【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳光学，更具体地，涉及一种可调液晶透镜、基于可调液晶透镜的光谱成像方法及系统。
技术介绍
1、基于透镜的传统光学成像技术只能获取目标的空间和时间维度信息，而光谱成像可以打破传统光学成像技术这一局限，同时获取包含被测目标时空信息及光谱信息的数据立方体。目前已有的商业光谱相机是基于光谱仪或成像系统的直接扩展，这需要在空间或光谱域中进行扫描，数据采集速率有限且系统体积庞大。而基于量子点、光子晶体、纳米线、超表面等的微型光谱仪缺乏相位调控功能无法实现成像，因此需要与消色差透镜结合才能同时实现成像和光谱探测。
技术实现思路
1、本专利技术通过提供一种可调液晶透镜、基于可调液晶透镜的光谱成像方法及系统，解决现有技术中传统透镜仅能实现空间信息记录、无法利用单透镜实现光谱成像的问题。
2、第一方面，本专利技术提供一种基于可调液晶透镜的光谱成像方法，包括以下步骤：
3、步骤1、构建光谱成像系统模型，所述光谱成像系统模型表示如下：
4、
5、om(x,y,λ)＝og(x,y,λ)*psf(x,y,λ)
6、式中，lci(λ)为可调液晶透镜在不同外部电压下的光谱响应，om(x,y,λ)为被测物体的实际像，ii(x,y)为可调液晶透镜在不同外部电压下时对应的相机得到的强度信息，λ为设定波长范围，og(x,y,λ)为被测物体的理想像，psf(x,y,λ)为可调液晶透镜的点扩展函数；
7、步骤2、将可调液晶透镜的几何相位分
8、步骤3、记录与lci(λ)一一对应的ii(x,y)；
9、步骤4、基于获得的多组lci(λ)及其对应的ii(x,y)，以矩阵形式表示两者之间的关系如下：
10、i＝lc·x
11、式中，i为强度信息矩阵，lc为光谱响应矩阵，x为待求矩阵；
12、采用优化算法求解x，恢复出被测物体的实际像om(x,y,λ)；
13、步骤5、获得不同波长下的点扩展函数psf(x,y,λ)；
14、步骤6、基于om(x,y,λ)和psf(x,y,λ)，采用优化算法进行计算，重建得到被测物体的理想像og(x,y,λ)。
15、优选的，所述可调液晶透镜为五层结构，从上至下依次为：第一导电玻璃层、第一光控取向层、向列型液晶层、第二光控取向层和第二导电玻璃层。
16、优选的，所述可调液晶透镜具有偶次非球面的几何相位，表示如下：
17、
18、
19、式中，r为可调液晶透镜上任一点(x,y)所在圆的半径，φ(r)为可调液晶透镜在半径r处的几何相位，kr为r处的波矢，f0为可调液晶透镜的焦距，r0为可调液晶透镜的半径，λmin和λmax分别为可调液晶透镜在每个环带的最小波长和最大波长。
20、优选的，所述步骤2中，基于圆偏振光入射时，经过所述可调液晶透镜后的反向圆偏振光携带2倍面内取向角的相位调控量这一关系，将所述可调液晶透镜的几何相位分布转化为所述可调液晶透镜的面内取向角分布。
21、优选的，所述步骤2中，随着施加的外部电压的增加，所述可调液晶透镜的面外取向角从0逐渐旋转至π/2；通过仿真所述可调液晶透镜的面外取向角在[0,π/2]、液晶工作波长范围为所述设定波长范围时的光谱响应，实现对lci(λ)的标定。
22、优选的，所述步骤3中得到ii(x,y)后还包括对ii(x,y)添加随机噪声，得到添加噪声后的强度信息，记为ii_noise(x,y)；所述步骤4中，基于获得的多组lci(λ)及其对应的ii_noise(x,y)，以矩阵形式表示两者之间的关系。
23、优选的，所述步骤6中，若所述可调液晶透镜在某一波长下的点扩展函数为psf(x,y)，被测物体的理想像为og(x,y)，被测物体的实际像为om(x,y)，噪声为n(x,y)，则om(x,y)＝og(x,y)*psf(x,y)+n(x,y)；
24、基于om(x,y)和psf(x,y)，进行维纳滤波解卷积得到og(x,y)，计算公式如下：
25、
26、
27、
28、
29、式中，为傅里叶变换算子，f(u,v)、h(u,v)和g(u,v)分别为og(x,y)、psf(x,y)和om(x,y)的频谱，h*(u,v)为h(u,v)的共轭，pf(u,v)和pn(u,v)分别为实际像的功率谱密度和实际像噪声的功率谱密度；
30、基于上述方法对om(x,y,λ)在每一波长下的图像进行恢复，得到og(x,y,λ)。
31、第二方面，本专利技术提供一种可调液晶透镜，所述可调液晶透镜为五层结构，从上至下依次为：第一导电玻璃层、第一光控取向层、向列型液晶层、第二光控取向层和第二导电玻璃层；
32、所述可调液晶透镜具有偶次非球面的几何相位，表示如下：
33、
34、
35、式中，r为可调液晶透镜上任一点(x,y)所在圆的半径，φ(r)为可调液晶透镜在半径r处的几何相位，kr为r处的波矢，f0为可调液晶透镜的焦距，r0为可调液晶透镜的半径，λmin和λmax分别为可调液晶透镜在每个环带的最小波长和最大波长；
36、所述可调液晶透镜通过改变其面内取向角和面外取向角能够同时实现相位调控和光谱调控。
