一维温度场调制方法与流程

本发明涉及一种一维温度场调制方法，特别是采用一维相位控制加热器阵列(Phased Heated Array)进行一维温度场调制的方法。

背景技术：

目前光扫描器被广泛应用于需要将光束通过光学元件的快速偏转而形成一维，二维或三维图形等场合，例如条码扫描，光学扫描显微镜，激光投影电视等。通常的大尺寸光扫描器根据核心光学偏转部件的不同，可分为电磁式机械偏转(例如检流计Galvanometer)，多面体棱镜机械偏转，电光偏转，声光偏转等；对于微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)的微型光扫描器根据微驱动器的驱动原理的不同，可分为电热式，电磁式，静电式等。对于目前最小的MEMS微型光扫描器，其芯片(Die)尺寸也在数毫米见方，厚度可低于1毫米。此外仍然存在工艺复杂，加工成本高等问题。

热光效应，指的是光学介质的折射率随着温度变化而发生变化的物理效应，是光学材料的一种光学性质。在给定的温度场中，晶体、半导体材料、玻璃以及其他应用在不同光器件和系统中的光学材料，其折射率不是一个恒定的参数。在一定的压强下，材料的折射率随温度的变化量称之为热光系数。它被定义为dn/dT，n和T分别是材料的折射率和温度，单位是每摄氏度或者每开尔文。对于有机聚合物来说，温度变化引起的材料折射率变化主要由材料密度变化决定，其热光系数在10^-4量级，相对于硅等无机材料较高。

为了将热光效应用于光束偏转和扫描，需要在光学材料内精确建立变化的梯度温度场。通常可以采用在光偏转材料两侧安装面状加热器和面状制冷器(可选)的方案：面状加热器工作在变化功率状态，用于产生变化的梯度温度场，该梯度温度场的等温面与面状加热器平行；面状制冷器工作在恒定功率状态，用于建立一个接近于恒定的冷端。光束偏转的角度与梯度温度场的冷端和热端的温差成正比。对于这种方案，由于入射光线需要与梯度温度场的等温面有一定的夹角，光偏转材料的外形无论为长方体或平行六面体，则入射光线均需要倾斜入射。光路倾斜对于将这种器件集成于微光学系统非常不利。

因此，为了在长方体这样的规则外型下实现入射光轴与长方体的边平行，需要将梯度温度场的等温面与加热器平面具有一定的夹角，从而实现光束偏转。这是传统的面状加热器无法实现的。本发明提出一种一维温度场调制方法，特别是采用一维相位控制加热器阵列进行一维温度场调制的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种一维温度场调制方法，特别是采用一维相位控制加热器阵列进行一维温度场调制的方法，能够使梯度温度场的等温面与一维相位控制加热器阵列平面产生一定的夹角，从而实现光束偏转和扫描。

为实现上述目的，本发明采用技术方案是：它包括以下步骤：

1)计算出一维相位控制加热器阵列中相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差，所述的驱动信号相位差是根据梯度温度场的等温面与加热器阵列平面之间的夹角、加热器的数目和电阻值、光偏转材料的导热系数等参数计算出的，所述的一维相位控制加热器阵列是由多个加热单元沿一维方向排列而成；

2)将步骤1)得到的驱动信号相位差输入控制电路产生相邻两路信号之间具有特定相位差的多路驱动信号，所述的控制电路用于产生能够驱动一维相位控制加热器阵列的多路驱动信号；

3)将步骤2)得到的多路驱动信号传输至一维相位控制加热器阵列中对应的加热单元以在光偏转材料中产生倾斜的梯度温度场，从而使固态光扫描器件实现光束偏转和扫描；

所述的固态光扫描器件，包括光偏转材料、一维相位控制加热器阵列和控制电路；光偏转材料的一个输入端与外部光源相连；光偏转材料的另一个输入端与一维相位控制加热器阵列的输出端相连；光偏转材料的输出端与外部扫描目标相连；一维相位控制加热器阵列的输入端与控制电路的输出端相连；控制电路的输入端与外部端口相连；

