CN105022164A - 一种基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器 - Google Patents
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Abstract
一种基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，由液晶驱动电路和至少一组双折射棱镜组，所述双折射棱镜组包括多个双折射棱镜单元，所述多个双折射棱镜单元依次排列在同一直线，所述双折射棱镜单元由液晶波片和双折射棱镜组成，所述双折射棱镜由两块光轴相互垂直的双折射晶体组成，同一双折射棱镜的两块双折射晶体楔角相等，所述液晶驱动电路与各个双折射棱镜单元的液晶波片控制连接。本发明采用非机械式角度控制技术，具有扫描精度高、调节速度快、体积小、重量轻和抗干扰性强等一系列优点，并能对入射角度控制范围进行放大，在光学相控阵、激光雷达和空间激光通信等诸多领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光束角度精密控制领域，具体是指一种基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器。
背景技术
光束扫描技术是在一维直线或平面二维平面的一定范围内利用改变光束角度对扫描域进行光学扫描的过程，广泛应用于光学相控阵、光学成像、光谱分析等领域。
光束扫描时控制光束角度偏转可以利用机械结构来控制光源的照射角度，但机械结构造成设备复杂，结构臃肿。
现有技术中也有运用光学棱镜折射或散射实现光束照射角度的变化，但光学棱镜安装固定后，散射或折射角度即固定，难以实现角度调节，通常的解决方式仍然是利用机械结构旋转棱镜，这会带来机械传动的不利影响。
发明内容
为克服现有光束扫描技术中采用机械结构调解光源照射角度的技术缺陷，本发明公开了一种基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器。
本发明所述一种基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，由液晶驱动电路和至少一组双折射棱镜组，所述双折射棱镜组包括多个双折射棱镜单元，所述多个双折射棱镜单元依次排列在同一直线，所述双折射棱镜单元由液晶波片和双折射棱镜组成，所述双折射棱镜由两块光轴相互垂直的双折射晶体组成，同一双折射棱镜的两块双折射晶体楔角相等，所述液晶驱动电路与各个双折射棱镜单元的液晶波片控制连接，所述楔角为双折射晶体入射面与出射面之间的夹角。
优选的，不同双折射棱镜单元的双折射晶体楔角不等。
优选的，所述光束扫描角度放大器包括两组双折射棱镜组，这两组双折射棱镜组的双折射棱镜正交放置，所述正交放置为一组相对另一组在垂直纸面方向旋转90度。
优选的，所述双折射棱镜由两块直角双折射晶体组成。
优选的，所述液晶波片为1/4波片。
采用本发明所述的基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，采用非机械式角度控制技术，具有扫描精度高、调节速度快、体积小、重量轻和抗干扰性强等一系列优点，并能对入射角度控制范围进行放大，在光学相控阵、激光雷达和空间激光通信等诸多领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式结构示意图；
图2为本发明所述双折射棱镜的折射原理图；
图3为光束经过双折射棱镜后的光束分离夹角与双折射棱镜楔角关系曲线；图3中横坐标为双折射棱镜楔角，纵坐标为光束分离夹角，单位均为度；
图4为单一维度上利用本发明进行光束角度控制的原理示意图；
图5为单一维度上利用本发明进行动态扫描角度放大的原理示意图；
图中附图标记名称为：10-液晶波片 11-双折射棱镜单元 20-双折射棱镜210-第一双折射晶体 211-第二双折射晶体30-液晶驱动电路 31-导线 40-横向角度控制模块 41-纵向角度控制模块 50-入射光 51-第一一级折射光 52-第二一级折射光；
511-第一二级折射光 512-第二二级折射光521-第三二级折射光 522-第四二级折射光；
5111-第一三级折射光 5112-第二三级折射光 5211-第三三级折射光 5212-第四三级折射光 5121-第五三级折射光 5122-第六三级折射光 5221-第七三级折射光 5222-第八三级折射光；
60-出射光。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，由液晶驱动电路和至少一组双折射棱镜组，所述双折射棱镜组包括多个双折射棱镜单元，所述多个双折射棱镜单元依次排列在同一直线，所述双折射棱镜单元由液晶波片和双折射棱镜组成，所述双折射棱镜由两块光轴相互垂直的双折射晶体组成，同一双折射棱镜的两块双折射晶体楔角相等，所述液晶驱动电路与各个双折射棱镜单元的液晶波片控制连接，所述楔角为双折射晶体入射面与出射面之间的夹角，如图2所示，楔角为图2中的α角。
如图1所示，双折射棱镜组的多个双折射棱镜单元排列在入射光的入射方向上，每个双折射棱镜单元由液晶波片和双折射棱镜组成，整个双折射棱镜组由多个这样的单元堆叠而成，液晶驱动电路30通过导线31连接每一片液晶波片，可以单独调节在每一片液晶波片施加的电压以控制通过液晶波片后的光束偏振态。
