[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

说明书

技术领域

本发明属于液晶光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域，

背景技术

运用液晶光学相控阵实现无机械惯量可编程控制大角度光束偏转技术，在自由空间光通信、激光雷达、光互联、投影显示、光信息存储等领域有着广泛应用。其中，在激光雷达应用中，对于大角度光束偏转需求迫切。目前现有实现大角度光束偏转的方法主要采用：机械驱动的万向反射镜或棱镜、机械驱动的三透镜扫描装置、机械驱动的微透镜或棱镜阵列，这些方法都存在因机械惯量而导致的功耗大、重量大等问题。此外，还有用液晶光学相控阵产生动态光栅实现光束偏方法，但该种方法受相移单元尺寸限制，一般光束偏转角度范围较小只有几度，例如：口径为7.68毫米，相移单元尺寸为15微米的液晶光学相控阵，在入射波长为632.8纳米的情况下，最大偏转角为正负1.2度。

发明内容

本发明的目的是用液晶光学相控阵产生偏心液晶透镜或液晶透镜阵列实现大角度光束偏转，具有无机械惯量、可编程控制的特点。

基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转装置包括第一液晶光学相控阵、第二液晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵；

采用第一液晶光学相控阵、第二液晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵分别产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列、第二液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列；

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的焦距f₁和第三液晶透镜或液晶透镜阵列的焦距f₃相等，且第一液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列为正透镜，

第二液晶透镜或液晶透镜阵列为正透镜或负透镜；

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列为正透镜，则满足f₁＝f₂＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列共焦，第二液晶透镜或液晶透镜阵列位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列第三液晶透镜或液晶透镜阵列的共焦平面上；

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列为负透镜，则满足4f₂＝f₁＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列相隔一倍焦距放置，第二液晶透镜或液晶透镜阵列位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列第三液晶透镜或液晶透镜阵列的中间位置上。

基于液晶光学相控阵实现大角度光束偏转方法步骤如下：

步骤一：选择产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列、第二液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列的第一液晶光学相控阵、第二液晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵，第一液晶光学相控阵、第二液晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵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、第二液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列的三个初始相位图，即第一初始相位图、第二初始相位图和第三初始相位图，分别向第一液晶光学相控阵、第二液晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵加载第一初始相位图、第二初始相位图和第三初始相位图产生相应的第一液晶透镜或液晶透镜阵列、第二液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列；

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

当第二液晶透镜或液晶透镜阵列为正透镜，则满足f₁＝f₂＝f₃，其中第一液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列共焦，第二液晶透镜或液晶透镜阵列位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列的共焦平面上；

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