一种液晶相位可变延迟器的参数标定系统及方法与流程

本发明属于光波长偏振控制技术领域，具体涉及一种液晶相位可变延迟器的参数标定系统及方法。

背景技术：

成像偏振光谱技术是获取信息的一种非常重要的手段，该技术不仅能够很好地分辨目标上的低反射区域和轮廓，而且还能够在复杂的背景环境下识别出被测目标的三维信息，这在工业和农业中具有非常高的应用价值。

偏振探测在传统探测的光强、光谱和空间三维数据基础之上进一步拓展，增加了偏振度、偏振方位角、偏振椭圆率和旋转方向四个维度。由自身性质决定物体的偏振光谱特性，相对于人造物体，大自然目标如森林、沙漠等物体的整体表面较为粗糙，没有明显的轮廓规则，所以自然目标的辐射光或者反射光呈现漫反射现象，以至于线偏振度很小几乎为零。成像偏振探测技术利用人造目标和自然目标这种物理差异性可以将人造目标从自然目标中区别出来。在遥感过程中获取被测目标的偏振特性随波长的变化规律，就可以得到目标的表面理化特性，通常将这种依赖关系称之为目标的偏振光谱特征。

偏振探测系统中的偏振信息利用波片、液晶相位可变延迟器等偏振元件进行提取。波片的使用范围有限，一般用于相干激光的固定相位调制。液晶相位可变延迟器的波长调谐范围宽，而且在电压驱动下可以实施任何相位的调制，在宽带光源的偏振探测中，应用最为广泛。在使用液晶相位可变延迟器时，首先要对其进行标定，即对入射光波长、附加在液晶相位可变延迟器上的驱动电压以及液晶相位可变延迟器上的相位延迟量之间的关系进行标定。标定以后的液晶相位可变延迟器才可以被直接使用。标定这三者之间的关系有多种方法，通常分为以下两大类：第一类，在特定已知波长的光源下对液晶相位可变延迟器进行标定，如激光。由于激光的相干性好，而且波长稳定，对常用的几个相位延迟量，如2π、π/2、π/4以及0等，利用已知延迟量的波片进行标定即可，例如全波片、半波片、四分之一波片；第二类，用两个偏振器件，如线偏振片、分光棱镜等，对已知波长的入射光进行定标。这两种方法的操作都很灵活，但是都有局限性，如果入射光是波长范围很广的宽带光源，则这两种方法都不可取。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决任意波长任意相位延迟量下液晶相位可变延迟器的参数标定问题，而提出了一种液晶相位可变延迟器的参数标定系统及方法。

为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：

一种液晶相位可变延迟器的参数标定系统，其特殊之处在于：包括光源，所述光源的入射光路上设有偏振棱镜，偏振棱镜的出射光路上设有液晶相位可变延迟器，液晶相位可变延迟器的出射光路上设有声光可调谐滤波器，声光可调谐滤波器的出射光路上设有光谱仪；

所述液晶相位可变延迟器上连接有液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器，声光可调谐滤波器上连接有射频发射器；所述液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器、射频发射器、光谱仪分别与控制计算机相连；

入射光束依次经过偏振棱镜和液晶相位可变延迟器后进入声光可调谐滤波器，由控制计算机控制射频驱动器产生高频超声波，所述高频超声波与进入声光可调谐滤波器的光束发生声光互作用，将光束分为两衍射光和0级透射光，所述衍射光被光谱仪接收，0级透射光被设置在声光可调谐滤波器与光谱仪之间的挡板截止。

进一步地，所述光源与偏振棱镜之间设有液晶准直单元。

进一步地，所述光源上连接有光源强度控制器，所述光源强度控制器与计算机相连。

同时，本发明提出了上述液晶相位可变延迟器的参数标定方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)打开光源，使入射光束的偏振方向沿着水平方向在声光可调谐滤波器内与超声波发生声光互作用，将液晶相位可变延迟器从光路中移除，并旋转偏振棱镜，直到光谱仪上接收到声光可调谐滤波器的衍射光强为零，停止转动偏振棱镜，此时从偏振棱镜出射的偏振光偏振方向正好垂直于水平面；