所述的光偏转材料为具有高热光系数，低导热系数，高耐热温度的匀质材料，可以为但不限于各种高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，SU8等；

所述的光偏转材料的外形为长方体，它的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，它的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，与一维相位控制加热器阵列紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数；

所述的一维相位控制加热器阵列有由多个加热单元沿一维方向排列而成，每个加热单元为电阻式或基于帕尔贴(Peltier)效应的半导体式加热器；

所述的控制电路用于产生能够驱动一维相位控制加热器阵列的多路驱动信号，具有足够高的电压和足够大的电流，已属于现有技术，故本发明在此不再累述。

本发明的工作原理是这样的：光偏转材料的外形为长方体，长方体的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，长方体的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，与一维相位控制加热器阵列紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数；一维相位控制加热器阵列有由多个加热单元沿一维方向排列而成，每个加热单元为电阻式或基于帕尔贴效应的半导体式加热器；光偏转材料为具有高热光系数且高耐热温度的匀质材料，可以为各种高分子聚合物；下面以聚甲基丙稀酸甲酯为例，热光系数为-1.44x10^-4K^-1，导热系数为0.17W/(m·K)，在832nm波长下折射率约为1.5025@20℃，1.3581@12℃，最高温度为120℃；冷端温度设为20℃；一维相位控制加热器阵列使热端温度在约20℃至120℃之间波动，温差为100℃；在入射光束与梯度温度

场的等温面的夹角为70度时，可以计算出最大光学偏转角度为70-arcsin(sin70度*1.3581/1.5025)＝11.86度，光束向加热器一侧的热端偏转；由于光束在渐变梯度温度场里连续偏转，因此会在光偏转材料的输出端叠加一个侧向位移；根据梯度温度场的等温面与加热器阵列平面之间的夹角、加热单元的数目和电阻值、光偏转材料的导热系数等参数计算出一维相位控制加热器阵列中相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差，以锯齿波驱动信号为例，对于20个加热单元组成的一维相位控制加热器阵列，相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差为360度/20＝18度；将计算得到的驱动信号相位差输入控制电路产生相邻两堵信号之间具有特定相位差的多路驱动信号，最后将多路驱动信号传输至一维相位控制加热器阵列中对应的加热单元。得到相位小的驱动信号的加热单元先工作，温度高；得到相位大的驱动信号的加热单元后工作，温度低，因此可以在光偏转材料中产生倾斜的梯度温度场，从而使固态光扫描器件实现光束偏转和扫描。

本发明由于采用了上述技术方案，具有如下优点：

1、基于热光效应，具有体积小，功耗低，工艺简单，成本低，寿命长等优点；

2、采用相控阵技术，外形规则，便于与微光学系统集成。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为一维相位控制加热器阵列的示意图；

图4为本发明的一维级联示意图；

图5为本发明的二维级联示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图1和图2所示，它包括以下步骤：

1)计算出一维相位控制加热器阵列中相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差，所述的驱动信号相位差是根据梯度温度场的等温面与加热器阵列平面之间的夹角、加热器的数目和电阻值、光偏转材料的导热系数等参数计算出的，所述的一维相位控制加热器阵列是由多个加热单元沿一维方向排列而成；

2)将步骤1)得到的驱动信号相位差输入控制电路产生相邻两路信号之间具有特定相位差的多路驱动信号，所述的控制电路用于产生能够驱动一维相位控制加热器阵列的多路驱动信号；

3)将步骤2)得到的多路驱动信号传输至一维相位控制加热器阵列中对应的加热单元以在光偏转材料中产生倾斜的梯度温度场，从而使固态光扫描器件实现光束偏转和扫描；

所述的固态光扫描器件，包括光偏转材料1、一维相位控制加热器阵列2和控制电路3；光偏转材料1的一个输入端与外部光源相连；光偏转材料1的另一个输入端与一维相位控制加热器阵列2的输出端相连；光偏转材料1的输出端与外部扫描目标相连；一维相位控制加热器阵列2的输入端与控制电路3的输出端相连；控制电路3的输入端与外部端口相连；

