液晶傅立叶变换成像光谱仪

摘要

一种高光谱成像系统具有：处理器，其用以接收高光谱成像参数且产生将在一系列阻滞时间处在一系列阻滞下获取的一系列图像；高光谱成像组件，其具有：输入偏振器，其用以偏振传入的光束；液晶可变阻滞器，其用以接收所述经偏振光束且产生波长相依偏振光；输出偏振器，其用以接收所述波长相依偏振光且将偏振状态信息转换为可作为光强度而检测的形式；电压源，其连接到所述液晶可变阻滞器；以及阻滞控制器。所述阻滞控制器在一系列阻滞时间处接收所述系列的阻滞且在一系列电压时间处产生一系列电压以施加于所述液晶可变阻滞器。与所述阻滞控制器同步的焦平面阵列接收呈可作为光强度检测的形式的所述光且将所述光转换为一系列图像。

权利要求

1.一种高光谱成像系统，其包括：

处理器，其用以接收高光谱成像参数且将所述成像参数转换为将在一系列阻滞时间处在一系列阻滞下获取的一系列图像，其中所述高光谱成像参数包括下列中的至少一种：波长分辨率、曝光时间、曝光触发、空间分辨率、由用户或运行于主机设备上的应用设定的高光谱成像参数以及以给定分辨率提供成像数据的高光谱成像参数，该给定分辨率使得能够在特定的光谱特征之间进行区分；

高光谱成像组件，其包括：

至少一个输入偏振器，其中所述输入偏振器接收且偏振传入的光束；

液晶可变阻滞器，其邻近于所述输入偏振器与所述传入光束相对而布置以接收来自所述输入偏振器的所述经偏振光束且改变所述光的偏振以产生波长相依偏振光；

输出偏振器，其经布置以接收所述波长相依偏振光且将所述光的偏振状态信息转换为可作为光强度而检测的形式；

电压源，其电连接到所述液晶可变阻滞器；以及

阻滞控制器，所述控制器用以在一系列阻滞时间处接收所述系列的阻滞且在一系列电压时间处产生一系列电压以施加于所述液晶可变阻滞器；以及焦平面阵列，其与所述阻滞控制器同步以接收呈可作为光强度检测的形式的所述光且将所述光转换为作为一系列图像的输出信号，其中所述光强度随所述液晶可变阻滞器的阻滞而变化，所述处理器执行所述系列的图像到高光谱图像数据的变换。

2.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其中所述液晶可变阻滞器的至少一对对称断裂特征中的对称断裂特征在正极性与负极性之间均匀分布。

3.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其进一步包括至少一个光源，所述至少一个光源邻近于所述至少一个输入偏振器布置以使得来自所述光源的光到达所述焦平面阵列。

4.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其进一步包括位于所述至少一个输入偏振器与所述输出偏振器之间的阻滞补偿装置。

5.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其进一步包括阻滞提取器。

6.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其进一步包括至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器将所述液晶可变阻滞器的温度信息提供到所述阻滞控制器。

7.一种产生高光谱图像数据的方法，其包括：

在处理器处接收高光谱成像参数的集合，其中所述高光谱成像参数包括下列中的至少一种：波长分辨率、曝光时间、曝光触发、空间分辨率、由用户或运行于主机设备上的应用设定的高光谱成像参数以及以给定分辨率提供成像数据的高光谱成像参数，该给定分辨率使得能够在特定的光谱特征之间进行区分；

以所述处理器在对应于所述高光谱成像参数的一系列阻滞时间处产生一系列阻滞；

将在所述系列的阻滞时间处的所述系列的阻滞发送到阻滞控制器；

以所述阻滞控制器在一系列电压时间处产生一系列电压以施加于液晶可变阻滞器；

将在所述系列的电压时间处的所述系列的电压施加到液晶可变阻滞器；

以焦平面阵列俘获通过所述液晶可变阻滞器的一系列图像；以及

使用所述处理器以从所述系列的图像产生高光谱图像数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其中施加所述系列的电压包括：施加由处于高于或低于所述液晶可变阻滞器的单元中的液晶的电介质各向异性改变正负号的频率中的其中一个的频率分量组成的时变电压，随后施加由处于高于或低于所述液晶的所述电介质各向异性改变正负号的所述频率中的另一者的频率分量组成的时变电压。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述阻滞时间系列中的时间之间的间隔比所述液晶可变阻滞器的松弛时间短。

10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括测量在给定阻滞时间所述液晶可变阻滞器的校准阻滞。

说明书

液晶傅立叶变换成像光谱仪

背景技术

[0001] 高光谱成像(HSI)收集且处理来自跨越电磁波谱的紫外线(UV)、可见和红外部分的信息。高光谱成像相机获得高光谱图像数据或HSI数据，其由场景中的每个点处的光谱信息组成。HSI频繁地用以增加场景的图像中的信息的深度，或增加图像的视觉对比度，可以常规单色或彩色相机记录超出所述视觉对比度的情况。此增强对比度可用以检测被视觉噪声遮挡的难以找到或经伪装的对象；其还可辅助材料识别。其可用以评估关于主体的状态的详细信息，例如一件水果的成熟度。HSI的众所周知的应用充满各种不同领域，例如工业和农业分拣、用于农业和国防的远程感测、威胁识别和甚至医药。

[0002] 智能电话技术的出现已提供有力的移动平台，全世界人口的很大一部分大多数时间自身携带所述移动平台。智能电话上存在的传感器的数目和类型存在增加的趋势，且这些电话的计算能力对应地增加。智能电话已经包含多个图像传感器，但它们当前不被视为HSI相机的候选者，原因是现有HSI技术的过高的大小和成本。

发明内容

[0003] 实施例是一种高光谱成像系统，其包含：处理器，其用以接收高光谱成像参数且将所述成像参数转换为将在一系列阻滞时间处在一系列阻滞下获取的一系列图像；高光谱成像组件，其具有：至少一个输入偏振器，其中所述输入偏振器接收且偏振传入的光束；液晶可变阻滞器，其邻近于所述输入偏振器与所述传入光束相对而布置以接收来自所述输入偏振器的所述经偏振光束且改变所述光的偏振以产生波长相依偏振光；输出偏振器，其经布置以接收所述波长相依偏振光且将所述光的偏振状态信息转换为可作为光强度而检测的形式；电压源，其电连接到所述液晶可变阻滞器；以及阻滞控制器，所述控制器用以在一系列阻滞时间处接收所述系列的阻滞且在一系列电压时间处产生一系列电压以施加于所述液晶可变阻滞器；以及焦平面阵列，其与所述阻滞控制器同步以随所述液晶可变阻滞器的阻滞而变接收呈可作为光强度检测的形式的所述光且将所述光转换为作为一系列图像的输出信号，其中所述处理器执行所述系列的图像到高光谱图像数据的变换。

[0004] 另一实施例是一种产生高光谱图像数据的方法，其包含：在处理器处接收高光谱成像参数的集合；以所述处理器在对应于所述高光谱成像参数的一系列阻滞时间处产生一系列阻滞；将在所述系列的阻滞时间处的所述系列的阻滞发送到阻滞控制器；以所述阻滞控制器在一系列电压时间处产生一系列电压以施加于液晶可变阻滞器；将在所述系列的电压时间处的所述系列的电压施加到液晶可变阻滞器；以焦平面阵列通过所述液晶可变阻滞器俘获一系列图像；以及使用所述处理器以从所述系列的图像产生高光谱图像数据。

