CN108303238A - 液晶相位可变延迟器光谱相位延迟定标系统 - Google Patents

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Abstract

液晶相位可变延迟器(LCVR)光谱相位延迟定标系统，由可调谐离子激光器、卤钨灯、滤波片、起偏器、检偏器、电控箱、LCVR驱动器、光功率计和计算机组成。该系统通过测量LCVR在不同波长、不同电压下的光强值分别通过计算得到了相应的相位延迟量。该系统采用激光光源和谱宽光源联合应用定标，依据相位延迟特性电压相关参数与带宽、波长无关的特点，再结合激光光源的理想光源特性，利用有限组波长激光光源定标数据获取了电压相关参数，采用该参数对谱宽光源定标数据进行修正，最终得到谱宽光源下LCVR在各光谱通道的相位延迟特性参数。本发明能够有效解决入射光带宽影响定标精度的问题以及激光光源波长有限的问题，有助于提高实际偏振光谱系统探测精度。

Description

液晶相位可变延迟器光谱相位延迟定标系统
技术领域
本发明涉及一种液晶相位可变延迟器(LCVR)光谱相位延迟定标的系统。适用于测量LCVR在不同波长下、不同电压值时的相位延迟量，并且可以完成入射光源具有一定带宽时LCVR的定标，解决谱宽光源下带宽对相位延迟定标精度影响的问题，以及利用激光光源定标时波长有限的问题。
背景技术
偏振探测系统可以获取目标的偏振信息，能够提供更多的目标信息，因此有着广泛应用。目前存在多种结构的偏振探测系统，其中基于LCVR的结构被广泛采用。LCVR是基于液晶的电控双折射特性而制成的光学器件，使用向列型液晶材料，各向异性的向列型液晶分子具有单轴双折射效应，当加上适当电压时，液晶分子开始翻转，双折射效应慢慢减小，相位延迟也随之逐渐变小，实现对入射光波的相位调制作用。在偏振成像探测系统中，对每一个波段会设置多组不同的电压值，从而产生多组不同的相位延迟量，成像得到多幅强度图，最终利用仪器矩阵反演成像图像得到各个波段下入射光的偏振信息。偏振探测系统的探测精度取决于LCVR相位延迟和仪器矩阵的定标精度，因此有必要高精度标定每个谱段上相位延迟量与电压的关系。
在目前LCVR的相位延迟定标方法中，所采用的光源均为激光，将激光作为入射光，激光具有单色性好、准直性好的特点，可以看作理想光源。然而在基于LCVR的偏振成像探测系统中，每一个光谱通道均比激光光源带宽要宽，而且LCVR相位延迟量与波长直接相关。所以，利用激光进行定标实验会忽视带宽影响，得到的相关参数应用于实际探测系统中会影响系统探测精度，而且激光器的可供选择的波长受限，无法实现对LCVR进行不同波长下的相位延迟量定标。因此，为了解决入射光波长受限的问题，完成在谱宽 光源入射下LCVR光谱相位延迟的高精度定标，本发明提出了一种新型的液晶相位可变延迟器光谱相位延迟的定标系统。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服入射光源具有一定带宽时会影响LCVR的光谱相位延迟定标精度的不足以及解决激光光源波长有限的问题，搭建了利用激光光源和谱宽光源对LCVR光谱相位延迟进行联合应用定标的系统。
本发明的技术解决方案是：LCVR光谱相位延迟定标系统，其特征在于包括下列部分：
可调谐离子激光器，位于定标系统的最前端，可产生待测波段中心波长的激光光源，作为定标系统的通道一的定标光源；
卤钨灯，位于定标系统的最前端，可产生360nm～2500nm的稳定自然光源；
滤波片，位于卤钨灯之后，用于产生具有同待测波段相同的谱宽光源，作为定标系统的通道二的定标光源；
起偏器，位于可调谐离子激光器或滤波片之后，用于产生所需的线偏振光；
检偏器，位于被定标的LCVR之后，用于得到某一方向的偏振光，它与起偏器均置于电控旋转支架上；
电控箱，分别与起偏器、检偏器及计算机相连，用于控制电控旋转支架的旋转角度；
