专利名称：电光开关阵列数字光扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光扫描，具体是一种电光开关阵列数字光扫描器，其中一个电光 开关和一个偏振分束器构成单级近场扫描单元，多个近场扫描单元按照一定的拓扑 结构组成近场光扫描阵列，其后加棱镜偏转阵列构成远场光扫描阵列，通过控制电 光开关的半波电压来实现数字式的空间扫描，适用于瞄准跟踪、空间激光通信和激 光雷达等领域。
背景技术：
激光光束扫描器在军用和民用上都有重要应用，其中在激光雷达、激光 预警和空间激光通信中，需要光扫描器对目标进行捕获和跟踪，为了在远距 离的较大视场中快速的发现较小的目标，需要扫描速度快和扫描精度高的光 扫描器，而为了能应用于星载光端机或机载激光雷达，又要求易于集成的光 扫描器。现有的激光光束扫描器大致可分为机械式和非机械式两大类。最常 用的二维光束扫描器是电机械扫描器，其缺点是受机械传动精度影响，扫描 精度有限，集成化程度低。非机械式的扫描器大致有液晶光栅数字偏转器、 电光棱镜偏转器和光学相控阵光束扫描器。液晶光栅数字偏转器受衍射效率 的影响偏转范围有限，在激光雷达和跟瞄技术领域中的使用受到限制。要实 现较大范围的高精度扫描，电光棱镜扫描器需级联很多的电光晶体，单做一 维的偏转可以实现，但二维的快速高精度扫描制作难度大，不易实现；采用衍 射光学元件实现的光学相控阵光束扫描器则需要大量的移相器，由于相控单元 尺寸很小，生产工艺难度大，成本高，并且难以消除衍射所带来的光学问题; 采用LiT'a03晶片结构设计的电光调制二维相控阵需要将输入光束分成多束光 来实现二维扫描，从而大大削减了扫描光束的能量，不适合远距离的空间扫 描，因此需要新的扫描器件。发明内容为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电光开关阵列数字光扫描器，该 电光开关阵列数字光扫描器具有结构紧凑，光能量利用度高，扫描速度快，集成度 高和空间扫描方式多样等优点。本发明的技术解决方案如下一种高速电光开关阵列数字光扫描器，其特点是由双折射电光晶体平板、电极、 偏振分束器和棱镜阵列组成所述双折射电光晶体平板的光轴方向平行于光的传播 方向，所述的电极加在所述的双折射电光晶体平板的上、下两个表面，构成电光开 关，所述的偏振分束器设置在所述的电光开关之后构成一个近场光扫描单元，多个 近场光扫描单元按照多级的级联方式构成近场光扫描阵列，该多级近场光扫描阵列 的构成规律是第一级近场扫描子系统由一个近场扫描单元构成，形成两个扫描位 置，第二级近场扫描子系统由两个近场扫描单元构成，形成四个扫描位置，第三级 近场扫描子系统由四个近场扫描单元构成，形成八个扫描位置，依次类推，第m级 近场扫描子系统由2『i个近场扫描单元构成，形成y个扫描位置，在该m级近场光 扫描子系统的2"个扫描位置后对应地设置2"个棱镜单元构成的棱镜阵列，m为构成 近场光扫描阵列的级数。所述的双折射电光晶体平板垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。所述的偏振分束器是由下部正方体和上部等腰直角三角棱体一体构成，下部正 方体的对角平分面镀半透半反膜，上部等腰直角三角棱体的上表面镀全反射膜。所述的双折射电光晶体是由磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂或钽酸锂晶体构 成的。所述的棱镜单元由单个棱镜构成，或由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的 组合棱镜构成，该棱镜沿光线行进方向的入射面为平面，出射面为斜面，该棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为<formula>formula see original document page 4</formula>其中纟为入射角，<formula>formula see original document page 4</formula>为棱镜的折射率，"为棱镜的顶、w 〉角，0为偏转角，入射角纟为入射光线和入射面法线之间的夹角，偏转角^为入射光线和出射光线之间的夹角。 本发明的技术效果本发明高速电光开关阵列数字光扫描器将电光开关和偏振分束器组成了可控位置的单级一维数字型的近场光扫描单元，多级近场光扫描单元按照一定的拓扑结构 组成近场光扫描阵列，结合棱镜偏转阵列构成远场光扫描阵列，从而实现远场的二 维空'间扫描。本发明具有扫描速度快、集成度高、光能量利用率高和扫描方式多样 的特点，适用于远距离的自由空间激光扫描。