附图说明

[0005] 图1展示含有高光谱成像相机的装置的第一视图。

[0006] 图2展示含有高光谱成像相机的装置的第二视图。

[0007] 图3展示包含高光谱成像相机的装置的示意图。

[0008] 图4展示高光谱成像系统光学路径的射线图。

[0009] 图5展示平衡相位延迟对液晶电压的曲线图。

[0010] 图6展示检测强度对路径延迟的曲线图。

[0011] 图7展示在每一图像像素处的检测强度对波长的曲线图。

[0012] 图8展示由多个堆叠液晶单元组成的液晶可变阻滞器的实施例。

[0013] 图9展示液晶可变阻滞器的一个实施例的电极面板的俯视图，其在单个液晶层的每一侧上具有一对电极。

[0014] 图10A和10B展示标准反平行对准液晶单元与光学补偿弯曲型单元的实施例之间的比较。

[0015] 图11展示光学补偿弯曲型单元的射线图。

[0016] 图12展示操作高光谱成像系统的方法的实施例的流程图。

[0017] 图13展示校准高光谱成像系统的方法的实施例的流程图。

[0018] 图14展示校准高光谱成像系统的方法的替代实施例的流程图。

[0019] 图15展示阻滞的闭环控制的流程图。

[0020] 图16展示具有液晶可变阻滞器的高光谱成像系统的一部分的实施例，在所述成像系统的视场内具有间隔件。

[0021] 图17展示具有间隔件的液晶可变阻滞器的实施例，其中所述间隔件处于焦平面阵列的像素之间。

[0022] 图18展示具有弯曲液晶可变阻滞器的成像系统的一部分的实施例。

[0023] 图19展示使用偏振光束分光器以在校准光源中耦合的高光谱成像相机的实施例。

[0024] 图20展示跨越全视场以校准光源执行成像序列的方法的实施例的流程图。

[0025] 图21展示二分量电场的图。

具体实施方式

[0026] 高光谱成像具有许多有前景的使用情况，例如用于分拣、远程感测和医疗应用。此技术的成本、大小和可用性已经限制了应用。如果可将高光谱成像相机包含到许多常见系统中，那么高光谱成像(HSI)可变得分布更为广泛。举例来说，智能电话是用于HSI相机的容易可用的技术平台。在智能电话上的包含可扩大通过HSI可能实现的能力的范围，因为智能电话是大多数人携带的通用平台，其中开发新应用的容易的。

[0027] 当前现有技术HSI相机可能通过跨越场景扫描缝隙且分散经由光栅透射穿过所述缝隙的光而工作。或者，其可能通过将液晶可调谐滤波器放置在焦平面阵列的前方而工作，所述焦平面阵列允许在一个波长带处的瞬时成像。如此论述中所使用，术语焦平面阵列或FPA是布置成阵列的一个或多个光感测元件，其中阵列可为一个光感测元件的阵列。FPA的实例包含电荷耦合装置(CCD)、CMOS图像传感器等。从场景发射的光落在FPA上且产生信号，所述信号经处理以产生场景的图像。较低成本高光谱成像相机可能在焦平面阵列自身上平铺有光学带通滤波器，类似于现有的红-绿-蓝相机但具有更离散的光学带，其折中了空间分辨率以得到更大的频谱分辨率。虽然液晶可调谐滤波器和光学带通滤波器允许立即获得给定波长带中的图像，但它们是以丢弃所有带外波长为代价实现此目的。

[0028] 通常希望在某一范围的波长上对场景进行成像。因此一次性从所有波长记录光是合意的，而不是一次仅仅从一个频带记录。这可使用高光谱成像的光学多路复用形式实现，例如傅立叶变换高光谱成像，其将波长信息编码为由检测器记录的时间信号。例如在当前实施例中例示的那些任何光学多路复用技术具有光学通过量的增益，其为被称为费尔格(Fellgett)优点的特征。

[0029] 使用光栅和二维焦平面阵列的系统，也被称作分散性系统，可记录来自给定谱带内的所有波长且同时沿着一个空间轴线的光。沿着另一空间轴线的空间信息是通过以推扫式方式在待成像对象上方扫描缝隙而建立。空间信息在所述缝隙的长方向中瞬时获得且短方向在波长中以光栅或棱镜分散因此FPA可一次性记录所有波长。在跨越对象及时扫描缝隙时，收集所述缝隙的短方向中的空间信息。分散性系统常常成本、大小或复杂性较高。此处的实施例并不存在这些代价，因为它们仅在FPA之前的光学路径中增加可控液晶可变阻滞器。另外，分散性系统中的缝隙的使用对通过缝隙的光限制了在任何给定时间的总体光学通过量。通过缝隙的前述使用，傅立叶变换高光谱成像系统和其它多路复用系统获得被称为扎克诺(Jacquinot)优点的通过量优点。

[0030] 执行傅立叶变换高光谱成像的常规方式是使用成像迈克尔逊干涉仪，其是将成像路径分裂为两个臂且改变所述臂中的一者的长度同时记录FPA上的重组光的装置。此种类的HSI获得费尔格和扎克诺优点两者，但其体积大、昂贵且对振动和未对准敏感。当前实施例不存在这些缺点。

[0031] 此处的实施例实现新一类的HSI相机，其具有极其小且低成本的可能，且能够在当前使用相机的任何地方集成，包含在智能电话上。实施例在例如智能电话的通用主机平台中具有优点，因为例如波长分辨率、成像速度和空间分辨率等性能参数可以软件选择且不被硬件配置固定。此处的实施例中描述的HSI组件可与主机系统的现有相机组件(例如FPA、光学器件和处理器)结合以组合形成HSI相机。主机系统的HSI组件和相机组件可以同一相机按钮触发，且HSI组件可以软件配置以允许主机系统的相机组件拍摄正常非高光谱图像。实施例通过将大部分系统复杂性转移到电子/软件侧而利用计算能力的增加流行性，因此保持整个系统成本低。

[0032] 另外，具有无线或有线通信能力的智能电话或其它便携式装置的使用允许装置传送原始HSI数据。替代地，装置将发射适用于例如医疗设备等较大装置或作为诊断例程的部分的经分析或经处理HSI数据。

[0033] 基于便携式装置的HSI相机实现HSI在消费者层级的当前应用。更重要的是，随着HSI变得广泛部署于移动平台上且随着移动应用程序开发者学习采用HSI的能力，它们无疑将展现对HSI的新颖且令人感兴趣的用途。

[0034] 以下论述使用具有以下定义的若干术语。“液晶可变阻滞器”指代至少一个液晶(LC)单元，包括夹在两个透明的、通常玻璃衬底之间的液晶材料。通常由例如氧化铟锡或ITO等透明导体制成的沉积在玻璃衬底上的透明的电极层提供液晶单元内的电场的产生，所述电场用以改变液晶分子的定向且因此改变液晶可变阻滞器的光学阻滞。在单元内部可提供额外层，例如沉积在电极层上的聚酰亚胺对准层，其在优选对准方向中摩擦以定向液晶分子。替代于包括液晶可变阻滞器的单个LC单元，可存在若干单元。

