CN1096004C

CN1096004C - 相控阵光学装置

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Publication number: CN1096004C
Application number: CN97119771.7A
Authority: CN
Inventors: 朱雨心
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2002-12-11
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: CN1182220A; WO1999024866A1; US6469822B1

Abstract

相控阵装置是一种高速光扫描装置。本发明提出了不规则相控阵的原理、提出了虚拟伪点光源相控阵列的概念，并提出了一系列具体的实现方法。相控阵内的空间分布许多光相位调制器。由各调制器射出的光束彼此具有特定的相位关系，使相控阵射出的光仅指向设定的方向；射出光的方向随机变换时，变换速度可高达10^-12秒。因此本发明极大地简化了相控阵装置的构造，并使光相控阵装置有了从实验研究进入实际应用的可能。

Description

相控阵光学装置

本发明是一种采用电子控制方法操纵光束的光波波段相控阵装置的原理及其实现方法。

相控阵的一般原理。相控阵装置包括由许多相控单元排列而构成的阵列。通过调节从各相控单元辐射出的电磁波(或其它波，如声波)的彼此之间的相位关系，使从各相控单元辐射出的电磁波在设定的方向(或位置)上都彼此同相，产生彼此加强的干涉。便是相控阵在此设定的方向上辐射出一束高强度的电磁波。在其它的方向上，从各相控单元辐射出的电磁波不满足都彼此同相的条件，电磁波间干涉的结果，彼此相抵消。相控阵在其它的方向上的辐射强度接近零。通常，为了保证相控阵只在一个设定的方向上辐射出一束高强度的电磁波，而在其它的方向上辐射强度接近零，相控单元间的距离(即相邻相控单元中心至中心的距离)必须小于相控阵所涉及的电磁波波长的一半(详见后叙)。相控阵阵列的几何尺寸(即，孔径)决定相控阵的分辨卑(即，辐射波束的宽窄)。而相控单元的数目关系到辐射波束的强度。相控阵装置的突出优点是可以用电子控制的方法调节从各相控单元辐射出的电磁波的彼此间的相位关系，从而能以极高的速度随机变换辐射波束的指向。

光也是电磁波。在光波波段，可见光，波长大致在0.4～0.7微米；红外线，波长大致在0.7微米至数百微米。紫外线，波长大致在0.4微米至0.04微米。现以波长0.5微米的可见光为例，如上所述，为了保证相控阵只在设定的方向上辐射出一束高强度的光，而在其它方向上的辐射强度接近零，则相控单元间的距离必须小于0.25微米。如此，相控单元本身的尺寸也就必须小于0.25微米。目前，可用作相控单元的，尺寸足够小的，相位可控的光源仍未出现。光波波段相控阵目前可采用的方法是从一束相干光，经过空间分布的多个光相位调制单元(简称调制单元，以下同)产生许多束彼此具有特定的相位关系的光束，即每个调制单元产生一束具有特定相位的光束。这里的一个调制单元即构成前面所述的相控阵的一个相控单元。调制单元由两个电极和两电极间的电光材料构成。电光材料的折射系数(即，折射率)在一定的范围内可随两电极所产生的电场的大小而改变，从而改变光束穿过调制单元时经历的光程，实现相位调制(即移相，也称为相位位移)。两电极之间电场的大小由控制器通过调节两电极的电位来控制。

为叙述方便，在本说明中，当涉及相控阵及相控单元的构造时，宽度指的是与相控阵法线方向垂直的方向上的几何尺寸，也简称为尺寸；厚度指的是相控阵法线方向上的几何尺寸。

见图1。在先技术光相控阵装置的剖面示意图。该装置的主要部分是控制器11和光相位调制阵列(简称调制阵列，以下同)12。调制阵列是许多调制单元的集合。由于电光材料13是液晶，因此调制阵列12还包括前窗14和后窗15。14和15通常是平板，相互平行。它们在所工作的光波波段范围内是透明的。每个调制单元有一个控制电极。分别标为17₀、17₁、...、17₉，通称为17。调制单元由控制电极17，公共电极16和液晶13构成。公共电极16和控制电极17在所工作的光波波段内是透明的。图1所示是一个一维调制阵列的剖面。控制电极17是许多相互平行的、条状电极。单件条状电极的宽度记作W。相邻单件条状电极之间的间隙25的宽度记作p。单件条状电极的中心至相邻单件条状电极的中心之间的距离记作d。d＝p+w。入射光18从后窗15进入调制阵列12，光线经各调制单元分别进行相位调制后，发出的光在某θ方向的相位相同，称为向θ方向输出光束19。46示意波阵面。在调制阵列12与控制器11之间有控制导线20，传送控制信号。在先技术要求相邻调制单元之间的中心距d设置成不大于光波的波长，以保证相控阵仅仅在一个设定的角度输出一束光束。否则，将有若干其它方向的光束伴随输出。这是不希望发生的现象。为了使相邻调制单元之间的中心距d不大于光波的波长，在先技术调制单元的宽度，也就是w(图1)，受到限制，也必须小于光波的波长。其宽度小到如此程度，以致存在许多问题。举例如下：

