专利名称：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
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f\、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= 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= 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；步骤四光束偏转时，计算所需的第一偏转相位图、第二偏转相位图和第三偏转相 位图分别送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 镜或液晶透镜阵列中，第一偏转相位图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；第二偏转相位图和第三偏转相位图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为正透镜，产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列的第一液晶光学相控阵的相位图不变，第二液 晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵的相位图同方向偏离原始中心同步改变，第二液晶透 镜或液晶透镜阵列和第三液晶透镜或液晶透镜阵列的偏心量满足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为负透镜，产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列的第一液晶光学相控阵的相位图不变，第二液 晶光学相控阵和第三液晶光学相控阵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和第三液晶透镜或液晶透镜阵列的偏心量满足关系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。本发明是通过液晶光学相控阵产生偏心液晶透镜或液晶透镜阵列组成的光束扫 描装置来实现大角度无机械惯量可编程控制光束偏转。本发明采用液晶光学相控阵实现无 机械惯量、可编程控制的大角度光束偏转技术，该项技术发明根据液晶光学相控阵的特性 形成偏心液晶透镜或液晶透镜阵列实现大角度光束偏转，通过编程控制各个液晶光学相控 阵的相位分布产生光束偏转所需要的偏心量，以实现期望的光束指向。
本发明的优点是1、采用该方法继承了传统宏观三透镜扫描机构的大角度光束偏转扫描特性，使液 晶光学相控阵可以实现大角度光束偏转扫描，推进了液晶光学相控阵在激光雷达等对大角 度扫描场合的的应用。2、采用该方法继承了液晶光学相控阵光束偏转扫描的无机械惯量和随机可编程 控制的特性，大大减轻了扫描装置的体积、重量和功耗。3、该方法也为大角度光束扫描光学相控阵的设计提供了技术方案的参考。
图1至图8为三个液晶光学相控阵通过相位调制形成的三个液晶透镜或液晶透镜 阵列的示意图，其中，图1为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为正透镜时形成的三个液晶 透镜的侧向示意图，图2为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为正透镜时形成的三个液晶透 镜的轴向示意图，图3为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为负透镜时形成的三层液晶透镜 的侧向示意图，图4为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为负透镜时形成的三层液晶透镜的 轴向示意图，图5为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为正透镜阵列时形成的三个液晶透镜 阵列的侧向示意图，图6为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为正透镜阵列时形成的三个液 晶透镜阵列的轴向示意图，图7为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为负透镜阵列时形成 的三层液晶透镜阵列的侧向示意图，图8为第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为负透镜阵 列时形成的三层液晶透镜阵列的轴向示意图；图9和图10为三个液晶光学相控阵通过相 位调制方式形成的三个液晶透镜或液晶透镜阵列没有偏转扫描情况下的示意图，其中，图9 为第二液晶光学相控阵21产生的第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为正透镜情况，e为共 焦平面，图10为第二液晶光学相控阵21产生的第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为负透镜 情况；图11和图12为第二液晶光学相控阵21产生的第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为 正透镜情况下，三个液晶光学相控阵形成的三个液晶透镜或液晶透镜阵列焦距满足= f2 =f3，正在进行光束扫描时候的示意图，其中，图11为液晶光学相控阵产生单个液晶透镜情 况，图12为液晶光学相控阵产生液晶透镜阵列情况；图13和图14为第二液晶光学相控阵 21产生的第二液晶透镜或液晶透镜阵列22为负透镜情况下，三个液晶光学相控阵形成的 三个液晶透镜或液晶透镜阵列焦距满足4f2 = f1 = f3，正在进行光束扫描时候的示意图，其 中，13为液晶光学相控阵产生单个液晶透镜情况，图14为液晶光学相控阵产生液晶透镜阵 列情况；图15为M*N个相移单元分辨率、相移单元尺寸为dx*dy平方微米的液晶光学相控 阵的结构示意图；图16为在液晶光学相控阵上形成一个预期焦距的透镜或透镜阵列的相 位图，从而模拟出透镜或透镜阵列相位图的示意图，其中g为预期焦距的透镜或透镜阵列 的相位图，h为模拟出透镜或透镜阵列相位图的示意图；图17为偏心量i示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图说明本实施方式，本实施方式是基于液晶光学相控阵实 现大角度光束偏转装置，它采用三个有效口径相同、相移单元的像素尺寸相同、填充系数相 同的液晶光学相控阵分别产生三个相应液晶透镜或液晶透镜阵列，即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f\、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；其中，第一液晶透镜或液晶透镜阵列12，用于收集光束聚焦作用；第二液晶透镜或液晶透镜阵列22，用于场镜作用，减少光束泄漏；第一液晶透镜或液晶透镜阵列12的焦距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= 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 = = 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。
具体实施方式
