液晶可調(diào)諧偏振光譜相機的顯色偏振研究

葉瑩 岳鑫 馮可 譚勇

摘? 要：利用液晶偏振調(diào)制器的偏振光譜成像技術(shù)、裝置及其實驗研究在國內(nèi)外已見少量相關(guān)報道，而實現(xiàn)偏振光譜實驗分析及數(shù)據(jù)反演的關(guān)鍵則在于實驗設(shè)備及其準確的Stokes參量光譜傳遞函數(shù)，其中，液晶調(diào)制器的顯色偏振是導(dǎo)致光譜傳遞函數(shù)變化的關(guān)鍵因素。文章運用偏光干涉法建立了能夠同步獲取系統(tǒng)中可調(diào)制電壓范圍內(nèi)液晶偏振控制器（Liquid Crystal Polarization Rotator，LCPR）與液晶相位延遲器（Liquid Crystal Variable Retarder，LCVR）產(chǎn)生的單一式及組合式顯色光場圖與光譜信息，對顯色偏振現(xiàn)象展開研究。研究結(jié)果表明：在液晶可調(diào)諧偏振光譜相機中，液晶偏振調(diào)制器產(chǎn)生的顯色偏振現(xiàn)象對最終獲取的偏振光譜圖像的光譜成像質(zhì)量產(chǎn)生了明暗不均勻的影響，顯色偏振變化機制導(dǎo)致偏振干涉的出射波長在出射面的不同區(qū)域有差異，進而形成整體的顏色變化。因此，文章對如何認識顯色偏振影響，以便提高基于液晶偏振調(diào)制器研制的相關(guān)偏振光譜成像的反演精度，對這類裝置的應(yīng)用及研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：物理光學;液晶偏振調(diào)制器;全偏振高光譜成像;顯色偏振

中圖分類號：O436? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0056-04

Abstract： Polarization spectrum imaging technology， device and experimental research using liquid crystal polarization modulator have seen a small number of related reports at home and abroad. The key to realize the experimental analysis and data inversion of polarization spectrum lies in the experimental equipment and its accurate Stokes parametric spectral transfer function， in which the color polarization of liquid crystal modulator is the key factor leading to the change of spectral transfer function. In this paper， a liquid crystal polarization rotator （LCPR） and a liquid crystal variable retarder （LCVR） are established using polarizing interference method， which can synchronously obtain liquid crystal polarization controller and liquid crystal phase retarder in the modulated voltage range of the system. Single and combined chromogenic light field maps and spectral information generated by LCVR. The phenomenon of chromogenic polarization was studied. The results show that in the liquid crystal tunable polarization spectral camera， the color polarization phenomenon produced by the liquid crystal polarization modulator has an effect on the spectral imaging quality of the final obtained polarization spectral image. The mechanism of chromogenic polarization change leads to the difference of the emission wavelength of polarization interference in different regions of the exit surface， and then forms the overall color change. Therefore， it is of great significance for the application and research of this kind of device to understand the influence of chromogenic polarization in order to improve the inversion accuracy of correlation polarization spectral imaging based on liquid crystal polarization modulator.

Keywords： physical optics; liquid crystal polarization modulator; full polarization hyperspectral imaging; chromogenic polarization

1 概述

近年來，利用偏振光譜成像技術(shù)獲取目標信息的科研成果及方法使目標信息量得到了極大的豐富，尤其偏振成像技術(shù)在探測低對比度的目標信息中發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。偏振光譜成像技術(shù)作為近現(xiàn)代的研究熱點，在軍事隱蔽物識別[1]、清晰成像[2]、農(nóng)作物微損傷篩選與病變檢測[3]、大氣氣溶膠測量[4]、生物醫(yī)學診斷[5]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，隨著液晶材料制備工藝的迅速發(fā)展，液晶調(diào)制器憑借其功耗低、響應(yīng)快、體積小、無機械振動等良好的性能特點已被用于偏振光譜成像技術(shù)中[6]，美國陸軍研究實驗室開發(fā)了主要由聲光調(diào)諧濾光片（AOTF）和液晶調(diào)制器（LCVR）構(gòu)成的偏振高光譜成像儀[7]，M. Vedel等人提出一種基于雙鐵電液晶波片（FLCVR）研制的全斯托克斯偏振成像照相機，能夠快速進行電壓調(diào)控，從而獲取目標全偏振信息[8]。而國內(nèi)的中科院西安光學精密機械研究所[9]、中北大學[10]、西安工業(yè)大學[11]等多家單位也有相應(yīng)的研究，常見的相關(guān)報道，大多數(shù)都是針對基于液晶調(diào)制器實現(xiàn)偏振光譜成像技術(shù)的系統(tǒng)及測量方法提出，甚至是液晶晶體的特性理論研究[12-15]、固體和液體的相干彩虹實驗研究[16]等，而基于偏振光譜成像系統(tǒng)中液晶調(diào)制器顯色偏振現(xiàn)象的報道目前尚未看到，因此，研究液晶調(diào)制器顯色偏振對此類器件的偏振光譜成像系統(tǒng)及其對目標信息的反演精度，關(guān)系著應(yīng)用效果的優(yōu)劣，具有特殊的研究價值。