1.调制阵列的总面积一定时，由于调制单元很小，故所需调制单元的数量很大。设波长为0.5μm，则每厘米宽度将需要调制单元20000列。这导致相控阵装置的结构复杂、成本高，制作技术难度大；

2.间隔宽度P的尺寸受电极间绝缘要求和制造工艺的限制、在给定的材料和工艺水平下，能够做到的最小尺寸P可看成是一个固定的数。显然，调制单元的宽度W越小，间隔在调制阵列总面积中所占的比例也越大，通光面积的利用率就越低。例如，波长为0.5μm，W和P也是0.5μm，则50％的面积被浪费。仅有半数的入射光被利用。

3.调制单元的尺寸(即宽度w。以下同)甚小时，进入调制单元的光束因衍射而显著发散，部分的光进入相邻调制单元，使各调制单元输出的光受到干扰，仅有一部分光符合应有的相位。由于调制单元的厚度比其宽度大得多(例如，厚度超过10μm以上)，衍射引起的发散其影响是很显著的；

4.调制单元尺寸很小时，电极的宽度也很小。由于调制单元的厚度比其宽度大得多，两电极间的距离比电极的尺寸大得多，故电极的边缘效应将显著影响调制单元中电场的均匀性；此外，也由于两电极间的距离比电极的尺寸大得多，相邻调制单元的电场之间将显著地相互影响。即使不计从相邻调制单元来的发散光的干扰，仅电场之间的影响也足以使穿过各调制单元的光的相位发生显著的紊乱。

上述是在先技术存在的问题。其中第1点和第2点涉及产品制造成本和性能指标；第3点和第4点则是在先技术存在的本质性问题。正是由于这些问题的存在，所以至今尚无实用的光相控阵装置产品。究其根源则是由于沿用了在先的相控阵原理。即：“相控单元间的距离不大于波长(或波长的一半)”。

在说明本发明的原理和方法之前，将相控阵的一般原理作进一步的分析于下：图2示意由8个相控单元21₀～21₇组成的相控阵，通称21。具有一定的相位的光线从各相控单元向前方(即，图2的右侧)射出。为描述简明，将各相控单元看作点光源。从各点光源射出的光如果在某θ方向全都同相，形成全都加强的干涉，则称为：“相控阵向θ方向输出光束”。图2中标注为19_θ。相邻点光源之间的距离记作d1、d2、...、d7。相邻点光源输出的光在θ方向的光程差记作δ1、δ2、...、δ7。由几何关系可知：δ1＝d1sin(θ)、δ2＝d2sin(θ)、...、δ7＝d7sin(θ)

为了使各点光源发出的光在θ方向同相，须先调制各光点源发出的光的相位，以补偿上述的光程差。为此，各点光源发出的光的相位须满足如下关系：

相控单元21₁须超前21₀：δ1(2π/λ)(弧度，以下同此)

相控单元21₂频超前21₁：δ2(2π/λ)

相控单元21₇须超前21₆：δ7(2π/λ)

式中，λ是该光波的波长。再计入一个2π的复位操作。例如，以相控单元21₁为例。记作：δ1(2π/λ)＝k1(2π)+ω1。式中k1是一正整数(包括零)，则相控单元21₁超前21₀ k1(2π)+ω1弧度，或超前21₀ ω1弧度，二者的效果是一样的。但是从所需的调制量看，当k1＞0时，则ω1＜k1(2π)+ω1。即调制成ω1所需的调制量较小。因此，实用上总是按ω1来计算所需的调制量。本说明中论及相位调制时，总是意味着包含了上述的2π的复位，除非另有说明。

图3所示的阵列，与图2相同，按上一段所述，对各相控单元发出的光的相位进行调制，使光线在θ方向同相。现考察：各相控单元输出的光线在其它方向是否还有全都同相的可能性？为回答此问题，设某一不同于θ的方向γ。将各相控单元输出光线19γ在γ方向的光程差记作α1、α2、...α7。由几何关系可知：

α1＝d1sin(γ)、α2＝d2sin(γ)、...、α7＝d7sin(γ)

各相控单元输出光线在γ方向的相位差分别记作φ1，φ2，....φ7。这些相位差来源于各点光源间已有的相位差(使光线在θ方向同相时调制成的相位差)以及由上述的各相控单元输出光线在γ方向的光程差两部分。于是，相邻相控单元在γ方向的光线的相位差的算式如下：

φ1＝δ1(2π/λ)-α1(2π/λ)

φ2＝δ2(2π/λ)-α2(2π/λ)

φ7＝δ7(2π/λ)-α7(2π/λ)

