CN113325568A - 基于液晶的快速光谱成像系统及使用方法 - Google Patents

基于液晶的快速光谱成像系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种基于液晶的快速光谱成像系统及使用方法，基于液晶的快速光谱成像系统，包括激光光源、准直器、起偏器、液晶盒、信号发生器、检偏器、待测物体、成像透镜组、CCD探测器和PC机，本发明利用液晶退压时，液晶返回初始状态的弛豫时间测量所述的液晶盒的弛豫光程差关系图，再通过测得不同光程差时干涉光的强度曲线，经傅里叶变换得到所述的待测物体的光谱和空间的图像。

Description

基于液晶的快速光谱成像系统及使用方法
技术领域
本发明涉及液晶光谱成像，特别是一种基于液晶的快速光谱成像系统及使用方法。
背景技术
光谱成像是一种结合光谱检测和光学成像的技术，光谱成像在不影响空间成像的基础上额外增加了光谱信息，它被广泛用于遥感和生物成像等许多领域。
液晶由于其特殊的物理性质使其在光谱成像方面有优秀的潜力，所以使液晶应用于光谱成像上的研究是很有意义的。液晶干涉光谱成像属于时间调制型光谱成像，它不需要运动扫描部件。可根据光谱干涉理论和光谱成像理论结合液晶的特殊性质进行光谱成像。
干涉成像光谱技术的基本原理就是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究光谱图。但在实际中，由于光程差不可能无限大，实验中的干涉图只能采集到某一有限的极大光程差。同时，由于不能以无限小的光程差间隔来取样干涉图，而只能采用有限大小的相等间距取样。但相等间距取样满足采样定理的同时，也必须兼顾最大光程差的选取。光束之间的相位差也就是光程差的测量对于光谱成像显得尤为重要。那么如何快速高效得到相等间距的光程差成为液晶光谱成像速度的关键问题。在以往的研究中，基于液晶的光程差的获取与处理程序较为复杂，会耗费大量时间，甚至会耗费数个小时进行等间隔光程差的获取。利用液晶弛豫测量进行光程差的定标，系统的测量速度会得到明显的提高，这将为基于液晶的快速光谱成像奠定强有力基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液晶的快速光谱成像系统及使用方法，该系统解决了以往使用利用光谱干涉傅里叶变换法等其他测量方法测量延时，测量时间过长的问题。利用液晶弛豫特性，在保证光谱成像性能的同时提高了成像速度。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于液晶的快速光谱成像系统，其特点在于包括激光光源、准直器、起偏器、液晶盒、信号发生器、检偏器、待测物体、成像透镜组、CCD探测器和PC机。，所述的激光光源宽光谱光源，沿所述的激光光源的激光输出方向依次是所述的准直器、起偏器、液晶盒、检偏器、待测物体、成像透镜组、CCD探测器，断开在所述的液晶盒的两端由所述的信号发生器发出的稳压交流信号，所述的CCD探测器的输出端与所述的PC机的输入端相连。
所述的起偏器的偏振轴方向设置为相对于所述的液晶盒光轴方向呈45°(从而使两个分别为P和S极化的子脉冲通过液晶盒(4)传播变成两束强度相同、偏振方向垂直且具有稳定延迟差的光束。然后，激光束通过检偏器(6)，它将两个交叉极化的子脉冲投射到同一方向上使其发生干涉，干涉图像由所述的CCD探测器(9)接受，将CCD探测器(9)接收到的数据导入PC端(10)处理，处理后得到光谱和空间的图像。
所述的检偏器与起偏器的光轴方向平行或垂直。
所述的液晶盒为厚液晶，根据实验要求所述的液晶盒由多个液晶盒构成，数量可以变化，光轴方向也可改变。
上述基于液晶的快速光谱成像系统的使用方法，包括如下步骤：
1)将所述的激光光源设置为窄带光源，沿该窄带光源输出的激光方向依次设置所述的准直透镜、起偏器、液晶盒、检偏器和光电探测器，断开在所述的液晶盒的输入端与输出端之间由所述的信号发生器发出的交流稳压信号，所述的光电探测器的输出端与所述的示波器的输入端相连，所述的窄带光源发出的激光经所述的准直透镜变成平行光，进入所述的起偏器，调整所述的起偏器、检偏器的偏振轴，并使所述的起偏器、检偏器的偏振轴与所述的液晶盒的光轴方向成45°夹角，所述的平行光经过所述的液晶盒、检偏器由所述的光电探测器接收，通过所述的示波器进行观察；
