液晶可调谐偏振光谱相机的显色偏振研究

叶莹 岳鑫 冯可 谭勇

摘  要：利用液晶偏振調制器的偏振光谱成像技术、装置及其实验研究在国内外已见少量相关报道，而实现偏振光谱实验分析及数据反演的关键则在于实验设备及其准确的Stokes参量光谱传递函数，其中，液晶调制器的显色偏振是导致光谱传递函数变化的关键因素。文章运用偏光干涉法建立了能够同步获取系统中可调制电压范围内液晶偏振控制器（Liquid Crystal Polarization Rotator，LCPR）与液晶相位延迟器（Liquid Crystal Variable Retarder，LCVR）产生的单一式及组合式显色光场图与光谱信息，对显色偏振现象展开研究。研究结果表明：在液晶可调谐偏振光谱相机中，液晶偏振调制器产生的显色偏振现象对最终获取的偏振光谱图像的光谱成像质量产生了明暗不均匀的影响，显色偏振变化机制导致偏振干涉的出射波长在出射面的不同区域有差异，进而形成整体的颜色变化。因此，文章对如何认识显色偏振影响，以便提高基于液晶偏振调制器研制的相关偏振光谱成像的反演精度，对这类装置的应用及研究具有重要意义。

关键词：物理光学;液晶偏振调制器;全偏振高光谱成像;显色偏振

中图分类号：O436        文献标志码：A         文章编号：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

近年来，利用偏振光谱成像技术获取目标信息的科研成果及方法使目标信息量得到了极大的丰富，尤其偏振成像技术在探测低对比度的目标信息中发挥其独特的优势。偏振光谱成像技术作为近现代的研究热点，在军事隐蔽物识别[1]、清晰成像[2]、农作物微损伤筛选与病变检测[3]、大气气溶胶测量[4]、生物医学诊断[5]等领域有着广泛的应用。目前，随着液晶材料制备工艺的迅速发展，液晶调制器凭借其功耗低、响应快、体积小、无机械振动等良好的性能特点已被用于偏振光谱成像技术中[6]，美国陆军研究实验室开发了主要由声光调谐滤光片（AOTF）和液晶调制器（LCVR）构成的偏振高光谱成像仪[7]，M. Vedel等人提出一种基于双铁电液晶波片（FLCVR）研制的全斯托克斯偏振成像照相机，能够快速进行电压调控，从而获取目标全偏振信息[8]。而国内的中科院西安光学精密机械研究所[9]、中北大学[10]、西安工业大学[11]等多家单位也有相应的研究，常见的相关报道，大多数都是针对基于液晶调制器实现偏振光谱成像技术的系统及测量方法提出，甚至是液晶晶体的特性理论研究[12-15]、固体和液体的相干彩虹实验研究[16]等，而基于偏振光谱成像系统中液晶调制器显色偏振现象的报道目前尚未看到，因此，研究液晶調制器显色偏振对此类器件的偏振光谱成像系统及其对目标信息的反演精度，关系着应用效果的优劣，具有特殊的研究价值。

本文聚焦于可应用在偏振光谱成像系统上的液晶调制器（液晶偏振控制器LCPR与液晶相位延迟器LCVR）和液晶可调谐滤波器（LCTF）的显色偏振问题，研究其产生现象与机理，为偏振光谱相机的信息反演奠定基础。

2 色偏振实验

2.1 色偏振实验方法

图1为利用偏光干涉法对液晶调制器进行显色偏振测量的实验装置示意图，设Z轴方向为光线传播方向，LCPR和LCVR表面均平行于X-Y面，且两者初始长轴确定为X方向。将起偏器与检偏器调成正交垂直状态，溴钨灯整形后的近平行光束经过起偏器、LCPR、LCVR及检偏器，经过机械调整装置依序改变反射镜与光路成45°角或者0°（水平）角，在水平角时由CCD成像并记录图像;在45°角时用光谱仪记录光谱信号。采用的LCVR与LCPR为美国Meadowlark公司产品，光谱范围为380nm～1800nm，电控LCPR可对线偏振态的入射光实现0°或90°的偏振态的旋转，LCVR通过调节特定电压从而获得特定的延迟量。液晶波片控制器分别控制LCPR和LCVR，电压调制幅度范围0V～10V，精确到1mV，调制周期最小为0.1s，设置电压调制周期为10s，通过计算机软件灵活改变液晶波片两端电压来控制液晶的双折射系数，实时精确控制光束通过液晶波片快慢轴的相位差。

2.2 显色偏振实验现象

通过实验观测不同电压下液晶调制器件单一式及组合式的光场调制现象。实验系统放置单一LCPR或LCVR，设置0V-10V的电压控制范围，在步长为0.5V（关键点可增加步长密度）时，观测单一式LCPR及LCVR光场图，并记录对应的光谱透过率曲线，再同时放置LCPR和LCVR，获取组合式叠加的光场图和光谱透过率曲线，鉴于两种器件的电压组合有22×25种，选取常用的0°、90°线偏振光和右旋圆偏振光作为代表，分析其色偏振现象。

