一种高光通量可调滤光片及计算光谱成像系统的制作方法

本发明涉及一种光谱成像可调滤光片及计算光谱成像系统，适用于气体传感、显微成像、资源监测、缺陷检测、食品安全等领域。

背景技术：

1、光谱成像近年来得到了蓬勃发展，它丰富了传统的成像方式，并可以为物体提供前所未有的细节特征，其作为一种高维感知方式，在精准农业、食品安全检验、环境监测、医学成像等领域发挥着日益重要的作用。目前光谱成像技术主要包括三种：空间扫描光谱成像、时间扫描光谱成像以及快照式（滤光片阵列等）光谱成像。空间扫描技术（例如，推扫或点扫方法）主要利用利用机械推扫部件，实现图像获取；利用光栅或棱镜，实现光谱捕获。其稳定性不足，体积、质量都很大，广泛部署的成本高。目前，这种传统方式的光谱成像仪主要应用在少数特定场合（如侦测、国防、卫星监测）。在这种传统方式的配置中，光栅的质量决定了光谱成像仪的性能，为了获得高分辨率光谱数据，往往需要大尺寸、高精密的光栅器件，这一方面提高了器件造价成本，另一方面由于分到每个探测器上的光强变弱，降低了设备信噪比。再者，通过这种扫描方式，获得完整一张静态高光谱图像往往需要数十秒到一分钟，非常耗时。

2、通过采用多滤光片集成的快照式芯片，可以解决采集速度的问题；然而，该方法以牺牲空间分辨率为代价，且光谱分辨率越高，则空间分辨率越低；只有对于空间分辨率要求不高的场合，这种方式才具有一定应用价值。

3、对于需要高空间分辨率的场合，如生物医学成像等，则还可以通过采用可调滤光片的方式，实现光谱成像。典型的可调滤光片包括级联可调波片的lyot型液晶可调滤光片、声光可调滤光片等。其工作原理是通过依次构建不同窄带滤光片，对物体在不同波长通道下进行图像采样。通过该种采样方式，可以有效解决快照式系统中空间分辨率低的问题；与此同时，由于窄带滤波的特性，该方式会牺牲窄带外所有光强能量，光谱分辨率越高，则其通光量越低，这一成像方式显然不适用于低光、弱信号环境。此外，且基于以上方法的可调滤光片工艺复杂，成本高昂，单个可调滤光片的售价往往高达几万元。

技术实现思路

1、为了克服现有可调滤光片中光通量不足的缺点，本申请旨在实现一种低成本、高光通量的可调滤光片，并通过结合计算光谱成像算法，实现一套低成本、高光通量的光谱成像系统，满足弱光、暗光等场景下的光谱成像应用。

2、本申请解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种高光通量可调滤光片：

4、从上到下，包括偏振片、基底、反射层、导电层、定向层及腔内填充的液晶层、金属引线、pcb驱动板、外壳，以液晶层为中心，上下对称依次为定向层、导电层、反射层、基底；偏振片置于基底外侧，且偏振方向与液晶层中液晶光轴方向平行或垂直；反射层包括上下两个反射层，反射层均具有一定透射率，可以将入射光线耦合进光学干涉腔内，并且使得光线在腔内多次来回反射产生干涉效应；导电层用来在液晶层上施加电信号，使得液晶层折射率发生改变；定向层用来使得液晶层中液晶材料沿平行或垂直基底方向排布；液晶层由液晶材料构成，由于液晶材料具有双折射特性，通过施加电信号，其可以改变光学干涉腔中有效折射率，从而改变光学干涉腔的谐振状态；pcb驱动板通过金属引线，在导电层施加电信号，从而改变液晶材料有效折射率；外壳用来对该可调滤波片进行封装保护。

5、光谱成像系统：包括成像透镜、高光通量可调滤光片、图像探测器、信号源、控制及处理单元。

6、成像透镜用来将待测物成像到图像探测器。

7、高光通量可调滤光片置于图像探测器之前，用来调制入射光谱。

8、信号源用来在高光通量可调滤光片上施加电信号，从而对入射光产生不同调制效果。

9、控制及处理单元用来控制电信号与图像探测器的同步，并对采集到的数据进行处理。

10、光谱图像采集及复原算法：光谱图像采集时，在高光通量可调滤光片上轮流施加不同幅度的交流电压信号，改变其光谱滤波状态，利用成像系统同步拍摄图像进行数据采集。预先标定可调滤光片在不同驱动信号下的光谱响应、图像探测器响应、光源光谱数据等，最终通过计算复原方式还原出光谱图像。

11、图像探测器的输出信号与光谱值之间的关系如下式所示：其中 p( vm)代表不同驱动电压下，图像探测器单个像素点的输出信号， vm表示不同驱动电压， λn代表不同波长， i( λn)为光源的光谱， t( λn, vm)代表可调滤光片在不同驱动电压下的光谱响应， r( λn)为图像探测器的光谱响应， s( λn)代表待测物体的反射或透射光谱， m、 n分别为可调滤光片的采样数、波长通道数；其中 i( λn)、 t( λn, vm)、 r( λn)均可通过预先标定得到，则上式可简化为：以上方程，可以转化为下列最优化问题：