[0035] “高光谱成像组件”或“HSI组件”指代具有输入偏振器或偏振装置、液晶可变阻滞器、输出偏振器或分析器、阻滞控制器和电压源的组件。输入偏振器在LC可变阻滞器与光源之间。输出偏振器驻留在LC可变阻滞器的与第一偏振器相对的侧面上。阻滞控制器控制施加于LC可变阻滞器的电压以实现穿过LC阻滞器的光的所要阻滞。

[0036] “高光谱成像系统”或“HSI系统”指代HSI组件、如上定义的焦平面阵列和处理器的组合。处理器可驻留在单独装置中，意味着含有包含处理器和FPA的系统的所有元件且独立于主机起作用的装置。替代地，处理器和/或FPA可为主机系统的组件，具有所有相关联组合。“主机系统”或“主机”是将HSI参数发送到HSI相机或HSI系统且接收返回的HSI数据的任选的装置。“HSI相机”是具有记录图像的必要光学器件的HSI系统。

[0037] 图1和2中展示作为具有HSI组件(LC可变阻滞器、阻滞控制器和电压源)的主机系统的装置的实例。在图1中，智能电话装置10展示为主机装置。必须注意，虽然展示且可论述此特定装置，但不既定或不应暗示限于此类型的装置。可采用HSI组件的其它类型的装置包含潜望镜、光学荧光检测系统、望远镜、显微镜、内窥镜、光纤束成像系统、光场成像系统以及静态相机、线条相机和视频相机。在图1中，HSI组件将在光圈12的路径中，且可以光14照射成像场景。

[0038] 图2展示智能电话10的显示侧。所述显示侧展示具有将触发HSI组件的使用的实例应用程序18的显示屏幕19。在无应用程序触发HSI组件的情况下，HSI组件将为非作用的，从而允许无HSI的相机的正常(彩色或单色)使用。指向用户的相机16也可以被赋予HSI组件。面向前的手机HSI相机可尤其有用于用户产生HSI数据以用于例如医疗成像等应用。

[0039] 在HSI组件的某些实施例中，LC可变阻滞器的光轴相对于偏振器标称处于45度。对于通过输入偏振器的给定波长的入射光，HSI组件随着光学阻滞增加而在透射与不透射光之间振荡。此振荡发生是因为LC可变阻滞器随着阻滞增加而周期性地更改光的偏振状态，且输出偏振器用于基于其偏振状态而在阻滞器之后交替地阻挡或通过所述光。阻滞可描述为光学路径延迟或光学相位延迟，如下文所论述，其中光学相位延迟与光学路径延迟除以波长成比例。

[0040] 随光学阻滞而变的强度振荡(共同地称为干涉图)以取决于入射波长的周期发生。每一唯一入射波长以随阻滞而变的强度在不同速率下振荡，且来自入射波长的组合的强度振荡线性地加总在一起。波长可通过随光学阻滞(在此情况下，光学路径延迟)而变的对所接收光的傅立叶变换而分离，从而产生光谱。由于液晶可变阻滞器放置于焦平面阵列的光学路径中，因此FPA可在图像中的每个点处独立地取样且记录强度振荡或干涉图且使用此信息计算高光谱图像数据。

[0041] 在高光谱图像数据中的每一波长λ和每一点处的光谱分辨率Δλ由公式Δλ＝2πλ/Δφ给出，其中Δφ是记录干涉图的光学相位延迟的范围，以弧度来表达。由此公式显而易见，为了解析显著小于中心波长的波长差，必须以光学相位延迟的范围Δφ＞＞2π记录干涉图。此要求区分当前实施例与通常不需要超出2π的范围扫描其组成液晶阶段的相位延迟的液晶可调谐滤波器。此外，相位延迟的范围随着波长λ、液晶双折射Δn和液晶层的位置相依有效厚度β而变，以如下等式表达：Δφ＝2πΔn(λ,T,V)β(x,y)/λ。此处，双折射随着波长、温度T以及时间相依液晶电压V而变，且表达以普通和非普通偏振法向入射到液晶可变阻滞器的两条射线之间的双折射。主光线的入射角随着在FPA上的给定像素的位置的改变以及光学相位延迟范围的对应位置相依性并入到位置相依性有效厚度β中。

[0042] 图3展示包含HSI组件且可与主机装置10通信的例如16的高光谱相机的内部示意图。主机装置可为智能电话、个人计算机、平板计算机、手持式相机、或能够发出高光谱图像数据的参数(例如波长分辨率、曝光时间和曝光触发)且接收所述高光谱图像数据的其它系统。替代地，所述相机可自含有其自身的处理器并且因此能够独立于主机起作用。光穿过光圈12进入HSI相机且进入光学器件22，所述光学器件随后将光传送到FPA 24。FPA将所接收的光转换为可由处理器28处理的信号。在其中HSI组件结合主机装置使用的实施例中，处理器28和FPA 24可为主机装置的部分。在此实施例中的处理器是用于相机16的处理器。出于此论述的目的，处理器28将被视为与主机系统10的处理器分开。然而，必须注意，处理器28可为主机处理器的分区、专用处理器等。关于处理器在整个系统中的特定布置既定不是限制性的也不应有任何暗示。

[0043] 光学器件22可包含如将稍后更详细论述的中继透镜或其它中继光学装置。所述光学器件还可包含成像透镜。通常，成像透镜相对于FPA固定。然而，由于HSI相机可由手持式装置组成或存在于手持式装置上，因此成像透镜可为可移动的或装置可具有其它光学技术以允许将补偿不希望的手移动的图像稳定。其它光学元件可包含在所述光学器件或系统中别处，例如色度补偿装置。所述光学器件可在处理器28的控制下。

[0044] 替代地，处理器可接收来自FPA的输出信号且对输出信号执行图像稳定。输出信号将通常表示由FPA检测到的图像数据的帧，其中每一框是在液晶可变阻滞器的特定阻滞状态下获取。处理器可接收来自FPA的至少两个输出信号，每一输出信号表示在FPA处检测到的图像数据的帧。理想地，在对应于单个HSI数据集的输出信号的获取期间，场景或场景中的对象与FPA之间不存在相对运动。然而，因为无相对运动的此情况始终不是实际的，所以处理器可执行图像分析以确定以确定且应用图像或图像中的对象的区的登记，从而补偿此运动。此补偿可消除或减轻在系统不稳定时俘获的图像、移动对象的图像的成像假象，以及甚至由随后将描述的光束离散现象造成的相对场景运动。

[0045] 在穿过成像光学器件22之后，光行进穿过输入偏振器40、液晶可变阻滞器42、任选的补偿层43、任选的波片45以及输出偏振器或分析器44。光随后照在FPA 24上。光可采取到光检测器47的第二路径。在一些实施例中，所得检测信号是由阻滞提取器27提取且发送到处理器28和阻滞控制器50。阻滞提取器可从由光检测器47或FPA 24或两者产生的信号提取液晶可变阻滞器的阻滞。其可由单独的电子电路或处理器组成，或其可为驻留在相机处理器28内的功能。检测信号大体上从FPA 24直接发送到处理器28，因此它们可经处理为高光谱图像数据，然后发送到请求的系统或主机(如果存在)。另外，如稍后将更详细论述，液晶可变阻滞器可包含温度传感器、例如温度计30。此温度计可通过将热敏电阻图案化到电极中而在LC可变阻滞器的LC单元内制造。其也可为处于与LC可变阻滞器热接触(意味着所述组件是热连接的)或感测一个或多个LC单元的近似温度的热敏电阻或相似电子组件。通过在阻滞控制器的控制下在多个时间且在由液晶可变阻滞器提供的多个阻滞下处理由相机拍摄的多个图像来获取HSI数据。