可改写为：

φ1＝d1(sin(θ)-sin(γ))2π/λ

φ2＝d2(sin(θ)-sin(γ))2π/λ

φ7＝d7(sin(θ)-sin(γ))2π/λ

这里与前面的叙述相一致，φ1＞0意味着在γ方向上，相控单元21₁发出的光的相位超前21₀发出的光的相位；反之，意味着在γ方向上，相控单元21₁发出的光的相位落后21₀发出的光的相位。其余相控单元，按此类推。

上述的相位关系还可写成：

φ2＝φ1 d2/d1

φ3＝φ2 d3/d2

φ7＝φ6 d7/d6

只有当φ1、φ2、...、φ7均为2π的整数倍(包括“0”倍)时，从各相控单元发出的光，在γ方向才全部同相。为查明各相控单元发出的光在γ方向上的光之间可否出现全部同相，现设未知系数n1、n2、...、n7，并将上述相位差表达式写成以下形式：

φ1＝n1×2π、φ2＝n2×2π、...、φ7＝n7×2π

如果n1、n2、...、7n均为整数，则输出的光在γ方向是全部同相的。这就使各相控单元在γ方向上输出的光是否全部同相的问题归结为n1、n2、...、n7是否均为整数的问题。

由φ2＝φ1 d2/d1和φ1＝n1×2π，可算得：φ2＝d2/d1×n1×2π。再由φ2＝n2×2π，可得到：d2/d1×n1×2π＝n2×2π，即：d2/d1×n1＝n2，

改写为：n2＝d2/d1×n1，

同样有：n3＝d3/d2×n2；

......

n7＝d7/d6×n6。

现假设对于γ的某一个值，n1为整数。由上列这组算式可知：除非d1、d2、...、d7彼此相等或存在整数倍关系，否则n2、n3、...、n7不可能全为整数。

在先技术的相控阵列，相控单元之间是等距排列的。也就是d1、d2、...、d7互等。简称之为规则阵列。则有：

d＝d1＝d2＝...＝d7；

δ＝δ1＝δ2＝...＝δ7；

α＝α1＝α2＝...＝α7；

φ＝φ1＝φ2＝...＝φ7；

n＝n1＝n2＝...＝n7。

并可写出关系式：

sin(θ)-sin(γ)＝nλ/d或 sin(θ)＝sin(γ)+nλ/d

因此，对于规则阵列，各相控单元输出光线在γ方向是否能全都同相的问题就是满足上述关系式的整数n能否成立的问题。

以下仅讨论0≤θ＜π/2的情况(θ＜0的情况，分析过程是一样的)。以图2，图3为例，设θ＞0相应于光束向上偏转θ度；θ＜0相应于光束向下偏转θ度；θ＝0意味着光束射向相控阵平面的法线方向。当0≤θ＜π/2时，0≤sin(θ)＜1。于是有：0≤sin(γ)+nλ/d＜1。改写成下式，并称为主要条件式：

-nλ/d≤sin(γ)＜1-nλ/d

如上所说，各相控单元输出的光在γ方向是否全部同相可由n是否能为整数进行判断。以下就n取得整数值的可能性进行分析。由于n＝0则γ＝θ。这与原设“γ的方向不同于θ”不一致，故n＝0的情况不再考虑。以下先后以d＝2λ、d＝λ、d＝λ/2三种情况为例，逐一讨论n＝±1、±2、......等情形。于下：

设d＝2λ，代入主要条件式，有：-n/2≤sin(γ)＜1-n/2。现将可能满足此条件的n值逐一代入计算如下：

代入n＝1，其条件式为：-0.5≤sin(γ)＜0.5。由此知道能满足此式的γ角度的范围是：-π/6～π/6。当γ角度的范围是-π/6～π/6时，由sin(θ)＝sin(γ)+nλ/d算出sin(θ)＝sin(γ)+0.5。算得sin(θ)的数值范围是0～1。因此，当输出光的角度θ在0～π/2这段范围内时，相控阵在-π/6～π/6方向有一伴随光束输出。

代入n＝-1，其条件式为：0.5≤sin(γ)＜1.5。由此知道能满足此式的γ角度的范围是：π/6～π/2。相应的θ角度的范围是0～π/6。

代入n＝2，其条件式为：-1≤sin(γ)＜0，由此知道能满足此式的γ角度的范围是：-π/2～0。相应的θ角度的范围是0～π/2。代入n＝-2，其条件式为：1≤sin(γ)＜2，此式只有当γ＝π/2时才能成立。与此相应，θ＝0。

代入n＝3，其条件式为：-1.5≤sin(γ)＜-0.5，由此知道能满足此式的γ角度的范围是：-π/2～-π/6。相应的θ角度的范围是π/6～π/2。

n的其它整数值均不能满足主要条件式。总结以上各n值代入的结果，如下：

n＝1，γ的范围是：-π/6～π/6，θ的范围是：0～π/2。

n＝-1，γ的范围是：π/6～π/2，θ的范围是：0～π/6。

n＝2，γ的范围是：-π/2～0，θ的范围是：0～π/2。

n＝3，γ的范围是：-π/2～-π/6，θ的范围是：π/6～π/2。

因此，当θ的范围是0～π/6时，有三束伴随光束同时输出。当θ的范围是π/6～π/2时，也有三束伴随光束同时输出。当θ＝0时，有两束伴随光束同时输出。当θ＝π/6时，也有两束伴随光束同时输出。(以上，γ＝π/2或-π/2的情形不计入在内。以下同)

