CN116675908B - 集成式偏振滤光器、成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成式偏振滤光器、成像系统，主要解决现有偏振滤光器存在结构和工艺复杂、体积较大、成本较高的技术问题。本发明的集成式偏振滤光器将偏振和滤光两大光学模块集成为一体，并采用以下方法制备：步骤1、制备纳米纤维素；步骤2、制备纳米纤维素液晶；步骤3、制备一维表面等离激元纳米颗粒‑纳米纤维素液晶复合物；步骤4、制备阵列基底；步骤5、加注复合物；步骤6、液晶取向调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振滤光器，具体涉及集成式偏振滤光器、成像系统。
背景技术
偏振光谱成像技术作为一种融合光谱、偏振和空间等多维信息的成像技术，在目标识别、智能农业、矿物勘探、远程医疗和海洋赤潮探测等领域受到广泛关注。
现有偏振滤光器通常采用分立式偏振模块与分光模块，存在结构复杂、体积较大等问题，难以满足轻小型化的发展要求。现有利用电子束曝光技术制作的基于亚波长超结构的单片集成式偏振滤光器可有效减小器件尺寸，但存在工艺复杂，成本高昂，产能低等问题。因此，亟待研制易量产、价廉、可市场化的单片集成式偏振滤光器，突破高集成度偏振滤光器的核心技术并满足实际生产的需求。
发明内容
本发明的目的是解决现有偏振滤光器存在结构和工艺复杂、体积较大、成本较高的技术问题，而提供集成式偏振滤光器、成像系统。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种集成式偏振滤光器，采用以下方法制备：
步骤1、制备纳米纤维素；
在预设温度下加热溶解N份含有预设质量脱脂棉的预设浓度硫酸溶液，同时进行磁力搅拌，在加热搅拌预设时间后分别加入去离子水，得到N份纳米纤维素悬浊液；N为大于等于4的整数；
步骤2、制备纳米纤维素液晶；
将N份纳米纤维素悬浊液先以第一预设条件进行离心处理，再进行透析处理，最后以第二预设条件进行离心处理，去除上清液后得到N份第一预设容量的纳米纤维素液晶；
步骤3、制备一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物；
调节N份纳米纤维素液晶的pH值均为预设值，再将预先准备的N种不同长径比一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液分别以第三预设条件进行离心处理，去除上清液后得到N种第二预设容量的浓缩悬浊液；将N种浓缩悬浊液分别加入N份纳米纤维素液晶中，搅拌均匀后得到N种不同工作波段的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物；
步骤4、制备阵列基底；
所述阵列基底包括m×m个基底单元，每个基底单元包括N个子基底；m为大于1的整数；
步骤5、加注复合物；
在阵列基底中每个基底单元的N个子基底上，分别加注所制备的N种不同工作波段的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物，构成一个滤光单元；
步骤6、液晶取向调控；
将阵列基底上的m×m个滤光单元按照各自的预设方向分别进行取向调控，并在预设加热温度下加热烘干预设加热时间，得到m×m个偏振滤光单元，即集成式偏振滤光器。
进一步地，在步骤1中，所述预设温度为44～48℃，预设时间为55～65分钟，预设浓度为63%～68%，预设质量的百分比值为6.0%～6.2%，磁力搅拌的转速为800～900rpm；
在步骤2中，所述第一预设条件为离心转速8500～9500rpm、离心时间9～11分钟，第二预设条件为离心转速120000～140000rpm、离心时间38～42分钟，第一预设容量为0.5～1mL；
在步骤3中，所述pH值为9.5～10.5，第三预设条件为离心转速3～5rpm、离心时间2.5～3.5分钟，第二预设容量为0.1～0.2mL；
在步骤6中，所述预设方向分别为0度、45度、90度和135度，预设加热温度为65～75℃，预设加热时间为28～32分钟。