2)将所述的示波器获得的干涉数据导入所述的PC机,该PC机对导入的数据进行处理，获得所述的液晶盒的弛豫光程差关系图；
3)撤去所述的光电探测器与示波器，将所述的激光光源改换宽光谱光源，在所述的检偏器的输出光方向依次加入待测物体、成像透镜组和CCD探测器，所述的待测物体的像呈现在所述的CCD探测器上，该CCD探测器的输出端与所述的PC机的输入端相连；
4)所述的CCD探测器在确保采样间隔满足奈奎斯特采样定理的情况下得到所述的待测物体的干涉图输入所述的PC机，该PC机通过傅里叶变换计算得到所述的待测物体的光谱和空间的图像；
5)只需更换新待测物体，并重复所述的步骤4)即可获得新的待测物体的光谱和空间的图像。
本发明的优点和特点是：
本发明利用液晶的弛豫特性，其精确度取决于实验环境的稳定性和实验仪器的精度。本发明的测量范围取决于弛豫时间的测试精度，通过液晶退压时的弛豫状态的测量，快速得到弛豫时间与相位差的关系。本发明只需额外测量液晶退压时的状态，结构简单、实际操作更加便捷，有利于光谱快速成像。
附图说明
图1是本发明液晶特性的弛豫测量的结构示意图。图中，1-准单色光激光光源，2-准直器，3-起偏器，4-液晶盒，5-信号发生器，6-检偏器，11-光电探测器，12-示波器，10-PC端
图2是本发明基于液晶的快速光谱成像系统结构图。图中，1-宽光谱光源，2-准直器，3-起偏器，4-液晶盒，5-信号发生器，6-检偏器，7-待测物体，8-成像透镜组，9-CCD探测器，10-PC端
图3是实施测量液晶弛豫实验中，根据所得弛豫-光强信息获得的弛豫-相位图。
图4是利用弛豫-相位图进行相位解包裹处理过程示意图。
图5是基于液晶弛豫实验中所得结果，进行干涉图与光谱图的相互转换结果。
图6是基于干涉光谱成像，对原始图像光谱数据进行了光谱重构的模拟。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明，但不应当因此限制本发明的保护范围：
先请参阅图2，图2是本发明基于液晶的快速光谱成像系统结构图。由图可见，本发明基于液晶的快速光谱成像系统，包括激光光源1、准直器2、起偏器3、液晶盒4、信号发生器5、检偏器6、待测物体7、成像透镜组8、CCD探测器9和PC机10，所述的起偏器3的偏振轴方向设置为相对于所述的液晶盒4光轴方向呈45°，所述的激光光源1宽光谱光源，沿所述的激光光源1的激光输出方向依次是所述的准直器2、起偏器3、液晶盒4、检偏器6、待测物体7、成像透镜组8、CCD探测器9，断开在所述的液晶盒4的两端由所述的信号发生器5发出的交流稳压信号，所述的CCD探测器9的输出端与所述的PC机10的输入端相连。
所述的检偏器6与起偏器3的光轴方向相互平行或垂直。
所述的液晶盒4为厚液晶，根据实验要求所述的液晶盒4由多个液晶盒构成，数量可以变化，光轴方向也可改变。
上述基于液晶的快速光谱成像系统的使用方法，包括如下步骤：
1)参见图1，图1是本发明液晶特性的弛豫测量的结构示意图，将所述的激光光源1设置为窄带光源，沿该窄带光源输出的激光方向依次设置所述的准直透镜2、起偏器3、液晶盒4、检偏器6和光电探测器11，断开在所述的液晶盒4的输入端与输出端之间由所述的由信号发生器5发出的交流稳压信号，所述的光电探测器11的输出端与所述的示波器12的输入端相连，所述的窄带光源1发出的激光经所述的准直透镜2变成平行光，进入所述的起偏器3，调整所述的起偏器3和检偏器6的偏振轴，并使所述的起偏器3、检偏器6的偏振轴与所述的液晶盒4的光轴方向成45°夹角，所述的平行光经过所述的液晶盒4、检偏器6由所述的光电探测器11接收，通过所述的示波器12进行观察；
2)将所述的示波器12获得的干涉数据导入所述的PC机10,该PC机10对导入的数据进行处理，获得所述的液晶盒4的弛豫光程差关系图，参见图3；
3)撤去所述的光电探测器11与示波器12将所述的激光光源1改换为宽光谱光源，在所述的检偏器6的输出光方向依次加入待测物体7、成像透镜组8和CCD探测器9，所述的待测物体7的像呈现在所述的CCD探测器9上，该CCD探测器9的输出端与所述的PC机10的输入端相连；
