一种距离选通成像的宽视角光学快门的制作方法

本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种电光晶体离轴光线的光程差补偿方法，用于激光雷达的距离选通成像高速快门的视角展宽。

(二)

背景技术：

光学成像对于远距离目标探测具有能够区分颜色和光反射率和分辨率高的优点。但光学成像容易受到光传输介质对光的散射影响，尤其是在雾气和水下环境中。距离选通成像是克服散射光影响的有效光学成像方法，它由高速快门相机和脉冲激光器组成。短脉冲激光从相机的侧面发射到远处目标被反射回来形成光学图像信号，期间相机与目标之间介质的散射光也会一起传播到接收端。由于图像信号光与散射光传播距离的不同引起它们传输时延不同，如果选择快门开启时延和时长刚好能接收到图像信号光反射回波，则在采集到的光学图像中可以滤掉大部分散射光。这种成像方式与雷达(radar，radiodetectionandranging)探测原理相同，故也称为激光雷达或光学雷达(lidar，lightdetectionandranging)，与射频雷达和超声波雷达相比，它的另一个优势是不受周边物体对探测波束衍射影响。

目前纳秒量级的q开关脉冲激光器产品成熟，距离选通成像系统的关键部分是高速快门，其开启/关闭响应时间视检测距离不同，越近要求响应越快，通常在几纳秒到几十纳秒；一般相机拍照的曝光时间在几十毫秒，距离选通成像由于在几纳秒到几十纳秒的短时间曝光，也需要有高灵敏度低噪声的图像传感器件。增强型电荷耦合器件(iccd，intensifiedcharge-coupleddevice)同时具有高速电子快门和高灵敏度的像增强单元，与电荷耦合器件(ccd)集成，为当前距离选通成像普遍采用的成像设备。不过iccd器件虽然满足了高灵敏度的要求，但图像噪声比一般ccd或cmos成像器件大，图像清晰度受到影响；另一方面iccd的成本较高，也限制了它的普及应用。

双折射晶体中光波具有不同折射率的垂直偏振分量分别称为寻常光(o光)和非寻常光(e光)，电光晶体就是o光和e光折射率在外加电压产生的电场作用下能够发生变化的双折射晶体，同时具有o光和e光偏振分量的线偏振光经过电光晶体时，在外加电压控制下可产生所述两个偏振分量的光程差不同，使光穿过后的合成偏振方向发生改变，再通过偏振片检偏将偏振方向的改变转化为光透过率的改变。电光晶体与两侧分别作为起偏器和检偏器的偏振片组合，在外加电压下可控制光的透过和遮挡，一般用于光通信中高速光调制和调q与锁模的脉冲激光器，其中调q激光器的q开关也称为普克尔盒。由于它们能作为高速光阀控制准直光的透明与不透明，故也可将这种电光晶体与两侧起偏器/检偏器的组合装置，作为距离选通成像的光学快门，可以达到如上所述纳秒量级的响应速度要求。在透明与不透明两种状态下的透过光强之比被定义为消光比，对于准直光的控制所述电光晶体光学模块可以达到1000:1以上的消光比。在实用新型《一种高速快门装置(cn202948221u)》中，发明人提出采用该电光晶体/偏振片组合作为高速成像快门，但与平行的准直激光束不同，在光学成像中目标反射光来自不同角度的方向，当光线偏离轴向平行方向一个小角度(一般超过1°)时消光比降低，失去了对光的透过与遮挡控制。所以该组合用于成像的主要不足是视角狭窄，难以达到一般的成像要求。

(三)

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题并提出一种新的改进技术。

本发明提出一种宽视角的光学快门装置，用于激光距离选通成像，由电光晶体、偏振片和双折射晶体组成，所述装置按偏振片(起偏器)、电光晶体、双折射晶体、偏振片(检偏器)的顺序排列，其中所述电光晶体与双折射晶体的排列顺序可以互换，所述双折射晶体用于补偿因入射光离轴角度不同造成光偏振分量的光程差不同，从而在更大入射光离轴角度范围，允许出射光的偏振分量光程差和偏振状态相近，使所述检偏器能够有效地控制光的透过与遮挡。