设d＝λ，代入主要条件式，有：-n≤sin(γ)＜1-n。将可能满足此条件的n值逐一代入计算。计算过程同d＝2λ的情形。其计算结果是：仅仅n＝1时，有一束伴随的光束输出。γ的范围是：-π/2～0，θ的范围是：0～π/2。当θ＝0时，相应的γ是π/2和-π/2。不计γ＝π/2或-π/2的情形，则当θ＝0时，恰好没有伴随的光束输出。

设d＝λ/2，代入主要条件式，有：-2n≤sin(γ)＜1-2n。计算过程同上。计算结果是：不论n取什么值，均不存在满足条件的γ。因此，不存在有伴随的光束输出的0角度的范围。然而，当0＝π/2时，可取n＝1，γ＝-π/2。即，伴随的光束恰好要出现而未出现。可以推测，若d＞λ/2，就将出现伴随的光束。

以上，计算了d＝2λ、λ、λ/2三种情况，其伴随光束出观的规律是：d值愈大，出现伴随光束的情况也愈多。d小于λ/2时，将不出现伴随光束。

实用上，光束扫描范围总是较π/2小得多。此时不出现伴随光束的最大d值可大于λ/2。举例说明如下：

由sin(θ)＝sin(γ)+nλ/d，取n＝1，γ＝-π/2(即，伴随的光束恰好要出现而未出现的状态)，计算出不同扫描角度范围时，不出观伴随光束的最大d可取值如下：

当θ＝-30～30度时，d＝0.67λ，

当θ＝-10～10度时，d＝0.85λ，

当θ＝-5～5度时，d＝0.92λ，

当θ＝-1～1度时，d＝0.98λ。

以上的分祈说明了传统的相控阵技术设置相控单元间的距离d小于半个波长或一个波长的原因。相控单元间的距离小于波长，其相控单元的尺寸也就必然小于波长。

实用上，不出现伴随光束的最大d可取值还可以进一步放宽。譬如，将从各相控单元发出的光限定在相控阵光束扫描的角度范围内，则，在此角度范围以外，即使出观伴随光束的条件成立，也不会出现伴随光束。此时，不出现伴随光束的最大d值可由如下方法估算：

由sin(θ)＝sin(γ)+nλ/d，取n＝1，γ＝-θ(即，伴随的光束恰好要出现而未出现的状态)，计算出不同扫描角度范围时，不出现伴随光束的最大d可取

值举例如下：

当θ＝-30～30度时，d＝λ，

当θ＝-10～10度时，d＝2.8λ，

当θ＝-5～5度时，d＝5.7λ，

当θ＝-1～1 度时，d＝28λ。

综合以上分析可知，在先的相控阵技术的相控单元间的距离总是受到波长的限制。当相控单元间距离大于波长时，随着相控单元间距离的增大，相控阵能正常工作的扫描范围急剧缩小。

以上陈述了在先光相控阵技术设置调制单元的宽度受到光波波长限制的原因。在先技术的文件，见美国专利5,093,740(1992年3月3日)，DORSCHNER等人的描述。该专利所描述的装置是一个纵向调制阵列，采用液晶为电光材料，即图1所示。该专利中还提出了子阵列的方法以减少控制线的数目。但是该专利技术将光束可偏转的角度限制在某些不连续的，特定的角度。而且，即使采用该专利所描述的子阵列方法，其控制线的数目仍然很大。此在先技术存在的问题使该装置并无多少实际应用意义。

在陈述本发明的原理和方法之前，将在先技术中的子阵列方法简述于下：

见图1，若将条状控制电极分成若干组，每组成为一个子阵列。每个子阵列有若干调制单元。各子阵列中，位置相应的调制单元，其控制电极是并联的，由控制器平行控制。图4示意子阵列中各调制单元之间及各子阵列之间的相位关系。横座标代表调制单元的几何位置。图中有三个相邻子阵列30₁、30₂、30₃。图中阶梯状曲线22中阶梯的高低表示各相控单元所调制光线的相位。由于在各子阵列中位置相应的调制单元的控制电极相互并联，因此，三个子阵列的阶梯状曲线22的形状是一样的。也就是说，就各子阵列内部而言，各相控单元发出的光在设定的方向上均是同相的。但是在设定的方向上，各子阵列之间，其光线并不一定同相。子阵列之间光线相位的不吻合可用图4所示于各相邻子阵列之间的接合处的相位关系来说明。图4中相邻子阵列30₁与子阵列30₂之间1_1，2处，相邻阶梯状曲线22之间出现相位差β。一般而言β不等于零，也不等于2π。1_2，3处的情形也同样。因此，上述在先技术的子阵列，仅仅在光束射往某些特殊的方实质审查请求书附件之8说明书替换页(共15页)向时，其β成为0，或2π，各子阵列之间光的相位才会一致。当光束射往其它方向时，β不为0，或2π，导致各子阵列之间，输出光线的相位不一致。不能工作。所以，在先技术的子阵列相控阵输出光可偏转的范围局限于几个不连续的角度中。

