CN203688946U - 一种液晶电控可调滤光片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种液晶电控可调滤光片，包括液晶可调滤光片和驱动控制器，所述液晶可调滤光片为多级级联结构，由偏振片与电控液晶波片和固定位相延迟片依次相互平行排列、间隔叠放，形成多级，但第一级中可以设置或不设置固定位相延迟片；其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有电控液晶波片的快轴方向与所有偏振片透射偏振光方向成45°角；每级结构中电控液晶波片由驱动控制器控制，加载不同幅值的交流过压驱动信号。本液晶电控可调滤光片具有快速光谱扫描和成像的特点，可有效提高光谱扫描速度和光谱成像帧频，极大地拓展液晶电控可调滤光片在遥感探测、医学诊断、环保监测、农林普查等领域的应用范围。

Description

一种液晶电控可调滤光片

技术领域

本实用新型属于光谱成像技术领域，具体涉及用于光谱扫描的液晶电控可调滤光片。

背景技术

相比滤光片轮型、干涉型、色散型以及声光可调谐型的光谱成像设备，基于液晶电控可调滤光片的光谱成像设备具有体积小、重量轻、功耗低等优点。但受限于驱动方式和液晶材料等因素的影响，其光谱扫描速度较慢，光谱成像帧频一般为10-20帧/秒，当液晶可调滤光片的通光口径较大时，采用常规驱动方式，响应时间一般可达到几百毫秒。对于动态光谱成像来说，在很大程度上制约光谱成像***获取光谱信息的时间，对后续图像处理带来很大的难度，例如需要进行图像配准、几何校正等一系列相关算法的支撑，还将对光谱图像的分辨率和光谱信息提取和识别带来较大的影响。因此，提高液晶可调滤光片的光谱扫描速度对于光谱成像技术的应用具有重要意义。

目前，美国CRI公司提供的光谱成像设备响应时间一般在50ms-150ms，成像帧频在7-20帧/秒，在对运动物体或需要目标较长时间（~100s）保持静止的情况下，进行光谱扫描成像时，光谱扫描速度慢会导致光谱图像模糊和光谱数据提取不准，影响光谱识别的结果，严重影响了基于液晶电控可调滤光片的光谱成像设备在遥感探测、医学诊断、环保监测、农林普查等领域的应用。

发明内容

本实用新型提供一种液晶电控可调滤光片，采用过压驱动方式，实现液晶可调滤光片的快速光谱扫描，其响应时间可提高到小于20ms，相应的光谱成像帧频达到50帧/秒以上，极大地拓展液晶可调滤光片的应用领域。

本实用新型的技术方案如下：

    一种液晶电控可调滤光片，其包括液晶可调滤光片和驱动控制器。所述液晶可调滤光片为多级级联结构，包括：一组电控液晶波片、一组固定位相延迟片和一组偏振片；所述偏振片与电控液晶波片和固定位相延迟片相互平行排列、间隔叠放，形成多级，但第一级中可以设置或不设置固定位相延迟片。其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有电控液晶波片的快轴方向与所有偏振片透射偏振光方向成45°角。每级结构中的液晶波片均由驱动控制器控制，所述驱动控制器为过压驱动控制器，加载不同幅值的交流过压驱动信号，V₂为液晶波片需要的驱动电压，V₃是先施加的过压驱动信号，V₃>V_2.,V₃的幅值范围在10-50V之间，V₂的电压幅值在0-10V之间。

    所述电控液晶波片可以采用单级片或多级片，单级片包括中间的向列相液晶层和两侧依次对称设置的取向膜、透明导电膜和透明基板，所述向列相液晶层两侧的取向膜摩擦方向反向平行，液晶层中的液晶分子沿面排列。多级片则是采用数量为偶数的电控液晶波片单级片和在所述液晶波片之间填充的折射率匹配液或匹配胶；其中所述的液晶波片以相邻两两相互反向平行的方式贴合，即相邻两液晶波片以垂直于通光面的方向为轴旋转180°后贴合。

由以上技术方案描述可见，本实用新型的液晶电控可调滤光片具有特殊的电压驱动结构，如果液晶可调滤光片中每一个液晶波片正常工作时需要的电压为V₂，对其驱动时首先施加一个持续时间t很短的窄脉冲，其幅度V₃>V₂，然后再施加V₂的电压，这样，相比与直接施加V₂相比，液晶波片响应时间的上升沿要短得多，大致与窄脉冲的持续时间相当。因此，对组成液晶可调滤光片中的每一个液晶波片在驱动控制器的作用下采用过压驱动的方式，其驱动方式如附图1所示，采用过压驱动，可实现液晶可调滤光片的快速光谱扫描，其响应时间可提高到小于20ms，相应的光谱成像帧频达到50帧/秒以上，可以有效提高液晶可调滤光片的光谱扫描速度和光谱成像帧频，液晶可调滤光片选择透过特定的光谱通带，并抑制通带外其它波长的光，可以实现快速的光谱扫描。