4)所述的CCD探测器9在确保采样间隔满足奈奎斯特采样定理的情况下得到所述的待测物体7的干涉图输入所述的PC机10，该PC机10通过傅里叶变换计算得到所述的待测物体7的光谱和空间的图像。
5)只需更换新待测物体7，并重复所述的步骤4)即可获得新的待测物体7的光谱和空间的图像。
本发明原理简述如下：
液晶盒4在光正入射条件下的光程差Δ＝Δnl，这里Δn＝ne-n0＝n||-n⊥为双折射，光程中任一点经液晶盒4透射的这两种偏振光的相差为
Figure BDA0003063808010000051
式中，λ是光的波长。
如果液晶盒是处于两平行线性偏振器之间，并且，偏振轴与液晶光轴方向成45°，则透射光强由下式给出:
I＝I0(1-sin2(δ/2))
式中，I0是透射光强的极大值，由上式得出其极大值出现在
Figure BDA0003063808010000052
Figure BDA0003063808010000053
透射光强I随外电压的变化而变化。透射光强呈现一系列极小和极大值，它取决于不同的光程差。利用透射率公式即可得到相位差随时间的变化曲线。
利用上述实验过程，得到透射光强与时间的关系曲线，如图3(a)所示。再将所得的光强曲线进行分段归一，得到透过率曲线，如图3(b)，利用透过率与相位差关系，得到图3(c)，但由于其为包裹相位，需对其进行相位解包裹。
输出光的相对强度与延迟量成余弦关系，因此，由此关系得到的相位延迟量曲线必然不是单调变化的分布，因此需要进一步进行相位解包裹处理，具体包括以下几个方面：
(a)将实验结果进行平滑处理，消除曲线上不连续及突变值。
(b)确定相位改变量曲线上需要修正的相位突变处曲线部分，如图4(b)中部分解包裹曲线C部分。
(c)确定相位改变量曲线上需要乘-1操作进行平滑处理的曲线部分，如图4(a)中曲线A部分所示。
(d)对于相位延迟量超过π的部分，相位通过以下公式进行修正
Figure BDA0003063808010000054
其中，
Figure BDA0003063808010000055
是当前相位改变量曲线的最大值，
Figure BDA0003063808010000056
是需要修正的相位改变量值，
Figure BDA0003063808010000057
是修正后的相位改变量值。在求解的过程中需要不断的重复过程(d)，以得到最终的单调分布，于是可得到弛豫时间与相位差的改变关系曲线。如图4(c)所示。利用光程差与相位差的关系，即可得到弛豫时间与光程差的关系曲线。
图2是本发明中基于液晶弛豫特性的成像实验装置图。由图可见，本系统的测量结构包括：激光光源1、准直器2、起偏器3、液晶盒4、信号发生器5、检偏器6、待测物体7、成像透镜组8、CCD探测器9、PC端10。光源发出的光经过准直透镜2变成平行光。然后光束通过起偏器3又通过液晶4变成两束强度相同、偏振方向垂直且具有稳定延迟差的光束，两束光经过检偏器6发生干涉，干涉光由CCD探测器9接受。结合图2实验装置得到的弛豫时间与光程差的关系，将CCD探测器接收到的数据导入PC端10处理，得到光谱和空间的图像。
其原理简述如下：
干涉型光谱成像利用干涉强度-延时曲线与光谱强度-波长曲线之间的傅里叶变换关系来获得光谱曲线。不论是时间调制型、空间调制型、时空联合调制型中任一种光谱成像，尽管它们在光路结构上各有不同，它们的物理原理基本相同。
数学上，当有以下关系式：
Figure BDA0003063808010000061
式中，ξ,η分别代表时间和频率，F(ξ),f(η)为一对傅里叶变换对。
当两束传播方向相同，振幅相同，频率相同的单色光发生干涉时，单色光干涉光强表达式为：
I＝2I0(1+cos(2πσΔ))
式中，Δ代表光程差，σ代表波数。
基于光谱干涉原理，当两束光谱相同、强度相同的复色光发生光谱干涉时，其强度为每个波长干涉后强度的叠加，表达式为：
Figure BDA0003063808010000062
式中，B(σ)为复色光的光谱，式中的交流成分为：
Figure BDA0003063808010000063
由此可得I(Δ)和B(σ)是一对傅里叶变换对。对上式进行对称，并稍加化简可得：
Figure BDA0003063808010000064
式中，τ为两路光之间的延时，ν为频率。因此可得光谱的表达式为：
