基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法

摘要

本发明涉及非电读出的红外成热像技术领域，具体涉及一种基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法。本发明要克服现有电学读出红外热探测器复杂的技术和昂贵的经济成本问题。为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法，是利用液晶的旋光性对温度的强敏感效应来对被探测物体进行成像。根据上述方法构建的装置，包括位于同一主光轴上的红外透镜、分束镜、热敏感元、检偏器、CCD和计算机，可见光源、准直镜和起偏器依次顺序设置，其光轴垂直于主光轴汇集到分束镜上，热敏感元上镀有红外吸收材料的一侧靠近检偏器。与现有技术相比，本发明的有益效果是：方法简单、成本低和适用范围广。

说明书

技术领域

 本发明涉及非电读出的红外成热像技术领域，具体涉及一种基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法。

背景技术

目前大部分红外探测器的原理主要是电学读出，即将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。按照能量转换方式红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类：

1)      光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,具体表现为探测器响应自由载流子(即电子和/或空穴)数目的变化，再将电信号转变为图像输出。这种探测器是通过机械扫描红外图像的每一点到一个探测阵列上完成的。是目前使用最普遍的探测器，使用范围在10μm内，但这种探测器需要低温工作,必须配备昂贵且笨重的制冷设备。

2)      热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化，然后将这物理量的变化转变为电信号输出。最大优点是可在室温工作，称为非制冷红外探测器，与光子探测器相比大大减小了器件的体积和成本，但仍然需要焦平面阵列( FPA)、超大规模集成电路和微机电系(MEMS) 以及信息处理等复杂的技术支撑。

由于以上电学读出存在探测材料加工工艺复杂，热电转换阵列技术要求高，设备成本高等问题，使得开发非电读出热成像探测的研究应运而生。例如利用胆甾液晶的热-色效应来实现红外热成像探测，该方法需要将胆甾液晶涂覆于被测材料表面，还需预先校准呈现颜色和温度的关系，操作复杂，不易实现。

发明内容

本发明提供了一种基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法，其目的在于克服现有电学读出红外热探测器复杂的技术和昂贵的经济成本问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明通过以下技术方案实现：一种基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法，是利用液晶的旋光性对温度的强敏感效应来对被探测物体进行成像。

根据上述方法构建的装置，包括位于同一主光轴上的红外透镜、分束镜、热敏感元、检偏器、CCD 和计算机，可见光源、准直镜和起偏器依次顺序设置，其光轴垂直于主光轴汇集到分束镜上，热敏感元上镀有红外吸收材料的一侧靠近检偏器；上述热敏感元的制备方法是将该液晶填充到预先制备好的液晶盒内，液晶盒内涂有可溶性聚酰亚胺类取向剂，制厚度为8mm，为了实现红外吸收，将一片玻璃的内侧镀上红外吸收材料，可见光可以透过，即得到含有液晶与红外吸收材料的热敏感元。

上述热敏感元的旋光度（R）随温度的变化率为4 Lux/℃，更有利于红外成像分辨率的提高。

上述可见光光源是钠光灯、氦氖激光、半导体激光或线偏振光光源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、方法简单：液晶分子的排列容易受外部热、电场、磁场、压力等的影响，因此，一旦受到外部刺激，液晶的光学等特性就随之变化。本发明利用液晶的旋光性对温度的强敏感效应，当线偏振光经过液晶时，随着温度的改变，光的偏振方向逐渐地扭转了一个角度。即旋光性在不同温度对透过液晶的可见单色光光强改变不同，形成淡浓不一的光强，通过CCD采集得到红外图像。

2、成本低：与现有的电学读出热成像探测仪相比，避免了电学读出热成像探测器复杂的设备和技术要求，该热成像探测器件还具有设备小、成像方式简单、效率高等优点，价格是电学读出热成像仪的1/3，大大地降低了经济成本，该红外热成像探测器件属于光学法探测红外图像，受机械影响小，检测精度高。

3、适用范围广：物体的辐射光波长为3-5μm、8-12μm的红外光均可以适用本发明方法和装置。

附图说明

图1基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测阵列系统示意图；

图2 液晶旋光效应示意图。

附图标记如下：

1-被探测物体，2-红外透镜，3-分束镜，4-可见光源，5-准直镜，6-起偏器，7-热敏感元，8-检偏器，9-CCD，10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本发明提供的基于液晶旋光效应的非电读出热成像探测方法，是利用液晶的旋光性对温度的强敏感效应来对被探测物体进行成像。

