CN102289128A - 一种新型二维光束偏转方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型纯电控二维光束偏转方法及装置。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。由于产生相位图的两个参数α′、β′均为连续可控参数，因此克服了传统方法中光束偏转角度离散且分布不均匀的问题，并且提供了一种实现二维光束偏转的简易方法，填补了传统方法在二维光束偏转领域的空白。

Description

一种新型二维光束偏转方法及装置

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。

$x_0=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i{I}_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i},$ $y_0=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i{I}_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i}$

式中x₀和y₀分别为光斑的质心位置，x_i、y_i和I_i分别为图像传感器单像素i对应的位置和灰度值。

③、根据需要偏转的角度计算液晶空间光调制器所需加载的相位图。

假设需要将入射光束偏转(α，β)角度，其中α、β分别表示光束偏转的方位角和俯仰角。根据下式计算得到(α′，β′)：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\cot \left[\sqrt{{\tan }^2\left(\mathrm{\α}\right)+{\tan }^2\left(\mathrm{\β}\right)}\right]$

${\mathrm{\β}}^{\′}=\cot \left[\frac{\tan \left(\mathrm{\β}\right)}{\tan \left(\mathrm{\α}\right)}\right]$

将α′作为方位角计算得到相位图1，将相位图1旋转β′角度，得到相位图2，将相位图2归一化到液晶空间光调制器灰度范围内，得到最终相位图3。上述角度的正负号遵从平面几何的一般规则。具体步骤如下：

1)、根据水平维度的偏转角α′，按照下式获得一维分布的相位图：

式中，n＝1，2，3...表示液晶空间光调制器水平维度上离散电极的序列号，

表示液晶相控阵第n列的所有电极，其它符号所示物理意义与前文相同。

2)、利用相位回卷法，将获得的相位图进行2π相位回卷得到相位图1：

式中mod(2π)表示2π回卷。

3)、将获得的相位图1旋转角度β′获得相位图2：

4)、将相位图2即

按下式归一化到液晶空间光调制器灰度范围内，获得最终相位图3：

④、将获得的最终相位图3，

加载到液晶空间光调制器上，在图像传感器上可以获得偏转后的光斑，利用步骤③中相同的方法，可以获得偏转后光斑的质心位置(x，y)。光束偏转的角度可以通过下式进行计算以验证该方法的有效性和精确性：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{realized}}=\cot \left[\frac{(x-x_0)d_{\mathrm{CCD}}}{f}\right]$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{realized}}=\cot \left[\frac{(y-y_0)d_{\mathrm{CCD}}}{f}\right]$

式中，α_realized及β_realized分别表示通过该方法实现的光束在水平和垂直维度的偏转角，d_CCD及f分别表示图像传感器阵元尺寸及透镜焦距。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明提出二维光束偏转方法及装置、简单易操作，由于产生相位图的两个参数α′、β′均为连续可控参数，因此克服了传统方法中光束偏转角度离散且分布不均匀的问题，并且提供了一种实现二维光束偏转的简易方法，填补了传统方法在二维光束偏转领域的空白。

2、本发明适用范围广，可以广泛应用于激光雷达、激光通信、光存储等领域，对工作环境和仪器设备没有特殊要求，不需要复杂的后续数据处理过程，可以开环工作，也可以采用闭环控制，获得更高精度和更高效率的光束偏转。

3、本发明整个系统的光路容易对准，系统结构简单，便携性及集成度较高。

4、本发明所有器件均可可采用成熟的商业化产品，易于推广。

附图说明

图1本发明装置结构原理图

图2传统方法相位图

图3传统方法可实现的水平维度光束偏转角分布示意图

图4本发明水平分布一维相位图及旋转后二维相位图

图5本发明可实现的水平维度光束偏转角分布及二维空间内视场示意图

具体实施方式

光束偏转装置包括入起偏器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。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。整个系统的工作原理如图1所示。

其具体的工作过程为：

1、校准光束偏转系统，使得图像传感器位于透镜的焦平面，光斑最小。

2、记录未偏转光斑的位置，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。

3、根据光束需要偏转的角度，按照上文解决方案中提供的方法计算获得液晶空间光调制器需加载的相位图。

4、计算机从图像传感器获得偏转后光斑的信息，利用步骤3中相同方法可以获得偏转后光斑的质心位置。

实现的光束偏转角满足下式：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{realized}}=\cot \left[\frac{(x-x_0)d_{\mathrm{CCD}}}{f}\right]$