进一步地，在步骤1中，所述预设温度为46℃，预设时间为1小时，预设浓度为65%，预设质量的百分比值为6.1%，磁力搅拌的转速为850rpm；
在步骤2中，所述第一预设条件为离心转速9000rpm、离心时间10分钟；第二预设条件为离心转速135000rpm、离心时间40分钟，第一预设容量为0.5mL；
在步骤3中，所述pH值为10，第三预设条件为离心转速4rpm、离心时间3分钟，第二预设容量为0.1mL；
在步骤6中，所述预设加热温度为70℃，预设加热时间为30分钟；
所述步骤4具体为：按照清洁石英基底、匀胶、前烘、光刻、后烘、显影和坚膜的工艺步骤制备阵列基底。
进一步地，所述一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液采用金纳米棒、金纳米线、银纳米棒、银纳米线、铜纳米棒或铜纳米线制备。
本发明还提供了一种成像系统，包括物镜，及沿物镜出射光路依次设置的偏振滤光器和面阵探测器；
所述物镜用于接收待测物体的反射光，将其准直成平行光后，出射至偏振滤光器；
所述偏振滤光器为前述的集成式偏振滤光器，且设置于面阵探测器的焦面上；
所述面阵探测器用于接收偏振滤光器的出射光，并进行偏振光谱成像。
进一步地，所述面阵探测器为CCD或COMS面阵相机，其探测元数目等于子基底的数目。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明设置的集成式偏振滤光器采用集成式结构，将偏振和滤光两个光学模块集成为一体，解决了现有分立式偏振片与滤光片尺寸较大、结构复杂的问题，实现了偏振滤光器轻量化、微型化和集成化的目的；并且可以对偏振和光谱信息同时进行探测。
2.本发明设置的集成式偏振滤光器充分利用液晶长程取向与表面等离激元共振的可调控性，并结合紫外微光刻技术，其制备工艺成熟、便捷，可显著减低成本，易实现批量化工业生产。
3.本发明将集成式偏振滤光器设置在面阵探测器的焦面上，可以对出射光的偏振、光谱等信息进行实时探测，进一步提高系统的集成度、信息容量和探测精度。
附图说明
图1是本发明成像系统实施例的结构示意图；
图2是本发明成像系统实施例中偏振滤光器和面阵探测器的结构示意图；
图3是本发明集成式偏振滤光器实施例的制备流程图；
图4是本发明实施例中一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物的显微图；
图5是本发明实施例中滤光单元的透射偏振图。
图中：1-物镜，2-偏振滤光器，3-面阵探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的集成式偏振滤光器、成像系统作进一步详细说明。
本实施例提供了一种集成式偏振滤光器，参考图3，采用以下方法制备：
步骤1、制备纳米纤维素；
在预设温度（44～48℃）下加热溶解4份含有预设质量脱脂棉（预设质量的百分比值为6.0%～6.2%）的预设浓度（63%～68%）硫酸溶液，同时进行磁力搅拌（转速为800～900rpm），在加热搅拌预设时间（55～65分钟）后分别加入去离子水，得到4份纳米纤维素悬浊液；
由于硫酸浓度小于63%无法制备纳米纤维素悬浊液，大于68%脱脂棉完全水解无法得到纳米纤维素悬浊液；因此，在本实施例中，所使用硫酸溶液的浓度为63%-68%,进一步优选硫酸溶液的浓度为65%；并且优选预设质量的百分比值为6.1%；综上，本实施例具体为：在46℃的水浴加热溶解4份含有6.5克脱脂棉的70mL浓度为65%的硫酸溶液，同时进行磁力搅拌，磁力搅拌的转速为850rpm；加热搅拌1小时后，再分别加入70mL去离子水，得到4份纳米纤维素悬浊液。
步骤2、制备纳米纤维素液晶；
将4份纳米纤维素悬浊液先以第一预设条件（第一预设条件为离心转速8500～9500rpm、离心时间9～11分钟）进行离心处理，再进行透析处理，最后以第二预设条件（第二预设条件为离心转速120000～140000rpm、离心时间38～42分钟）进行离心处理，去除上清液后得到4份第一预设容量（0.5～1mL）的纳米纤维素液晶；