所述电光晶体对入射光偏振方向的改变由o光和e光折射率差异所产生的光程差决定。不同角度入射的光波具有不同的折射率和o-e光程差，对偏离轴向角度稍大的光波偏振状态改变量也就不同，在检偏时就难以做到一致的消光。倾斜入射角度的光波在电光晶体的折射率，可根据双折射晶体以o光、e光偏振矢量方向为长短轴的折射率椭球规律计算得出。设所述电光晶体的光轴为z轴，以下光线通过的中心轴均为z轴，与它垂直的另外两个感应轴为x、y轴，入射一侧偏振片的起偏方向与x、y轴成45°角，光线的方向可用它在y-z轴和x-z轴构成主平面上的投影向量与z轴夹角α和β表示，偏振方向沿x、y、z轴的折射率分别为nx、ny、nz，光波的振荡可分解为与光传播方向垂直平面上的x'和y'轴偏振分量，且x'和y'轴也分别在y-z和x-z主平面内，即x'和y'轴为所述垂直于光线的平面与所述两个主平面的交线。根据折射率椭球方程可以计算得出x'和y'轴的偏振分量折射率分别为：

如果z0为晶体厚度，就可以得出两偏振分量的光程差，并由此得出相位差；

沿x、y轴偏振分量的光强为ix、iy(由于45°角起偏方向，ix＝iy＝ixy)，两个偏振分量透过电光晶体时再次干涉叠加，通过偏振片检偏时的透过光强可表示为：

当所述两个偏振片的检偏与起偏方向平行和垂直时上式最后一项之前分别取加、减号。距离选通成像一般情况下物距远大于镜头光阑孔径和所述电光晶体横截面尺寸，对应相同α和β角度一定方向的所有平行光线经透镜到达成像焦平面后都会聚到一个像素点。由于x、y、z轴的o光、e光折射率不同，光线偏离z轴通常在1°角左右时，经过检偏器的透过率就与平行z轴的光线不一致，造成对平行z轴方向的控制状态为透明(明态)与不透明(暗态)时，对其它方向的光线控制状态是相反或部分透明的中间状态，也就会造成消光比的降低，导致所述电光晶体快门装置狭窄的视角。

由方程式(1)-(4)计算得出一个电光晶体与偏振片常规组合经成像会聚后的暗态/明态透过率典型分布，对电光晶体的控制电压改变一个半波电压就可实现暗态图1与明态图2的转换。黑色填充区域的光透过率低于1％，栅格线填充区域表示透过率为1％～10％之间，白色为透过率10％以上的区域。控制改变一个半波电压前后的透过率分布基本是互补的，即同一个空间位置在暗态与明态的透过率之和为1。故暗态透过率低于10％的位置在明态透过率就高于90％，而低于1％的中心区域在明态则高于99％，也就是消光比基本上在100:1以上，因此只需要考查透过率在明态足够高或暗态足够低的区域，以下将以暗态透过率低于1％的中心区域为光学快门有效控制范围。

一般尺寸的电光晶体暗态透过率低于1％的中心区域范围较小，随着电光晶体尺寸横纵比约0.45次方而缓慢增加，最大半宽视角可达到2°，但半波电压则成一次方正比增加到几kv，要产生高速脉冲控制保证快门速度就比较困难。因此依靠增加电光晶体横纵尺寸比来增宽视角受到控制电压的限制。

对于电光晶体和双折射晶体来说，e光折射率大于或小于o光折射率的分别称为正性、负性晶体。如果在所述电光晶体前端或后端放置一个双折射晶体，其e光感应轴沿y轴，则x、z轴方向为o光感应轴。选择其合适的晶体正负性，可以使得离轴光线x-y偏振分量的光程差向着与通过电光晶体相反的大小方向变化，也就是缩小离轴光线与平行z轴光线之间x-y偏振分量光程差的不同，在更大离轴角度范围保持偏振状态和检偏透过率相近，所述光学快门装置则可在更宽视角范围的达到高消光比，因此所述双折射晶体对角度偏离引起的光程差或光波相位起到补偿的作用。

由方程式(1)-(4)计算所述双折射晶体的厚度逐渐增加时的光透过率分布，图1所示的偏振干涉条纹由向外的弯曲度逐渐减小，决定视角的暗态中心黑暗区域也变大，不过当e光感应轴沿着y方向时主要是沿着x方向变化变大，如果双折射晶体的厚度增大偏振干涉条纹由向外弯曲转变为向内弯曲，为类似椭圆或环形跑道的形状，中心暗区反而变小。将所述双折射晶体的厚度调节到合适的值，干涉条纹可接近于一条直线，如图4所示，如果所述双折射晶体的e光感应轴沿y方向，则在x方向形成多条狭长的暗区。利用中心的不透明暗区在半波电压控制下转变为明态的透明亮区，就可以实现在x方向宽视角的光学快门，再在y方向利用脉冲激光线状光束照明进行一维扫描多次成像(一般需要机械扫描)，将数据组合为一幅完整二维图像。

