专利名称：基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，可应用于生物医学、天文观测等领域。
背景技术：
可调谐滤光系统包括声光调谐、电光调谐、机械调谐滤光系统。
其中声光调节主要是利用各向异性晶体在声光互作用下的反常布拉格衍射效应制成的可调谐滤光系统，能够根据施加给它的射频信号频率的不同对入射复色光进行衍射从而得到特定波长的单色光。声光调谐滤光系统具有结构紧凑，调谐响应速度快的优点，但是有价格昂贵，装配精度要求高，通光口径小的缺陷。
机械调节主要用于干涉滤光系统和偏振干涉滤光系统之中，通过改变系统中器件的物理参数如厚度、夹角等，达到调谐滤光系统光谱特性的目的。机械调节滤光系统调谐响应速度慢，结构复杂。
电光调节则主要是利用晶体的电光效应以及液晶的电控双折射效应而达到调谐滤光片的目的。晶体的电光效应要求施加高电压，应用较少；随着液晶材料技术、制备技术的改进，利用液晶的电控双折射效应，将偏振干涉滤光系统改为可调谐滤光系统，具有响应速度快，通光口径大的优点，是目前应用较为广泛的方法。
传统Lyot型滤光片是一种偏振双折射滤光系统，通常由N个双折射器件和N-1个偏振器件组成。其中偏振器件的光轴是互相平行的，每两片偏振器之间夹着一块相位延迟器件，相位延迟器件的快轴与偏振器的光轴成45°，每一级相位延迟器件产生的延迟量为上一级延迟量的两倍。根据偏振干涉理论，可得到单级Lyot滤光片的透过率T是相位差δ的函数 为了得到更窄的通带宽度，由上述单节Lyot型滤光片按一定相位延迟比叠加而成的多节Lyot型滤光片。
发明内容
本发明的目的是提供一种光谱范围广、光谱分辨率高、通光口径大、装配简易的基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统及其设计方法。
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、第二偏振片为第一节滤光片，第二偏振片、第二液晶盒、第三偏振片为第二节滤光片，第三偏振片、第一波片、第三液晶盒、第四偏振片为第三节滤光片，第四偏振片、第二波片、第四液晶盒、第五偏振片为第四节滤光片，第五偏振片、第三波片、第五液晶盒、第六偏振片为第五节滤光片，第六偏振片、第四波片、第六液晶盒、第七偏振片为第六节滤光片，偏振片光轴互相平行，波片与液晶盒的光轴与偏振片夹角为45°。
于所述的第一波片为正晶体，其延迟量为1400nm<D_WP1<1550nm。
第二波片为正晶体，其延迟量为3000nm<D_WP2<3150nm。
第三波片为正晶体，其延迟量为6250nm<D_WP3<6350nm。
第四波片为正晶体，其延迟量为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、第六液晶盒为扭曲向列型液晶，液晶层厚度为5～15微米，施加频率范围为100Hz<f<10KHz的幅值可调交变电压，幅值调节范围为10V至0V。
基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统的设计方法包括如下步骤 1)滤光片系统部件设计 (1)波片延迟量设计 设系统的初始波长为WL1，液晶盒加10V电压时的延迟量为D_lc_min，第N节滤光片的波片延迟量为D_WP＝2N-1*WL1-D_lc_min； (2)液晶盒调节延迟量设计 设液晶盒调谐后产生的附加延迟量为D_lc，其最大附加延迟量为D_lc_max，波片产生的延迟量为D_WP，目标波长为WL2，则第N节滤光片中液晶盒的调节延迟量计算方法为 (a)当D_lc_max+D_WP>2N-1*WL2时，液晶盒的调节延迟量计算式为 D_LC＝2N-1*WL2-D_WP； (b)当D_lc_max+D_WP<2N-1*WL2时，液晶盒的调节延迟量计算式为 D_LC＝[(D_lc_max+D_WP)/WL2]*WL2-D_WP； 其中[]符号表示向下取整。
2)滤光片系统部件装配方法 (1)每一节单节滤光片系统沿着光路从前到后依次为前偏振片、可调相位延迟器、后偏振片，其中偏振片之间光轴互相平行，可调相位延迟器包括液晶盒或是液晶盒与波片的组合，液晶盒与波片的光轴平行，即为可调相位延迟器的光轴，可调相位延迟器的光轴与偏振片夹角45°； (2)将单节滤光片系统在同一光路上进行装配，每一节单节滤光片系统的后偏振片为下一节单节滤光片系统的前偏振片，第一节单节滤光片系统的前偏振片为整个系统的光输入窗，最后一节单节滤光片系统的后偏振片为整个系统的光输出窗。
本发明为液晶盒与双折射晶体及偏振片的组合；实现了宽光谱范围内连续可调的窄带滤光，具有通光口径大、装配简易、制造方便、滤光光谱广、光谱分辨率高、调谐速度快、通带定位精确的特点，可应用于生物医学、天文观测等领域。
