[发明专利]基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转装置及其偏转方法

权利要求书

1.基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转装置，其特征在于它包括第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)；

采用第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)分别产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)、第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)；

所述三个液晶透镜或液晶透镜阵列焦距分别为f₁、f₂、f₃，其有效口径相同，有效口径的中心位于同一条直线上，且沿垂直光轴方向平行放置；

第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)的焦距f₁和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的焦距f₃相等，且第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)为正透镜，

第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为正透镜或负透镜；

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为正透镜，则满足f₁＝f₂＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)共焦，第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的共焦平面上；

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为负透镜，则满足4f₂＝f₁＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)相隔一倍焦距放置，第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的中间位置上。

2.根据权利要求1所述的基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转装置，其特征在于第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)为M*N个相移单元分辨率，每个相移单元为dx*dy平方微米的液晶光学相控阵。

3.基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转方法，其特征在于它步骤如下：

步骤一：选择产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)、第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)，第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)的每个相移单元的像素尺寸相同、填充系数相同、有效口径相同；

步骤二：计算得到第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)、第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的三个初始相位图，即第一初始相位图(10)、第二初始相位图(20)和第三初始相位图(30)，分别向第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)加载第一初始相位图(10)、第二初始相位图(20)和第三初始相位图(30)产生相应的第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)、第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)；

步骤三：光束不偏转时，设定装置中第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)的初始位置，

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为正透镜，则满足f₁＝f₂＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)共焦，第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的共焦平面上；

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为负透镜，则满足4f₂＝f₁＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)相隔一倍焦距放置，第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的中间位置上；

步骤四：光束偏转时，计算所需的第一偏转相位图(13)、第二偏转相位图(23)和第三偏转相位图(33)分别送到第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)、第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)中，第一偏转相位图(13)在不需要改变焦距和口径的情况下，不需要重新送入新的相位图；第二偏转相位图(23)和第三偏转相位图(33)随着预期要偏转的角度改变需要重新写入，相位图改变依赖于偏心量的改变；分为两种偏转情况：

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为正透镜，

产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)的第一液晶光学相控阵(11)的相位图不变，第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)的相位图同方向偏离原始中心同步改变，第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的偏心量满足Δ₂＝Δ₃和偏心方向相同，从而来产生实际使用透镜时所需的偏心量；

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为负透镜，

产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)的第一液晶光学相控阵(11)的相位图不变，第二液晶光学相控阵(21)和第三液晶光学相控阵(31)的相位图同步向相反方向偏离原始中心分别改变，第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的偏心量满足关系Δ₃＝2Δ₂和偏心方向相反，从而来产生实际实现光束偏转时所需的偏心量；

步骤五：光束通过各个液晶光学相控阵的相位分布产生非机械无惯量光束偏转所需要的偏心量，以达到期望的光束指向。

4.根据权利要求3所述的基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转方法，其特征在于所述相位图是通过透镜相位光栅相位函数得到的，其每个液晶透镜或液晶透镜阵列的透镜相位光栅相位函数为：

第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的透镜相位光栅相位函数表示为：

其中，f为透镜的焦距，C为常数；第三液晶透镜或液晶透镜阵列(32)的偏心量的表达式为：

Δ₃(x，y)＝(Δ₃(x)，Δ₃(y))＝(x·d_x，y·d_y)0≤x≤M/2，0≤y≤N/2

其中，x，y分别为X，Y两个方向的移动步数；M，N分别为相控阵的X，Y两个方向相移单元个数；d_x，d_y液晶相控阵的相移单元尺寸；

第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)的透镜相位光栅相位函数表示为：

其中，f为透镜的焦距，C为常数；在第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为正透镜时：Δ₂(x，y)＝Δ₃(x，y)；在第二液晶透镜或液晶透镜阵列(22)为负透镜时：负号表示偏心方向相反；

第一液晶透镜或液晶透镜阵列(12)的透镜相位光栅相位函数表示为：

其中，f为透镜的焦距，C为常数；

然后，分别依据以上各个透镜相位光栅相位函数生成所需要的相位图。