CN117348241A - 一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液晶电子器件领域，具体涉及一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法，本方法首先确定初始结构参数；其次，根据透射波长数量和增益波长与主波长的位置关系推导出各种情况透射因子的计算公式；然后，将计算得到的各级联液晶所需引进的延迟量通过软件调控反馈给施加在各级联液晶外部的控制单元，以此驱动液晶光学参数改变；最终实现液晶可调谐滤波器多波长透射。透射因子是影响宽波段透射波长数量的主要参数。本发明可以精确的计算液晶可调谐滤波器不同透射波长的透射因子，可以理论指导多波长液晶可调谐滤波器设计。
Description
技术领域
本发明涉及液晶电子器件技术领域，具体涉及一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法。
背景技术
液晶可调谐滤波器是以液晶作为电控可调谐光学材料，具有连续电控调谐、调谐范围宽、功耗低、调谐速度高、结构紧凑和可靠性高等优势，一直是一个备受关注的研究领域。近几年来，它尤其被广泛应用于高光谱成像、通信以及显示成像等领域，液晶分子在电场作用下光学性质的改变为可调谐滤波应用于显示成像工业的发展开辟了新道路。
传统液晶可调谐滤波器具有较高的光谱分辨率和中心波长可调谐的优点，理论上，液晶可调谐滤波器的中心波长处能够达到100%透射。然而，实际应用过程中并不能达到100%透射，但是液晶材料和偏振片的光损耗作用导致系统的透射能量较低。因此，存在不能满足接收器件的光谱响应阈值的情况。目前，胆甾相液晶被广泛应用于多波长滤波器，利用手性螺旋结构固有的布拉格反射特性可实现多波长可调谐滤波，但是其设计的中心反射波长存在一定的偏移量，且中心波长不可调谐，故不能满足我们的需求。因此，多波长液晶可调谐滤波器具备的主波长透射协同增益波长透射的共同透射的特征能够很好的解决上述问题，具有重要的应用价值。然而，具体怎么样实现宽波段Lyot型液晶可调谐滤波器的多波长透射方法尚未有报道，而透射因子Q p是影响宽波段多透射波长数量的主要参数，改变Q p将直接影响透射波长数量及m峰值位置。目前，尚未有宽波段Lyot型液晶可调谐滤波器的Q p设计方法。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法。
一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法，包括以下步骤：
S1：确定初始参数，初始参数具体包括：透射波长数量m、光谱范围λmin~λmax、级联层数N，和增益波长数量m g=m-1；
S2：计算透射因子Q p的值，具体为：在λmin~λmax宽波段内计算增益波长不同位置情况导致Q p值；
S3：设计Q p值，具体为：判断步骤S2中是否存在满足条件的Q p值，若满足条件则进行步骤S4；若不满足条件则调整透射波长数量或降低调谐精度，并重复步骤S2及S3；
S4：计算宽波段各主波长λ c的增益波长，具体为：以主波长所在位置为基准，计算增益波长递增方向第i个增益波长λ inc_i，以及计算增益波长递减方向第j个增益波长λ dec_j；
S5：将单层结构级联在一起，计算各级联液晶所需引进的延迟量；
S6：进行全波段仿真验证，计算宽波段的光谱透过率T。
进一步，所述步骤S2中在λmin~λmax宽波段内计算增益波长不同位置情况导致Q p值分为以下三种情况：
若增益波长均位于波长递增方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(1)；
若递增、递减方向均有增益波长，此时透射波长数量m满足关系式，则Q p值满足条件：
(2)；
若增益波长均位于波长递减方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(3)；
其中，“”表示向上取整数，“/>”表示向下取整数。
进一步，所述步骤S3中的判断标准为：光谱范围内透射波长数量是否为m，若光谱范围内透射波长数量为m则存在满足条件的Q p值，若光谱范围内透射波长数量不为m，则不存在满足条件的Q p值。
进一步，所述步骤S4中增益波长递增方向第i个增益波长λ inc_i的计算公式为：
(4)。
进一步，所述步骤S4中增益波长递减方向第j个增益波长λdec_的计算公式为：
(5)。
进一步，所述步骤S5中各级联液晶所需引进的延迟量的计算公式为：
(6)。
进一步，所述步骤S6中宽波段的光谱透过率T的计算公式为：
(7)。
本发明还包括一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明还包括一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明的有益效果为：本发明可以精确的计算液晶可调谐滤波器不同透射波长的透射因子，可以理论指导多波长液晶可调谐滤波器设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图；
图2为双波长液晶可调谐滤波器透过率曲线图；
图3为主波长λ c、透射因子Q p值与增益波长数量m g关系的气泡图；
