[發明專利]基于電控液晶的像素化光譜儀

有效

• 申請號: 201510847705.1
• 申請日: 2015-11-26
• 公開（公告）號: CN105509886B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 楊正;孫飛瑩;崔鈞;夏良平;尹韶云;杜春雷;鄭國興
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司11275
• 代理人: 廖曦

技術領域

本發明屬于光譜探測及液晶技術領域，涉及一種基于電控液晶的像素化光譜儀。

背景技術

光譜儀對樣品的分析檢測功能被廣泛用在地質，冶金，化學等領域。而光譜儀小型化的發展起源于傳統光譜儀在尺寸上的限制。

目前商業化的微小型光譜儀主要是光柵型、傅里葉變換型和窄帶濾波型。這兩種光譜儀在尺寸做小的同時其分辨率會降低，故小型化和高分辨率很難同時達到。對于窄帶濾波型光譜儀，可以實現小型化和較高的分辨率，但其制造加工精度要求嚴格且濾波器所需品質因數高。液晶作為一種特殊的材料，因其在外加電場下可以改變光波傳輸行為而制成了許多小型光學器件。受液晶厚度限制，其所制備光學器件的品質因素不高，若利用液晶以傳統方法制備光譜儀，其光譜分辨率較低，如何在低品質因素下構建高分辨率的微型化光譜儀成為了一個難題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于電控液晶的像素化光譜儀，突破現有光譜儀的尺寸、分辨率以及窄帶寬濾波所需高品質因數和加工精度高的限制，通過調節液晶兩端電壓實現濾波陣列功能，再緊密結合光電探測器等器件實現輸出光譜探測，最后利用稀疏算法恢復輸入的光譜信號。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于電控液晶的像素化光譜儀，所述光譜儀包括依次設置的帶通濾波片、起偏器、電控的液晶單元、檢偏器和光電探測器；入射光依次經過帶通濾波片、起偏器、電控的液晶單元、檢偏器，最后達到光電探測器；所述帶通濾波片設置在該光譜儀的最前端，緊靠起偏器，其波段范圍與光譜儀的一致；所述液晶單元大小為一個像素，在其兩端加載電控裝置，實現電壓可控；兩個偏振片分別為相互垂直的起偏器和檢偏器，緊靠液晶單元的兩側；所述光電探測器為光電二極管、CCD或CMOS的一個像素；

在本光譜儀中，入射光信號經過帶通濾波片后為光信號I(λ)，I(λ)照射到液晶表面，在電壓V_j的作用下，液晶分子重新排列，光學性質改變，產生的o光和e光強度改變；電控裝置對液晶單元兩端施加不同的n組電壓值，得到對應的n組透過率曲線，相當于一個濾波陣列；

兩偏振片相互垂直時，o光、e光相互干涉，其透射光強滿足：

其中，I(λ)為經過帶通濾波片的入射光信號，φ為起偏器透光方向與液晶盒尋常光振動方向的夾角，α_o為O光的吸收系數，d為液晶的厚度，V_j表示液晶所施加的第j個電壓，Δn(V_j)為V_j時的o、e光的折射率差，t(V_j,λ)表示與電壓和光波長有關透過率；

光電探測器所探測到的透射強度表示為

透射光強受n組不同電壓調控下濾波單元的光譜能量調制，用矩陣表示為：

或者I'＝TI(3)

其中n為所施加電壓的組數，m為采樣的波長數(n＜m)；

利用算法進行光譜恢復，具體為：

利用稀疏表示算法描述探測器接收的透射光強，其強度表示為

I'＝TI＝Tψs (4)

其中，入射光表示為I＝ψs，ψ為稀疏字典，s為稀疏信號；

利用非負L1范最小(NNLM)算法，令A＝Tψ，稀疏信號的估計可以表示為

通過上式得到因此得到恢復的入射光的光信號

本發明的有益效果在于：

1)本發明所述的光譜儀在尺寸上，與傳統的光柵分光光譜儀、傅里葉變換光譜儀相比，其尺寸最小，僅為一個探測器像素大小，因此體積小、重量輕、易集成；

2)本發明所述的光譜儀在光譜分辨率上，與傳統濾波型光譜相比，利用極低的品質因素即獲得了很高的光譜分辨率，因此在大幅降低器件的制備難度的情況下仍具有很高的光譜探測能力；

3)本發明所述光譜儀與波導型光譜儀相比，無需波導耦合，可直接對空間光進行光譜探測，損耗小，應用廣泛。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發明的整體結構示意圖，其中11為光學帶通濾波器，12、14為兩個正交的偏振片，13為加電壓的液晶單元，15為探測器，16為兩偏振片之間的細節放大圖；

圖2為用正弦波做輸入信號(即圖中目標信號)，在550-650nm波段內，利用稀疏算法恢復出來的光譜恢復圖；