参见图1，一种可以实现上述方法的基于液晶旋光效应的非电读出热成像装置，包括位于同一主光轴上的红外透镜2、分束镜3、热敏感元7、检偏器8、CCD 9和计算机10，可见光源4、准直镜5和起偏器6依次顺序设置，其光轴垂直于主光轴汇集到分束镜3上，热敏感元7上镀有红外吸收材料的一侧靠近检偏器；上述热敏感元7的制备方法是将该液晶填充到预先制备好的液晶盒内，液晶盒内涂有可溶性聚酰亚胺类取向剂，制厚度为8mm，为了实现红外吸收，将一片玻璃的内侧镀上红外吸收材料，可见光可以透过，即得到含有液晶与红外吸收材料的热敏感元。所说的热敏感元7的旋光度（R）随温度的变化率为4 Lux/℃。所说的可见光光源4选用钠光灯、氦氖激光、半导体激光或线偏振光光源均可。

其具体测量过程为：被探测物体1放置于红外透镜2前，当被探测物体1发出的红外光通过红外透镜2，分束镜3，照到热敏感元7上时，被其中的红外吸收材料吸收，使得热敏感元7的温度升高，同时当一束可见光4通过准直镜5也照到热敏感元上，由于热敏感元7温度的升高使得可见光4的偏振方向发生改变，经过检偏器8后光强也发生改变，最后通过CCD 9采集光强的变化数值，输入计算机10形成图像，实现热成像探测过程。

上述方案中所用的热敏感元7的具体实例如下：

实施例一： 

胆甾型液晶被加热到清亮点以上，利用毛细现象填充到预先制备好的液晶盒内。液晶盒采用涂有可溶性聚酰亚胺类取向剂的两片玻璃制备。用玻璃纤维控制厚度为8mm，上下要预留两个孔用来填充液晶，其余周边用环氧树脂封装。为了实现红外吸收，将一片玻璃的内侧镀上红外吸收材料，可见光可以透过。即得到含有胆甾相液晶与红外吸收材料的热敏感元。按照图1所示组建光学系统。将上述热敏感元的镀有红外吸收材料的一侧靠近检偏器。采用氦氖激光作为可见光源。当物体发出的红外辐射光透过红外透镜、分束镜照射到热敏感元上时，被热敏感元中的红外吸收材料吸收，使热敏感元中胆甾相液晶的温度升高，起胆甾相液晶的旋光性也发生明显变化。即导致胆甾相型液晶对通过准直镜、起偏器、分束镜、热敏感元的可见光的偏振方向发生改变，进而引起通过检偏器的可见光光强发生变化，最后经过CCD记录光强变化，得到红外图像。

实施例二：

将红外吸收材料加到液晶中。在液晶的清亮点以上，利用毛细现象将该混合物填充到已制备好的液晶盒内，得到热敏感元。液晶盒采用涂有取向剂的玻璃片制备，用玻璃纤维控制厚度为8mm，上下两端留孔，其余用环氧树脂封装。按照附图1组建光学系统，将热敏感元放入该系统内。物体发出的红外辐射光通过红外透镜、分束镜照到热敏感元上。另一束激光光通过准直镜、起偏器、分束镜也照到热敏感元上。红外光被热敏感元中的红外吸收材料吸收，液晶的旋光效应随温度的灵敏变化引起透过热敏感元的可见光的偏振方向发生了改变，经过检偏器后可见光的光强发生明显改变，最后经过CCD记录得到红外图像，实现热成像探测。

实施例三：

    将一定量的红外吸收材料加入液晶中，加热液晶至清亮点以上，利用毛细现象将液晶和红外吸收材料的混合物填充到扭曲型液晶盒中，成为具有旋光效应的扭曲型液晶盒，即热敏感元。按照附图1组建光学系统，将热敏感元放入该系统。当物体发出的红外辐射通过红外透镜、分束镜照到热敏感元上，被液晶盒内的红外吸收材料吸收，导致液晶的温度升高。由于该扭曲向列液晶盒具有旋光效应，引起另一束透过准直镜、起偏器照到热敏感元的可见光的偏振方向发生改变，出射光通过检偏器后光强也发生改变。最后通过CCD记录得到红外图像，完成热成像探测过程。

实施例四：

     按照附图1组建光学系统。将液晶加热到其清亮点以上，利用毛细现象填充到内侧镀有红外吸收材料的扭曲型液晶盒中，得到热敏感元。将该扭曲向列相液晶盒放入光学系统中。当物体发出的红外辐射光通过红外透镜、分束镜照到液晶盒上时，被热敏感元中的红外吸收材料吸收，使液晶的温度升高。另一束可见光通过准直镜、起偏器、分束镜也照到液晶盒上，由于液晶温度的升高使液晶的旋光效应发生变化，即透过液晶的可见光的偏振方向发生改变。经过检偏器后得可见光光强发生明显改变，最后通过CCD热成像记录元件得到红外图像，完成热成像探测过程。

图2是液晶旋光效应图。普通光的光波在各个不同的方向振动，当通过起偏器后，就只在一个方向上振动，形成偏振光，当偏振光通过有旋光效应的液晶时，偏振光的振动方向发生旋转。即液晶对偏振光有旋光性，需要调整一定角度，偏振光才能通过。