在先子阵列技术存在的上述问题显然影响其实际应用。本发明实施的子阵列技术解决了这些问题。

作为本发明在先技术的最新的资料见，James A.Thomas，Mark Lasher等人的研究(″Optical Scanning Systems：Design and Applications″，LeoBeiser and Stephen F.Sagan，Ed.，Proc.SPIE3131，pp.124-132(1997).JamesA.Thomas，Mark Lasher等人采用两个扫描器重叠的方法解决子阵列间光相位不吻合的问题。但并未突破相控单元的尺寸和相控单元间距离受光波波长限制所带来的问题。这些问题包括扫描角度范围甚小以及可产生的扫描线数目不多于扫描器的调制单元数目。

本发明与在先技术之间，其原理、实施方法和子阵列技术均是不同的；其构造亦有十分显著的差别。以下分八个部分描述本发明的特征和优点：1.不规则相控阵的原理；2.透镜阵列与虚拟等效点光源相控阵；3.二维不规则相控阵；4.不规则阵列中相控单元的排列方法；5.子阵列的控制；6.不规则相控阵子阵列的构造；7.反射式不规则相控阵；8.相控发光元件阵列。本发明涉及的是光波波段的相控阵技术。光波的波长范围已如前述。然而，本发明提出的原理也适用于其它的相控阵枝术。

1.不规则相控阵的原理：

本说明描述相控阵一般原理时曾列出：

n2＝d2/d1×n1，

n3＝d3/d2×n2，

… …

n7＝d7/d6×n6。

本发明不规则相控阵与在先技术由规则阵列构成的相控阵之间的原则性区别可借这一组算式来说明。在先技术中，相控阵作规则排列，d1＝d2＝...＝d7；而本发明不规则相控阵作不规则徘列。一般而言，相邻相控单元之间的距离不全相等，而且，也不存在整数倍关系，或其它特殊关系。因此在上列这组算式中，n1、n2、...、n7不可能同时为整数。也就是说，不论d/λ的比值是多少，均不会出现伴随光束。不规则相控阵中相控单元排列的原则可以表述为：各相控单元之间的距离是在一定范围内，按某种规则分布的随机量。譬如，是在一定范围内均匀分布的随机量。譬如，相控单元间的距离在0～2d的范围内以相同的概率随机取值。其阵列的相控单元间的距离的数学期望(即均值)将是d。当不规则相控阵相控单元数目足够多时，例如多达上千个时，不规则相控阵(在输出光束以外的方向上)产生的背景辐射的强度与输出光束的强度比较可忽略不计。以下对本发明的进一步说明中，将给出一些实施此排列原则的例以进一步说明不规则相控阵的原理。

正是由于本发明相控阵的阵列未作规则排列，因而不存在d大于波长时出现伴随光束的情况。不规则相控阵不存在伴随光束问题。设计不规则相控阵时可以将调制单元的宽度或相邻调制单元的中心距取得比工作光波的波长大得多。达到波长的几十、儿百、几千倍，甚至更大。这是不规则相控阵的特出优点之一。

2.透镜阵列与虚拟等效点光源相控阵：

图5是不规则相控阵一种形式的示意图。该装置包括控制器11和调制阵列12(局部剖面示意图)，以及本发明特有的透镜阵列23₀，23₁，...，通称为23。27₀，27₁，...是透镜的焦点，通称为27。d1，d2，...是相邻透镜的焦点间的距离。相控阵的主要部分描述为：由控制电极17，公共电极16，以及这两个电极之间的电光材料13构成一个调制单元。由多个调制单元组成调制阵列12。在不规则相控阵的这种形式里，调制单元以及配置于该调制单元的透镜23构成一个相控单元。多个相控单元的集合就构成不规则相控阵的阵列(简称相控阵，以下同)。还可理解为：在这种形式里，相控阵是由调制阵列和透镜阵列构成的。由相控阵、控制器和控制导线构成了不规则相控阵装置。由控制器11对各相控单元发出的光的相位进行控制，使各相控单元发出的光在设定的方向上同相。于是相控阵便向此设定方向θ输出一光束19。也可以另用透镜将此光束聚焦。譬如，聚焦到某个面(如屏幕)上。

46示意波阵面。18为入射光。遮光条24是单件遮光条24₁～24₉的集合。遮光条是不透明的，用来防止光通过调制单元之间的间隙25。图5与图1不同之处，除透镜阵列外，图5的公共电极16按子阵列分成许多彼此独立的电极。每个子阵列有一个与其它子阵列独立的公共电极(详见下文)。此外，图5中，控制电极17的宽度w远大于光波的波长，譬如，光波波长的数十、数百、数千倍以上。这样的宽度对图1所示的在先计术而言是不可能的。