[0046] 如上所提到，HSI成像器的任选的元件可由波片45以及例如43的阻滞或相位补偿层或补偿器组成。波片允许偏振组件之间的相移以允许光的偏振的更改。阻滞或相位补偿层在图像中的每个点处应用静态路径延迟，从而实现对通过将电压波形施加到液晶可变阻滞器将通常取样的干涉图的不同部分的取样。此补偿层的一个实施例将在HSI组件非作用时结合液晶可变阻滞器而实现净零阻滞，且可另外经设计以在任何、一些或所有所关注的波长下补偿非零阻滞。这将防止HSI组件干扰相机的正常非高光谱操作。

[0047] 另一种类的补偿层将由跨越FPA平铺的具有不同路径延迟的多个区组成。实例补偿层由两个区组成，其中的一者具有路径延迟0且另一者具有路径延迟D。如果LC可变阻滞器可产生从0到D的路径延迟，那么对应于具有路径延迟0的补偿层的区的图像的区将产生具有从0到D的路径延迟的干涉图，而另一区将产生具有从D到2D的路径延迟的干涉图。如果使用产生场景的重复图像的特殊透镜，其中每补偿层区一个图像，那么具有从0到2D的路径延迟的此场景的干涉图可以软件通过将在不同路径延迟范围获取的所述两个图像复制缝合在一起而形成。这将提供两倍于具有从0到D的路径延迟的干涉图的频谱分辨率的高光谱图像数据，而且其将以二分之一时间测得；然而，所述图像将在一个维度中具有二分之一空间分辨率。一般来说，此阻滞补偿层提供折中空间和频谱分辨率与成像速度的方式。

[0048] 如果在延伸的时间周期期间需要特定阻滞，例如对于传统的非高光谱成像固持阻滞处于0，那么可将可变阻滞器的阻滞设定成所要值且随时间维持在所述值。在另一模态中，通过以随时间的平均阻滞是所要阻滞的方式连续地改变阻滞可随时间实现有效阻滞。

[0049] HSI组件可具有许多不同配置。图4展示一个实例。在图4中所示的实施例中，描绘两个非偏振、经准直单色光束32和34，其中上部光束具有比下部光束的波长λ2短的波长λ1。所述光学路径具有偏振入射光的输入偏振器40。液晶可变阻滞器42具有相对于输入偏振器成45度的对准定向。

[0050] 如图5所示，施加于液晶可变阻滞器42的每一电压产生特征双折射或光学相位延迟，如在平行于液晶可变阻滞器的慢轴的偏振组件与垂直于液晶可变阻滞器的慢轴的组件之间测得。图5中的绘图展示随电压而变的液晶可变阻滞器的平衡相位延迟，即，在给定电压下在允许液晶在所述电压下完全松弛之后获得的相位延迟。液晶可变阻滞器具有将时间相依电压波形施加到其组成LC单元上的一个或多个电极的控制器。可选择此电压波形以致使光学相位延迟针对给定波长随时间以标称恒定速率改变。或者可选择其以致使阻滞器在指定时间处于指定阻滞。输出偏振器或分析器44将由液晶可变阻滞器引起的偏振的变化转换为光强度的变化。偏振器中的一或多者可由线栅偏振器组成。

[0051] 所得强度的时间相依变化由例如24的焦平面阵列拾取，其中图6中展示所检测强度对路径延迟且图7中展示所检测强度对波长。图6的上部曲线对应于图4中的较短波长射线32的所检测强度变化，而图6的下部曲线对应于较长波长射线34的所检测强度变化。类似地，在图7中的峰46对应于较短波长射线32，而峰48对应于较长波长射线34。

[0052] 一些实施例实现两个偏振组件之间的通过高光学路径延迟的阻滞，同时维持低液晶驱动电压和/或快速液晶响应时间。如傅立叶变换光谱法的技术中已知，高光学路径延迟产生高频谱分辨率，且因此是有益的。然而，高光学路径延迟大体上暗示液晶的较大总厚度。为了保持驱动电压和响应时间低，可将单个厚液晶单元分为串联的多个单元，如图8中所示。

[0053] 在给定电压下个别单元的液晶响应时间随着单元厚度的平方按比例缩放，因此具有相等路径延迟的两个液晶可变阻滞器(一个由单个单元组成，且一个分裂成两个单元)将具有相差4倍的切换时间。相反，如果切换时间保持恒定，那么所述两个单元将在切换电压上相差4倍。图8的液晶可变阻滞器实施例由例如52的4个LC单元的堆叠组成。单元堆叠54可由中央控制器控制，例如阻滞控制器50，其以电压波形的恰当选择管理光学路径延迟以及液晶响应时间。如此项技术中已知，例如图8中所示的实施例的光学组件的多层堆叠得益于在每一光学接口处的抗反射涂层的恰当选择和施加。

[0054] 如果多层液晶可变阻滞器的一个层或单元具有任何对称断裂特征，其中此处层可为单元的子集或可为整个单元，那么这些特征应在层之间交替或相反以使得所述堆叠整体保持有利的对称性质。此对称断裂特征可视为具有极性，其大体上是指对称断裂特征是否沿着测试方向或与测试方向相反指向的概念。电极连接到电压源的极性是一个此类特征，其中极性的概念是立即的。液晶对准方向是另一此类特征，其中通过考虑液晶单元的最上部电极的摩擦方向可使得极性的概念具体化，如平行于LC引导件的平面中的单元的横截面描述中所见，例如图10A。如果摩擦方向是向右，如图所示，那么我们可称单元具有正极性，而具有向左的摩擦方向的镜像单元将具有负极性。

[0055] 对于常规反平行单元，所有液晶分子往往会在相同的方向上定向，其对应于电极的摩擦方向。此配置在入射角偏离法向时具有光学路径延迟对入射光角度的一阶相依性。如果两个反平行单元以相反极性堆叠以使得其对准方向彼此相反，那么光学路径延迟对入射光角度的一阶相依性是相等且相反的，且因此彼此抵消。因此，通过谨慎注意液晶单元的堆叠的对称断裂特征的极性的布置，有可能维持二阶或更高的光学路径延迟的入射光角度相依性，以及其它有利操作特性。

[0056] 如果应用需要依次拍摄多个高光谱图像，如高光谱电影中那样，那么缩短LC可变阻滞器的响应时间变得更关键。通常，接通LC可变阻滞器单元且随后被动地允许其松弛。在一个实施例中，在具有最大光学相位延迟的配置与具有最小光学相位延迟的配置之间主动地切换LC单元。此主动切换可以多种方式实施。在一个实施例中，传统地包围LC材料的电极对的每一电极已被一对叉指形电极代替。

[0057] 图9展示面板60上的一组叉指形电极62和64，其将替代传统的配置中的一个平面电极。在此实施例中，面板60指代包围液晶材料以形成液晶单元且电极层驻留于其上的光学透明衬底。因此，此面板将在LC材料的另一侧上复制。在一个实施例中，包围LC材料的面板将包含一组电极，其允许一者在相对于所述衬底的主要垂直定向之间切换电场，且另一对将电场切换到主要平行定向。通过将电压正确施加到每一组电极，LC分子可在垂直与平行定向之间或更一般地在提供最小光学相位延迟的定向与提供最大光学相位延迟的定向之间时间可控地旋转。这些实施例可被称为主动接通和主动断开实施例，其中LC材料在状态之间主动地切换而不是将材料切换到‘接通’状态且随后被动地允许其松弛。