如图2，给出了双折射棱镜控制角度的基本原理。双折射棱镜由两块双折射晶体210和211组成，楔角均为α，其光轴互相垂直。对于每一入射光束50，通过对液晶波片施加两个不同电压，对光束产生不同的相位延迟，可以控制液晶波片的出射光偏振态平行或垂直于图2所处平面（以下称纸面）。如图2所示，如果偏振态平行于纸面，进入双折射棱镜左半部的第一双折射晶体210时，偏振方向与光轴平行，为e光，进入右半部的第二双折射晶体211时，光束偏振方向与晶体的光轴垂直，为o光，最终第一一级折射光51的光路如图2所示。同理，如果入射光束50的偏振态垂直于纸面，进入双折射棱镜左半部的第一双折射晶体210时，偏振方向与晶体光轴垂直，为o光，进入右半部的的第二双折射晶体211时，光束偏振方向与晶体的光轴平行，为e光，最终第二一级折射光52的光路如图2所示。图2所示的具体实施方式中，双折射棱镜由两块直角双折射晶体组成，即顶角为90度，两块棱镜可以拼合成一个矩形立方体，方便安装固定。
可见，通过调解液晶波片上施加的电压，可以调节每一双折射棱镜前的液晶波片光束的偏振态，可以使得入射光束经过双折射棱镜单元后按照如图2所示的折射光51或者52中的其中一种前进，从而实现了扫描角度的控制。
对于双折射棱镜的折射光路，双折射棱镜的楔角α与第一、第二一级折射光51、52之间的夹角关系曲线如图3所示，通过设计双折射棱镜的楔角，可以控制两种偏振态出射光束的角度间隔，实现不同角度的光束控制。
将多个双棱镜单元排列在光路上，利用光束折射后偏转角度的叠加，可以获得更宽的光束扫描范围，如图4所示给出了单一维度上利用本发明进行光束角度控制原理的示意图。对一个空间维度，假定使用n级双折射棱镜，如果入射光50进入放大器的入射角度保持不变，通过设计每一块双折射棱镜结构，设定好每一组加载于液晶波片组上的电压控制光束进入双折射棱镜的偏振态，并通过排列组合的方式遍历所有情况，共有2n种情况，可以使得光束在空间按2n种不同路径偏转到该维度上不同的角度位置，实现离散角度扫描。以三级双折射棱镜的控制为例，每个液晶波片优选为1/4波片，所谓1/4波片是指当光法向入射透过时，寻常光（o光）和非常光（e光）之间的位相差等于 π/2或其奇数倍，这样的晶片称为1/4波片。在不同时段里设计有两个不同电压，分别施加不同电压控制光束的偏振处于垂直纸面或平行纸面，经过第一级双折射棱镜后，光束共有51和52两种路径，经过第二级双折射棱镜后，光束共有511、512、521、522四种二级折射路径，最终，经过三级偏振片结构后，共有23=8种电压组合，最终光束共有8种三级折射路径选择，如图中5111、5112、5121、5122、5211、5212、5221、5222所示。可以通过设计每一个双折射棱镜的楔角，使得在最后一级折射路径的2n种角度分布均匀，避免重复，获得尽可能多的角度控制能力。
例如，采用三组双折射棱镜单元，三个楔角分别设计为11.5°、5.7°和11.5°，对液晶波片施加不同电压，出射角度分别为-5°、-3°、-1°、1°、3°、5°，其中有两个角度重复，算上重复的角度，共8种路径。设计的过程，首先根据期望的角度间隔可以大致确定楔角度数，然后编程算出一组合适的楔角值，通常需要试值实验得出最终的角度。
如图5，如果入射光50进入放大器的入射角度扫过一定的角度范围，配合对液晶波片组施加的不同组电压，出射光束60可以实现该维度上光束的准连续角度扫描。通过改变各级双折射棱镜单元的双折射棱镜楔角，实现出射光束60准连续角度扫描的角度范围大于入射光束50的角度扫描范围，即实现扫描角度的放大功能。
添加多组双折射棱镜组，实现多个维度上的光束角度控制或放大，例如在图1所示的具体实施方式中，按对角度的控制功能划分，液晶波片10、双折射棱镜单元20又可以分为横向角度控制部分40和纵向角度控制部分41，两部分的双折射棱镜正交放置，实现二维光束角度控制，通过横向角度控制部分和纵向角度控制部分的组合使用，整个器件可以实现一定孔径角内任意光束指向控制以及对入射光扫描角度的放大功能。
采用本发明所述的基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，采用非机械式角度控制技术，具有扫描精度高、调节速度快、体积小、重量轻和抗干扰性强等一系列优点，并能对入射角度控制范围进行放大，在光学相控阵、激光雷达和空间激光通信等诸多领域具有广阔的应用前景。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，其特征在于，由液晶驱动电路和至少一组双折射棱镜组，所述双折射棱镜组包括多个双折射棱镜单元，所述多个双折射棱镜单元依次排列在同一直线，所述双折射棱镜单元由液晶波片和双折射棱镜组成，所述双折射棱镜由两块光轴相互垂直的双折射晶体组成，同一双折射棱镜的两块双折射晶体楔角相等，所述液晶驱动电路与各个双折射棱镜单元的液晶波片控制连接，所述楔角为双折射晶体入射面与出射面之间的夹角。
2. 如权利要求1所述基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，其特征在于，不同双折射棱镜单元的双折射晶体楔角不等。
3. 如权利要求1所述基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，其特征在于，所述光束扫描角度放大器包括两组双折射棱镜组，这两组双折射棱镜组的双折射棱镜正交放置，所述正交放置为一组相对另一组在垂直纸面方向旋转90度。
4. 如权利要求1所述基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，其特征在于，所述双折射棱镜由两块直角双折射晶体组成。
5. 如权利要求1所述基于双折射棱镜的光束扫描角度放大器，其特征在于，所述液晶波片为1/4波片。
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