图1是本发明高速电光开关阵列数字光扫描器的原理示意2是本发明棱镜顶角和入射角，偏转角之间的关系3是本发明高速电光开关阵列数字光扫描器实施例的结构示意4是本发明实施例中单级近场扫描单元的结构示意5是本发明实施例中实现1X8远场扫描的棱镜阵列的结构示意图具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护 范围。本发明高速电光开关阵列数字光扫描器的原理如图1所示，双折射电光晶体平 板1加上电极2构成一个电光开关5， 一个电光开关加上一个偏振分束器3构成一 个单级近场电光扫描单元6，多个近场扫描单元组成多级近场扫描子系统，各级近 场扫描子系统按照一定的拓扑结构形成近场扫描阵列，各级的近场扫描子系统按以 下的规律构成第一级近场扫描子系统由一个近场扫描单元构成，形成形成两个扫 描位置，第二级近场扫描子系统由两个近场扫描单元构成，形成四个扫描位置，第 三级近场扫描子系统由四个近场扫描单元构成，形成八个扫描位置，依次类推，第 m级近场扫描子系统7由2"1—1个近场扫描单元构成，形成2"个扫描位置，可根据实 际需要按照一定的空间结构组成空间近场扫描矩阵，后面加上由2"个棱镜单元构成 的棱镜阵列则组成了远场的空间扫描阵列，为简化结构，棱镜阵列中每个棱镜的入 射面设计为平面，出射面为斜面，其中单个棱镜单元可由单个棱镜构成，也可由 水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，单个棱镜顶角由入射角、偏sin(^_f1) +".Sim;转角和棱镜的折射率确定，其关系式为《=^^&w'smz2 — cos(入射角，/2=arCSinf^)，"为棱镜的折射率，"为棱镜的顶角，^为偏转角，其角度关系如图2所示。当入射角为0时，棱镜顶角和偏转角和棱镜折射率、《 —cos6 乂之间的关系简化为a = 。rctg「 )。本发明高速电光开关阵列数字光扫描器主要用于远距离的空间扫描。本实施例制作一个高速电光开关阵列数字光扫描器，其近场可实现为2X4的位 置扫描，远场实现1X8的位置扫描。本发明高速电光开关阵列数字光扫描器实施例 的结构示意图如图3所示，由三级近场扫描子系统构成2X4的近场光扫描阵列，其 后加相应的棱镜阵列构成远场的空间光扫描器。把双折射电光晶体切成长方体的平 板，切割好的晶体平板沿光线的行进方向为晶体的光轴，在一块双折射电光晶体平 板1的上下两个表面镀上电极2，构成一个电光开关5， 一个电光开关加上一个偏振 分束器构成一个单级的近场扫描单元6， 2个近场扫描单元构成第二级的近场扫描子 系统，4个近场扫描单元构成第三级的扫描子系统，三级近场扫描子系统按图3所 示的空间结构组成近场光扫描阵列，其后加棱镜阵列，最后构成2X4的远场光扫描 器。棱镜阵列由8个棱镜组成。单级近场扫描单元如图4所示，由电光开关5和具 有梯形体结构的偏振分束器3组成，偏振分束器3由正方体的下部和等腰直角三角 棱的上部两部分组成，下部的正方体的角平分面镀半透半反膜，上部的等腰直角三 角棱的反射面镀全反射膜，使图中的入射光束a为线偏振光，电光开关5不加电压 时，光通过晶体后光矢量振动方向不变，光从偏振分束器3直透过去，即不加半波 电压时，图4中的出射光束为b。当对电光晶体加上半波电压后，光通过晶体其振 动方向偏转90度，这样从电光晶体出来的光束再通过偏振分束器3时就被反射，出 射光束变为为c，从而实现单级的一维数字型扫描。在图3的实施例中，入射光束a 的方向为纸面内的水平方向，对于第一级近场扫描子系统，偏振分束器3的直透方 向为纸面内的水平方向，反射光先被下部正方体的角平分面沿垂直纸面朝里方向反 射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿纸面内的水平方向出射；对于第二级近场扫 描子系统，偏振分束器3的直透方向为纸面内的水平方向，反射光先被下部的正方 体的角平分面沿纸面内的垂直方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿纸面内 的水平方向出射；对于第三级近场扫描子系统，偏振分束器3的直透方向为纸面内 的水平方向，反射光先被下部的正方体的角平分面沿纸面内的垂直方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿纸面内的水平方向出射，最后可排成2X4的扫描矩 阵。棱镜阵列4的结构示意图如图5所示，图中单个棱镜的顶角由所需要的扫描角 确定。设使用波长为L55pm，扫描的入射光束口径为3mm，远场扫描要求为每束光 之间的偏转角为0.1度，选择铌酸锂晶体为双折射电光晶体的材料，则设计的双折 射电光晶体平板的尺寸为长X宽X高50mmX5mmX5ram，查得该使用波长的半波电 压为12800V/鹏，由纵横比算得该电光开关的半波电压为1280V，因此设计电光开关 驱动电源的电压在500-2000V可满足使用要求。偏振分束器下部正方体棱镜的尺寸 为长X宽X高二5mmX5鹏X5腿，上部等腰直角三角棱形的尺寸为两直角边长度分 别为5mra，斜边的长度为7.07mm，每个偏振分束器的尺寸一样，只是放置的方向不 同。