[0058] 响应时间的另一方面是LC材料自身的选择。当选择LC材料时，必须平衡多个因数，例如光学双折射、电介质各向异性和旋转粘度。具有高光学双折射的LC材料将导致更薄的LC单元，其实现与较厚LC单元相同的光学阻滞，具有降低的响应时间和/或驱动电压的益处，部分地通过此些高双折射材料的通常增加的旋转粘度偏移。

[0059] 具有高电介质各向异性的LC材料将产生与较低电介质各向异性材料相同的响应但从较低驱动电压产生。具有较低旋转粘度的LC材料将具有比具有较高旋转粘度的材料快的响应时间。如稍后将更详细论述，例如光学分散以及折射率和旋转粘度的温度相依性等材料相依性质可从系统性能校准，但仍可选择LC材料以优化系统性能后校准。在另一实施例中，LC材料和/或LC单元准备可用以给予LC较大‘预倾斜’角度，因为这减小LC切换时间。

[0060] 除快速响应时间之外，高视角还增加高光谱成像组件的有用性。虽然高光谱成像系统当前存在，但其中许多由于采用的光学滤波器的角度相依性质而具有有限视角。如此处所使用，‘视角’指代液晶可变阻滞器的给定波长和给定状态的光学相位延迟相对于从LC可变阻滞器的法向的入射光角度偏差的不变性水平。

[0061] 通常，液晶显示器(LCD)经设计为在交叉偏振器之间的可切换二分之一波板，其可在光透射与光遮挡状态之间交替。如此处所使用的术语‘视角’不同于应用于典型LCD的常规使用，常规使用指代在接通和断开状态之间达到特定对比率的角度。在此处的实施例中，LC可变阻滞器可充当高阶波片。因为图像中的单个点将形成有具有非零数值孔径(NA)的光线圆锥体，所以所述圆锥体的每一射线以穿过LC可变阻滞器的不同入射角行进。考虑形成单个图像像素的光线的圆锥体内在具有最多相位延迟的射线与具有最少相位延迟的射线之间在给定波长下的光学相位延迟中的差异。随着这两条射线的相位延迟的此差异接近π弧度，在此图像像素处记录的干涉图的对比度减小。

[0062] 高总体光学相位延迟对于在给定波长下实现高频谱分辨率是必要的；然而，在对应于单个图像像素的光线的入射光角度上的光学相位延迟的平均变化必须显著小于π弧度。光学相位延迟随角度而变的变化与总体光学相位延迟成比例，因此高频谱分辨率成像是有挑战的，因为其组合以上高总体光学相位延迟与随角度而变的最小相位延迟变化的两个冲突要求。因此，为了成功地获得高频谱分辨率HSI数据，成像NA必须减小以减小对应于形成图像像素的射线的角度范围，或必须增加液晶可变阻滞器的视角。因为减小成像NA减小系统的光学通过量，所以开发增加对具有高频谱分辨率的图像的视角同时维持高光学通过量的技术是关键的。

[0063] 实现延伸视角的LC单元的一个特定实施例使用平行摩擦层，被称为pi单元或光学补偿弯曲型(OCB)单元。液晶单元内部的两个对准层可沿平行方向(图10B中展示为72)对反平行方向(图10A中展示为70)摩擦。此致使相对于单元的下半部与上半部之间半途的镜像平面，单元的上半部类似于下半部的镜像而作用，从而带来与如先前所论述堆叠具有相反对准方向的两个反平行单元相似的对称性优点。图11中所示的以穿过单元的不同角度行进的光线在普通与非普通偏振之间的入射角中遇见达一阶的相同光径差。此对入射角的一阶不变性产生是因为光径差中的一阶偏差在单元的上半部和下半部中具有相反的正负号，并且因此彼此抵消。

[0064] 另一实施例双向列型单元涉及堆叠例如图10A中的70等两个常规反平行单元，其中一者的LC对准方向相对于另一者旋转180度，如先前参看图8所描述。这将类似于pi单元而表现，不同的是单独的单元中容纳的上半部和下半部堆叠于彼此之上，进而提供减小驱动电压和/或较快响应的优点。其它实施例可包含多个双向列型单元、单个或多个域、垂直对准(VA)LC单元以及平面内切换(IPS)LC单元的堆叠。以其对准方向彼此成90度堆叠两个双向列型单元将提供可实现正和负阻滞两者且也将具有高视角的液晶可变阻滞器。

[0065] 当光线行进穿过双折射介质时，它们可经受称为‘光束离散’的效果，其中波矢量和坡印廷矢量不再平行。具有相反对称性的两层的实施例提供对此的补救，因为第一层的离散将通过第二层的离散来校正。一般来说，其中离散在具有相反对称性质的两个单元或两个单元半部之间抵消的LC单元的对称性保留布置可校正此离散。IPS LC单元将不具有离散问题，因为当波矢量垂直或平行于LC引导件时光束离散最小。如果离散未经校正，那么图像可随LC可变阻滞器的阻滞而变而漂移，从而一旦获得傅立叶变换便产生图像内的边缘上的假象。然而，仍可能通过图像登记技术以算法方式校正此离散，忽略液晶的分散性效果。

[0066] 已表明HSI组件的结构的不同实施例后，现在论述操作HSI组件的额外元件和方法以及其校准。

[0067] 图12展示操作HSI系统的流程图的实施例，其如果与图3的系统图结合观看可较好理解。在80处，图3中的处理器28接收由主机装置上运行的应用程序指定的描述高光谱图像数据的所需特征的HSI参数，或由用户或独立HSI相机上运行的应用程序设定的HSI参数。HSI参数可需要例如在给定时间中获取具有给定频谱分辨率的某些高光谱图像数据。或者，它们可需要最小集合的高光谱图像数据，其将允许先验已知的特定光谱特征之间的区分。
在82处，处理器28确定应获取的图像的数目N、以何种阻滞Γ1,Γ2…ΓN获取，以及在什么时间t1

[0068] 如上文所使用的术语电压指代向量，其中所述向量的每一元素对应于具有对参考电压(例如系统接地)的响应一个特定电极电势。在一些实施例中，此向量可为通过施加于每一电极的相位、振幅和频率表征的AC电压的向量。通过使用不同频率，阻滞控制器可利用一些液晶的不均匀频率相依性，例如频率相依电介质各向异性。相机处理器也可在84处在阻滞时间系列的时间触发焦平面阵列24以取样焦平面阵列检测器24以在由处理器命令的阻滞下产生一系列图像。

[0069] 阻滞提取器27可在每个时间点从来自FPA 24的图像系列、来自FPA的一系列部分图像、来自FPA的选定像素值、来自FPA的单个像素值中的信息或从来自光检测器47或其它光传感器的信号提取实际阻滞。阻滞提取可遵循如三雄武田、西城以那和小林征尔的“基于计算机的表面形态和干涉测量的条纹模式分析的傅立叶变换方法(Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry)”(美国光学学会期刊72期，156-160页(1982))中所描述的方法而执行，以提取记录的干涉图中的每个点处的相位延迟。所述系统随后具有处于已知阻滞的一系列图像，处理器28随后在86处处理它们以产生HSI数据以发送到主机装置上或相机上的请求应用程序。替代地，如果阻滞控制器具有足够高准确性，那么不需要阻滞提取器。这是因为每一图像的获取已经与阻滞控制器的时序同步且所述系列内的每一图像的阻滞充分接近相机处理器28命令的阻滞。