2)将液晶相位可变延迟器重新置于偏振棱镜与声光可调谐滤波器之间，并旋转液晶相位可变延迟器，直到光谱仪上接收到声光可调谐滤波器的衍射光强再次降为零时停止旋转，此时液晶相位可变延迟器的快轴沿水平或者垂直方向；

3)将液晶相位可变延迟器再顺时针或逆时针旋转45°，此时液晶相位可变延迟器的快轴与水平和垂直方向都呈45°；

4)调谐附加在声光可调谐滤波器上的射频驱动器，在与光谱仪连接的控制计算机上读出想要的衍射光波长输出值；

5)调谐液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器，从控制计算机上读出对应的系统输出光强值，由公式算出相位延迟量δ的值；

其中：n＝0，±1、±2，……，iout为系统输出光强，ξ为液晶相位可变延迟器的透射率、声光可调谐滤波器的透射率、偏振棱镜的透射率和入射光强之积；

6)依次重复步骤4)和5)，得出电压、波长和相位延迟量δ的多组参数值；

7)根据得到的相位延迟量δ值，拟合波长、电压和相位延迟量的关系曲线。

进一步地，步骤1)中，所述入射光束在进入偏振棱镜之前采用液晶准直单元进行准直。

进一步地，步骤1)中，对光源的出射光强度通过光源强度控制器进行调节。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过调谐附加在声光可调谐滤波器上的射频驱动器，在与光谱仪连接的控制计算机上读出想要的衍射光波长输出值；调谐液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器，从控制计算机上读出对应的系统输出光强值，由公式算出相位延迟量δ的值；通过测量调谐范围内多组衍射光波长、驱动电压、相位延迟量的关系，在坐标系中标记出每组参数值所在的点，通过拟合波长、电压和相位延迟量三者的关系曲线，从而实现任意波长任意相位延迟量下液晶相位可变延迟器的参数标定。

附图说明

图1为本发明液晶相位可变延迟器的参数标定系统的光路示意图。

图中：1—光源；2—光源强度控制器；3—液晶准直单元；4—偏振棱镜；5—液晶相位可变延迟器；6—液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器；7—声光可调谐滤波器；8—射频驱动器；9—光谱仪；10—控制计算机；11—挡板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种液晶相位可变延迟器的参数标定系统，包括光源1，所述光源1的入射光路上设有偏振棱镜4，所述光源1与偏振棱镜4之间设有液晶准直单元3，偏振棱镜4的出射光路上设有液晶相位可变延迟器5，液晶相位可变延迟器5的出射光路上设有声光可调谐滤波器7，声光可调谐滤波器7的出射光路上设有光谱仪9；

所述光源1上连接有光源强度控制器2，液晶相位可变延迟器5上连接有液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器6，声光可调谐滤波器7上连接有射频发射器8；所述光源强度控制器2、液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器6、射频发射器8、光谱仪9分别与控制计算机10相连；

入射光束经液晶准直单元3准直后依次经过偏振棱镜4和液晶相位可变延迟器5后进入声光可调谐滤波器7，由控制计算机10控制射频驱动器8产生高频超声波，所述高频超声波与进入声光可调谐滤波器7的光束发生声光互作用，将光束分为两衍射光和0级透射光，所述衍射光被光谱仪9接收，0级透射光被设置在声光可调谐滤波器7与光谱仪9之间的挡板11截止。

本发明目的在于对入射光波长、附加在液晶相位可变延迟器上的驱动电压以及液晶相位可变延迟器上的相位延迟量三个参数之间的关系进行标定，假设入射光的偏振沿着竖直方向才可以在声光可调谐滤波器内与超声波发生声光互作用，根据声光可调谐滤波器的驱动频率与衍射光波长一一对应关系，通过调谐附加在声光可调谐滤波器上的超声驱动频率就可以选择想要的衍射光波长输出值，具体数值在光谱仪上就可以直接读出。

基于上述参数标定系统，本发明还提出了一种液晶相位可变延迟器的参数标定方法，包括以下步骤：

1)打开光源1，使入射光束的偏振方向沿着水平方向在声光可调谐滤波器7内与超声波发生声光互作用，将液晶相位可变延迟器5从光路中移除，并旋转偏振棱镜4，直到光谱仪9上接收到声光可调谐滤波器7的衍射光强为零，停止转动偏振棱镜4，此时从偏振棱镜4出射的偏振光偏振方向正好垂直于水平面；

