电压可调谐偏振器制造技术

偏振敏感的纳米粒子的精密的测定偏振的成像对于解析超出衍射极限的它们的准确空间位置是必要的。然而，常规技术通常采用机械旋转的光学部件，从而导致无法超出衍射极限进行校正的光束偏差误差。为了克服该限制，为偏振敏感的纳米粒子提出了空间稳定的纳米成像系统。在本公开内容中，论证了通过将电压可调谐偏振器集成到光学显微镜中，能够实现高精度纳米成像，而没有机械上引起的图像移位。还论证了通过将电压可调谐偏振器集成到摄影成像系统中，能够实现对反射眩光的高速抑制和/或对成像器的高速变化曝光。通过施加幅度调制的电压，对于动态测定偏振的纳米成像，能够实现透射偏振的高速旋转和/或透射强度的调制。另外，还论证了通过将电压可调谐偏振器集成到摄影摄像装置系统中，能够去除来自对象表面的眩光，以提供具有更大对比度的图像，并且能够作为可变中性密度滤光片来控制可变曝光。

Voltage tunable polarizer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电压可调谐偏振器政府条款本专利技术是在美国国家科学基金会授予的补助金第ECCS-1454188号和美国空军/空军科学研究所授予的补助金第FA9550-16-1-0272号下由政府支持进行的。政府在本专利技术中具有某些权利。
本公开内容涉及被应用的电压可调谐偏振器、以及用于解析超出衍射极限的偏振敏感的纳米粒子的纳米成像系统、以及用于眩光去除和用于可变曝光的摄影摄像装置系统。
技术介绍
分析各个偏振敏感的纳米粒子使得能够在空间上解析超出衍射极限的异质群体内的实际分布。然而，整体研究提供了混合平均值，各个纳米粒子的测定偏振的(polarimetric)成像可以揭示它们的取向。通过使偏振旋转以与各向异性的纳米粒子的轴对准，可以提取取向信息，从而产生其局部微环境的性质。特别地，每个单个纳米粒子的测定偏振的成像有可能确定每个组成的纳米粒子在异质分布内的精确的空间位置(nm)。然而，为了使偏振旋转，先前的实现方式利用机械方法。因此，由于固有的机械和制造限制(表面缺陷、机械摆动等)，所得图像易于产生光束偏差误差。尽管可以使用微米级的图像处理来校正光束偏差误差，但是本公开内容理论上和实验上示出这些校正在子像素级不足以准确地校正各个纳米粒子的空间位置。在本公开内容中，提出了电压可调谐偏振器，其可以用于解析超出衍射极限的偏振敏感的纳米粒子。在一个示例中，电压可调谐偏振器与光学显微镜集成，以对超出像素极限的单个等离子体纳米粒子进行稳定地成像。在此，电压而不是机械旋转被用来动态地调谐透射偏振角并且消除光束偏差。论证了对于动态、高速测定偏振的纳米成像，可以快速地调谐透射偏振角(θ)。还示出了，与具有当图像在像素上移位时引入不可校正的误差的机械旋转的偏振器的常规设置相比，纳米成像系统导致空间稳定和可再现的测定偏振的纳米图像(从θ1至θ2)。在另一示例中，电压可调谐偏振器与摄影摄像装置集成，以去除来自对象表面的偏振或者部分偏振的反射，以提供具有更多细节和/或对比度的图像。论证了当电压可调谐偏振器被接通并且调谐角垂直于来自要被成像的对象的反射光的偏振状态时，反射眩光被抑制并且成像的对象上的细节(例如，所写字母)被显示。电压可调谐偏振器也可以用作用于摄影目的的可变中性密度滤光片，以提供可变的透射强度和可变的曝光。电压可调谐偏振器具有在汽车摄像装置系统、舰/船摄像装置系统、水下摄像装置系统、航班/飞机摄像装置系统、消费者电子摄像装置系统(膝上电脑、手机等)、太空梭摄像装置系统、自主摄像装置系统、监视摄像装置系统、科学摄像装置系统等中的静止和实时摄影中的应用。电压可调谐偏振器还具有传感器使能的眼镜佩戴、可调节的智能眼镜等中的应用。该部分提供与本公开内容有关的不一定是现有技术的背景信息。附图说明本文中描述的附图仅出于所选实施方式而不是所有可能的实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。图1A是描绘在理想情况下在偏振器的旋转之后没有光束偏差的图。图1B描绘了以不同的增量使偏振器旋转之后单个等离子体纳米棒的模拟稳定图像。图1C是来自图1B的选择模拟图像的近视图，示出了准确的空间分布。图2A是描绘由于偏振器的非平行性而导致的光束偏差的图。图2B描绘了以不同的增量使偏振器机械地旋转之后单个等离子体纳米棒的模拟不稳定图像。图2C是来自图2B的选择模拟图像的近视图，示出了子像素级的不可校正的光束偏差误差。图3A是示例纳米成像系统的框图。图3B是用于摄影应用的示例的框图。图4A是电压可调谐偏振器的示例实施方式的截面分解视图。图4B是用作强度调制器的电压可调谐偏振器的第二示例实施方式的截面分解视图。