本实施例具体为：将4份纳米纤维素悬浊液先以离心转速为9000rpm、离心时间为10分钟的第一预设条件进行离心处理，再进行透析处理（透析膜的截留分子量为1200），最后以离心转速为135000rpm、离心时间为40分钟的第二预设条件进行离心处理，去除上清液后得到4份0.5mL的纳米纤维素液晶；
步骤3、制备一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物；
调节4份纳米纤维素液晶的pH值均为预设值（9.5～10.5），再将预先准备的4种不同长径比一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液分别以第三预设条件（第三预设条件为离心转速3～5rpm、离心时间2.5～3.5分钟）进行离心处理，去除上清液后得到4种浓缩悬浊液；将4种第二预设容量（0.1～0.2mL）的浓缩悬浊液分别加入对应的纳米纤维素液晶中，搅拌均匀后得到4种不同工作波段（工作波段与一维表面等离激元纳米颗粒的长径比正相关，可覆盖可见光至红外光波段）的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物；
本实施例具体为：将1mol/L的氢氧化钠溶液加入到纳米纤维素液晶中，调节纳米纤维素液晶的pH值为10，从而得到高pH值纳米纤维素液晶；再将预先准备的4种不同长径比一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液分别以离心转速4rpm、离心时间3分钟的第三预设条件进行离心处理，分别去除上清液后得到4种0.1 mL的浓缩悬浊液；将4种浓缩悬浊液分别加入到4份高pH值纳米纤维素液晶中，搅拌均匀后得到4种不同工作波段的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物，参考图4；
其中，一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液采用金纳米棒、金纳米线、银纳米棒、银纳米线、铜纳米棒或铜纳米线制备而成。
步骤4、制备阵列基底；
在本实施例中，采用紫外微光刻技术，按照清洁石英基底、匀胶、前烘、光刻、后烘、显影和坚膜的工艺步骤制备阵列基底。所制备的阵列基底包括m×m个基底单元，每个基底单元包括N个子基底；m为大于1的整数；前述N的取值为4，因此此处m的取值为2。
步骤5、加注复合物；
在阵列基底中每个基底单元的4个子基底上，分别加注所制备的4种不同工作波段的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物，构成一个滤光单元。参照图5，典型蓝色的滤光单元的透射偏振图呈现出平行排列的蓝色偏振敏感性。
步骤6、液晶取向调控；
将阵列基底上的m×m个滤光单元按照各自的预设方向分别进行取向调控，并在预设加热温度（65～75℃）下加热烘干预设加热时间（28～32分钟），得到m×m个偏振滤光单元，即集成式偏振滤光器；
本实施例具体为：将阵列基底上的4个滤光单元按照各自的预设方向（4个滤光单元的预设方向分别为0度、45度、90度和135度）分别进行取向调控，并在70℃的加热板上加热30分钟进行烘干，得到2×2个偏振滤光单元，即集成式偏振滤光器。
通过本发明提供的集成式偏振滤光器可以完成工作波段为 、 />、 />和 />的光谱和偏振态为S0゜ 、S45゜ 、S90゜ 和 S135゜的偏振光信息探测；并且体积小、重量轻、集成度高、制备流程简单。
基于前述的集成式偏振滤光器，本实施例提供了一种成像系统，如图1和图2所示，该成像系统包括物镜1，及沿物镜1出射光路依次设置的偏振滤光器2和面阵探测器3。
物镜1用于接收待测物体的反射光，将其准直成平行光后，出射至偏振滤光器2。偏振滤光器2采用前述的集成式偏振滤光器，偏振滤光器2设置于面阵探测器3的焦面上。
面阵探测器3用于接收偏振滤光器2的出射光并对其进行偏振光谱成像，面阵探测器3为面阵光电转换装置；在本实施例中，具体为CCD或COMS面阵相机，面阵探测器3中探测元的数目等于阵列基底中子基底的数目。