本文聚焦于可應(yīng)用在偏振光譜成像系統(tǒng)上的液晶調(diào)制器（液晶偏振控制器LCPR與液晶相位延遲器LCVR）和液晶可調(diào)諧濾波器（LCTF）的顯色偏振問題，研究其產(chǎn)生現(xiàn)象與機理，為偏振光譜相機的信息反演奠定基礎(chǔ)。

2 色偏振實驗

2.1 色偏振實驗方法

圖1為利用偏光干涉法對液晶調(diào)制器進行顯色偏振測量的實驗裝置示意圖，設(shè)Z軸方向為光線傳播方向，LCPR和LCVR表面均平行于X-Y面，且兩者初始長軸確定為X方向。將起偏器與檢偏器調(diào)成正交垂直狀態(tài)，溴鎢燈整形后的近平行光束經(jīng)過起偏器、LCPR、LCVR及檢偏器，經(jīng)過機械調(diào)整裝置依序改變反射鏡與光路成45°角或者0°（水平）角，在水平角時由CCD成像并記錄圖像;在45°角時用光譜儀記錄光譜信號。采用的LCVR與LCPR為美國Meadowlark公司產(chǎn)品，光譜范圍為380nm～1800nm，電控LCPR可對線偏振態(tài)的入射光實現(xiàn)0°或90°的偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)，LCVR通過調(diào)節(jié)特定電壓從而獲得特定的延遲量。液晶波片控制器分別控制LCPR和LCVR，電壓調(diào)制幅度范圍0V～10V，精確到1mV，調(diào)制周期最小為0.1s，設(shè)置電壓調(diào)制周期為10s，通過計算機軟件靈活改變液晶波片兩端電壓來控制液晶的雙折射系數(shù)，實時精確控制光束通過液晶波片快慢軸的相位差。

2.2 顯色偏振實驗現(xiàn)象

通過實驗觀測不同電壓下液晶調(diào)制器件單一式及組合式的光場調(diào)制現(xiàn)象。實驗系統(tǒng)放置單一LCPR或LCVR，設(shè)置0V-10V的電壓控制范圍，在步長為0.5V（關(guān)鍵點可增加步長密度）時，觀測單一式LCPR及LCVR光場圖，并記錄對應(yīng)的光譜透過率曲線，再同時放置LCPR和LCVR，獲取組合式疊加的光場圖和光譜透過率曲線，鑒于兩種器件的電壓組合有22×25種，選取常用的0°、90°線偏振光和右旋圓偏振光作為代表，分析其色偏振現(xiàn)象。

圖2表示實驗系統(tǒng)中僅放置LCPR時的不同電壓下透過率光譜和光場圖，光譜曲線按照縱向排列標識電壓變化，同時光譜圖上方的標識為隨著電壓變化的光場圖。可以看出0V，0.5V，1V，1.5V時，線型相似，在470nm處有波谷，530nm處有波峰，光場顏色呈藍綠色，這與顯色偏振圖像相符;1.8V時譜峰蘭移，此時光場呈藍綠色，顏色較0-1.5V呈現(xiàn)的更暗。2V時譜線線型中短波峰繼續(xù)蘭移至440nm左右，但620nm到約800nm透過率單調(diào)增加，相對1.5V增加，此時光場成藍紫色與紅色混合，顯色偏振圖像顯示的粉紫色。2.5V時波段630nm-830nm整體光譜透過率以二次曲線型增加，峰值點在800nm處，同時在519nm還有一個峰，主色場以橙黃光呈現(xiàn)。3V與2.5V相比較，光譜峰分別為480nm和790nm，而且短波峰透過率增大和長波峰降低，從光場圖上看呈現(xiàn)褐黃色。3.5V與3V相比較，790nm峰透過率降低，短波峰蘭移為428nm，且變窄，從光場圖上看黃色因素增加了。從3.5V到10V，光譜的短波峰和長波峰峰值降低，甚至到10V時，光譜線型（430nm-800nm）幾乎是平坦的;然而光場圖中黃色因素逐漸增加，直到9V-10V的光場圖邊緣出現(xiàn)藍綠色。

