[发明专利]一种新型二维光束偏转方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型纯电控二维光束偏转方法及装置，适用于二维空间内光束准连续偏转控制，尤其适用于在小角度范围内光束的高精度偏转控制，可广泛应用于激光雷达、激光通信、光存储等领域。

背景技术

传统的光束偏转技术都是基于机械装置(如万向节等)通过改变光轴方向来实现光束偏转，其结构复杂、精度低、能耗高，连续偏转时需要克服惯性的影响，性能受到很大程度的制约。1996年，Paul F.McManamon提出了一种全新的光束偏转控制方法——光学相控阵，理论上可以很好的解决传统光束偏转技术所面临的问题。该方法通过相位调制器件在光束波前施加一个倾斜相差来实现光束偏转。为减小相位调制器件需要实现的最大相位差，利用光波的正弦特性，即相位加减2π的整数倍不会改变光场的远场分布，将斜线型倾斜相差通过2π相位回卷法等效为一个锯齿形闪耀光栅。根据此原理，光束偏转角由光栅方程sin(θ₀)＝λ₀/Λ决定，其中θ₀为光束偏转角，λ₀为工作波长，Λ为光栅周期。该方法核心器件即为目前通用的相位型液晶空间光调制器，通过控制液晶空间光调制器离散电极上的电压分布来实现对入射光束的相位调制，通过构造不同周期的闪耀光栅实现不同的偏转角。光栅方程可以改写为sin(θ₀)＝λ₀/(Nd)，其中N为一个光栅周期内的离散电极数，d为离散电极有效尺寸。对于一个给定的液晶空间调制器，电极有效尺寸d为一个常数，因此，光束偏转角直接决定于单个周期内的离散电极数N。利用此原理，常规方法通过改变单个周期内的电极数来实现不同的偏转角，每一个可以取到的周期值对应一个特定的光束偏转角。但是，由于电极数N只能取离散的整数，因此，上述方法只能获得一系列离散且分布不均匀的光束偏转角，在视场内存在很多扫描盲点，偏转角度越大，可实现的偏转角度间隔越大。自该技术被提出至今，国内外学者开展了广泛的研究，主要集中在光束偏转效率、光束偏转精度、液晶材料响应时间等几个方面，均取得了较大进展，但是液晶空间光调制器实现的光束偏转角离散且不均匀的问题仍然未得到有效解决，同时，绝大部分研究都是基于一维光束偏转，尚没有实用的、基于单片液晶空间光调制器的二维光束偏转方法见于报道。

发明内容

为了解决现有技术光束偏转角离散且不均匀的问题(如图3所示)，本发明提供了一种基于单片液晶空间光调制器实现光束准连续偏转控制的方法及装置，并且，该方法及装置可以实现二维范围内的角度偏转，填补了目前基于单片液晶空间光调制器在二维光束偏转领域的空白。本发明利用单片液晶空间光调制器，利用一种新型驱动原理，能够方便实现二维范围内光束准连续偏转控制，实现的光束偏转操作方便，精度高，角度分布均匀且准连续(如图5所示)。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种新型二维光束偏转装置，包括起偏器1，液晶空间光调制器2，透镜3、图像传感器4，计算机5，其中起偏器1位于液晶空间光调制器2之前用于产生偏振平行于液晶分子长轴的入射光，透镜3位于液晶空间光调制器2之后，用于获得远场光斑，图像传感器4位于透镜3之后用于采集光斑信息，液晶空间光调制器2、图像传感器4分别与计算机5连接。计算机和图像传感器可以实时采集和实时分析偏转后的光斑。

在本发明中图像传感器4及计算机5的主要作用是实时采集和分析偏转后的光斑，在实际应用系统中，当不需要闭环回路控制时，可以不要图像传感器4，计算机5也可以使用集成度更高的芯片代替。

一种新型二维光束偏转控制方法，该方法包括下列步骤：

①、入射光经起偏器1(偏振方向平行液晶分子长轴方向)后垂直入射到未加载电压的液晶空间光调制器2，出射光经透镜3到达位于焦平面的图像传感器4，记录光斑位置。

②、基于图像处理的方法，通过阈值法或滤波处理，采用质心法计算图像传感器上光斑的质心位置。