图5中的公共电极16和控制电极17，二者的位置可以互换。如果将16设置在输出光的一侧，而将17设置在输入光的一侧，结果是一样的。

图5所示包括10个相控单元。实用的不规则相控阵包含数量很多的相控单元。可以有一千个以上。此外，调制单元也可以由波导器件构成，如光纤。则调制单元是一个由电光材料和电极组成的一段波导(管)。

不规则相控阵中可采用的电光材料除了液晶外，还有：LiNbO3，TiTaO3，BBO，KDP，KD*P，BSO，BGO，KTP，KNbO3，LiIO3，ZnSe，以及高分子聚合物材料等具有电-光特性的固体电光材料。这类材料还有许多种，不一一列举。

图5所示仅是本发明不规则相控阵的一种体现形式。本发明不限定于这一特定体现形式。此外，构成透镜阵列的透镜可以是凸透镜、凹透镜，衍射透镜等多种。在采用凸透镜时，光束先被聚向透镜的焦点，然后从焦点向外发散。采用凹透镜时，光仿佛是从其虚焦点向外发散。一维相控阵还可以采用柱面透镜。相应于球面透镜的焦点，柱面透镜有一条焦线(为说明简要，以下通称焦点。不另赘)。通过改变透镜的光学参数，如孔径、焦距等，可以得到所需的发散角。发散角应与所需要的，相控阵的光束的偏转角范围相适应。如果发散角过小，则不能满足所要求的相控阵的光束的偏转角范围。如果发散角过大，则光能浪费，降低了整个系统的效率。

在本说明中，除非另有说明，将以入射平行光束，平行于透镜光轴的情形为例来说明透镜的作用。若入射平行光束不平行透镜的光轴时，光束被会聚在透镜的背焦平面上某处，本质上并无不同。本说明不另赞。

每一透镜与一个调制单元相配，使从调制单元射出的光经过透镜而被聚焦(以凸透镜为例，以下同)，并以一定的发散角从焦点向外发散。在这里，一个相控单元包括一个调制单元以及与其相配的透镜。

每个透镜周边所在的位置与该调制单元的周边所在的位置相应。按透镜周边计算的中心称为透镜的几何中心。按调制单元的周边计算的中心称为该调制单元的几何中心。调制单元的几何中心与透镜的几何中心通常是重合的，并且通称为相控单元的几何中心。相邻调制单元的中心距就是相邻调制单元几何中心间的距离，简称为相控单元间的距离。单元周边的定义以矩形单元为例。在每一对相邻的相控单元几何中心之间作中垂线。任一单元四周的各中垂线就构成该单元的周边。处于阵列边界旁的单元以阵列的这段边界作为该单元周边的一部分。

采用了透镜的方法后，从相控阵各相控单元发出的光仿佛就是从各相控单元透镜焦点的位置上的点光源发出的光，并且是相位可调的点光源。当然，这不是真正的点光源，称其为等效点光源。

透镜的光轴(以及光轴上透镜的焦点)与透镜的几何中心(以及调制单元的几何中心)之间，一般并不重合(从相控阵平面的法线方向看去)。在计算从各相控单元发出的光的相位关系时涉及的是各相控单元透镜的焦点的位置，而各调制单元的几何位置并不直接相关。因此将透镜焦点的位置定义为相控单元的有效位置。相控单元的有效位置也就是当相控单元发出的光能够与一个点光源有某种程度等效时，那个等效点光源所处的几何位置。在这里，不规则相控阵的各相控单元间的(不规则)距离相应地就是相控单元有效位置间的距离。而相控单元的周边可以认为是由相邻相控单元的几何中心间的连接线的中心线所构成。

这样，实际上就构造了一个在各相控单元的有效位置上呈不规则排列的虚拟阵列。换句话说，虚拟阵列也就是相控单元的有效位置的阵列，也可称为有效阵列。进一步包括光源后，则称其为虚拟等效点光源相控阵。上述的定义相控单元有效位置和产生虚拟等效点光源相控阵的方法，既可用于不规则相控阵，也可用于规则相控阵。

采用透镜的方法，以及相控单元有效位置和虚拟等效点光源相控阵的概念的创立，方便了相控阵装置的设计，制造，使实用的相控阵成为可能。

这样的虚拟等效点光源相控阵也可以用反射镜的方法实现(详见后述)。

图6和图7所示是由固体电光材料13构成的一维调制阵列。这里采用的是固体电光材料，不是液晶。虽然通常固体电光材料的电-光效应比液晶的电-光效应小。但响应的速度高得多。扫描光束随机变换指向时，其变换速度高达10^-12秒。由于采用固体电光材料，在图6和图7中已没有图5中的前窗14和后窗15。这是因为固体电光材料能保持自己的形状。图6所示，调制单元中的电场方向Z平行于光传播的方向19，这是纵向调制阵列。控制电极17和公共电极16直接贴在电光材料13上。电极是透明的。图7所示是横向调制阵列。调制单元中的电场方向Y垂直于光的传播方向19。各调制单元由条状的电光材料13以及两侧面的电极17和16构成。调制单元相互迭在一起，它们之间夹有一层绝缘层26。图6或图7所示结构配置透镜阵列后可构成不规则相控阵。