图1为基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片结构示意图； 图2(a)为六级滤光片系统初始状态各级滤光片光谱透过率示意图； 图2(b)为六级滤光片系统初始状态最终输出示意图； 图3(a)为六级滤光片系统调节后各级滤光片光谱透过率示意图； 图3(b)为六级滤光片系统调节后最终输出示意图； 图中第一偏振片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。
具体实施例方式 如图1所示，基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统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为第一节滤光片，第二偏振片3、第二液晶盒4、第三偏振片5为第二节滤光片，第三偏振片5、第一波片6、第三液晶盒7、第四偏振片8为第三节滤光片，第四偏振片8、第二波片9、第四液晶盒10、第五偏振片11为第四节滤光片，第五偏振片11、第三波片12、第五液晶盒13、第六偏振片14为第五节滤光片，第六偏振片14、第四波片15、第六液晶盒16、第七偏振片17为第六节滤光片，偏振片光轴互相平行，波片与液晶盒的光轴与偏振片夹角为45°。
所述的第一波片6为正晶体，其延迟量为1400nm<D_WP1<1550nm。第二波片9为正晶体，其延迟量为3000nm<D_WP2<3150nm。第三波片12为正晶体，其延迟量为6250nm<D_WP3<6350nm。第四波片15为正晶体，其延迟量为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为扭曲向列型液晶，液晶层厚度为5～15微米，施加频率范围为100Hz<f<10KHz的幅值可调交变电压，幅值调节范围为10V至0V。
基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统的设计方法包括如下步骤 1)滤光片系统部件设计 (1)波片延迟量设计 设系统的初始波长为WL1，液晶盒加10V电压时的延迟量为D lc_min，第N节滤光片的波片延迟量为D_WP＝2N-1*WL1-D_lc_min； (2)液晶盒调节延迟量设计 设液晶盒调谐后产生的附加延迟量为D_lc，其最大附加延迟量为D_lc_max，波片产生的延迟量为D_WP，目标波长为WL2，则第N节滤光片中液晶盒的调节延迟量计算方法为 (a)当D_lc_max+D_WP>2N-1*WL2时，液晶盒的调节延迟量计算式为 D_LC＝2N-1*WL2-D_WP； (b)当D_lc_max+D_WP<2N-1*WL2时，液晶盒的调节延迟量计算式为 D_LC＝[(D_lc_max+D_WP)/WL2]*WL2-D_WP； 其中[]符号表示相除向下取整。
2)滤光片系统部件装配方法 (1)每一节单节滤光片系统沿着光路从前到后依次为前偏振片、可调相位延迟器、后偏振片，其中偏振片之间光轴互相平行，可调相位延迟器包括液晶盒或是液晶盒与波片的组合，液晶盒与波片的光轴平行，即为可调相位延迟器的光轴，可调相位延迟器的光轴与偏振片夹角45°； (2)将单节滤光片系统在同一光路上进行装配，每一节单节滤光片系统的后偏振片为下一节单节滤光片系统的前偏振片，第一节单节滤光片系统的前偏振片为整个系统的光输入窗，最后一节单节滤光片系统的后偏振片为整个系统的光输出窗。
系统中第一液晶盒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为扭曲向列型液晶，液晶层厚度为10微米，施加频率为5KHz的幅值可调交变电压，幅值调节范围为10V至0V。
加10V电压时液晶盒的D_lc_min为50nm，则第一波片6的延迟量为1550nm，第二波片9的延迟量为3150nm，第三波片12的延迟量为6350nm，第四波片15的延迟量为12750nm。当液晶盒都施加10V电压时，系统为初始状态，各节滤光片光谱透过率如图2(a)所示，系统的整体输出如图2(b)所示。滤光范围为整个可见光谱区，通带半高宽为5nm。
设液晶盒的调节范围为50nm～1500nm，要将第三节滤光片系统调节到目标波长WL2＝700nm。此节波片产生的延迟量为即D_WP＝1550nm，调节后需要产生的延迟量为22*WL2＝2800nm，而D_lc_max+D_WP＝1500+1550＝3050nm，大于需要产生的延迟量，因此液晶盒延迟量应为 D_LC＝23-1*WL2-D_WP＝2800-1550＝1250nm，只要调节电压，将液晶盒产生的延迟量调节为1250nm。
若是要将第四节滤光片系统调节到目标波长WL2＝700nm，此级波片产生的延迟量为D_WP＝3150nm，调节后需要产生的延迟量为24-1*WL2＝5600nm，而D_lc_max+D_WP＝1500+3150＝4650nm，小于需要产生的延迟量，因此液晶盒延迟量 D_LC＝D_LC＝[D_lc_max+D_WP/WL2]*WL2-D_WP ＝[4650/700]*700-3150＝6*700-3150＝1050nm，即需要调节电压，将液晶盒产生的延迟量调节为1050nm，在700nm上产生第6级次波峰值。
