專利名稱：基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
可調(diào)諧濾光系統(tǒng)包括聲光調(diào)諧、電光調(diào)諧、機(jī)械調(diào)諧濾光系統(tǒng)。
其中聲光調(diào)節(jié)主要是利用各向異性晶體在聲光互作用下的反常布拉格衍射效應(yīng)制成的可調(diào)諧濾光系統(tǒng)，能夠根據(jù)施加給它的射頻信號(hào)頻率的不同對(duì)入射復(fù)色光進(jìn)行衍射從而得到特定波長的單色光。聲光調(diào)諧濾光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)諧響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是有價(jià)格昂貴，裝配精度要求高，通光口徑小的缺陷。
機(jī)械調(diào)節(jié)主要用于干涉濾光系統(tǒng)和偏振干涉濾光系統(tǒng)之中，通過改變系統(tǒng)中器件的物理參數(shù)如厚度、夾角等，達(dá)到調(diào)諧濾光系統(tǒng)光譜特性的目的。機(jī)械調(diào)節(jié)濾光系統(tǒng)調(diào)諧響應(yīng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
電光調(diào)節(jié)則主要是利用晶體的電光效應(yīng)以及液晶的電控雙折射效應(yīng)而達(dá)到調(diào)諧濾光片的目的。晶體的電光效應(yīng)要求施加高電壓，應(yīng)用較少；隨著液晶材料技術(shù)、制備技術(shù)的改進(jìn)，利用液晶的電控雙折射效應(yīng)，將偏振干涉濾光系統(tǒng)改為可調(diào)諧濾光系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快，通光口徑大的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的方法。
傳統(tǒng)Lyot型濾光片是一種偏振雙折射濾光系統(tǒng)，通常由N個(gè)雙折射器件和N-1個(gè)偏振器件組成。其中偏振器件的光軸是互相平行的，每?jī)善衿髦g夾著一塊相位延遲器件，相位延遲器件的快軸與偏振器的光軸成45°，每一級(jí)相位延遲器件產(chǎn)生的延遲量為上一級(jí)延遲量的兩倍。根據(jù)偏振干涉理論，可得到單級(jí)Lyot濾光片的透過率T是相位差δ的函數(shù) 為了得到更窄的通帶寬度，由上述單節(jié)Lyot型濾光片按一定相位延遲比疊加而成的多節(jié)Lyot型濾光片。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光譜范圍廣、光譜分辨率高、通光口徑大、裝配簡(jiǎn)易的基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。
在同一光路上依次放置有第一偏振片、第一液晶盒、第二偏振片、第二液晶盒、第三偏振片、第一波片、第三液晶盒、第四偏振片、第二波片、第四液晶盒、第五偏振片、第三波片、第五液晶盒、第六偏振片、第四波片、第六液晶盒、第七偏振片，其中第一偏振片、第一液晶盒、第二偏振片為第一節(jié)濾光片，第二偏振片、第二液晶盒、第三偏振片為第二節(jié)濾光片，第三偏振片、第一波片、第三液晶盒、第四偏振片為第三節(jié)濾光片，第四偏振片、第二波片、第四液晶盒、第五偏振片為第四節(jié)濾光片，第五偏振片、第三波片、第五液晶盒、第六偏振片為第五節(jié)濾光片，第六偏振片、第四波片、第六液晶盒、第七偏振片為第六節(jié)濾光片，偏振片光軸互相平行，波片與液晶盒的光軸與偏振片夾角為45°。
于所述的第一波片為正晶體，其延遲量為1400nm<D_WP1<1550nm。
第二波片為正晶體，其延遲量為3000nm<D_WP2<3150nm。
第三波片為正晶體，其延遲量為6250nm<D_WP3<6350nm。
第四波片為正晶體，其延遲量為12600nm<D_WP4<12750nm。
第一液晶盒、第二液晶盒、第三液晶盒、第四液晶盒、第五液晶盒、第六液晶盒為扭曲向列型液晶，液晶層厚度為5～15微米，施加頻率范圍為100Hz<f<10KHz的幅值可調(diào)交變電壓，幅值調(diào)節(jié)范圍為10V至0V。
基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟 1)濾光片系統(tǒng)部件設(shè)計(jì) (1)波片延遲量設(shè)計(jì) 設(shè)系統(tǒng)的初始波長為WL1，液晶盒加10V電壓時(shí)的延遲量為D_lc_min，第N節(jié)濾光片的波片延遲量為D_WP＝2N-1*WL1-D_lc_min； (2)液晶盒調(diào)節(jié)延遲量設(shè)計(jì) 設(shè)液晶盒調(diào)諧后產(chǎn)生的附加延遲量為D_lc，其最大附加延遲量為D_lc_max，波片產(chǎn)生的延遲量為D_WP，目標(biāo)波長為WL2，則第N節(jié)濾光片中液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算方法為 (a)當(dāng)D_lc_max+D_WP>2N-1*WL2時(shí)，液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算式為 D_LC＝2N-1*WL2-D_WP； (b)當(dāng)D_lc_max+D_WP<2N-1*WL2時(shí)，液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算式為 D_LC＝[(D_lc_max+D_WP)/WL2]*WL2-D_WP； 其中[]符號(hào)表示向下取整。