图8是相控阵中一个调制单元配置透镜23的例。透镜有一个焦点27。由图8可知，焦点在光轴28上，但不一定是在透镜周边的几何中心以及调制单元的几何中心29上。由图8可看出透镜几何中心与光轴的区别。正如图8所特意表示的那样，透镜可以是不对称的，而且，一般是不对称的。透镜的焦点27就是相控单元的有效位置。不规则相控阵的主要特点是相控单元的有效位置作不规则排列。透镜甚至还可以放置在调制单元的另一面，如图9所示。

3.二维不规则相控阵：

图5示意的一维相控阵是由一个一维调制阵列和一个一维透镜阵列组成。其透镜可以是柱面透镜；各柱面镜的焦线一般位于同一个平面上。一维相控阵可将光束在一个方向上偏转，即，实现光束的线扫描。如要求实现光束在两个方向上偏转，实现光束的面扫描，则需要用二维相控阵。当相控阵为二维时，其调制阵列和透镜阵列均是二维阵列。

现列举数种二维调制阵列的结构于下：

图10示意两个一维调制阵列12，其条状电极的方向相互垂直。由它们串列构成一个二维调制阵列，配置了个二维透镜阵列23，就构成一个二维相控阵列。其中二维调制阵列的每个调制单元是由两个一维(条状)调制单元在光的传播方向上相交、重合的部分构成。两个一维调制阵列中的任意一个调制阵列使光在第一维方向上偏转。另一个一维调制阵列使光在第二维方向上偏转。控制光束向两个方向偏转的两组控制信号分别地施加于两组一维调制阵列。图10所示是一维纵向调制阵列，同样也可以采用一维横向调制阵列构造一个二维相控阵列。此外，当一维调制阵列包含子阵列时，按图10所示构成的二维调制阵列也就自然地包含了二维子阵列(详见后述)。

图11是另一种构成二维调制阵列的方法。两组条状的控制电极17，排列方向相互垂直，分设在电光材料13的两面，构成一个二维调制阵列。这个二维调制阵列的每个调制单元由两个相交的条状电极重合的部分以及其间的电光材料构成。配一个二维透镜阵列，便构成一个二维相控阵。两组控制线分别连接到这两组控制电极上，使光作二维的偏转。在图11中的二维调制阵列与图10的二维调制阵列本质上是一样的，但是，图11中的二维调制阵列结构较紧凑。图11与图10作比较，传送到两组控制电极上的信号的特征是相同的，只是图11的这两组信号的极性彼此相反。当然，用非零电位作这两组控制信号的参照电位也未偿不可。

显然，图10或图11所示的二维调制阵列的每个调制单元并不是完全独立的，因为控制器向两组条状控制电极传送信号，而不是向每个调制单元分别传送单独的信号。但图10或图11结构的优点是在两个方向(二维)上的控制信号彼此独立，并减少了控制线的数目。此二维调制阵列，其两组控制信号各自需要产生最大相位位移相应于一个波长的相位角(2π)。因而一个二维调制阵列相控单元所需的最大相位位移相应于两个波长的相位角，即4π。

另一种二维调制阵列的实施不同于图10或图11中那样的条状控制电极的方案，而是对每个调制单元分别传送信号，进行独立地控制。这样设置时，每个相控单元的最大相位位移只需要2π就可以了。而且能使光束在三维空间中聚焦。

图12、13、14示意对每个调制单元可单独控制的二维调制阵列，配上透镜阵列后，构成二维相控阵。

图12示意二维调制阵列。入射光18来自“X”方向。调制阵列采用了横向相位调制方式。对调制单元施加控制的电场在“Z”方向。电场方向与入射光的方向垂直。控制电场是由控制电极17和公共电极16的电位差产生的。所有的调制单元均可被独立地控制。由此构成的不规则相控阵能够将光束在三维空间中聚焦。此装置的调制阵列有数层。在各层间有绝缘层26，隔离各层调制阵列的电极。此阵列采用的电光材料13是固体电-光材料。

图13示意另一种二维调制阵列。各相控单元均可独立地控制。此阵列采用纵向相位调制方式。调制阵列中控制信号的电场方向与入射光18的方向平行，光从X方向进入阵列，而控制信号的电场方向也是X。此结构中，公共电极16，控制电极17，以及连接各电极的导线都是透明的。控制导线20的接线与控制电极17之间用透明的绝缘层26隔开。它使每一控制导线20仅与某一个调制单元的控制电极17接通。