所述的光偏转材料1为具有高热光系数，低导热系数，高耐热温度的匀质材料，可以为但不限于各种高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯，聚碳酸酯，SU8等；

所述的光偏转材料1的外形为长方体，它的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，它的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，与一维相位控制加热器阵列2紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数；

所述的一维相位控制加热器阵列2有由多个加热单元沿一维方向排列而成，每个加热单元为电阻式或基于帕尔贴效应的半导体式加热器；

所述的控制电路3用于产生能够驱动一维相位控制加热器阵列2的多路驱动信号，具有足够高的电压和足够大的电流，已属于现有技术，故本发明在此不再累述；

本发明的工作原理是这样的：光偏转材料1的外形为长方体，长方体的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，长方体的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，与一维相位控制加热器阵列2紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数；一维相位控制加热器阵列2有由多个加热单元沿一维方向排列而成，每个加热单元为电阻式或基于帕尔贴效应的半导体式加热器；光偏转材料1为具有高热光系数且高耐热温度的匀质材料，可以为各种高分子聚合物；下面以聚甲基丙稀酸甲酯为例，热光系数为-1.44x10^-4K^-1，导热系数为0.17W/(m·K)，在832nm波长下折射率约为1.5025@20℃，1.3581@12℃，最高温度为120℃；冷端温度设为20℃；一维相位控制加热器阵列使热端温度在约20℃至120℃之间波动，温差为100℃；在入射光束与梯度温度场的等温面的夹角为70度时，可以计算出最大光学偏转角度为70-arcsin(sin70度*1.3581/1.5025)＝11.86度，光束向加热器一侧的热端偏转；由于光束在渐变梯度温度场里连续偏转，因此会在光偏转材料1的输出端叠加一个侧向位移；根据梯度温度场的等温面与加热器阵列平面之间的夹角、加热单元的数目和电阻值、光偏转材料1的导热系数等参数计算出一维相位控制加热器阵列2中相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差，以锯齿波驱动信号为例，对于20个加热单元组成的一维相位控制加热器阵列2，相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差为360度/20＝18度；将计算得到的驱动信号相位差输入控制电路3产生相邻两堵信号之间具有特定相位差的多路驱动信号，最后将多路驱动信号传输至一维相位控制加热器阵列2中对应的加热单元。得到相位小的驱动信号的加热单元先工作，温度高；得到相位大的驱动信号的加热单元后工作，温度低，因此可以在光偏转材料1中产生倾斜的梯度温度场，从而使固态光扫描器件实现光束偏转和扫描。

一维相位控制加热器阵列2的实施例，如图3所示，可以为但不限于本实施例：一维相位控制加热器阵列2采用四层柔性印刷电路板实现，包含四个加热单元；每个加热单元由两个导电部分和一个发热部分组成，其中导电部分的横截面积远远大于发热部分的横截面积，使导电部分内的电流密度远远低于发热部分内的电流密度，使大部分驱动信号的功率转变为发热部分的热量。由于相邻两个发热单元的驱动信号存在一定的相位差，根据惠更斯原理，每个发热单元相当于一个小波源，多个具有相位差的小波源的波前组成的等温面是倾斜的。

可以通过多个本发明的级联实现扫描角度的扩大或二维扫描的扩展；以下为一维级联的实施例：如图4所示，它包括两组本发明，两组本发明沿入射光轴同向相连，使入射光在两组本发明的偏转均处于同一平面，使光束偏转角度达到两倍。

以下为二维级联的实施例：如图5所示，它包括两组本发明，两组本发明沿入射光轴旋转90度相连，使入射光在两组本发明的偏转平面相差90度，形成X-Y二维扫描。