2)将液晶相位可变延迟器5重新置于偏振棱镜4与声光可调谐滤波器7之间，并旋转液晶相位可变延迟器5，直到光谱仪9上接收到声光可调谐滤波器7的衍射光强再次降为零时停止旋转，此时液晶相位可变延迟器5的快轴沿水平或者垂直方向；

3)将液晶相位可变延迟器5再顺时针或逆时针旋转45°，此时液晶相位可变延迟器5的快轴与水平和垂直方向都呈45°；

4)根据声光可调谐滤波器7的驱动频率与衍射光波长一一对应关系，通过调谐附加在声光可调谐滤波器7上的射频驱动器8就可以选择想要的衍射光波长输出值，具体数值在与光谱仪9连接的控制计算机10上就可以直接读出；

5)调谐液晶相位可变延迟器电压调谐驱动器6，液晶相位可变延迟器液晶分子的排列方式就会发生变化，产生相应的相位延迟，导致衍射光强度随着附加在液晶相位可变延迟器5上的电压值的变化而发生改变，从控制计算机10上读出对应的系统输出光强值；

6)根据步骤5)控制计算机10得到的系统输出光强值，代入公式就可以得到相位延迟量δ的具体值；

其中：n＝0，±1、±2，……，iout为系统输出光强，ξ为液晶相位可变延迟器的透射率、声光可调谐滤波器的透射率、偏振棱镜的透射率和入射光强之积；

7)重复步骤4)、步骤5)和步骤6)，得出电压、波长和相位延迟量δ的多组参数值；

8)分根据得到的相位延迟量δ值，拟合波长、电压和相位延迟量的关系曲线。

当δ＝-π时，衍射光强度可以得到最大值imax＝ξ。只要测得输出最大值imax，通过调谐输出强度，就可计算出相位延迟量δ。例如，当lcvr的相位延迟为δ＝π/2时，那么i＝imax/2，通过调谐驱动电压得到最大输出光强imax，通过相位延迟量δ再找到当输出光强为imax/2时所对应的驱动电压。在实际使用中，如果想得到任意波长下的任意一个相位延迟量，那么只需要在控制计算机中输入想要的波长值和驱动电压值就可以得到想要的具体相位延迟值。

斯托克斯矢量既可以用来描述完全偏振光，又可以用来描述部分偏振光，甚至是自然光。stokes向量经常被用于成像偏振探测应用中。系统输出光波的斯托克斯矢量sout等于系统输入光波的斯托克斯矢量sin与系统的穆勒矩阵m之积，sout＝sin×m。

系统总输出光波的斯托克斯矢量sout可以表示为：

sout＝[s′0s′1s′2s′3]^t＝taotf·maotf·tlcvr·mlcvr·tp·mp·[s0s1s2s3]^t

式中maotf、mlcvr以及mp分别为aotf、lcvr和线偏振片的穆勒矩阵；taotf、tlcvr以及tp分别为aotf、lcvr和线偏振片的透射率。如果入射光是自然光，且光强为i0，那么：

sin＝[s0s1s2s3]^t＝i0[1100]^t

通常，lcvr的muller矩阵可以表示为：

上式中，θ1、δ分别为lcvr快轴与水平方向的夹角和入射光产生的相位延迟量。aotf衍射光的muller矩阵模型可以看做是一个理想的线偏振器，即：

式中θ2为aotf的通光面与水平面之间的夹角。

因为lcvr的快轴与水平面的夹角θ1＝45°，而θ2＝0，那么输出光的stocks矢量sout可以表示为：

令ξ＝taotf×tlcvr×tp×i0，stokes矢量的第一分量代表光强，因此衍射光强度可以表述为：

相位延迟量可以表示为：

式中：n＝0、±1、±2，……，iout为系统输出光强，ξ为液晶相位可变延迟器的透射率、声光可调谐滤波器的透射率、偏振棱镜的透射率和入射光强之积。

应当说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。