2)濾光片系統(tǒng)部件裝配方法 (1)每一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)沿著光路從前到后依次為前偏振片、可調(diào)相位延遲器、后偏振片，其中偏振片之間光軸互相平行，可調(diào)相位延遲器包括液晶盒或是液晶盒與波片的組合，液晶盒與波片的光軸平行，即為可調(diào)相位延遲器的光軸，可調(diào)相位延遲器的光軸與偏振片夾角45°； (2)將單節(jié)濾光片系統(tǒng)在同一光路上進(jìn)行裝配，每一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的后偏振片為下一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的前偏振片，第一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的前偏振片為整個(gè)系統(tǒng)的光輸入窗，最后一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的后偏振片為整個(gè)系統(tǒng)的光輸出窗。
本發(fā)明為液晶盒與雙折射晶體及偏振片的組合；實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的窄帶濾光，具有通光口徑大、裝配簡(jiǎn)易、制造方便、濾光光譜廣、光譜分辨率高、調(diào)諧速度快、通帶定位精確的特點(diǎn)，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域。



圖1為基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2(a)為六級(jí)濾光片系統(tǒng)初始狀態(tài)各級(jí)濾光片光譜透過率示意圖； 圖2(b)為六級(jí)濾光片系統(tǒng)初始狀態(tài)最終輸出示意圖； 圖3(a)為六級(jí)濾光片系統(tǒng)調(diào)節(jié)后各級(jí)濾光片光譜透過率示意圖； 圖3(b)為六級(jí)濾光片系統(tǒng)調(diào)節(jié)后最終輸出示意圖； 圖中第一偏振片1、第一液晶盒2、第二偏振片3、第二液晶盒4、第三偏振片5、第一波片6、第三液晶盒7、第四偏振片8、第二波片9、第四液晶盒10、第五偏振片11、第三波片12、第五液晶盒13、第六偏振片14、第四波片15、第六液晶盒16、第七偏振片17。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示，基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)是在于在同一光路上依次放置有第一偏振片1、第一液晶盒2、第二偏振片3、第二液晶盒4、第三偏振片5、第一波片6、第三液晶盒7、第四偏振片8、第二波片9、第四液晶盒10、第五偏振片11、第三波片12、第五液晶盒13、第六偏振片14、第四波片15、第六液晶盒16、第七偏振片17，其中第一偏振片1、第一液晶盒2、第二偏振片3為第一節(jié)濾光片，第二偏振片3、第二液晶盒4、第三偏振片5為第二節(jié)濾光片，第三偏振片5、第一波片6、第三液晶盒7、第四偏振片8為第三節(jié)濾光片，第四偏振片8、第二波片9、第四液晶盒10、第五偏振片11為第四節(jié)濾光片，第五偏振片11、第三波片12、第五液晶盒13、第六偏振片14為第五節(jié)濾光片，第六偏振片14、第四波片15、第六液晶盒16、第七偏振片17為第六節(jié)濾光片，偏振片光軸互相平行，波片與液晶盒的光軸與偏振片夾角為45°。
所述的第一波片6為正晶體，其延遲量為1400nm<D_WP1<1550nm。第二波片9為正晶體，其延遲量為3000nm<D_WP2<3150nm。第三波片12為正晶體，其延遲量為6250nm<D_WP3<6350nm。第四波片15為正晶體，其延遲量為12600nm<D_WP4<12750nm。第一液晶盒2、第二液晶盒4、第三液晶盒7、第四液晶盒10、第五液晶盒13、第六液晶盒16為扭曲向列型液晶，液晶層厚度為5～15微米，施加頻率范圍為100Hz<f<10KHz的幅值可調(diào)交變電壓，幅值調(diào)節(jié)范圍為10V至0V。
基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟 1)濾光片系統(tǒng)部件設(shè)計(jì) (1)波片延遲量設(shè)計(jì) 設(shè)系統(tǒng)的初始波長為WL1，液晶盒加10V電壓時(shí)的延遲量為D lc_min，第N節(jié)濾光片的波片延遲量為D_WP＝2N-1*WL1-D_lc_min； (2)液晶盒調(diào)節(jié)延遲量設(shè)計(jì) 設(shè)液晶盒調(diào)諧后產(chǎn)生的附加延遲量為D_lc，其最大附加延遲量為D_lc_max，波片產(chǎn)生的延遲量為D_WP，目標(biāo)波長為WL2，則第N節(jié)濾光片中液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算方法為 (a)當(dāng)D_lc_max+D_WP>2N-1*WL2時(shí)，液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算式為 D_LC＝2N-1*WL2-D_WP； (b)當(dāng)D_lc_max+D_WP<2N-1*WL2時(shí)，液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算式為 D_LC＝[(D_lc_max+D_WP)/WL2]*WL2-D_WP； 其中[]符號(hào)表示相除向下取整。