[0070] 一些液晶材料经历在某一驱动频率下电介质各向异性的正负号改变。在此频率下方驱动材料致使分子平行或垂直于驱动电场而对准，且在此频率上方驱动致使分子相对于其在较低频率下的对准成90度对准。通过在具有驱动频率选择的两个定向之间切换液晶材料，此特征可用于主动接通和主动断开实施例中。

[0071] 高光谱成像系统的许多特性可需要校准。举例来说，随FPA上方的位置而变的单色源的计算的波长可不表现为均匀的，因为LC可变阻滞器的LC单元可具有不均匀厚度，且也存在在每一像素位置处所计算的波长对主光线的角度的相依性。校准将考虑此信息以使得例如激光等单色源的经处理HSI数据集将在所有图像像素中在同一波长下展示光谱峰。举例来说，激光源可具有532纳米的波长。引导来自激光源的光穿过HSI组件到FPA且随后通过获得来自激光源的所述的HSI数据确定FPA上某一点处的峰值波长可导致在540纳米处检测到峰。应用程序软件可经编程以调整此偏移。由于此偏移随位置而变的平稳变化性质，校准过程可在图像平面中的几个点或像素分格区处执行且随后跨越整个图像平面经内插，或其可在所有像素处个别地执行。

[0072] 另外，LC材料的折射率/分散以及其旋转粘度和其它材料参数可随温度而变化，且切换过程中可存在一些固有滞后。因此，应校准且优化阻滞控制器以提供不仅随时间而变而且随成像速度和操作温度等而变的正确电压到LC可变阻滞器内的LC单元的电极。阻滞控制器的此校准或光谱偏移的以上校准可通过将HSI组件指向具有多个已知谱线的荧光灯泡或其它光源来辅助。当光学分散存在且需要多个光谱峰来估计所述分散时这将尤其有用。

[0073] 返回参看图1，可见存在远离光圈指向以照射正成像的主体的光源14。参见图3，也可看见第二光源，在此实施例中呈激光二极管20的形式，其可照射HSI光学路径内部的传感器或元件。替代地，激光二极管20也可以为发光二极管、超发光发光二极管、经滤波宽带光源或具有已知光谱特性的任何其它光源。光源还可仅提供场景的一般照明。单色面朝外的源可适用作分光镜源，例如用于成像拉曼光谱测定法。光源可由用于照明的宽带面向外或面向内的源的组成，例如用于夜视的红外LED，或具有特定光谱输出的一个或多个LED，其组合以形成具有比典型白色LED更平坦的光谱输出的真实“白光”源。

[0074] 在校准过程中，作为装置的部分包含的光源可用作校准光源。所述源应具有允许基于那些特性调整高光谱系统的各种性能特性的已知光谱特性，以使得在每一图像像素处计算的频谱准确反映具有最高可能的频谱分辨率的经校准源的已知频谱。

[0075] 阻滞控制器理论上能够知道LC可变阻滞器的当前状态。举例来说，LC可变阻滞器可在给定状态加电中或在操作期间的任一点初始化。初始化LC可变阻滞器的一个可能的方式是在足够高电压下驱动其以将其快速带入其最小或最大阻滞状态中的平衡。为了阻滞控制器从输入(例如在指定时间的阻滞)变成输出(电压对时间)，阻滞控制器可使用查找表、物理模型、启发式算法等作为参考。其也可考虑液晶可变阻滞器所述开始阻滞。

[0076] 阻滞控制器的重要方面是其能够针对给定阻滞系列产生正确电压系列，即使描述何时应实现阻滞的时间系列不同。阻滞控制器的输出因此必须具有对阻滞系列和时间系列两者的功能相依性，而不仅仅是阻滞系列。应注意，时间系列是大体上有序的但阻滞系列不是。如果邻近阻滞系列部件之间的时间间隔长于液晶可变阻滞器的松弛时间，那么系统称为绝热驱动且电压系列应相对独立于输入时间系列。然而，如果邻近阻滞系列部件之间的时间间隔小于液晶可变阻滞器的松弛时间，那么系统称为动态驱动的，因为所需的电压系列强烈取决于时间系列。换句话说，阻滞控制器是动态阻滞控制器。

[0077] 图13展示校准方法的实施例。在90处，以光源照射HSI系统。光源可为单色面向内的光源，产生直接通过到高光谱组件而不是首先从外部景物反射的光线。所述光源以HSI系统经取样，且用以校准系统的性能特性。此可允许校准阻滞控制器或确定例如最佳LC驱动波形。此校准可以工厂设定执行。

[0078] 所述校准也可如图14中在正常使用期间经更新以补偿例如LC可变阻滞器的老化。在100处在LC可变阻滞器处接收光，且在102处由阻滞控制器50所确定的电压的集合可用以驱动LC可变阻滞器。此电压集合驱动LC可变阻滞器，同时对所接收的光100俘获高光谱图像数据104，所述光100包含来自校准源的光，例如来自图3中的激光二极管20或来自附近的荧光灯。在校准源的光谱性质已知的条件下，有可能计算LC可变阻滞器的时间相依光学阻滞，即，测量校准阻滞，且将其与由阻滞控制器用来合成电压波形的所要阻滞进行比较。在106处可随后基于所要阻滞与实际阻滞之间的不一致而更新阻滞控制器以产生将随时间而变更准确控制阻滞的电压波形。举例来说，在阻滞控制器以及其产生的时间相依驱动电压波形的恰当调整之后，可使测得的中心波长更接近地近似在100所接收光的已知中心波长，还具有较好频谱分辨率。另一选项将是使阻滞对时间特性遵循线性轨迹。性能特性、校准信息和用于校准的光的性质中的任一者或全部可存储在例如嵌入在处理器28的存储器中的查找表中以允许比较和调整。

[0079] 应注意HSI系统可使用来自其它源的校准数据，而不是自身产生校准数据。虽然以上自校准过程中产生的校准数据可存储于HSI系统的存储器中，但存储器还可存储随系统提供、从其它源可用等的校准数据。如果系统执行上述过程，那么既定不存在也不应当有任何限制假定仅校准数据可用。

[0080] 在一些实施例中执行像素分格可为有利的，借此在FPA的区中的相邻像素处记录的强度值直接在FPA上或稍后在软件中加总在一起。如果像素在它们被读出之前在FPA处一起分格，那么增加FPA的帧速率是大体上可能的。这假定FPA与从FPA记录数据的装置(例如相机处理器28)之间的固定最大通信速度。改变分格的像素的数目因此允许在空间分辨率与成像速度之间进行折中，且由于也存在成像速度与频谱分辨率之间的折中，因此像素分格是光谱和空间分辨率与成像速度之间的折中的又一个方法。另外，像素分格对于增加图像的信噪比可为重要的，尤其当信号弱且需要最小空间分辨率时。在极端限制中，所有像素可在一起分格，且实施例将充当非成像傅立叶光谱仪。