以上只考虑了所述光学快门视角受到干涉条纹暗区大小的影响，x方向最大视角同时还受电光晶体横向厚度d和纵向长度l的限制，如果沿x方向电光晶体的折射率为nx(nx＝ne或no，视e光还是o光感应轴平行于x轴而定)，最大半宽视角为：

所以也要选择足够大的电光晶体横纵尺寸比，与相位补偿后增宽的视角相匹配。如果将两片相位补偿双折射晶体的e光感应轴分别沿x方向和y方向垂直放置，则可能在x、y轴两个方向增大视角。经方程式(1)-(4)模拟计算得出，也需要将所述两片双折射晶体厚度分别调节到合适的厚度，才能最大限度地增加所述快门装置的视角，如图5本发明同时在x、y两个正交方向进行所述相位补偿后的暗态干涉图样，图6是从暗态控制电压下经一个电压微调(0.05倍半波电压)后的变化，且随控制电压的变化连续地向外伸展或向内收缩，这种变化进一步的应用将在实施例中陈述。同样是暗态的中心不透明区域，图5与图1无相位补偿的情况比较，x、y轴方向的视角都得到了增加。

(四)附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为偏振片(起偏)+电光晶体+偏振片(检偏)常规组合的快门装置，在相差半波电压的控制下，对非准直光会聚到成像焦平面的暗态透过率分布，黑色与密、疏栅格线条以及白色填充区域表示透过率低于1％、1％-10％之间、10％以上到90％、大于90％的位置区域。

图2为偏振片(起偏)+电光晶体+偏振片(检偏)常规组合的快门装置，在相差半波电压的控制下，对非准直光会聚到成像焦平面的明态透过率分布，黑色与密、疏栅格线条以及白色填充区域表示透过率低于1％、1％-10％之间、10％以上到90％、大于90％的位置区域。

图3为本发明的光学快门装置，由偏振片(起偏)+电光晶体|双折射晶体(相位补偿)+偏振片(检偏)组成，以及在激光距离选通成像的应用场景，其中电光晶体和相位补偿双折射晶体位置先后顺序可互换。

图4为图3本发明光学快门装置中相位补偿晶体在设定的厚度时，计算模拟所得出透过率分布形成的偏振光水平直线干涉条纹，黑色缝隙和白色部分为透过率分别低于1％和1％以上的区域。

图5为本发明设计e光感应轴正交的两片双折射晶体，对电光晶体相位补偿后的暗态透过率分布和虚线方框表示的成像可用视区范围。

图6为本发明设计e光感应轴正交的两片双折射晶体，在电光晶体电压作0.05倍半波电压微调后，图6暗区向外的滚动变化及由此再次曝光、并将其暗区像素与图5曝光区域组合所形成的扩展矩形视区。

图7为平面楔形透镜为对单个物点反射光线偏折后形成正面虚像保持点状反射源的示意图。

图8为本发明进行一维成像扫描的曲面楔形透镜对单个物点反射光线偏折后形成正面虚像保持点状反射源的示意图。

(五)具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

实施例1：

本发明光学快门装置中使用激光波长为532nm，采用基于铌酸锂晶体的电光调制器，横向厚度为2mm、纵向长度为40mm，铌酸锂为负性晶体(ne＝2.234，no＝2.323@532nm)，如果它的e光感应轴与通光方向垂直为y轴，光线沿o光感应方向z轴传播，可用正性单轴双折射晶体钒酸钇(ne＝2.2508，no＝2.0177)进行相位补偿，其e光感应轴平行于晶片表面也需与x或y轴重合，才能使光波的偏振分量在所述电光晶体和所述钒酸钇晶体的感应轴上振荡；否则如果所述钒酸钇晶体的e光感应轴沿z轴方向，它作为单轴晶体的o光感应主平面内为各向同性，在x、y方向上不能形成独立的偏振分量，则无法补偿这两个偏振分量的光程差。

经过计算得出钒酸钇晶体厚度为10.16mm时，本发明光学快门装置在暗态的透过率分布为图4所示，会聚在成像面上的干涉条纹接近于一条直线。在x方向视角宽度达到2×23°，虽然视区范围为一维水平狭缝，可用于车辆前方的障碍物探测雷达，将脉冲激光进行一维扩束而打出去的“一”字形激光束配合，可实现非扫描远距离的障碍物快速探测。