图5A是电压可调谐偏振器的示例实施方式的图。图5B是用作强度调制器的电压可调谐偏振器的第二示例实施方式的图。图6A是保持用于纳米成像系统的电压可调谐偏振器的显微镜插入件的示意图。图6B是用于保持用于摄影应用的电压可调谐偏振器的插入件的示意图。图7A是示出电压与透射偏振轴的旋转(θ)的相关性的曲线图。为两种液晶(liquidcrystal)延迟器绘制了实验数据及其多项式拟合(底部为LC1致动电压U1以及顶部为LC2致动电压U2)。图7B是示出关于电压可调谐偏振器的偏振性能的曲线图。具有不同偏振角的透射光强度示出了与马吕斯定律(黑线)的优异匹配。实验数据(红点)是通过在线性偏振器之后旋转电压可调谐偏振器得到的(α是偏振器的透射轴与线性偏振器的透射轴之间的角，插图)，然后将实验数据拟合至正弦函数(红线)。图中的A和B分别表示线性偏振器和电压可调谐偏振器。图7C是示出输入功率上的均匀性的曲线图；在宽的输入功率范围上示出了不同偏振角的透射(红线，0度；绿线，30度；蓝线，60度；紫线，90度)。图7D是示出不同波长上的均匀性的曲线图。一致的偏振性能在从710nm至770nm的宽波长(λ)范围上，其中，在插图中，第一线性偏振器(LP)的透射轴被设置成与y轴对准，并且角α是线性偏振器的透射轴与电压可调谐偏振器的透射轴之间的角。图中的A和B分别表示线性偏振器和电压可调谐偏振器。图8A是示出电压可调谐偏振器的接通和断开切换的曲线图。在顶部曲线图中，示出了LC1的致动电压，其中，低电压电平和高电压电平是1.86V和2.88V(蓝色波形)，对应于使偏振轴关于入射光偏振从垂直(断开状态)到平行(接通状态)方向旋转。两种电压电平呈250Hz方波的形式。在底部曲线图中，示出了响应时间分析。在幅度调制的电压下电压可调谐偏振器的透射光强度(红线)。第一阴影区域和第二阴影区域分别表示接通和断开切换的响应时间。图8B是示出电压可调谐偏振器的时间性能的曲线图。在顶部曲线图中，在动态致动下示出了一个时段的透射光强度(黑点，实验数据；红线，正弦拟合)，其中，顶部插图是多个时段上的高可重复性能。在底部曲线图中，示出了用于操作LC1的致动电压(一个时段)，致动电压由与从0°至90°再返回至0°的旋转透射轴对应的19个离散电压电平施加，其中，底部插图是多个时段的致动电压。图8C是示出时间段(即，旋转速度)与消光比之间的权衡关系的曲线图，其中，实验数据及其非线性拟合被分别绘制成红条和黑线。图8D是示出电压可调谐偏振器能够进行高速测定偏振的纳米成像的曲线图。金纳米棒经由电压可调谐偏振器通过透射偏振轴的动态旋转来高速地成像。纳米棒的随时间变化的测量的平均强度被绘制为线，并且LC1的随时间变化的致动电压以波形绘制。插图，纳米棒暗场图像，其具有平行于(水平箭头)和垂直于(竖直箭头)其长轴(比例尺500nm)的透射偏振方向。图9A是大视场单个纳米棒测定偏振的图像；对玻璃基板上的单个纳米棒进行成像。图9B和图9C是示出电压可调谐偏振器的空间精度的3D图像。在图9C中，在堆叠的3D图像中示出了包括三个单个纳米棒(标记为i、ii和iii)的感兴趣的代表性区域。通过电压可调谐偏振器得到的金纳米棒的位置以青色(右本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电压可调谐偏振器，包括：/n四分之一波片，所述四分之一波片被配置成接收入射在其入射表面上的光；/n液晶延迟器，所述液晶延迟器设置在所述四分之一波片上，并且被配置成接收穿过所述四分之一波片的光；/n线性偏振器，所述线性偏振器设置在所述液晶延迟器上，并且被配置成接收穿过所述液晶延迟器的光；以及/n控制器，所述控制器在操作上耦接至所述液晶延迟器，并且向所述液晶延迟器供应电压，其中，响应于施加至所述液晶延迟器的电压，所述电压可调谐偏振器在没有所述电压可调谐偏振器自身的机械旋转的情况下改变通过所述电压可调谐偏振器传播的光的偏振状态。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171109 US 62/583,6851.一种电压可调谐偏振器，包括：
四分之一波片，所述四分之一波片被配置成接收入射在其入射表面上的光；
液晶延迟器，所述液晶延迟器设置在所述四分之一波片上，并且被配置成接收穿过所述四分之一波片的光；
线性偏振器，所述线性偏振器设置在所述液晶延迟器上，并且被配置成接收穿过所述液晶延迟器的光；以及
控制器，所述控制器在操作上耦接至所述液晶延迟器，并且向所述液晶延迟器供应电压，其中，响应于施加至所述液晶延迟器的电压，所述电压可调谐偏振器在没有所述电压可调谐偏振器自身的机械旋转的情况下改变通过所述电压可调谐偏振器传播的光的偏振状态。