图4为三波长液晶可调谐滤波器透过率曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法，包括以下步骤：
S1：确定初始参数，初始参数具体包括：透射波长数量m、光谱范围λmin~λmax、级联层数N，和增益波长数量m g=m-1；本实施例中透射波长数量为m=2，宽光谱范围为450~750nm,系统级联数为N=4，则增益波长数量为m g=1；
S2：计算透射因子Q p的值，具体为：在λmin~λmax宽波段内计算增益波长不同位置情况导致Q p值；在450~470nm波段内增益波长位置仅存在位于递增方向或者递减方向两种情况：
（a）全部位于递增方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(1) ；
（b）全部位于递减方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(3) ；
其中，“”表示向上取整数，“/>”表示向下取整数。
根据句公式(1)和(3)计算得到的各主波长的Q p取值范围如下表所示。
表1 各主波长的Q p取值范围
S3：设计Q p值，具体为：判断步骤S2中是否存在满足条件的Q p值，判断标准为：光谱范围内透射波长数量是否为m，若光谱范围内透射波长数量为m则存在满足条件的Q p值，若光谱范围内透射波长数量不为m，则不存在满足条件的Q p值。若满足条件则进行步骤S4；若不满足条件则调整透射波长数量或降低调谐精度，并重复步骤S2及S3；光谱调谐精度为1nm是全谱段均存在符合条件的Q p值，双波长液晶可调谐滤波器的具体Q p值设计如表2所示。
表2 双波长液晶可调谐滤波器的Q p设计值
“+”表示递增方向，“-”表示递减方向。
S4：计算宽波段各主波长λ c的增益波长，具体为：以主波长所在位置为基准，计算增益波长递增方向第i个增益波长λ inc_i，以及计算增益波长递减方向第j个增益波长λ dec_j；
波长递增方向第i个增益波长λ inc_i为：
(4)；
波长递减方向第j个增益波长λ dec_j为：
(5)；
宽波段各主波长λ c协同透射的增益波长大小和位置如表2所示。
S5：将单层结构级联在一起，计算各级联液晶所需引进的延迟量；
(6)；
S6：进行全波段仿真验证，计算宽波段的光谱透过率T；
(7)
通过上述过程，实现液晶可调谐滤波器系统双波长透射，透过率曲线如图2所示。
图2是双波长液晶可调谐滤波器透射率曲线，其中深灰色覆盖区域为主波长透射区域，浅灰色覆盖区域为增益波长透射区域。由此可见，各主波长设计合理的Q p值可以实现宽波段双波长透射。透射的双波长能够有效错开，且透射波长之间产生了抑制光透过的带间间隙。考虑偏振片和液晶材料的光损耗，增益波长透过率最大透过率可达到40%左右，可见，增益波长所携带的透射能量作为增益能量能够有效的提高系统的透射能力。
实施例2
本实施例中方法步骤与实施例1中相同，部分步骤细节在此不再赘述，
S1：确定初始参数，宽光谱范围为450~750nm,透射波长数量为m=3，系统级联数为N=3。 则增益波长数量为m g=2。
S2：根据经验给定透射因子Q p取值范围为2~8。在450~470nm波段内增益波长位置存在(a)全部位于递增方向;(b) 递减方向与递减方向均有;(c) 全部位于递减方向，三种情况。
(a)全部位于递增方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(1) ；
(b)递增、递减方向均有增益波长，此时透射波长数量m满足关系式，则Q p值满足条件：
(2)；
(c)全部位于递减方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(3) ；
S3：设计合理的Q p值，针对光谱调谐精度为1nm进行全谱段计算分析，可知在514~534nm和600~625nm波段不能够实现三波长的光谱透射。根据实际应用需求调整透射波长数量或者降低调谐精度为30nm，再重复此步骤二、三。
S4：计算宽波段各主波长λ c的增益波长，以主波长所在位置为基准，波长递增方向第i个增益波长λ inc_i为：
(4)；
同理，波长递减方向第j个增益波长λ dec_j为：
(5)；
将位于450~750nm波段内的增益数量叠加，得到更加直观的主波长λ c、透射因子Q p值与增益透射波长m g三者之间的关系，如图3所示。其中圆点大小差异表征增益波长数量m g的差异，方框区域取值满足三波长透射需求。即主波长为750nm时Q p值为3，主波长为690nm和720nm时Q p值为4，主波长为450nm、540nm、570nm、600nm、630nm和660nm时Q p值为5；主波长为480nm时Q p值为6，主波长为510nm时Q p值为7。
步骤五：计算各级联液晶所需引进的延迟量：
(6)；
其中，N为级联层数。
步骤六：全波段仿真验证，计算宽波段的光谱透过率为：
(7)；
通过上述过程，实现液晶可调谐滤波器系统三波长透射，透过率曲线如图4所示。
图4是三波长液晶可调谐滤波器透射率曲线，其中深灰色覆盖区域为主波长透射区域，浅灰色覆盖区域为其中一个增益波长透射区域，白色覆盖区域为另一个增益波长透射区域。显而易见，当主波长为450nm时增益波长均位于在递增方向，当主波长为750nm时增益波长位于递减方向，而当主波长为600nm时两方向均存在增益波长。考虑偏振片和液晶材料的光损耗，其中一增益波长透过率最大可达到40%左右，另一增益波长透过率最大可达到30%左右。可见，增益波长越多，所携带的增益透射能量越多，多波长液晶可调谐滤波器的能量透射能力越强。但是Q p值设计也相对复杂。