LCVR驱动器，用于控制加在LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其一端与LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；
光功率计，位于检偏器之后，并与计算机相连，用于探测出射光光强值；
计算机，通过计算机串口通讯对电控箱进行控制，读取光功率计探测到的光强。
本发明的工作原理为：采用激光光源和谱宽光源对LCVR进行联合应用 定标，在定标光路里通过连续调制LCVR的驱动电压，得到相应的光强曲线，利用被测电压下的光强值和光强极大值计算了LCVR在不同谱段、不同电压下的相位延迟量。依据LCVR光谱相位延迟特性电压相关参数与带宽、波长无关这一特点，再结合激光光源具有单色性好、准直性好的理想光源特性，利用有限组波长激光光源定标数据准确获取电压相关参数，采用该电压相关参数对谱宽光源定标数据进行修正，最终得到谱宽光源下LCVR在各光谱通道的相位延迟特性参数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出的光谱相位延迟定标系统考虑了带宽对定标精度的影响，并利用激光光源定标数据对谱宽光源定标数据进行修正得到了准确的相位延迟特性参数。
(2)本发明提出的定标系统，可以利用有限组波长下的定标数据得到这几组波长所覆盖的谱宽范围内其他任意波长的相位延迟特性。
(3)本发明利用不同光源特性互补的思想不仅适用于液晶相位可变延迟器的定标，也可以用于其他场景下的光谱特性定标，具有较好的通用性。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明中待测量的LCVR结构图；
图3为本发明的测量LCVR光谱相位延迟特性参数的控制流程图。
图中具体标号如下：
1、可调谐离子激光器 2、卤钨灯 3、滤波片
4、起偏器 5、液晶相位可变延迟器 (LCVR)
51、LCVR驱动器 6、检偏器 7、光功率计
8、电控箱 9、计算机
具体实施方式
如图1所示，本发明包括可调谐离子激光器1、卤钨灯2、滤波片3、 起偏器4、检偏器6、待测LCVR5及LCVR驱动器51、光功率计7和计算机9。LCVR的光谱相位延迟定标主要有：①分别打开通道一和通道二，调制可调谐离子激光器的输出波长为待测谱段的中心波长并选择和待测谱段相同的滤波片，起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°，调整光路使得入射光束垂直射入起偏器，利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，完成LCVR在不同待测谱段下、不同电压值时的相位延迟量的测量；②分别将激光光源定标数据和谱宽光源定标数据导入数据处理软件，首先对激光光源数据进行拟合，利用拟合关系式得到电压相关参数，随后把电压相关参数代入谱宽光源数据中进行修正，得到波长相关参数，完成LCVR的光谱相位延迟定标。下面为具体实施方式：
(1)按照图1结构框图，搭建LCVR光谱相位延迟定标系统，调整通道一和通道二中光路为入射光束垂直入射起偏器，并将起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°。
(2)选择通道一中激光光源，选取若干波长激光入射，利用计算机控制驱动器施加在LCVR上的驱动电压，驱动电压变化范围为0V～10V，施加电压的间隔为0.02V，同时将各个电压点对应的光强探测值I准确记录。在通道二中选择某波长的滤波片与卤钨灯产生若干组谱宽光源，重复通道一中测量记录步骤。
(3)分别在激光光源和谱宽光源定标数据中，将一系列光强探测值I中最大光强探测值找出，记为Imax。将各个电压点对应的光强探测值I和最大光强探测值Imax代入公式计算得到相位延迟δ量。公式：
(4)将步骤(3)中激光光源的相位延迟量数据导入Matlab数据处理软件中，对其进行拟合，根据LCVR与电压、波长的关系将拟合关系自定义为：