37、优选的，圆偏振光入射时，经过所述可调液晶透镜后的反向圆偏振光携带2倍面内取向角的相位调控量；随着施加的外部电压的增加，所述可调液晶透镜的面外取向角从0逐渐旋转至π/2。
38、第三方面，本专利技术提供一种基于可调液晶透镜的光谱成像系统，包括：可调液晶透镜、相机和重建单元；被测物体发出或反射的光经所述可调液晶透镜后成像于所述相机上；
39、所述重建单元中存储有光谱成像系统模型，所述光谱成像系统模型表示如下：
40、
41、om(x,y,λ)＝og(x,y,λ)*psf(x,y,λ)
42、式中，lci(λ)为可调液晶透镜在不同外部电压下的光谱响应，om(x,y,λ)为被测物体的实际像，ii(x,y)为可调液晶透镜在不同外部电压下时对应的相机得到的强度信息，λ为设定波长范围，og(x,y,λ)为被测物体的理想像，psf(x,y,λ)为可调液晶透镜的点扩展函数；
43、所述重建单元用于基于所述光谱成像系统模型、所述可调液晶透镜在不同外部电压下的光谱响应、所述可调液晶透镜在不同外部电压下时对应的所述相机得到的强度信息，以及所述可调液晶透镜的点扩展函数，重建得到被测物体的理想像。
44、本专利技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
45、本专利技术基于液晶分子具本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述可调液晶透镜为五层结构，从上至下依次为：第一导电玻璃层、第一光控取向层、向列型液晶层、第二光控取向层和第二导电玻璃层。
3.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述可调液晶透镜具有偶次非球面的几何相位，表示如下：
4.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤2中，基于圆偏振光入射时，经过所述可调液晶透镜后的反向圆偏振光携带2倍面内取向角的相位调控量这一关系，将所述可调液晶透镜的几何相位分布转化为所述可调液晶透镜的面内取向角分布。
5.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤2中，随着施加的外部电压的增加，所述可调液晶透镜的面外取向角从0逐渐旋转至π/2；通过仿真所述可调液晶透镜的面外取向角在[0,π/2]、液晶工作波长范围为所述设定波长范围时的光谱响应，实现对LCi(λ)的标定。
6.根据权利
7.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤6中，若所述可调液晶透镜在某一波长下的点扩展函数为PSF(x,y)，被测物体的理想像为Og(x,y)，被测物体的实际像为Om(x,y)，噪声为n(x,y)，则Om(x,y)＝Og(x,y)*PSF(x,y)+n(x,y)；
8.一种可调液晶透镜，其特征在于，所述可调液晶透镜为五层结构，从上至下依次为：第一导电玻璃层、第一光控取向层、向列型液晶层、第二光控取向层和第二导电玻璃层；
9.根据权利要求8所述的可调液晶透镜，其特征在于，圆偏振光入射时，经过所述可调液晶透镜后的反向圆偏振光携带2倍面内取向角的相位调控量；随着施加的外部电压的增加，所述可调液晶透镜的面外取向角从0逐渐旋转至π/2。
10.一种基于可调液晶透镜的光谱成像系统，其特征在于，包括：可调液晶透镜、相机和重建单元；被测物体发出或反射的光经所述可调液晶透镜后成像于所述相机上；
...【技术特征摘要】
1.一种基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述可调液晶透镜为五层结构，从上至下依次为：第一导电玻璃层、第一光控取向层、向列型液晶层、第二光控取向层和第二导电玻璃层。
3.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述可调液晶透镜具有偶次非球面的几何相位，表示如下：
4.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤2中，基于圆偏振光入射时，经过所述可调液晶透镜后的反向圆偏振光携带2倍面内取向角的相位调控量这一关系，将所述可调液晶透镜的几何相位分布转化为所述可调液晶透镜的面内取向角分布。
5.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤2中，随着施加的外部电压的增加，所述可调液晶透镜的面外取向角从0逐渐旋转至π/2；通过仿真所述可调液晶透镜的面外取向角在[0,π/2]、液晶工作波长范围为所述设定波长范围时的光谱响应，实现对lci(λ)的标定。
6.根据权利要求1所述的基于可调液晶透镜的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤3中得到ii(x,y...
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