圖3表示實驗系統(tǒng)中僅放置LCVR時的不同電壓下透過率光譜和光場圖。0V-1V時，譜線線型相似相近，在480nm處有波峰，光場圖呈青藍色。1.5V時波峰蘭移，光場圖呈藍紫色;1.8V與1.846V在波段400-480nm處線型相近，但1.846V在波段600-800nm的透過率高于1.8V，因此1.8V光場主要以藍紫色為主，1.846V主要以紅紫色為主。2V時波段650-700nm處透過率較高，呈橙紅色光場，2.2V與2.5V光譜線型相近，主要呈橙黃色光場。3V與3.5V線型平緩，3V較3.5V整體透過率偏高，光場強度高于3.5V，均呈黃色光場。3.985V-10V時，整體譜線未出現(xiàn)較大顏色變化，均呈黃色或淡黃色，線型基本趨于直線平緩，4V、4.5V、7V、8V整體透過率處于0.33與0.4之間，3.985V、6.5V、7.5V、9V、9.5V整體透過率處于0.3與0.34之間，5V、5.5V、6V、8.5V、10V透過率處于0.26與0.29之間。

圖4表示實驗系統(tǒng)中由LCPR和LCVR組合時的0°、90°線偏振光和右旋圓偏振光透過率光譜和光場圖，光譜按照顏色區(qū)分，光場圖用色框標識為與光譜曲線顏色一致。0°線偏振光由LCPR的1.846V與LCVR的2.4V組合，在470nm和560nm處有波峰，顯色偏振光場圖呈黃綠色;90°線偏振光由LCPR的1.846V與LCVR的4.2V組合，其透過率譜在450nm處有一個波峰，550nm后緩慢遞增，光場呈紅紫色;右旋圓偏光對應(yīng)組合電壓為3.985V與3V，其顯色偏振透過率光譜中，在420nm處有一個小波峰，520nm-630nm段線型平坦，之后遞增，光場呈橙紅色。

由上面三種狀態(tài)可以看出，光譜透過率和光場圖無論在單一液晶器件還是兩者組合條件下，隨著電壓的變化，也就是偏振態(tài)的變化，顯色偏振變化特征明顯，這為探測目標過程中的光信號特征反演帶來了困難，因此，分析與驗證顯色偏振的產(chǎn)生是十分有必要的。

3 實驗結(jié)果驗證與討論

由于液晶調(diào)制器是一種色散器件，因此在不同譜段下，液晶調(diào)制器的延遲-電壓特性電壓并不一致。因此，在圖1實驗條件的基礎(chǔ)上，選擇波長560nm半導(dǎo)體激光器激光光源進行光譜法測量，進一步對實驗結(jié)果進行驗證。光譜掃描1000次，設(shè)置電壓0V-10V變換，周期10s，每秒對應(yīng)LCPR的每伏控制電壓。液晶偏振控制器的光強隨電壓變化的光譜圖（如圖5），LCVR在上述兩種光源照明下，現(xiàn)象與LCPR一致，不同的是激光照明下，LCVR在1.8V電壓下有最暗點。對其中一部分局部放大后，能夠清晰獲得局部干涉圖樣，如圖5中右上部分所示。液晶調(diào)制器單一式測量結(jié)果與文獻[17]報道的結(jié)果相符，而組合的結(jié)果為本文新的實驗結(jié)果。

單一的LCPR或LCVR，在施加電壓超過閾值電壓Uth后，引起了各自的入射面和出射面相差改變約為π，同時起偏器和檢偏器引起的正弦變化，從曲線上看像一個2π周期的正弦曲線變化。在小于Uth時，出現(xiàn)局部干涉振蕩特征，是由于器件中間與邊緣的液晶分子受到的施加電壓不均勻?qū)е碌摹．擫CPR和LCVR組合時，在施加電壓超過閾值電壓后，LCPR和LCVR相位差疊加并因為初始相位差的不同，形成了與4π相位差近似的結(jié)果，即LCPR和LCVR組合產(chǎn)生的相位延遲也疊加，光強呈正弦曲線周期變短一倍而周期數(shù)目增加一倍。從圖中注意到，施加電壓超過某一個值，單一的LCPR或LCVR液晶調(diào)制電壓增加為5V，組合的為6V，光強變化越來越緩慢。

因此，圖5的結(jié)果也證明了圖2-圖4的光譜透過率結(jié)果必然發(fā)生變化的原因，即在不同電壓情況下，相位差發(fā)生了改變，導(dǎo)致偏振干涉的出射波長在出射面不同區(qū)域上不一樣，進而形成整體的顏色改變。

4 結(jié)論

本文工作完成了偏振光譜成像系統(tǒng)中顯色偏振對系統(tǒng)產(chǎn)生影響的分析與研究，偏振光譜相機通常采用黑白成像，顯色偏振會影響成像畫面的明暗程度，這對后繼進一步應(yīng)用液晶偏振光譜相機進行實驗及誤差分析的研究，具有參考指導(dǎo)性價值。

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