2)濾光片系統(tǒng)部件裝配方法 (1)每一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)沿著光路從前到后依次為前偏振片、可調(diào)相位延遲器、后偏振片，其中偏振片之間光軸互相平行，可調(diào)相位延遲器包括液晶盒或是液晶盒與波片的組合，液晶盒與波片的光軸平行，即為可調(diào)相位延遲器的光軸，可調(diào)相位延遲器的光軸與偏振片夾角45°； (2)將單節(jié)濾光片系統(tǒng)在同一光路上進(jìn)行裝配，每一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的后偏振片為下一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的前偏振片，第一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的前偏振片為整個(gè)系統(tǒng)的光輸入窗，最后一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的后偏振片為整個(gè)系統(tǒng)的光輸出窗。
系統(tǒng)中第一液晶盒2、第二液晶盒4、第三液晶盒7、第四液晶盒10、第五液晶盒13、第六液晶盒16為扭曲向列型液晶，液晶層厚度為10微米，施加頻率為5KHz的幅值可調(diào)交變電壓，幅值調(diào)節(jié)范圍為10V至0V。
加10V電壓時(shí)液晶盒的D_lc_min為50nm，則第一波片6的延遲量為1550nm，第二波片9的延遲量為3150nm，第三波片12的延遲量為6350nm，第四波片15的延遲量為12750nm。當(dāng)液晶盒都施加10V電壓時(shí)，系統(tǒng)為初始狀態(tài)，各節(jié)濾光片光譜透過率如圖2(a)所示，系統(tǒng)的整體輸出如圖2(b)所示。濾光范圍為整個(gè)可見光譜區(qū)，通帶半高寬為5nm。
設(shè)液晶盒的調(diào)節(jié)范圍為50nm～1500nm，要將第三節(jié)濾光片系統(tǒng)調(diào)節(jié)到目標(biāo)波長WL2＝700nm。此節(jié)波片產(chǎn)生的延遲量為即D_WP＝1550nm，調(diào)節(jié)后需要產(chǎn)生的延遲量為22*WL2＝2800nm，而D_lc_max+D_WP＝1500+1550＝3050nm，大于需要產(chǎn)生的延遲量，因此液晶盒延遲量應(yīng)為 D_LC＝23-1*WL2-D_WP＝2800-1550＝1250nm，只要調(diào)節(jié)電壓，將液晶盒產(chǎn)生的延遲量調(diào)節(jié)為1250nm。
若是要將第四節(jié)濾光片系統(tǒng)調(diào)節(jié)到目標(biāo)波長WL2＝700nm，此級(jí)波片產(chǎn)生的延遲量為D_WP＝3150nm，調(diào)節(jié)后需要產(chǎn)生的延遲量為24-1*WL2＝5600nm，而D_lc_max+D_WP＝1500+3150＝4650nm，小于需要產(chǎn)生的延遲量，因此液晶盒延遲量 D_LC＝D_LC＝[D_lc_max+D_WP/WL2]*WL2-D_WP ＝[4650/700]*700-3150＝6*700-3150＝1050nm，即需要調(diào)節(jié)電壓，將液晶盒產(chǎn)生的延遲量調(diào)節(jié)為1050nm，在700nm上產(chǎn)生第6級(jí)次波峰值。
根據(jù)這一方法，計(jì)算出六節(jié)濾光片系統(tǒng)，調(diào)節(jié)到目標(biāo)波長700nm時(shí)，各節(jié)液晶盒需要的調(diào)節(jié)量 調(diào)節(jié)之后，各級(jí)濾光片光譜透過率如圖3(a)所示，系統(tǒng)的整體輸出如圖3(b)所示。濾光范圍為整個(gè)可見光譜區(qū)，通帶半高寬為15nm。
權(quán)利要求
1.一種基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，其特征在于在同一光路上依次放置有第一偏振片(1)、第一液晶盒(2)、第二偏振片(3)、第二液晶盒(4)、第三偏振片(5)、第一波片(6)、第三液晶盒(7)、第四偏振片(8)、第二波片(9)、第四液晶盒(10)、第五偏振片(11)、第三波片(12)、第五液晶盒(13)、第六偏振片(14)、第四波片(15)、第六液晶盒(16)、第七偏振片(17)，其中第一偏振片(1)、第一液晶盒(2)、第二偏振片(3)為第一節(jié)濾光片，第二偏振片(3)、第二液晶盒(4)、第三偏振片(5)為第二節(jié)濾光片，第三偏振片(5)、第一波片(6)、第三液晶盒(7)、第四偏振片(8)為第三節(jié)濾光片，第四偏振片(8)、第二波片(9)、第四液晶盒(10)、第五偏振片(11)為第四節(jié)濾光片，第五偏振片(11)、第三波片(12)、第五液晶盒(13)、第六偏振片(14)為第五節(jié)濾光片，第六偏振片(14)、第四波片(15)、第六液晶盒(16)、第七偏振片(17)為第六節(jié)濾光片，偏振片光軸互相平行