一种基于Lyot-Solc复合结构的液晶可调谐滤波器制造技术

一种基于Solc‑Lyot复合结构的液晶可调谐滤波器，是一种电控可调谐的光学滤波器件。本发明专利技术通过改变驱动电压实现透射谱的电控调谐，可用于光电检测，光谱成像等领域。所述复合型液晶可调谐滤波器(liquid crystal tunable filter‑LCTF)主要包括了由Solc和Lyot组成的复合结构，以及由信号发生器和电压放大器组成的电驱动系统。该复合型LCTF透射光谱综合了Lyot型结构的窄半高宽和Solc型结构的高透射率的特点，通过合理的结构设计，提高了光谱透射率，同时有效去除了可见光谱内次级透过峰。

A liquid crystal tunable filter based on Lyot-Solc composite structure

A liquid crystal tunable filter based on Solc_Lyot composite structure is an electrically tunable optical filter. The invention realizes the electronically controlled tuning of the transmission spectrum by changing the driving voltage, and can be used in the fields of photoelectric detection, spectral imaging, etc. The liquid crystal tunable filter (LCTF) mainly comprises a composite structure composed of Solc and Lyot, and an electric drive system composed of a signal generator and a voltage amplifier. The composite LCTF transmittance spectrum synthesizes the characteristics of Lyot-type structure with narrow half-width and Solc-type structure with high transmittance. Through reasonable structure design, the spectral transmittance is improved and the secondary transmittance peak in the visible spectrum is effectively removed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Lyot-Solc复合结构的液晶可调谐滤波器
本专利技术涉及的液晶可调谐滤波器，是一种新型结构的液晶可调谐滤波器，其基于Solc和Lyot的复合结构，通过合理的结构设计和材料选取，实现了高效率、窄带透波及电可调谐。
技术介绍
一个具有高效率的可调谐双折射滤光片在光通信、光谱成像、遥感和显示器领域有着许多重要的应用。在高光谱领域，随着传感器的不断更新，人们已经可以在不同的航空、航天遥感平台上获取不同时空间分辨率和光谱分辨率的遥感影像。高光谱遥感与以往遥感技术相比，具有图谱合一的特征和从可见光到红外甚至热红外的一系列波段，是一种综合性的遥感技术手段。在高光谱遥感的应用中，对目前使用的光学滤波器提出了具有多峰窄带和可调谐特性的要求。在光谱成像领域，由于液晶可调谐滤波器(LCTF)在较宽的光谱范围内也具有很高的透射率并且能够通过电控液晶双折射率的调节实现对特定波长的选择透过，所以它在用于制造高光谱偏振成像遥感设备元件中处于有利地位。LCTF即液晶可调谐滤波器(Liquidcrystaltunablefilter)与一些典型光学滤波器如相比有以下的优点：(1)体积小、重量轻、没有运动部件；(2)光谱分辨率高、自由光谱范围(FSR)宽；(3)驱动电压比较低、通光孔径大、功耗低；尽管LCTF有这么多的优点，但目前大多数LCTF采用级联型Lyot结构，此结构中存在多片偏振光学元件，使得滤波器总透过光强损失较大，尤其当光谱分辨率较高时，LCTF的级次随之增加，伴随高级次液晶板厚度的增加，由此带来的透过率损失和响应时间降低是不可避免的。因此，迫切的需要一种提高LCTF效率的结构设计方案。Solc型LCTF结构只有两块偏振片，而N级Lyot型LCTF结构存在(N+1)块偏振片，因此Solc型结构的透过率损耗较少，但相较于Lyot结构其透射光谱分辨率较低，与级数成线性比例关系，而Lyot型的分辨率与级数成几何级数变化关系。因此，本专利技术提出一种基于Solc-Lyot的复合结构，综合了Lyot型结构的窄半高宽和Solc型结构的高透射率的特点，通过合理的结构设计，提高了光谱透射率，同时有效去除了可见光谱内次级透过峰
技术实现思路
本专利技术所要技术解决问题是：提供一种液晶可调谐滤波器设计方案，实现光学滤波器的窄带、可调谐和快速响应特性。本专利技术的技术解决方案是：一种基于Lyot-Solc复合结构的液晶可调谐滤波器，其包括：由偏振片、多级液晶片组成的3级展开式Solc结构和2级Lyot结构以及由信号发生器和电压放大器组成的电驱动系统。Solc型结构：Solc型液晶可调谐滤波器的结构分为折叠式(folded)和展开式(fan)，展开式结构如图1所示，起偏器与检偏器保持平行，液晶板厚度相等，且与其液晶分子指向矢与起偏器透偏方向呈角度α，3α…(2i-1)α，(α＝45°/N)，N为模型的级数，也就是液晶片的个数。Lyot型结构：Lyot型液晶可调谐滤波器的结构如图2所示，依次是起偏器，石英晶体相位延迟片，液晶可调谐相位延迟器，检偏器。起偏器与检偏器沿透光轴平行，石英片的光轴方向和液晶盒的取向方向与起偏器的透光轴成45°角。当入射非偏光经过起偏器变为线偏振光，再经过石英片和液晶板产生相位延迟，其偏振态会再发生变化，经过检偏器后测得特定波长的光强与入射光强的比值得到其透射率。单独的Lyot型滤波器多级分辨率较好，但透过率低，外带抑制差；单独的Solc型滤波器透射率高，但旁瓣少，带外泄露高，因而本专利技术使用两种结构在同一个液晶可调谐滤波器内，较好的综合了两者的优点。本专利技术的3级Solc-2级Lyot型液晶可调谐滤波器的结构如图3所示，从左到右依次是3展开式级Solc结构和2级Lyot型结构，其中Solc结构选用三片5μm厚液晶盒，Lyot结构选用0.4mm厚石英片与5μm厚液晶盒作为第一级相位延迟板，0.8mm厚石英片与10μm厚液晶盒作为第二级相位延迟板。5μm厚向列相液晶E7的电控双折射如图4所示。本专利技术的3级Solc-2级Lyot型液晶可调谐滤波器的透射光谱如图5-图7所示。2级Lyot结构透射谱呈窄带、多峰特性，在400nm到650nm谱段范围的滤波半高带宽为13nm-22nm。3级Solc结构的透射谱呈宽带，但旁瓣抑制明显的特性。复合结构将Solc结构与Lyot结构的光谱透射峰相匹配，最终实现单峰、窄带的出射光。利用向列相液晶E7的电控双折射特性，对Solc结构的液晶板分别加载幅值为1.61V，1.45V，1.25V的驱动信号时，得到输出光谱的中心波长分别为433nm，510nm，595nm，对应半高宽13nm，16nm，22nm。附图说明图1为本专利技术的展开式Solc型结构；图2为本专利技术的Lyot型结构；图3为本专利技术的复合型结构；图4为本专利技术的向列相液晶电控双折射；图5为本专利技术的Solc-Lyot复合型LCTF光谱透射率曲线，中心波长443nm；图6为本专利技术的Solc-Lyot复合型LCTF光谱透射率曲线，中心波长510nm；图7为本专利技术的Solc-Lyot复合型LCTF光谱透射率曲线，中心波长595nm；具体实施方式在这里将详细介绍液晶可调谐滤波器的原理与仿真实验结果。对于Lyot结构：入射光为非偏振光，则设入射光的琼斯矢量为设起偏器透光轴为x轴，那么单级Lyot模型的琼斯矩阵为：M＝PR(45°)G(Γ)R(-45°)R(45°)G(ΓP)R(-45°)P利用琼斯矩阵得到透射率：其中旋转矩阵相位延迟器矩阵透射光轴为x轴的线偏振片无源相位延迟器相位延迟ΓP＝(2πΔn2d2/λ)，d2为无源相位延迟器厚度，Δn2为无源相位延迟器的双折射率。液晶的相位延迟Γ＝(2πΔn1d1/λ)，d1为液晶的厚度，Δn1为液晶的有效双折射率。对于Solc结构：折叠式结构，设起偏器透光轴为x轴，则N级折叠(folded)式Solc型滤波器模型的琼斯矩阵M：M＝P1…R(α)G(Γ)R(-α)R(-α)G(Γ)R(α)R(α)G(Γ)R(-α)R(-α)G(Γ)R(α)P透射率T：其中透光轴为y轴的线偏振片透光轴为x轴的线偏振片其它参数参照Lyot型结构。展开式结构，其中后续每一块液晶片分子长轴与起偏器的透光轴依次成α，3α…(2i-1)α，(α＝45°/N)。设起偏器透光轴为x轴，则N级展开式(fan)Solc型滤波器模型的琼斯矩阵M：M＝PR((2N-1)α)G(Γ)R(-(2N-1)α)…R(3α)G(Γ)R(-3α)R(α)G(Γ)R(-α)P透射率T：其他相关参数同折叠(folded)式。展开式结构与折叠式大同小异，此时起偏器与检偏器保持平行关系，后续每一块液晶片分子长轴与起偏器的透光轴依次成α，3α…(2i-1)α，(α＝45°/N)。设起偏器透光轴为x轴，则N级展开式(fan)Solc型滤波器模型的琼斯矩阵M：M＝PR((2N-1)α)G(Γ)R(-(2N-1)α)…R(3α)G(Γ)R(-3α)R(α)G(Γ)R(-α)P透射率T：其他相关参数同折叠(folded)式。由于Lyot型滤波片在可见光谱的范围内一般都会出现数个透射峰，因此考虑到Solc型滤波片可以作为一个带通滤波器的性质，所以可以将两者结构互补，使用Solc滤光片滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Solc‑Lyot复合结构的液晶可调谐滤波器，其特征在于，该LCTF滤波器使用了Solc‑Lyot复合结构，通过合理的结构设计和优化的材料选取，一方面减少了Solc结构峰值半高宽较大、带外泄露较大的现象，一方面解决了Lyot结构在可见光波段内拥有多个透射峰的问题。