[0081] 像素分格可具体来说可用于FPA的各种平稳变化的位置相依量的校准，例如在液晶可变阻滞器的给定波长和状态下的光学相位延迟的位置相依变化。为了得到可靠的校准信息，实现高信噪比可为必要的，而由于需要校准的量的平稳变化的性质将不需要太多的空间分辨率。跨越HSI系统的视场的校准信息可从测得的结果内插。

[0082] 除考虑不同时间系列之外，阻滞控制器可具有任选地考虑不同温度的能力，因为温度影响液晶材料的动态性质，例如电介质各向异性、旋转粘度和弹性常数，以及影响双折射。然而，这是任选的，因为如果液晶材料的熔点相对于操作温度足够高，那么液晶材料将不对温度敏感。控制器可在工厂中完全经校准且为完全开放环路，且如果此校准足够可靠，那么在此实施例中，不需要相位参考激光二极管20，也不需要阻滞提取器27。然而，即使校准在工厂中固定，其也可有助于使相位参考知道所获取的图像的实际阻滞。

[0083] 如果需要，阻滞控制器可在如先前参看图14所描述的高光谱图像数据的获取之间自身更新。其通过将所请求阻滞系列与由阻滞提取器27或可能由处理器28报告的实际阻滞系列进行比较且基于两者之间的差异更新阻滞控制器来进行此做法。甚至可能从所请求阻滞和实际阻滞系列产生误差信号且使用误差信号实时以闭合环路方式驱动液晶可变阻滞器，借此误差信号用以计算对由开放环路阻滞控制器计算的电压的校正。图15展示此过程的实例。

[0084] 在110处，图3的阻滞控制器50在时间ti设定给定阻滞Γi。在112处，场景图像Si随后由焦平面阵列俘获。在114处，阻滞提取器随后提取前一帧的阻滞Γ'i。系统随后通过找到既定阻滞Γj与实际阻滞Γ'j之间的差异而在116处计算阻滞误差，且在118处应用误差信号作为单独的控制器输入。系统随后在119处反复且随后按需要重复过程。所述系统因此通过到阻滞控制器的直接反馈以闭合环路方式操作。

[0085] 其它修改和实施例是可能的。为了减小例如成像时间，系统可在HSI组件的前方包含光学带通滤波器，例如拜耳滤波器，以将命中FPA的光限制于已知频谱带，从而允许干涉图的子取样而无混叠。对在每一图像像素处记录的信号进行滤波的电子数字或模拟带通滤波器将实现同一效果。如果在对靠近具有尖锐截止的滤波器的尖锐截止而发生的光谱特征进行成像，那么光学滤波器还可增加频谱分辨率。如此处所使用，尖锐截止或通带与止带之间的转变是比在滤波器不存在的情况下将从单色源获得的光谱峰的半高全宽更尖锐的截止。此滤波器将产生关于光谱峰是发生在滤波器截止下文还是上方的信息。

[0086] 其它类型的光学滤光器或光学组件，例如不同类型的光学薄膜，也可以在某些实施例中采用。举例来说，例如薄膜等阻滞补偿装置可用以在LC可变阻滞器的“接通”或“断开”状态中实现特定阻滞。所述滤波器或薄膜还可提供色度补偿以校正液晶的分散性效果。或者，可在LC可变阻滞器的LC单元上或中使用标准抗反射涂层。

[0087] LC电极可由石墨烯、氧化铟锡或具有高传导性和高光学透明度的其它材料组成。尤其当考虑本发明的多层实施例时，从电极反射或吸收的光必须减到最少，且因此维持电极层中的高光学透明度是有利的。

[0088] 上文所论述的许多实施例已假定与传统的相机相同的系统中HSI组件的存在，其中所述HSI组件具有零阻滞模式以允许传统的相机操作而无强制。然而，可能需要不在FPA的最终焦平面中也不非常接近于其具有HSI组件，而是在FPA的焦平面的共轭中且通过一或多组中继光学器件链接到FPA的焦平面。这将使附加模块能够与现有手机或相机一起使用，借此所述附加将为高光谱组件，其将控制例如现有手机或相机或由其控制以同步液晶可变阻滞器的驱动与个别图像帧的获取。

[0089] 替代地，除使装置对入射光透明之外，使偏振器对入射光完全透明也可以是合意的。在此实施例中，当相机充当正常非高光谱相机时，系统由于偏振器而不会失去光。在一个实施例中，系统采用可在至少两个状态之间切换的可切换偏振器。一个状态标称发射光的仅一个偏振且吸收、反射或阻挡正交偏振。另一状态发射两个偏振。可使用各向异性液晶凝胶制作此偏振器，如H·任和S·T·吴的“可切换偏振器和显示器的各向异性液晶凝胶(Anisotropic Liquid Crystal Gels for Switchable Polarizers and Displays)”(应用物理学报81期1432-1434页(2002))中陈述。这些偏振器还具有低操作电压、高对比率、宽带宽、宽视角和快速响应时间的合意的性质。

[0090] 将应用于液晶可变阻滞器中的液晶单元中的一或多者的另一修改涉及这些单元的平坦度。跨越其通光孔径(即，光穿过其通过到图3的焦平面阵列24或光传感器47的液晶可变阻滞器的部分)对液晶可变阻滞器的状态的控制当液晶单元均匀地厚时变得更容易。在给定点的响应时间是单元的厚度以及温度、驱动电压和其它单元性质的不可分离的函数。因此，施加于单元的给定电压波形将在单元中厚度不同的点处刺激不同响应。这些响应之间的差也将随温度而改变。这使阻滞控制器的校准极困难，尤其是仅在液晶可变阻滞器的通光孔径中的一个点处而不是跨越通光孔径测量阻滞的情况下。

[0091] 在通光孔径中包含间隔件提供使LC单元均匀地厚的一种方法。然而，间隔件使液晶材料移位并且因此它们改变液晶可变阻滞器在它们存在的位置的阻滞变化。这导致其表现为高光谱图像数据中的假象。然而，存在减少这些假象的显著性的选择。

[0092] 在一个实施例中，所述间隔件具有高纵横比，以使得沿着成像系统的光轴观看的它们产生的遮挡光点的大小或直径相对于间隔件高度具有小尺寸。这造成图像中相对于低纵横比间隔件的最小中断。

[0093] 在另一实施例中，液晶单元、多个液晶单元或液晶可变阻滞器可移动远离HSI相机内的成像光学器件的焦平面。实际上，液晶可变阻滞器的液晶单元可个别地放置在相对于成像光学器件的任何位置，只要它们位于HSI系统的输入偏振器与输出偏振器之间即可。液晶单元可彼此邻近或它们可为单独的。一个或多个液晶单元可在成像光学器件的焦平面、共轭焦平面、傅立叶平面中、成像光学器件与待成像景物之间、成像光学器件与FPA之间等。只要单元具有充分均匀平坦度，组成图像中的给定点的射线便可横穿液晶单元的不同点。
由于这些点全部具有给定单元内的相同厚度，这些射线全部经历相同阻滞。移动单元远离焦平面造成由单元的通光孔径内的任何间隔件造成的遮挡光点的模糊。图16展示此实例。
注意在一些实施例中，例如利用来自计算摄影的场的原理的那些实施例，FPA 24也可远离成像光学器件的焦平面驻留。如果焦平面阵列不驻留在成像光学器件的焦平面中，那么为了使如上文所描述由间隔件造成的光点模糊，液晶单元不应驻留在FPA的焦平面中。