，波片與液晶盒的光軸與偏振片夾角為45°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，其特征在于所述的第一波片(6)為正晶體，其延遲量為1400nm<D_WP1<1550nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，其特征在于所述的第二波片(9)為正晶體，其延遲量為3000nm<D_WP2<3150nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，其特征在于所述的第三波片(12)為正晶體，其延遲量為6250nm<D_WP3<6350nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，其特征在于所述的第四波片(15)為正晶體，其延遲量為12600nm<D_WP4<12750nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)，其特征在于所述的第一液晶盒(2)、第二液晶盒(4)、第三液晶盒(7)、第四液晶盒(10)、第五液晶盒(13)、第六液晶盒(16)為扭曲向列型液晶，液晶層厚度為5～15微米，施加頻率范圍為100Hz<f<10KHz的幅值可調(diào)交變電壓，幅值調(diào)節(jié)范圍為10V至0V。
7.一種基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟
1)濾光片系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)
(1)波片延遲量設(shè)計(jì)
設(shè)系統(tǒng)的初始波長為WL1，液晶盒加10V電壓時(shí)的延遲量為D_1c_min，第N節(jié)濾光片的波片延遲量為D_WP＝2N-1*WL1-D_1c_min；
(2)液晶盒調(diào)節(jié)延遲量設(shè)計(jì)
設(shè)液晶盒調(diào)諧后產(chǎn)生的附加延遲量為D_1c，其最大附加延遲量為D_1c_max，波片產(chǎn)生的延遲量為D_WP，目標(biāo)波長為WL2，則第N節(jié)濾光片中液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算方法為
(a)當(dāng)D_1c_max+D_WP>2N-1*WL2時(shí)，液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算式為
D_LC＝2N-1*WL2-D_WP；
(b)當(dāng)D_1c_max+D_WP<2N-1*WL2時(shí)，液晶盒的調(diào)節(jié)延遲量計(jì)算式為
D_LC＝[(D_1c_max+D_WP)/WL2]*WL2-D_WP；
其中mod表示向下取整。
2)濾光片系統(tǒng)部件裝配方法
(1)每一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)沿著光路從前到后依次為前偏振片、可調(diào)相位延遲器、后偏振片，其中偏振片之間光軸互相平行，可調(diào)相位延遲器包括液晶盒或是液晶盒與波片的組合，液晶盒與波片的光軸平行，即為可調(diào)相位延遲器的光軸，可調(diào)相位延遲器的光軸與偏振片夾角45°；
(2)將單節(jié)濾光片系統(tǒng)在同一光路上進(jìn)行裝配，每一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的后偏振片為下一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的前偏振片，第一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的前偏振片為整個(gè)系統(tǒng)的光輸入窗，最后一節(jié)單節(jié)濾光片系統(tǒng)的后偏振片為整個(gè)系統(tǒng)的光輸出窗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于液晶電控雙折射的寬光譜窄帶可調(diào)濾光片系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。在同一光路上依次放置有第一偏振片、第一液晶盒、第二偏振片、第二液晶盒、第三偏振片、第一波片、第三液晶盒、第四偏振片、第二波片、第四液晶盒、第五偏振片、第三波片、第五液晶盒、第六偏振片、第四波片、第六液晶盒、第七偏振片，由偏振片、液晶盒、波片構(gòu)成每一級(jí)可調(diào)濾光片。本發(fā)明為液晶盒與雙折射晶體與偏振片的組合；通過對(duì)液晶盒調(diào)節(jié)量以及波片延遲量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化利用了液晶的調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的窄帶濾光，具有通光口徑大、裝配簡(jiǎn)易、制造方便、濾光光譜廣、光譜分辨率高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101398541SQ200810059070
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月9日
發(fā)明者曹星燁, 鄭臻榮, 李海峰, 劉向東 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)