其中，B0表示未施加电压时的液晶双折射率，t表示液晶的厚度，Vc表示液晶分子开始转动时的阈值电压，可以通过实验获得，M是一个经验值，V0是一个常量，V0和M均与波长无关。在LCVR确定后，B0和t为定值，等式右边第一项仅与波长相关。
(5)步骤(4)的公式中，V0和M与波长无关，说明入射光源带宽所引入的杂光光不会对其产生影响，因此可以利用激光光源定标数据来拟合出V0和M。根据步骤4)对V0和M进行拟合，在拟合时以拟合均方差最小为原则选取最优拟合电压相关参数。
(6)将步骤(5)中获取的V0和M代入拟合关系式中，进而对谱宽光源定标数据修正，可以使谱宽光源定标数据拟合时不受带宽影响，随后对波长相关项进行拟合，拟合时以拟合均方差最小为原则选取最优拟合参数。
(7)经过步骤(6)得到波长相关项与一系列波长的对应关系后，需要进行第二次拟合，从而拟合关系式采用了二次函数来描述：
其中，AL、BL和CL表示二次函数拟合系数。
(8)根据以上步骤便可获取V0、M、AL、BL和CL等参数，该参数即为LCVR的相位延迟特性参数，可以描述LCVR在不同波长不同电压上的相位延迟量。
本发明的LCVR光谱相位延迟定标流程图见图3，首先按照图1所示的原理框图搭建出定标系统，分别测量激光光源和谱宽光源入射时不同波长、不同电压下的光强值大小，随后计算出LCVR的相位延迟量，利用激光光源定标数据拟合计算得到电压相关参数，再利用电压相关参数对谱宽光源定标 数据进行修正，修正后拟合计算得到波长相关参数，最终完成LCVR的光谱相位延迟定标。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.液晶相位可变延迟器光谱相位延迟定标系统，其特征在于包括下列部分：
可调谐离子激光器，位于定标系统的最前端，可产生待测波段中心波长的激光光源，作为定标系统的通道一的定标光源；
卤钨灯，位于定标系统的最前端，可产生360nm～2500nm的稳定自然光源；
滤波片，位于卤钨灯之后，用于产生具有同待测波段相同的谱宽光源，作为定标系统的通道二的定标光源；
起偏器，位于可调谐离子激光器或滤波片之后，用于产生所需的线偏振光；
检偏器，位于被定标的LCVR之后，用于得到某一方向的偏振光，它与起偏器均置于电控旋转支架上；
电控箱，分别与起偏器、检偏器及计算机相连，用于控制电控旋转支架的旋转角度；
LCVR驱动器，用于控制加在LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其一端与LCVR相接，另一端与计算机的串口或USB接口相连；
光功率计，位于检偏器之后，并与计算机相连，用于探测出射光光强值；
计算机，通过计算机串口通讯对电控箱进行控制，读取光功率计探测到的光强。
2.根据权利要求1所述的液晶相位可变延迟器光谱相位延迟定标系统，其特征在于：定标系统对LCVR的光谱相位延迟特性参数测量的方法和步骤包括：①分别打开通道一和通道二，调制可调谐离子激光器的输出波长为待测谱段的中心波长并选择和待测谱段相同的滤波片，起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°，调整光路使得入射光束垂直射入起偏器，利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，完成LCVR在不同待测谱段下、不同电压值时的相位延迟量的测量；②分别将激光光源定标数据和谱宽光源定标数据导入数据处理软件，首先对激光光源数据进行拟合，利用拟合关系式得到电压相关参数，随后把电压相关参数代入谱宽光源数据中进行修正，得到波长相关参数，完成LCVR的光谱相位延迟定标。
3.根据权利要求1所述的液晶相位可变延迟器光谱相位延迟定标系统，其特征在于：所述的两种光源联合应用定标利用了光源特性的互补，解决了入射光带宽影响定标精度的问题，并且利用有限组波长下的定标数据进行了拟合，得到了整个待测谱段范围内的LCVR光谱相位延迟特性参数。
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