图2表示实验系统中仅放置LCPR时的不同电压下透过率光谱和光场图，光谱曲线按照纵向排列标识电压变化，同时光谱图上方的标识为随着电压变化的光场图。可以看出0V，0.5V，1V，1.5V时，线型相似，在470nm处有波谷，530nm处有波峰，光场颜色呈蓝绿色，这与显色偏振图像相符;1.8V时谱峰兰移，此时光场呈蓝绿色，颜色较0-1.5V呈现的更暗。2V时谱线线型中短波峰继续兰移至440nm左右，但620nm到约800nm透过率单调增加，相对1.5V增加，此时光场成蓝紫色与红色混合，显色偏振图像显示的粉紫色。2.5V时波段630nm-830nm整体光谱透过率以二次曲线型增加，峰值点在800nm处，同时在519nm还有一个峰，主色场以橙黄光呈现。3V与2.5V相比较，光谱峰分别为480nm和790nm，而且短波峰透过率增大和长波峰降低，从光场图上看呈现褐黄色。3.5V与3V相比较，790nm峰透过率降低，短波峰兰移为428nm，且变窄，从光场图上看黄色因素增加了。从3.5V到10V，光谱的短波峰和长波峰峰值降低，甚至到10V时，光谱线型（430nm-800nm）几乎是平坦的;然而光场图中黄色因素逐渐增加，直到9V-10V的光场图边缘出现蓝绿色。

图3表示实验系统中仅放置LCVR时的不同电压下透过率光谱和光场图。0V-1V时，谱线线型相似相近，在480nm处有波峰，光场图呈青蓝色。1.5V时波峰兰移，光场图呈蓝紫色;1.8V与1.846V在波段400-480nm处线型相近，但1.846V在波段600-800nm的透过率高于1.8V，因此1.8V光场主要以蓝紫色为主，1.846V主要以红紫色为主。2V时波段650-700nm处透过率较高，呈橙红色光场，2.2V与2.5V光谱线型相近，主要呈橙黄色光场。3V与3.5V线型平缓，3V较3.5V整体透过率偏高，光场强度高于3.5V，均呈黄色光场。3.985V-10V时，整体谱线未出现较大颜色变化，均呈黄色或淡黄色，线型基本趋于直线平缓，4V、4.5V、7V、8V整体透过率处于0.33与0.4之间，3.985V、6.5V、7.5V、9V、9.5V整体透过率处于0.3与0.34之间，5V、5.5V、6V、8.5V、10V透过率处于0.26与0.29之间。

图4表示实验系统中由LCPR和LCVR组合时的0°、90°线偏振光和右旋圆偏振光透过率光谱和光场图，光谱按照颜色区分，光场图用色框标识为与光谱曲线颜色一致。0°线偏振光由LCPR的1.846V与LCVR的2.4V组合，在470nm和560nm处有波峰，显色偏振光场图呈黄绿色;90°线偏振光由LCPR的1.846V与LCVR的4.2V组合，其透过率谱在450nm处有一个波峰，550nm后缓慢递增，光场呈红紫色;右旋圆偏光对应组合电压为3.985V与3V，其显色偏振透过率光谱中，在420nm处有一个小波峰，520nm-630nm段线型平坦，之后递增，光场呈橙红色。

由上面三种状态可以看出，光谱透过率和光场图无论在单一液晶器件还是两者组合条件下，随着电压的变化，也就是偏振态的变化，显色偏振变化特征明显，这为探测目标过程中的光信号特征反演带来了困难，因此，分析与验证显色偏振的产生是十分有必要的。

3 实验结果验证与讨论

由于液晶调制器是一种色散器件，因此在不同谱段下，液晶调制器的延迟-电压特性电压并不一致。因此，在图1实验条件的基础上，选择波长560nm半导体激光器激光光源进行光谱法测量，进一步对实验结果进行验证。光谱扫描1000次，设置电压0V-10V变换，周期10s，每秒对应LCPR的每伏控制电压。液晶偏振控制器的光强随电压变化的光谱图（如图5），LCVR在上述两种光源照明下，现象与LCPR一致，不同的是激光照明下，LCVR在1.8V电压下有最暗点。对其中一部分局部放大后，能够清晰获得局部干涉图样，如图5中右上部分所示。液晶调制器单一式测量结果与文献[17]报道的结果相符，而组合的结果为本文新的实验结果。

单一的LCPR或LCVR，在施加电压超过阈值电压Uth后，引起了各自的入射面和出射面相差改变约为π，同时起偏器和检偏器引起的正弦变化，从曲线上看像一个2π周期的正弦曲线变化。在小于Uth时，出现局部干涉振荡特征，是由于器件中间与边缘的液晶分子受到的施加电压不均匀导致的。当LCPR和LCVR组合时，在施加电压超过阈值电压后，LCPR和LCVR相位差叠加并因为初始相位差的不同，形成了与4π相位差近似的结果，即LCPR和LCVR组合产生的相位延迟也叠加，光强呈正弦曲线周期变短一倍而周期数目增加一倍。从图中注意到，施加电压超过某一个值，单一的LCPR或LCVR液晶调制电压增加为5V，组合的为6V，光强变化越来越缓慢。

因此，图5的结果也证明了图2-图4的光谱透过率结果必然发生变化的原因，即在不同电压情况下，相位差发生了改变，导致偏振干涉的出射波长在出射面不同区域上不一样，进而形成整体的颜色改变。

4 结论

本文工作完成了偏振光谱成像系统中显色偏振对系统产生影响的分析与研究，偏振光谱相机通常采用黑白成像，显色偏振会影响成像画面的明暗程度，这对后继进一步应用液晶偏振光谱相机进行实验及误差分析的研究，具有参考指导性价值。

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