实施例2：

如实施例1所述的狭缝状快门，设沿x轴一维方向为宽视角，通过沿其窄视角方向y轴扫描多次曝光成像可组合成一幅二维图像。上述电光调制器的晶体边界由于其横纵尺寸比例较小也形成了对视角的限制，但偏光一致干涉消光范围的主要瓶颈问题已经在一维方向得以解决，只需采用电光晶体横纵尺寸比例较大的q开关普克尔盒，则可避免或减少晶体侧面边界对视角的限制。

沿y轴的一维扫描成像可在成像镜头之前增加一楔形柱面透镜偏转成像方向，将成像目标在y轴方向偏离的部分逐个偏折到正面成像，以避免电光晶体和整个成像系统作机械运动。如果楔形透镜与底面的斜角不同，则可沿y轴对准不同方位角成像。将这些斜角连续变化的楔形透镜制作或安装在一个转盘上，在步进电机驱动下依次置换到镜头之前，则可完成连续的扫描成像。不过简单斜平面的楔形透镜偏转某一物点射出的光线后，其反向延长线不再相交于一个点，如图7所示，这样经过镜头就会存在严重的像散。对楔形透镜的斜面作一个多项式曲面的微校正，如图8所示，基本上可将其偏折光线的反向延长线会聚在一点，也就是所述物点的虚像，源自该点发出的射线为y轴方向上的近轴光线。

实施例3：

采用e光感应轴分别沿x、y方向的2片相位补偿晶体的情况下，图5中暗态不透明中心区域为不规则形状。为得到一个与数字图像格式相适应的矩形视场，可以分别利用图5所示的两个矩形方框内的区域作为视区范围，一个是水平方向的长方形，对应水平/竖直方向全宽视角分别为27.5°×4.3°，适合于探测低空飞行目标的激光雷达；另一个为旋转45度角的正方形区域，对应11°×11°的视角范围。

如果需要更大的视角，则可在长方形区域水平宽视角的基础上扩展竖直方向上的视角。在对图5所示的中心暗区经第一次曝光成像后，调节所述电光晶体的控制电压使暗区逐渐向外移动，中心开始漏光而不再是暗区，如图6所示。再次曝光成像取外移的暗区局部去除漏光中心部分的像素数据，拼补到第一次成像暗区边缘相邻的对应行列像素位置。如此恰当调节所述电光晶体控制电平的高低，使每次向外移动的暗区前后接邻，开启快门的半波电压脉冲叠加在该电平上，进行3～4次曝光可拼接成更宽视角的矩形框内图像。

以上过程相当于由内向外的扫描成像，借助电光晶体的干涉条纹随外加控制电压变化的连续滚动实现，无需机械扫描可快速完成一帧图像的采集。在一个扫描周期内，每一次曝光的控制高压脉冲高低电平作一个小阶梯上升或下降(幅度大约为半波电压的5％左右)，就可以控制暗区逐渐由中心向外滚动，亦可反顺序由外向内滚动曝光。

实施例4：

如果所述电光晶体的e光感应轴沿通光方向z轴而不是以上实施例所述的y方向，或其它电光晶体沿z轴的折射率低于x、y轴折射率，则需要采用与钒酸钇相反的负性双折射晶体(ne-no<0)进行相位补偿，典型的有碳酸钙晶体(方解石、又称冰洲石晶体，折射率ne＝1.486，no＝1.658)，具有较大的折射率差因而也可设计成薄片，其e光感应轴仍平行于晶体表面。综合实施例1所述方法，选择相位补偿双折射晶体的正负性，就是按照使它与电光晶体沿z轴的折射率与x、y轴折射率之差的正负性相反，即按照它们沿通光方向的快慢轴倒置的原则来选择所述补偿晶体的正负性。所谓快慢轴是指，折射率沿某个感应轴较大光传播速率较低则为慢轴、较小为快轴。

实施例5：

上述实施例中使用的钒酸钇和碳酸钙双折射晶体用于相位补偿，它们的ne-no折射率相差较大，所需要的厚度为几个毫米可以比较小。也可采用其它相应正负性的双折射晶体，一般ne-no的折射率差绝对值较小的需要的厚度也相应较大。不过可以组合使用，大折射率差要求的厚度加工精度很高，允许偏差大约为5μm，如果适当以小折射率差的双折射晶体与高折射率差晶体组合，如氟化镁晶体与钒酸钇晶体组合，则对加工厚度误差允许范围可达到0.02mm满足一般加工工艺水平，同时保持较小的晶片厚度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案、细节进行了进一步的详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受上述公开的具体实施例的限制，凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的任何修改、等效替换、改进等，都应当包含在本发明的保护范围之内。