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{realized}}=\cot \left[\frac{(x-x_0)d_{\mathrm{CCD}}}{f}\right]$

式中，各物理符号意义与上文相同。当系统工作在开环状态时，只需要进行到步骤3，而当需要优化系统性能，实现更高偏转精度及偏转效率的光束偏转时，系统可以工作在闭环状态。利用步骤4获得的光斑信息，计算获得α_realized及β_realized，与期望实现的偏转角α、β相比较，利用优化算法，不断修正步骤3中获得相位图，最终可以获得最佳相位图。

这种新型二维光束偏转控制方法，当需要实现一维范围内光束偏转时，直接根据需要实现的光束偏转角计算获得液晶空间光调制器需加载的相位图，并不通过改变每个周期内电极数来改变偏转角以匹配期望获得的偏转角。

当需要实现二维范围内光束偏转时，根据期望偏转角计算产生相位图所需的两个参数，根据所得的参数计算获得最终二维分布的相位图，将该相位图加载到液晶空间光调制器，以实现二维光束偏转。

根据期望偏转角计算获得相位图，计算所使用的参数是连续可控的，可获得视场范围内任意角度的偏转。

该系统可以工作在开环状态，也可以工作在闭环状态；闭环工作步骤为：

利用阈值法和滤波等处理，采用质心法计算图像传感器上偏转前后光斑的质心位置，利用下式计算实现的光束偏转角，将获得的角度信息作为反馈信号，使系统工作在闭环状态：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{realized}}=\cot \left[\frac{(x-x_0)d_{\mathrm{CCD}}}{f}\right]$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{realized}}=\cot \left[\frac{(y-y_0)d_{\mathrm{CCD}}}{f}\right].$

Claims (6)

1.一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)，其特征在于，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。

2.一种新型二维光束偏转方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

①、入射光经起偏器(1)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，通过阈值法和滤波等处理，采用质心法计算图像传感器上光斑的质心位置；

③、根据需要偏转的角度计算液晶空间光调制器所需加载的相位图；

假设需要将入射光束偏转(α，β)角度，其中α、β分别表示光束偏转的方位角和俯仰角；根据下式计算得到(α′，β′)：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\cot \left[\sqrt{{\tan }^2\left(\mathrm{\α}\right)+{\tan }^2\left(\mathrm{\β}\right)}\right]$

${\mathrm{\β}}^{\′}=\cot \left[\frac{\tan \left(\mathrm{\β}\right)}{\tan \left(\mathrm{\α}\right)}\right]$

将α′作为方位角计算得到相位图1，将相位图1旋转β′角度，得到相位图2，将相位图2归一化到液晶空间光调制器灰度范围内，得到最终相位图3，具体步骤如下：

1)、根据水平维度的偏转角α′，按照下式获得一维分布的相位图；

2)、利用相位回卷法，将获得的相位图进行2π相位回卷得到相位图1；

3)、将获得的相位图1旋转角度β′获得相位图2；

4)、将相位图2按归一化到液晶空间光调制器灰度范围内，获得最终相位图3；

④、将获得的最终相位图3加载到液晶空间光调制器上，在图像传感器上可以获得偏转后的光斑，利用步骤③中相同的方法，可以获得偏转后光斑的质心位置(x，y)。

3.根据权利要求2所述的一种新型二维光束偏转方法，其特征在于：当需要实现一维范围内光束偏转时，直接根据需要实现的光束偏转角计算获得液晶空间光调制器需加载的相位图，并不通过改变每个周期内电极数来改变偏转角以匹配期望获得的偏转角。

4.根据权利要求2所述的一种新型二维光束偏转方法，其特征在于：当需要实现二维范围内光束偏转时，根据期望偏转角计算产生相位图所需的两个参数，根据所得的参数计算获得最终二维分布的相位图，将该相位图加载到液晶空间光调制器，以实现二维光束偏转。

5.根据权利要求2所述的一种新型二维光束偏转方法，其特征在于：根据期望偏转角计算获得相位图，计算所使用的参数是连续可控的，可获得视场范围内任意角度的偏转。

6.根据权利要求2所述的一种新型二维光束偏转方法，其特征在于：该系统可以工作在开环状态，也可以工作在闭环状态。

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