12、利用深度学习、最小二乘法、凸优化等方法，求解上述优化问题，则可从图像探测器每个像素的强度信息中复原出光谱图像信息。

13、所述光学干涉腔中上下两个反射层可由单层材料如金、银、铝、硅、锗、二氧化钛等构成，也可以由具有高低折射率分布的多层膜材料构成，通过调整各膜层的厚度和折射率，可在工作波长范围内实现一定反射率。

14、所述的导电层可以由薄层金属如银纳米线、石墨烯薄膜等构成，也可以采用常见的氧化铟锡导电材料等构成。

15、所述的导电层既可以为完整电极层，也可以为叉指电极等异形，其作用为在滤光片上施加电信号，并透过入射光信号。

16、所述的上、下定向层的定向方向相同，且与基板平行或垂直，与之对应，此时液晶材料需选择正性或负性液晶材料。

17、成像透镜可以为单只透镜，也可以为透镜组，亦或通过多个镜头组合实现中继成像，其目的在于使得外部物体经过可调滤光片等成像在图像探测器上。

18、通过采用适用于其他波段的液晶材料以及光学元件，该可调滤光片方案可以拓展到紫外及红外波段。

19、本发明的有益效果在于：1.本发明提出的可调滤光片，可以突破目前可调滤光片中存在的光谱分辨率与光通量之间的限制关系，极大提高了现有可调滤光片的通光量，其构成的光谱成像系统适用于低光、暗光等场合，有效提高了系统信噪比。2.本发明提出的可调滤光片，只需单个液晶构成的光学谐振腔，工艺简单，成本低廉。

技术特征：

1.一种高光通量可调滤光片，其包括偏振片、基底、反射层、导电层、定向层、液晶层、金属引线、pcb驱动板、外壳，以液晶层为中心，上下对称依次为定向层、导电层、反射层、基底；导电层通过金属引线与pcb驱动板相连，pcb驱动板输出不同电压信号；最外层为外壳；其特征在于：两反射层构成一个高阶光学干涉腔，其透射谱具有两个及以上的透射峰；干涉腔内为液晶层，液晶层内液晶材料通过定向层均匀排列在腔中；pcb驱动板输出不同信号，该滤光片透射光谱随之变化，且其透射峰由下式决定：其中，n、h、θ、q分别为腔内材料等效折射率、腔等效厚度、入射角、干涉级次；所述的光学干涉腔具有两个及以上透射峰，也即，上述公式中q大于等于2。

2.根据权利要求1所述的高光通量可调滤光片，其特征在于：偏振片置于基底外侧，且其偏振方向与液晶层中液晶光轴方向平行或垂直。

3.一种基于权利要求1所述的高光通量可调滤光片的光谱成像系统，其特征在于：包括高光通量可调滤光片、成像透镜、图像探测器、信号源、控制及处理单元；高光通量可调滤光片通过pcb驱动板与信号源相连，置于成像透镜与图像探测器之间；控制及处理单元分别与信号源、图像探测器相连。

4.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于：光谱图像采集过程包括：控制及处理单元分别给信号源、图像探测器施加同步信号触发器，触发可调滤光片工作，同时图像探测器采集图像；通过在可调滤光片上依次施加不同电信号，图像探测器采集得到不同图像数据。

5.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于：施加在可调滤光片上的驱动信号为大于1 khz的交流电压信号，且最大电压幅值满足如下关系：在该最大电压幅值下，滤光片透射峰的漂移量恰可以覆盖两个相邻透射峰间距。

6.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于：预先标定可调滤光片在不同驱动信号下的光谱响应、图像探测器响应、光源光谱数据，最终通过计算复原方式还原出光谱图像；图像探测器采集得到的图像数据与待测光谱图像之间的关系如下式所示：其中p(vm)代表不同驱动电压下，图像探测器单个像素点的输出信号，vm表示不同驱动电压，λn代表不同波长，i(λn)为光源的光谱，t(λn,vm)代表可调滤光片在不同驱动电压下的光谱响应，r(λn)为图像探测器的光谱响应，s(λn)代表待测物体的反射或透射光谱，m、n分别为可调滤光片的采样数、波长通道数；其中i(λn)、t(λn,vm)、r(λn)均可通过预先标定得到，上式可简化为：求解上述方程，即可从图像探测器每个像素的强度信息中复原出光谱图像信息。

技术总结本申请公开了一种高光通量可调滤光片及计算光谱成像系统,可调滤光片包括偏振片、基底、反射层、导电层、定向层、液晶层、金属引线、PCB驱动板、外壳。其特征在于以液晶层为中心，上下对称依次为定向层、导电层、反射层，以上结构构成一高阶光学谐振腔，该腔具有多个透射峰。基于该可调滤光片，计算光谱成像系统包括成像透镜、图像探测器、信号源、控制及处理单元。标定不同驱动信号下滤光片光谱响应、图像探测器响应、光源光谱，可通过计算复原方式，从图像探测器的强度信息中复原出光谱信息，实现光谱成像功能。该可调滤光片具有透过率高、成本低廉等特点，该成像系统则具有检测范围大、结构紧凑等优点。技术研发人员：何赛灵,郭庭彪,林子舰受保护的技术使用者：台州安奇灵智能科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13