦合，可直接对空间光进行光谱探测，损耗小，应用广泛。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的整体结构示意图，其中11为光学带通滤波器，12、14为两个正交的偏振片，13为加电压的液晶单元，15为探测器，16为两偏振片之间的细节放大图；

图2为用正弦波做输入信号(即图中目标信号)，在550-650nm波段内，利用稀疏算法恢复出来的光谱恢复图；

图3为在700-750nm范围内，激励信号做输入(即图中目标信号)，所测试的光谱分辨率图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的整体结构示意图，如图所示，所述光谱仪包括依次设置的带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器和光电探测器；入射光依次经过带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器，最后达到光电探测器；所述带通滤波片设置在该光谱仪的最前端，紧靠起偏器，其波段范围与光谱仪的一致；所述液晶单元大小为一个像素，在其两端加载电控装置，实现电压可控；两个偏振片分别为相互垂直的起偏器和检偏器，紧靠液晶单元的两侧；所述光电探测器为光电二极管、CCD或CMOS的一个像素。

实施例：

1)以500-900nm的入射光依次经过带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器，最后达到光电探测器。

2)带通滤波片在该光谱仪的最前端，紧靠起偏器，其波段范围为550-650nm,经过带通滤波器后入射光为I(λ)，如图1所示。

3)液晶类型属于向列型S100A220uG180，单元大小为一个像素，在其两端加载电控装置，实现电压可控。

4)两个偏振片分别为相互垂直的起偏器和检偏器，紧靠液晶单元的两侧。

5)光电探测器为光电二极管的一个像素，所探测到的强度为I′(V)。

6)电控装置对液晶单元两端施加的电压范围为2.0v-4.0v，共21组，即得到21组透过率曲线，可以用公式(3)表示输入输出信号的关系。然后利用公式(4)、(5)、(6)进行信号恢复，从而得到550-650nm波段的入射光，其结果如图2所示。此外在700nm-750nm范围内，最大分辨率可以达到0.1nm，如图3所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于电控液晶的像素化光谱仪，其特征在于：所述光谱仪包括依次设置的带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器和光电探测器；入射光依次经过带通滤波片、起偏器、电控的液晶单元、检偏器，最后达到光电探测器；所述带通滤波片设置在该光谱仪的最前端，紧靠起偏器，其波段范围与光谱仪的一致；所述液晶单元大小为一个像素，在其两端加载电控装置，实现电压可控；两个偏振片分别为相互垂直的起偏器和检偏器，紧靠液晶单元的两侧；所述光电探测器为光电二极管、CCD或CMOS的一个像素。

2.根据权利要求1所述的一种基于电控液晶的像素化光谱仪，其特征在于：在本光谱仪中，入射光信号经过带通滤波片后为光信号I(λ)，I(λ)照射到液晶表面，在电压V_j的作用下，液晶分子重新排列，光学性质改变，产生的o光和e光强度改变；电控装置对液晶单元两端施加不同的n组电压值，得到对应的n组透过率曲线，相当于一个滤波阵列；

两偏振片相互垂直时，o光、e光相互干涉，其透射光强满足：

$I^{\′}(V_j,\mathrm{\λ})=I\left(\mathrm{\λ}\right){\sin }^{2}2\mathrm{\φ}\×\exp (-{\mathrm{\α}}_{o}d)(1-\cos \frac{2\mathrm{\π}d\mathrm{\Δ}n\left(V_j\right)}{\mathrm{\λ}})=I\left(\mathrm{\λ}\right)t(V_j,\mathrm{\λ}),---\left(1\right)$

其中，I(λ)为经过带通滤波片的入射光信号，φ为起偏器透光方向与液晶盒寻常光振动方向的夹角，α_o为O光的吸收系数，d为液晶的厚度，V_j表示液晶所施加的第j个电压，Δn(V_j)为V_j时的o、e光的折射率差，t(V_j,λ)表示与电压和光波长有关透过率；

光电探测器所探测到的透射强度表示为

$I^{\′}\left(V_j\right)=\underset{\mathrm{\λ}}{\∫}{I}^{\′}(V_j,\mathrm{\λ})d\mathrm{\λ}=\underset{\mathrm{\λ}}{\∫}t(V_j,\mathrm{\λ})I\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ},---\left(2\right)$

透射光强受n组不同电压调控下滤波单元的光谱能量调制，用矩阵表示为：

其中n为所施加电压的组数，m为采样的波长数(n＜m)；

利用算法进行光谱恢复，具体为：

利用稀疏表示算法描述探测器接收的透射光强，其强度表示为

I'＝TI＝Tψs(4)

其中，入射光表示为I＝ψs，ψ为稀疏字典，s为稀疏信号；

利用非负L1范最小(NNLM)算法，令A＝Tψ，稀疏信号的估计可以表示为

$\begin{array}{cc}\hat{s}=\underset{s}{\min }\left|\right|s|{|}_1+\frac{\mathrm{\τ}}{2}||I^{\′}-As|{|}_2^2,subjectto& s\≥0\end{array}---\left(5\right)$

通过上式得到因此得到恢复的入射光的光信号

$I=\mathrm{\ψ}\hat{s}---\left(6\right).$