二 结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点 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、相移单元尺寸为dx*dy平方微米的液晶光学相控阵。其它组成和连接方 式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图说明本实施方式，本实施方式的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= 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 = = 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，第一相偏转位图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；第二相偏转位图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Δ 2 =Δ 3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 = 2八2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。
具体实施方式
四结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点 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
权利要求
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02)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f\、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(1 的焦距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(1 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0 为正透镜或负透镜；当第二液晶透镜或液晶透镜阵列0 为正透镜，则满足= f2 = f3，其中第一液晶 透镜或液晶透镜阵列(1 和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(3 共焦，第二液晶透镜或液 晶透镜阵列02)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02)为负透镜，则满足4f2 = = f3，其中第一液晶 透镜或液晶透镜阵列(1 和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(3 相隔一倍焦距放置，第二 液晶透镜或液晶透镜阵列0 位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列(1 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(3 的第一液晶光学相控阵(11)、第二液晶光学相 控阵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(3 的三个初始相位图，即第一初始相位图(10)、第 二初始相位图00)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0 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0 为正透镜，则满足= f2 = f3，其中第一液晶 透镜或液晶透镜阵列(1 和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(3 共焦，第二液晶透镜或液 晶透镜阵列02)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02)为负透镜，则满足4f2 = = f3，其中第一液晶 透镜或液晶透镜阵列(1 和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(3 相隔一倍焦距放置，第二 液晶透镜或液晶透镜阵列0 位于第一液晶透镜或液晶透镜阵列(1 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)、第二偏转相位图和第三 偏转相位图(3 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02)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02)为正透镜，产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列(1 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0 和第三液晶透镜或液晶透镜阵列(3 的偏心量 满足Δ2= Δ 3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02)为负透镜，产生第一液晶透镜或液晶透镜阵列(1 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0 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(3 的透镜相位光栅相位函数表示为^3(X5J) = --^{[Χ-Δ3 (Χ)]2+[J-A3 (J)]2}+C丄J2π其中夕f为透镜的焦距，C为常数；第三液晶透镜或液晶透镜阵列(3 的偏心量/I的表达式为Δ3(χ,υ) = (Δ3(χ), Δ3(γ)) = (χ · dx, y · dy)0 ^ χ ^ Μ/2,0 ^ y ^ Ν/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；dx，dy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0 的透镜相位光栅相位函数表示为
全文摘要
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，本发明属于液晶光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域，它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。本发明是通过液晶光学相控阵产生偏心液晶透镜或液晶透镜阵列组成的光束扫描装置来实现大角度无机械惯量可编程控制光束偏转。本发明采用液晶光学相控阵实现无机械惯量、可编程控制的大角度光束偏转技术，该项技术发明根据液晶光学相控阵的特性形成偏心液晶透镜或液晶透镜阵列实现大角度光束偏转，通过编程控制各个液晶光学相控阵的相位分布产生光束偏转所需要的偏心量，以实现期望的光束指向。
文档编号G02F1/133GK102122096SQ20101059825
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者刘翔, 吴丽莹, 张建, 王东, 王磊, 甘雨 申请人:哈尔滨工业大学