本发明还包括一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法的步骤。
本发明还包括一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid statedisc，SSD））等。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种应用于多波长液晶可调谐滤波器的透射因子设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定初始参数，初始参数具体包括：透射波长数量m、光谱范围λmin~λmax、级联层数N，和增益波长数量m g=m-1；
S2：计算透射因子Q p的值，具体为：在λmin~λmax宽波段内计算增益波长不同位置情况导致Q p值；
S3：设计Q p值，具体为：判断步骤S2中是否存在满足条件的Q p值，若满足条件则进行步骤S4；若不满足条件则调整透射波长数量或降低调谐精度，并重复步骤S2及S3；
S4：计算宽波段各主波长λ c的增益波长，具体为：以主波长所在位置为基准，计算增益波长递增方向第i个增益波长λ inc_i，以及计算增益波长递减方向第j个增益波长λ dec_j；
S5：将单层结构级联在一起，计算各级联液晶所需引进的延迟量；
S6：进行全波段仿真验证，计算宽波段的光谱透过率T。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中在λmin~λmax宽波段内计算增益波长不同位置情况导致Q p值分为以下三种情况：
若增益波长均位于波长递增方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(1)；
若递增、递减方向均有增益波长，此时透射波长数量m满足 关系式，则Q p值满足条件：
(2)；
若增益波长均位于波长递减方向，此时递增方向增益波长数量为，递增方向增益波长数量为/>，Q p值满足条件：
(3)；
其中，“”表示向上取整数，“/>”表示向下取整数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的判断标准为：光谱范围内透射波长数量是否为m，若光谱范围内透射波长数量为m则存在满足条件的Q p值，若光谱范围内透射波长数量不为m，则不存在满足条件的Q p值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中增益波长递增方向第i个增益波长λ inc_i的计算公式为：
(4)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中增益波长递减方向第j个增益波长λdec_的计算公式为：
(5)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中各级联液晶所需引进的延迟量的计算公式为：
(6)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中宽波段的光谱透过率T的计算公式为：
(7)。
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1554111A (zh) * | 2001-07-12 | 2004-12-08 | 提供用于半导体晶片的真空紫外波长平面发光图形的可调辐射源 | |
| CN111788462A (zh) * | 2018-03-18 | 2020-10-16 | 尤尼斯拜特罗有限责任公司 | 根据宽带光谱图像生成窄带光谱图像 |
| CN112086857A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-15 | 哈尔滨工业大学 | 连续可调谐激光拼接位置的获取方法及装置以及对应的连续可调谐激光的输出方法及装置 |
| CN115097569A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-09-23 | 深圳大学 | 基于氮化硅的微环-亚波长光栅可调谐滤波器 |
| CN115390293A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-11-25 | 长春理工大学 | 一种应用于激光通信的多通带液晶可调谐滤光方法 |
| CN115812169A (zh) * | 2020-05-08 | 2023-03-17 | 哈佛学院院长及董事 | 基于波长可调谐超表面的外腔激光器 |
-
2023
- 2023-12-04 CN CN202311639657.8A patent/CN117348241B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117348241B (zh) | 2024-02-13 |
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