Figure BDA0003063808010000071
所以，只要测得不同延迟时干涉光的强度曲线，就可以通过傅里叶变换计算得到对应的光谱曲线。
根据上述实验，利用液晶的弛豫特征可以得到弛豫时间与相位差关系曲线。通过相位差与光程差之间的关系，光程差与液晶弛豫时间一一对应，可以得到液晶弛豫时间与光程差的关系曲线。探测器可接收不同弛豫时刻的干涉光强，对应不同延迟时干涉光的强度，如图5(a)所示。最后通过干涉数据的预处理、切趾、傅里叶变换复原光谱,如图5(b)与(c)所示。
图6是基于干涉光谱成像，对原始图像光谱数据进行了光谱重构的模拟。原始光谱数据取自公开的高光谱图像数据库ICVL。图6(a)是原始图像。图6(b)是原始的光谱数据画的图，图6(d)红线是空间坐标(126,91)处的光谱。用原始数据生成干涉数据，设定光程差上限为1.8×10-5m。再经过去趋势项、高斯切趾、对称以及傅里叶变换得到恢复的光谱数据，过程如图6(c)，结果为图6(d)的红线。图6(b)的恢复结果是图6(e)。在空间上，恢复图像与原图像相似。在光谱上，恢复光谱的大体波动正确，而细节恢复得不完整，这是由于延时上限导致的光谱分辨率不足。

Claims (4)

1.一种基于液晶的快速光谱成像系统，其特征在于包括激光光源(1)、准直器(2)、起偏器(3)、液晶盒(4)、信号发生器(5)、检偏器(6)、待测物体(7)、成像透镜组(8)、CCD探测器(9)和PC机(10)，所述的起偏器(3)的偏振轴方向设置为相对于所述的液晶盒(4)光轴方向呈45°，所述的激光光源(1)宽光谱光源，沿所述的激光光源(1)的激光输出方向依次是所述的准直器(2)、起偏器(3)、液晶盒(4)、检偏器(6)、待测物体(7)、成像透镜组(8)、CCD探测器(9)，断开在所述的液晶盒(4)的两端由所述的信号发生器(5)发出的交流稳压信号，所述的CCD探测器(9)的输出端与所述的PC机(10)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的快速光谱成像系统，其特征在于所述的检偏器(6)与起偏器(3)的光轴方向平行或垂直。
3.根据权利要求1所述的基于液晶的快速光谱成像系统，其特征在于所述的液晶盒(4)为厚液晶，根据实验要求所述的液晶盒(4)由多个液晶盒构成，数量可以变化，光轴方向也可改变。
4.权利要求1所述的基于液晶的快速光谱成像系统的使用方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将所述的激光光源(1)设置为窄带光源，沿该窄带光源输出的激光方向依次设置所述的准直透镜(2)、起偏器(3)、液晶盒(4)、检偏器(6)和光电探测器(11)，断开在所述的液晶盒(4)的输入端与输出端之间由所述的由信号发生器5发出的交流稳压信号，所述的光电探测器(11)的输出端与所述的示波器(12)的输入端相连，所述的窄带光源发出的激光经所述的准直透镜(2)变成平行光，进入所述的起偏器(3)，调整所述的起偏器(3)、检偏器(6)的偏振轴，并使所述的起偏器(3)、检偏器(6)的偏振轴与所述的液晶盒(4)的光轴方向成45°夹角，所述的平行光经过所述的液晶盒(4)、检偏器(6)由所述的光电探测器(11)接收，通过所述的示波器(12)进行观察；
2)将所述的示波器(12)获得的干涉数据导入所述的PC机(10),该PC机(10)对导入的数据进行处理，获得所述的液晶盒(4)的弛豫光程差关系图；
3)撤去所述的光电探测器(11)与示波器(12)，将所述的激光光源(1)改换宽光谱光源，在所述的检偏器(6)的输出光方向依次加入待测物体(7)、成像透镜组(8)和CCD探测器(9)，所述的待测物体(7)的像呈现在所述的CCD探测器(9)上，该CCD探测器(9)的输出端与所述的PC机(10)的输入端相连；
4)所述的CCD探测器(9)在确保采样间隔满足奈奎斯特采样定理的情况下得到所述的待测物体的干涉图输入所述的PC机(10)，该PC机(10)通过傅里叶变换计算得到所述的待测物体(7)的光谱和空间的图像；
5)更换新待测物体(7)，并重复所述的步骤4)即可获得新的待测物体(7)的光谱和空间的图像。
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