【技术特征摘要】
1.一种基于Solc-Lyot复合结构的液晶可调谐滤波器，其特征在于，该LCTF滤波器使用了Solc-Lyot复合结构，通过合理的结构设计和优化的材料选取，一方面减少了Solc结构峰值半高宽较大、带外泄露较大的现象，一方面解决了Lyot结构在可见光波段内拥有多个透射峰的问题。2.如权利要求1所述的复合型结构LCTF从左到右依次为(1)偏振片①，(2)液晶板①，(3)液晶板②，(4)液晶板③，(5)偏振片②，(6)液晶板④，(7)石英片①，(8)偏振片③，(9)液晶板⑤，(10)石英片②，(11)偏振片④，其中前三片液晶板构成一个3级展开型Solc结构，后两片液晶板构成一个2级Lyot结构。3.如权利要求1所述的展开型Solc结构特征为，其液晶板厚度相等，起偏器与检偏器保持平行，第i级的液晶板取向方向与起偏器的透光轴夹角为(2i-1)α，(α＝45°/N)。4.如权利要求1所述的Lyot结构每级从左到右依次是起偏器，液晶相板，石英板，检偏器，后一级次液晶板和石英板的厚度分别为前级次的二倍。起偏器与检偏器透光轴相互平行，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭琦，米致远，杨小倩，赵慧洁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11