设计完成的扫描阵列的近场光斑中心间距为5mm，。在棱镜阵列中，材料选用K9 玻璃，折射率为1.52，棱镜单元的直角边尺寸都为5mm，根据扫描要求每个棱镜顶 角不同，放置方式不同，按远场实现1X8的扫描，且每束光之间的偏转角为O. l度 计算，棱镜41的顶角为-0.0962度，棱镜42的顶角为0.0962度，棱镜43的顶角 为-0.2885度，棱镜44的顶角为0.2885度，棱镜45的顶角为-0. 4807度，棱镜46 的顶角为0.4807度，棱镜47的顶角为-0.673度，棱镜48的顶角为0. 673度，如 图5所示。如果远场需要实现2X4的空间扫描，只需用将棱镜阵列中的42、 44、 46、 48 棱镜单元或者41、 43、 45、 47棱镜单元改由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜即可，每个棱镜的顶角为《 = ^^^，其中z;为入射角，Z2=arcSinf^)，"为棱镜的折射率，"为棱镜的顶角，e为偏转角。另外，VW y1改变棱镜单元的组合可实现任意的空间扫描方式，在实际应用中可根据实际需要 加以选择和设计。
权利要求
1、一种高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于是由双折射电光晶体平板(1)、电极(2)、偏振分束器(3)和棱镜阵列(4)组成所述双折射电光晶体平板(1)的光轴方向平行于光的传播方向，所述的电极(2)加在所述的双折射电光晶体平板(1)的上、下两个表面，构成电光开关(5)，所述的偏振分束器(3)设置在所述的电光开关(5)之后构成一个近场光扫描单元(6)，多个近场光扫描单元(6)按照多级的级联方式构成近场光扫描阵列，该多级近场光扫描阵列的构成规律是第一级近场扫描子系统由一个近场扫描单元构成，形成两个扫描位置，第二级近场扫描子系统由两个近场扫描单元构成，形成四个扫描位置，第三级近场扫描子系统由四个近场扫描单元构成，形成八个扫描位置，依次类推，第m级近场扫描子系统由2m-1个近场扫描单元构成，形成2m个扫描位置，在该m级近场光扫描子系统(7)的2m个扫描位置后对应地设置2m个棱镜单元构成的棱镜阵列(4)，m为构成近场光扫描阵列的级数。
2、 根据权利要求1所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的 双折射电光晶体平板(1)垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。
3、 根据权利要求l所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的 偏振分束器(3)是由下部正方体和上部等腰直角三角棱体一体构成，下部正方体的 对角平分面镀半透半反膜，上部等腰直角三角棱体的上表面镀全反射膜。
4、 根据权利要求l所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的 双折射电光晶体是由磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂或钽酸锂晶体构成的。
5、 根据权利要求1所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于 所述的棱镜单元由单个棱镜构成，或由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合 棱镜构成，该棱镜沿光线行进方向的入射面为平面，出射面为斜面，该棱镜 顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为sin((9 —+w.sin/2a 二 arcfg，其中Z,为入射角，4-arcsin ，1，"为w.sin/2 — cos(61-々)棱镜的折射率，"为棱镜的顶角，^为偏转角，入射角纟为入射光线和入射面 法线之间的夹角，偏转角^为入射光线和出射光线之间的夹角。
全文摘要
一种电光开关阵列数字光扫描器，由电光晶体开关，偏振分束器和棱镜阵列构成，其中单个电光开关和单个偏振分束器组成单级近场扫描单元，多级近场扫描单元按照一定的拓扑结构形成近场光扫描阵列，其后加棱镜阵列使光束产生相应的偏转，构成远场光扫描阵列，本发明具有响应快，扫描速度快、空间扫描方式灵活和集成度高的特点，适用于空间激光扫描，激光雷达领域。
文档编号G02F1/29GK101576697SQ200910053208
公开日2009年11月11日 申请日期2009年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者万玲玉, 刘立人, 煜 周, 戴恩文, 职亚楠, 闫爱民 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所