根据这一方法，计算出六节滤光片系统，调节到目标波长700nm时，各节液晶盒需要的调节量 调节之后，各级滤光片光谱透过率如图3(a)所示，系统的整体输出如图3(b)所示。滤光范围为整个可见光谱区，通带半高宽为15nm。
权利要求
1.一种基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，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)为第一节滤光片，第二偏振片(3)、第二液晶盒(4)、第三偏振片(5)为第二节滤光片，第三偏振片(5)、第一波片(6)、第三液晶盒(7)、第四偏振片(8)为第三节滤光片，第四偏振片(8)、第二波片(9)、第四液晶盒(10)、第五偏振片(11)为第四节滤光片，第五偏振片(11)、第三波片(12)、第五液晶盒(13)、第六偏振片(14)为第五节滤光片，第六偏振片(14)、第四波片(15)、第六液晶盒(16)、第七偏振片(17)为第六节滤光片，偏振片光轴互相平行，波片与液晶盒的光轴与偏振片夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，其特征在于所述的第一波片(6)为正晶体，其延迟量为1400nm<D_WP1<1550nm。
3.根据权利要求1所述的基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，其特征在于所述的第二波片(9)为正晶体，其延迟量为3000nm<D_WP2<3150nm。
4.根据权利要求1所述的基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，其特征在于所述的第三波片(12)为正晶体，其延迟量为6250nm<D_WP3<6350nm。
5.根据权利要求1所述的基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，其特征在于所述的第四波片(15)为正晶体，其延迟量为12600nm<D_WP4<12750nm。
6.根据权利要求1所述的基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统，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)为扭曲向列型液晶，液晶层厚度为5～15微米，施加频率范围为100Hz<f<10KHz的幅值可调交变电压，幅值调节范围为10V至0V。
7.一种基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统的设计方法，其特征在于包括如下步骤
1)滤光片系统部件设计
(1)波片延迟量设计
设系统的初始波长为WL1，液晶盒加10V电压时的延迟量为D_1c_min，第N节滤光片的波片延迟量为D_WP＝2N-1*WL1-D_1c_min；
(2)液晶盒调节延迟量设计
设液晶盒调谐后产生的附加延迟量为D_1c，其最大附加延迟量为D_1c_max，波片产生的延迟量为D_WP，目标波长为WL2，则第N节滤光片中液晶盒的调节延迟量计算方法为
(a)当D_1c_max+D_WP>2N-1*WL2时，液晶盒的调节延迟量计算式为
D_LC＝2N-1*WL2-D_WP；
(b)当D_1c_max+D_WP<2N-1*WL2时，液晶盒的调节延迟量计算式为
D_LC＝[(D_1c_max+D_WP)/WL2]*WL2-D_WP；
其中mod表示向下取整。
2)滤光片系统部件装配方法
(1)每一节单节滤光片系统沿着光路从前到后依次为前偏振片、可调相位延迟器、后偏振片，其中偏振片之间光轴互相平行，可调相位延迟器包括液晶盒或是液晶盒与波片的组合，液晶盒与波片的光轴平行，即为可调相位延迟器的光轴，可调相位延迟器的光轴与偏振片夹角45°；
(2)将单节滤光片系统在同一光路上进行装配，每一节单节滤光片系统的后偏振片为下一节单节滤光片系统的前偏振片，第一节单节滤光片系统的前偏振片为整个系统的光输入窗，最后一节单节滤光片系统的后偏振片为整个系统的光输出窗。
全文摘要
本发明公开了一种基于液晶电控双折射的宽光谱窄带可调滤光片系统及其设计方法。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、波片构成每一级可调滤光片。本发明为液晶盒与双折射晶体与偏振片的组合；通过对液晶盒调节量以及波片延迟量的优化设计，最大化利用了液晶的调节能力，实现了宽光谱范围内连续可调的窄带滤光，具有通光口径大、装配简易、制造方便、滤光光谱广、光谱分辨率高的特点，可应用于生物医学、天文观测等领域。
文档编号G02B27/00GK101398541SQ200810059070
公开日2009年4月1日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者曹星烨, 郑臻荣, 李海峰, 刘向东 申请人:浙江大学