在使用时，通过精密对准互连方法将子基底与面阵探测器3的探测元一一对准，对XY二维空间进行推扫来实现工作波段为光谱和偏振态为 S0゜ 、S45゜ 、S90゜ 和 S135゜的偏振光探测成像。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种集成式偏振滤光器，其特征在于，采用以下方法制备：
步骤1、制备纳米纤维素；
在预设温度下加热溶解N份含有预设质量脱脂棉的预设浓度硫酸溶液，同时进行磁力搅拌，在加热搅拌预设时间后分别加入去离子水，得到N份纳米纤维素悬浊液；N为大于等于4的整数；
所述预设温度为44～48℃，预设时间为55～65分钟，预设浓度为63％～68％，预设质量的百分比值为6.0％～6.2％，磁力搅拌的转速为800～900rpm；
步骤2、制备纳米纤维素液晶；
将N份纳米纤维素悬浊液先以第一预设条件进行离心处理，再进行透析处理，最后以第二预设条件进行离心处理，去除上清液后得到N份第一预设容量的纳米纤维素液晶；
所述第一预设条件为离心转速8500～9500rpm、离心时间9～11分钟，第二预设条件为离心转速120000～140000rpm、离心时间38～42分钟，第一预设容量为0.5～1mL；
步骤3、制备一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物；
调节N份纳米纤维素液晶的pH值均为预设值，再将预先准备的N种不同长径比一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液分别以第三预设条件进行离心处理，去除上清液后得到N种第二预设容量的浓缩悬浊液；将N种浓缩悬浊液分别加入N份纳米纤维素液晶中，搅拌均匀后得到N种不同工作波段的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物；
所述pH值为9.5～10.5，第三预设条件为离心转速3～5rpm、离心时间2.5～3.5分钟，第二预设容量为0.1～0.2mL；
步骤4、制备阵列基底；
所述阵列基底包括m×m个基底单元，每个基底单元包括N个子基底；m为大于1的整数；
步骤5、加注复合物；
在阵列基底中每个基底单元的N个子基底上，分别加注所制备的N种不同工作波段的一维表面等离激元纳米颗粒-纳米纤维素液晶复合物，构成一个滤光单元；
步骤6、液晶取向调控；
将阵列基底上的m×m个滤光单元按照各自的预设方向分别进行取向调控，并在预设加热温度下加热烘干预设加热时间，得到m×m个偏振滤光单元，即集成式偏振滤光器；
所述预设方向分别为0度、45度、90度和135度，预设加热温度为65～75℃，预设加热时间为28～32分钟。
2.根据权利要求1所述的集成式偏振滤光器，其特征在于：
在步骤1中，所述预设温度为46℃，预设时间为1小时，预设浓度为65％，预设质量的百分比值为6.1％，磁力搅拌的转速为850rpm；
在步骤2中，所述第一预设条件为离心转速9000rpm、离心时间10分钟；第二预设条件为离心转速135000rpm、离心时间40分钟，第一预设容量为0.5mL；
在步骤3中，所述pH值为10，第三预设条件为离心转速4rpm、离心时间3分钟，第二预设容量为0.1mL；
在步骤6中，所述预设加热温度为70℃，预设加热时间为30分钟；
所述步骤4具体为：按照清洁石英基底、匀胶、前烘、光刻、后烘、显影和坚膜的工艺步骤制备阵列基底。
3.根据权利要求1或2所述的集成式偏振滤光器，其特征在于：
所述一维表面等离激元纳米颗粒的悬浊液采用金纳米棒、金纳米线、银纳米棒、银纳米线、铜纳米棒或铜纳米线制备。
4.一种成像系统，其特征在于：包括物镜(1)，及沿物镜(1)出射光路依次设置的偏振滤光器(2)和面阵探测器(3)；
所述物镜(1)用于接收待测物体的反射光，将其准直成平行光后，出射至偏振滤光器(2)；
所述偏振滤光器(2)为权利要求1-3任一所述的集成式偏振滤光器，且设置于面阵探测器(3)的焦面上；
所述面阵探测器(3)用于接收偏振滤光器(2)的出射光，并进行偏振光谱成像。
5.根据权利要求4所述的成像系统，其特征在于：
所述面阵探测器(3)为CCD或COMS面阵相机，其探测元数目等于子基底的数目。
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