[0094] 在图16中，可表示液晶可变阻滞器的一个或多个液晶单元的液晶单元120具有夹在所述两个面板之间的液晶材料124，并且还具有例如122的间隔件。单元120现在远离成像光学器件的焦平面驻留，所述焦平面位于焦平面阵列24可处于的地方。光通过成像光学器件22且所有射线在照射到焦平面阵列24之前经历单元120的相同厚度。其中间隔件122可能遮挡光的区域跨越区126而模糊。举例来说，如果具有1微米的直径的间隔件在正方形栅格上每10微米放置，那么所述间隔件将遮挡区域中的液晶单元的通光孔径的大致1％。如果LC可变阻滞器单元直接在FPA或成像光学器件的焦平面中，那么所述间隔件将产生可见假象。移动单元远离焦平面跨越高光谱图像数据的空间范围扩散且因此稀释这些假象的效果。

[0095] 关于间隔件和焦平面阵列的另一选择涉及在焦平面阵列的像素之间建置间隔件，如图17中所示。在图17中，焦平面阵列24的个别像素128处于液晶单元的建置于焦平面阵列顶部上的例如122的间隔件之间。应注意图16和17仅是高光谱成像系统的部分且例如电极、LC材料、波板、偏振器等先前论述的其它元件将包含在使用这些部分的全高光谱成像系统中。

[0096] 另一实施例涉及使用具有均匀厚度但自身不平坦的LC单元。对于宽视场成像系统，给定场点的中心射线可以极倾斜角进入高光谱相机，如图18中所示。进入成像光学器件22的光以倾斜角进入。通过在焦平面阵列24之前弯曲LC单元130，视场中的给定点的中心射线法向入射在液晶单元上，不管场点如何。

[0097] 如先前所论述，优点可存在于以单色光源或校准光源照明焦平面阵列，例如由图3中的激光二极管20提供的光源。图19中的系统允许穿过图像光采取的同一几何路径对焦平面阵列的完全照明而不会遮挡图像光。其利用例如144的偏振光束分光器而不是系统的第一偏振器。在此实施例中，来自激光二极管20的穿过激光光学器件142的激光将具有穿过一个端口进入偏振光束分光器的垂直(V)偏振，且来自场景140的穿过成像光学器件22的图像光将具有穿过第二端口进入偏振光束分光器的水平(H)偏振。液晶单元摩擦方向将在两个偏振方向之间标称45度，其中分析器与H或V偏振方向对准。任选地，使用两个焦平面阵列150和164，通过两个分析器或输出偏振器148和162以及两个LC可变延迟器146和160，将允许俘获光的另一偏振，从而使光通过量标称增加100％。甚至在不存在校准光源的情况下这两个焦平面阵列实施例都将是有利的。

[0098] 图19中的照明几何形状将允许跨越全视场在每个点测量阻滞。此信息可允许如上文所论述的实时闭环控制，或在图像的分析中以产生高光谱图像数据。此布置将允许系统使图像数据的帧与来自单色图像源的光的帧交错以在时间和空间上在每个点测量阻滞。如果光源的功率升高，那么可减少用以取样光源的曝光时间。图20展示此方法的实施例。

[0099] 在图20中，系统在170处在时间ti将阻滞设定于阻滞Γi。随后在172处俘获场景Si以得到图像数据的一个帧。随后在174处接通激光，且随后在176处俘获激光的图像作为激光图像Li。随后在178处断开激光且过程在179处在下一设定重复。以此方式，系统在许多不同时间在视场中的多个点处俘获阻滞以允许系统的操作中的调整或数据的处理中的调整等。

[0100] 又一修改涉及液晶可变阻滞器的控制。由于液晶材料的动态控制可成问题，因此绝热地但以允许比阻滞器的被动松弛时间快得多的阻滞的受控改变的方式驱动阻滞器可为有利的。这可通过经由电压波形的恰当选择显著减小阻滞器的松弛或响应时间而完成。如果驱动电压足够高，那么可使液晶可变阻滞器的响应时间极短。因此以二分量电场驱动液晶可变阻滞器可为有用的。

[0101] 如此处所使用，二分量场具有第一分量或垂直分量，其致使液晶材料垂直于单元的层对准，以及第二分量或平行分量，其致使液晶与单元的层平行对准。这些分量可例如通过电极驱动电势的组合以创建垂直与平行电场(如图21中)以及创建正和负电介质各向异性的驱动频率的组合而产生。图21中的平行场186可由正电压置于电极182上且负电压置于电极184上而引起。垂直场188可由正电压置于底部图中的电极182上且负电压置于电极184上而引起。垂直分量可随后为具有正电介质各向异性的处于频率f1的垂直电场或具有负电介质各向异性的处于频率f2的平行场。平行分量可随后为具有正电介质各向异性的处于频率f1的平行场或具有负电介质各向异性的处于频率f2的垂直场。

[0102] 如果仅使用平行(或垂直)电场，那么第一分量EA将为在频率f1(f2)下的场振幅，且第二分量EB将为在频率f2(f1)下的场振幅。替代地，可使用仅频率f1(或仅频率f2)用于电场。在此情况下，分量EA将为平行(或垂直)场且分量EB将为垂直(或平行)场。液晶引导件定向
190将绝热地跟踪由arctan(EA/EB)给定的角度θ(θ)，且到此角度的松弛时间由τ＝(E2C/(E2A+E2B))t松弛给出，其中t松弛是液晶单元的被动(场断开)松弛时间且EC是在单元的中点处产生有限失真的临界场响应。通过确保松弛时间τ与液晶引导件的定向改变之间的任何时间相比快得多，可使LC引导件的定向改变任意地快。这可通过使场分量EA和EB足够大而实现，但具有正确比率以达到所要液晶引导件定向且因此液晶可变阻滞器的所要阻滞。更一般化地，两分量场的一个分量可应用正扭矩以使液晶可变阻滞器的单元内的液晶分子旋转以增加所述单元的阻滞，且另一分量可应用负扭矩以减小所述阻滞。同时施加两个分量致使液晶分子在由分量的比率设定的角度处以由所述分量的量值确定的速率达到平衡。因此，二分量场原则上允许对液晶分子的引导件的任意控制且因此对液晶可变阻滞器的阻滞的任意控制。

[0103] 关于较快驱动时间的其它考虑处于液晶材料自身的选择中。铁电液晶或聚合物网络液晶具有较快响应时间。聚合物网络液晶材料具有嵌入有聚合物网络的液晶材料。

[0104] 以上方法和装置可由若干应用中的一者采用，例如医疗成像、分拣、场中所发现的材料的光谱法等。这些中的每一者可具有其自身的软件程序，在智能电话世界中通常称为‘应用程序’。如先前所提到，HSI系统可集成到许多不同类型的主机装置中，例如电话、平板计算机等，以及例如显微镜和望远镜等更传统的实验室设备。

[0105] 通过此系统实现的一个特定应用是用户能够使用HSI系统作为医疗诊断装置，例如用于家庭医疗诊断测试的比色读出。用户可取得主体位置和/或医疗诊断测试条带的一个或多个HSI数据集。可使用系统包含的处理能力将所得HSI数据集完全或部分处理为诊断信息，或它们可在云中经处理。通过包含的通信链接，诊断信息可最终转发到医生或实验室。