2.根据权利要求1所述的电压可调谐偏振器，其中，所述线性偏振器的透射轴与所述四分之一波片的快轴平行，并且所述液晶延迟器的快轴存在于与所述线性偏振器的透射轴平行的平面中，但是以与所述线性偏振器的透射轴所成的四十五度或四十五度的奇数倍对准。


3.根据权利要求1所述的电压可调谐偏振器，其中，响应于施加至所述液晶延迟器电压的电压，偏振透射轴从0度至180度地旋转。


4.根据权利要求1所述的电压可调谐偏振器，其中，能够响应于施加至所述液晶延迟器的电压来调制透射光强度。


5.根据权利要求1所述的电压可调谐偏振器，还包括第二液晶延迟器，其中，所述线性偏振器夹在所述液晶延迟器与所述第二液晶延迟器之间。


6.根据权利要求5所述的电压可调谐偏振器，还包括第二四分之一波片，所述第二四分之一波片设置在所述第二液体延迟器上并且被配置成接收入射在所述第二四分之一波片的暴露的表面上的光，其中，入射在所述第二四分之一波片上的光在入射至所述线性偏振器上之前穿过所述第二四分之一波片和所述第二液晶延迟器。


7.根据权利要求6所述的电压可调谐偏振器，其中，所述线性偏振器的透射轴与所述第二四分之一波片的快轴平行，并且所述第二液晶延迟器的快轴存在于与所述线性偏振器的透射轴平行的平面中，但是以与所述线性偏振器的透射轴所成的四十五度或四十五度的奇数倍对准。


8.一种纳米成像系统，包括：
光学显微镜，其操作以将光投射至感兴趣的样本上；
电压可调谐偏振器，所述电压可调谐偏振器设置在所述光学显微镜的光路径中，其中，响应于施加至所述电压可调谐偏振器的电压，所述电压可调谐偏振器在没有所述偏振器自身的机械旋转的情况下改变通过所述电压可调谐偏振器传播的光的偏振状态；以及
控制器，所述控制器在操作上耦接至所述电压可调谐偏振器，以向所述电压可调谐偏振器供应电压。


9.根据权利要求8所述的纳米成像系统，其中，所述电压可调谐偏振器还被定义为在所述光学显微镜的所述光路径中串联对准的液晶可变延迟器对。


10.根据权利要求8所述的纳米成像系统，其中，所述电压可调谐偏振器包括：四分之一波片，所述四分之一波片被配置成接收来自所述光学显微镜的光；液晶延迟器，所述液晶延迟器被定位成与所述四分之一波片相邻，并且被配置成接收穿过所述四分之一波片的光；以及线性偏振器，所述线性偏振器被定位成与所述液晶延迟器相邻，并且被配置成接收穿过所述液晶延迟器的光。


11.根据权利要求10所述的纳米成像系统，其中，所述线性偏振器的透射轴与所述四分之一波片的快轴平行，并且所述液晶延迟器的快轴存在于与所述线性偏振器的透射轴平行的平面中，但是以与所述线性偏振器的透射轴所成的四十五度或四十五度的奇数倍对准。


12.根据权利要求8所述的纳米成像系统，其中，所述电压可调谐偏振器包括：第一四分之一波片，所述第一四分之一波片被配置成接收来自所述光学显微镜的光；第一液晶延迟器，所述第一液晶延迟器被定位成与所述第一四分之一波片相邻，并且被配置成接收穿过所述第一四分之一波片的光；线性偏振器，所述线性偏振器具有入射表面，所述入射表面被定位成与所述第一液晶延迟器相邻并且被配置成接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：索明·尤妮斯·李，王毅佩，刘云博，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US