   同时本实用新型采用的电控液晶波片对光的入射角度不敏感，接收有效角度可达±20° ，接收有效角度大。因为两个液晶盒以预倾角相反的方式叠放，可以实现对不同角度入射的光进行自动光学延迟补偿，即光线经过这种结构时，第一个液晶盒里的离轴效应（离轴光线经过波片时，光学延迟量相对正入射有所变化，延迟变化量越大，波片的有效接收角就越小）基本被第二个液晶盒补偿过来了，这种自动补偿机制降低了液晶波片对光线离轴角的敏感性，因而可使其有效接收角度显著增大。另外波片的位相延迟量可通过电控方式精确控制。

本实用新型的液晶电控可调滤光片同目前的液晶可调滤光片相比，可以实现快速的光谱扫描，有效提高光谱扫描速度和光谱成像帧频，极大地拓展液晶电控可调滤光片在遥感探测、医学诊断、环保监测、农林普查等领域。

附图说明

图1为过压驱动方式示意图。

图2为液晶可调滤光片的结构和驱动示意图。

图3为单级液晶波片的结构示意图。

图4是多级液晶波片的结构示意图。

图5是多级液晶波片的测试光路图。

图6为一级液晶可调滤光片响应时间测量光路示意图。

图7A为厚度为4.8 mm的液晶波片在过压驱动下的光电响应时间测量结果。

图7B为厚度为8.0mm的液晶波片在过压驱动下的光电响应时间测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步进行详细的描述。

图2是本实用新型的快速光谱扫描液晶可调滤光片结构和驱动示意图，显示的是五级级联结构的液晶可调滤光片，其包括六片偏振片（1，2，3，4，5，6）、5片电控液晶波片（7，8，9，10，11）和四片固定位相延迟片（12，13，14，15），偏振片、电控液晶波片和固定位相延迟片依次相互平行排列、间隔叠放，一共形成五级，第一级没加固定位相延迟片。其中所有偏振片（1，2，3，4，5，6）的透射偏振光方向相互平行，所有电控液晶波片（7，8，9，10，11）的快轴方向与偏振片（1，2，3，4，5，6）透射偏振光方向成45°角。

每级结构中液晶波片由驱动控制器控制。图2右侧为加载在液晶可调滤光片每级结构中电控液晶波片上的电压驱动信号的示意图，该信号为交流过压驱动信号，电压幅值在0-20V之间，交变频率在0.5-5KHz。驱动方式为：如果液晶波片需要的驱动电压为V₂，驱动时首先施加一个持续时间t很短的窄脉冲，t=0-50ms，其幅度V₃>V₂，然后再施加V₂的驱动电压，V₃电压幅值在10-50V之间，V₂电压幅值在0-10V之间，在驱动控制器的控制下，每级液晶波片加载不同幅值的交流过压驱动信号，可实现液晶可调滤光片的快速光谱扫描。

图3是电控液晶波片（7，8，9，10，11）的结构示意图，由外到内包括两边的玻璃基板（16，17）、ITO透明导电膜（18，19）、PI取向膜（20，21）、控制厚度的透明隔垫（22，23）和中间液晶层24。其中ITO透明导电膜（18，19）通过电极与驱动控制器（即多通道驱动源）相连接，为液晶层24提供电场，使液晶分子的指向发生旋转，改变电控液晶波片（7，8，9，10，11）的相位延迟，从而控制入射光的偏振态，PI 取向膜（20，21）涂敷在玻璃基板（16，17）的内表面上，经过烘烤、摩擦等工艺处理后，可以诱导液晶层24中的液晶分子按照特定的方向排列，使电控液晶波片具有晶体的双折射光学特性；液晶层24是在玻璃基板之间的灌注向列相液晶材料形成的，液晶层24的厚度通过厚度控制隔垫（22，23）进行控制，折射率差Δn在0.05~0.30之间。厚度控制透明隔垫（22，23）可以采用玻璃纤维、玻璃微珠、或塑料微珠或photo spacer等。

本实用新型中，电控液晶波片可以采用如图3所示的单级片，也可以采用多个单级片组成的多级片，如图4所示，其采用数量为偶数的电控液晶波片单级片，其包括4片液晶波片（104，105，106，107），以及在相邻界面之间填充的折射率匹配液或匹配胶（101，102，103），其中第二和第四块固定液晶波片（105，107）相对第一和第三块固定液晶波片（104，106）以垂直于通光面（108，109）的方向为轴旋转了180°，即液晶波片是以相邻两两相互反向平行的方式贴合的。这样形成的宽视场多级波片，其光学相位延迟可以细致地调节和精确地控制。

