光学滤波器可以提取特定透射光波段，在天文观测、气象分析、环境监测，生物医学检测、空间遥感等多个成像领域有广泛应用。作为多光谱成像系统的核心光学器件，其光谱滤波性能往往决定着系统的成像质量效果。
相较于吸收型、干涉型等其他传统滤波器件，液晶可调谐滤波器（liquid crystal tunable filter，LCTF）作为一款双折射型滤波器，具有易于精准调谐，损耗低，成本低，集成化程度高等众多优点，有望广泛应用于高光谱成像、光通信以及显示等领域；而传统的里奥（Lyot）型液晶滤波器设计要求每级相位差严格符合等比例的关系，如此便会导致最后几级液晶滤波片器件厚度较大，响应速度相对较慢，难以匹配光谱快速调谐的应用场景。
针对上述瓶颈，近日，汕头大学姚丽双副教授团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2023年第2期发表了题为“基于人工免疫算法的里奥型液晶调谐滤波器优化设计”的研究文章，并被选作当期封面文章。
该文章将多目标优化算法匹配应用于滤光片设计中，提出了一种在液晶滤波片厚度、级数选择上更加灵活的优化设计方法，该法可提高特定波长下LCTF系统的滤波光谱效果，可实现对每一级液晶滤波片的厚度和驱动电压的智能调控。
文章提出的基于人工免疫算法的Lyot型液晶可调谐滤波器优化设计方法，是以Lyot型LCTF的光透过率、透射主峰半高宽、截止区的旁瓣抑制这三个光谱性能指标为评价函数，然后基于以上三个评价函数约束下，全局寻找LCTF最佳液晶盒厚度和驱动电压配置参数组合的优化方法。
该法实现了Lyot型LCTF针对性地旁瓣抑制效果，可以显著提升光谱的滤波性能。相关研究结果可为液晶滤光片的模型优化、智能调控、实验调试提供新的思路与理论参考；亦可为多光谱成像系统的图像质量进行一定的优化提升。
文章所提出的免疫算法优化滤波器的原理流程如图2所示。
图2：基于人工免疫算法的LCTF优化流程图
图源：液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.Fig.1
首先，建立滤波器模型，以每一级LCTF液晶滤波片的施加电压与器件厚度作为变量，以特定的亲和度进行免疫优化。其中亲和度评价函数aff (Tw)，使用所设计的滤波器与理想的滤波器在可见光波段的光谱响应曲线之间的均方误差表示，如式(1)所示。结合Matlab软件，模拟不同通带与阻带权重(w1:w2)情况下，基于IA算法构建五级Lyot型LCTF输出光谱，以滤波指标来确定最佳的w1:w2值，进行滤波器优化工作选取最佳的通带与阻带权重比。
为了表征LCTF滤波性能，本文主要以半高宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)、峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ration, PSLR)、峰值旁瓣电平(Peak Side Lobe Level, PSLL)、旁瓣抑制(side lobe suppression，SLS)、最大副瓣电平(Maximum Side Lobe Level, MSLL)等滤波指标来进行衡量。其中算法寻优过程的评价函数定义为：在同一中心滤波波长下，IA算法下Lyot型LCTF滤波光谱曲线与同等半高宽的理想矩形带通滤波曲线的均方误差值，用此来表征LCTF系统的滤波性能。
以系统调谐400 nm为中心滤波波长的情形下为例，对比基于IA算法优化模拟设计LCTF与传统LCTF的两种滤波系统，其在一系列通带与阻带权重(w1:w2)情况下的光谱曲线滤波性能对比结果如图3所示。
图3：不同通带与阻带(w1:w2)权重下的滤波性能对比图
(a)半高宽(FWHM)对比图 (b)旁瓣抑制(SLS)对比图
图源：液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.Fig.2
图4：不同通带与阻带权重下的评价函数值对比图
图源：液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.Fig.3
由上述对比结果可知，随着通带与阻带(w2/w1)权重值不断增大，半高宽、峰值旁瓣比、峰值旁瓣电平，最大副瓣电平均呈现先减小后增大的趋势，而且基于MSE值趋势发现，在w1=1，w2=25的通带与阻带权重比下，经IA算法优化传统Lyot型LCTF后的评价函数值取到极小值，滤波结果表明此情况下较好地权衡了中心波长透射和整体杂峰的抑制。
优化传统等比例的五级LCTF
在w1= 1，w2= 25的通带与阻带最佳权重比下，传统Lyot型LCTF经过IA算法优化前后的光谱滤波曲线对比，结果如图5所示。可见，整体滤波SLS相对于主透射峰均低于1.72%，因此保证了良好的单波长的滤波效果。
图5：IA算法优化传统Lyot型LCTF光谱曲线前后对比图
图源：液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.Fig.4
IA设计的五级LCTF
以500 nm为中心滤波波长，两种滤波系统光谱性能对比，如图6所示。相比于传统Lyot型滤波器，IA算法设计的液晶滤波器可以较好地抑制截止区旁瓣，较好地提升滤波性能。
图源：液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.Fig.5
IA设计的五级LCTF可调谐系统，其可见波段主要波长的滤波效果，如图7所示。可见，IA算法优化设计的LCTF相比于传统Lyot型，在不同透射中心波长下，峰值旁瓣明显抑制，而且整体滤波效果更加，即MSE值在各个波段均有提升，分别为14.15% (@ 400 nm)，13.90% (@ 500 nm)，16.93% (@ 600 nm)，15.80% (@ 700 nm)，滤波性能平均提升了15.20%。
图7：IA算法设计的实际LCTF与传统Lyot型LCTF下的整体光谱响应曲线对比图
图源：液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.Fig.6
本文结合人工免疫算法(IA)，通过优化LCTF的多目标光谱性能可实现对LCTF的液晶盒厚度和驱动电压的智能选取。该算法核心是建立光谱响应曲线的评价函数，其中确定通带与阻带的权重比尤为重要。通过仿真发现，滤波器的各项滤波性能参数随权重比的变化呈现先减小后增大的趋势；当通带与阻带权重比在(w1:w2 = 1:25)情况下，相比于传统的LCTF，利用IA算法设计的LCTF在半高宽，峰值旁瓣比，峰值旁瓣电平，最大副瓣电平等整体滤波性能参数均具有显著提升；此外，还可以针对滤波的不同调谐需求进行定制化设计。后续还需要代入元件吸收/表面反射等损失、LCTF斜入射情况以及液晶材料等实际因素，对IA算法下的LCTF优化模型进行进一步的完善和改进。
论文信息
陈立新, 周茹心, 苏文正, 等. 基于人工免疫算法的里奥型液晶调谐滤波器优化设计[J]. 液晶与显示, 2023, 38(2):188-196.
https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0332
通讯作者介绍
姚丽双，博士，副教授，2008年于中科院长春光机所获得光学博士学位，主要从事液晶光调控技术研究。主持了国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目；装备部信息系统预研项目课题、广东省自然科学基金面上项目、广东省普通高校重点领域专项、2021年度国家重点研发计划“新型显示与战略性电子材料”重点专项的子课题任务、国际地区合作与交流等项目。在液晶器件与材料研究方向发表论文50余篇，授权发明专利13项。