采用多级片，在环境温度25℃时，使用波长为532 nm的连续激光器测量不同角度下位相延迟，测量结果表明，该多级波片在入射角为-5° ~+5 °范围内时，延迟量的变化可以忽略。

另外，实验证明本实用新型的多级片的光学延迟量对入射光的角度变化的敏感性：使用如图5所示的测试光路测试光在-20°～+20°之间变化入射角时，液晶波片延迟量随入射角度的变化。光源经过准直透镜准1直后依次经过由起偏器、液晶波片和检偏器，然后被准直透镜2接收进入光谱仪***，可以通过转台精确控制入射光相对液晶波片的入射角度，这里以4°为步长，在-20°～+20°之间变化入射角度，得到在不同角度下的透射光谱，如图7所示。可以看出，在-20°～+20°之间变化入射角度时，透射光谱几乎不发生变化。以532nm处的透射峰为例，在-20°～+20°之间变化入射角度时，透射峰对应的波长最大偏移量仅约为1nm，可见液晶波片组的光学延迟量对入射光的角度变化是非常不敏感的。

为了验证本实用新型的过压驱动方式的有效性，将过压驱动信号加载于单级液晶波片上，测量其响应时间。其时间响应特性测量光路如图6所示，液晶波片由驱动控制器提供过压驱动信号，并被放置在两平行偏振器之间，激光器的波长为632.8 nm，光电探测器采用可见光敏感器件，具有亚微秒级光电响应速度，探测器的光电信号送入示波器记录。

图7A和图7B所示是厚度分别为4.8 mm和8.0mm、灌注SLC-9023液晶材料的液晶波片在过压驱动下的光电响应测量结果。由图7A可以看出，厚度为4.8 mm的液晶波片，在5V电压的常规驱动下，到达稳态的时间为25 ms，采用在10 V，3ms的过压驱动下，到达稳态的时间仅为3~5 ms（电压在10-50V之间较为合适）；同样的，厚度为8.0 mm的液晶波片，在2V电压的常规驱动下，到达稳态的时间为450 ms，采用在9.6 V，7ms的冲击驱动下，到达稳态的时间仅为7 ms。由图7B给出的实验结果可以看出，过压驱动方法可以有效提高液晶波片的光电响应时间，从而实现液晶可调滤光片的快速光谱扫描和成像。

本领域技术人员应当理解，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限定，在不脱离本实用新型的技术方案的宗旨和范围前提下，对本实用新型的技术方案的修改和等同替换，也均应涵盖在本实用新型的权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种液晶电控可调滤光片，包括液晶可调滤光片和驱动控制器，其特征在于：所述液晶可调滤光片为多级级联结构，包括：一组电控液晶波片、一组固定位相延迟片和一组偏振片；所述偏振片与电控液晶波片和固定位相延迟片依次相互平行排列、间隔叠放，形成多级，但第一级中设置或不设置固定位相延迟片；其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有电控液晶波片的快轴方向与所有偏振片透射偏振光方向成45°角；每级结构中电控液晶波片由驱动控制器控制，所述驱动控制器为过压驱动控制器，加载不同幅值的交流过压驱动信号，V₂为液晶波片需要的驱动电压，V₃是先施加的过压驱动信号，V₃>V_2.,V₃的幅值范围在10-50V之间，V₂的电压幅值在0-10V之间。

2.根据权利要求1所述的液晶电控可调滤光片，其特征在于：所述液晶电控可调滤光片中的电控液晶波片为单级片，包括中间的向列相液晶层和两侧依次对称设置的取向膜、透明导电膜和透明基板，所述向列相液晶层两侧的取向膜摩擦方向反向平行，液晶层中的液晶分子沿面排列。

3.根据权利要求1所述的液晶电控可调滤光片，其特征在于：所述液晶电控可调滤光片中的电控液晶波片为多级片，包括：数量为偶数的电控液晶波片单级片和在所述液晶波片之间填充的折射率匹配液或匹配胶；其中所述的液晶波片以相邻两两相互反向平行的方式贴合，即相邻两液晶波片以垂直于通光面的方向为轴旋转180°后贴合；所述电控液晶波片单级片包括中间的向列相液晶层和两侧依次对称设置的取向膜、透明导电膜和透明基板，所述向列相液晶层两侧的取向膜摩擦方向反向平行，液晶层中的液晶分子沿面排列。

4.根据权利要求2或3所述的液晶电控可调滤光片，其特征在于：所述液晶层的厚度通过在其中设置透明隔垫进行控制，其折射率差Δn在0.05~0.30之间。

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