图14，也是一个二维纵向调制阵列，示意16个调制单元。图14与图13所示的构造类似。唯一不同的是控制导线20的接线是从调制单元之间的缝隙里引出。

4.不规则阵列中相控单元的排列方法

在上述相控单元中，透镜的焦点就是该相控单元的有效位置。焦点阵列27(例如，图5所示)就是有效位置的阵列。通过移动透镜焦点的位置，就可以实现相控单元有效位置的不规则排列。因此可以这样：相控单元本身的几何位置作规则排列而其有效位置作不规则排列。即实际构造的是虚拟等效点光源的不规则阵列。调制阵列可以作规则的排列。透镜的几何位置也可作规则排列。可以仅仅通过平移透镜23的光轴28(图8，图9)，变化焦点的位置，从而使焦点呈不规则排列。这种排列的方法由于相控单元的几何位置作规则排列，简化调制阵列12的制造，并提高了整个不规则相控阵装置的效率。

如果相位调制单元有效位置可变化范围的幅度是d，则相邻的两调制单元之间，其有效距离(即，有效位置间的距离)的变化范围是0至2d。相邻相控单元之间的有效距离的变化范围能如此之宽，这正是不规则相控阵采用透镜阵列的优点之一。事实上，透镜的光轴并不一定非设置在调制单元的宽度范围之内。光学透镜的构造甚至可以将光轴移出其透镜周边范围之外。

另一种调制单元作不规则排列的方法是采用不规则尺寸的调制单元。这样，虽然也能使调制单元间的间隙维持不变，但是，调制阵列以及透镜阵列的构造变得复杂。

当相控单元本身几何尺寸与波长相当时，相控单元的几何中心即为相控单元的有效位置。此时无需采用透镜。并且，当相控单元间距离远大于光波波长时，可以让相控单元本身作不规则排列而实现不规则相控阵。

如前所述，不规则相控阵相邻相控单元有效位置之间的距离是在一定范围内分布的随机量。其数值可由计算机的随机数发生器(程序)生成。在相同条件下，相控单元有效位置的排列方式可以有许多种原则上是等效的排列方式。好的排列方式应使相控阵产生的背景辐射强度低而均匀。可用计算机模拟计算的方法从众多排列方式中选取最好的排列方式。

一维相控阵的有效位置作不规则徘列的情况较筒单。其相邻相控单元有效位置之间的距离是在一定范围内分布的随机量的取值。

二维相控单元的有效位置作不规则排列的方式包括两种。其一，相控单元的有效位置按行按列排齐，而行与行，列与列之间的距离按上述的不规则相控阵原理选取。即行距和列距是在一定范围内分布的随机量。这种方法尤其适用于由图10，图11所示的方法构成的二维相控阵。

另一种二维相控单元的有效位置作不规则排列的方式是各相控单元的有效位置作完全不规则的排列(不再按行按列排齐)。这种方法适用于由图12，图13，图14所示的方法构成的二维相控阵列。

不论相控单元的有效位置作怎样的不规则排列，就一个具体的不规则相控阵而言，各相控单元的有效位置是确切知道的，并以各相控单元的有效位置计算各相控单元间的相位关系并决定所需的相位调制。

5.子阵列的控制：

本发明进一步提出不规则相控阵的子阵列技术，以进一步简化不规则相控阵装置，简化控制器，并减少控制器和相控阵之间控制导线的数目。其方法是将相控阵分成为许多子阵列。各子阵列相互之间是相同的。这里的“相同”是指：各子阵列中相控单元有效位置的排列方式是相同的。但在各子阵列中的相控单元本身的几何位置的排列、形状、尺寸可以相同，也可以不同。甚至相控单元的数目可以相同，也可以不同。控制器对各子阵列实行平行控制。即各子阵列中相应相控单元的控制电极从控制器接收同样的控制信号。因此，各子阵中相应位置的相控单元，其控制电极的接线是并联的。

图15是以图5所示构造示意不规则相控阵子阵列方法的控制电极导线的联接。图中，子阵列30₁、30₂、...、30_m的控制电极17_1，1、17_2，1、...、17_m，1均并联在一条控制线17₍₁₎上，接受控制器的同一个控制信号。但在各子阵列中不同位置的相控单元则有各自的并联连接线，17₍₁₎、17₍₂₎、...、17_(n)。控制器经由各连接线对不同位置的各组相控单元进行相互独立的控制。

本发明设置每个子阵列有各自的公共电极。图15中16₁、16₂、...、16_m是各子阵列30₁、30₂、...、30_m的公共电极。控制器可对每个子阵列的公共电极进行分别地控制。这与在先技术中子阵列的设置及控制方法是不同的。

在子阵列中，如果以零电位作参照电位，则加在各调制单元控制电极上的电位从零变化到某一正值，而加在公共电极上的电位从零变到某一负值。加在各控制电极上的控制信号使各子阵列中相应位置的调制单元对光线相位产生相同的调制。而加在各子阵列公共电极上的控制信号使各子阵列中的每个相控单元再产生一附加的相位调制，使各子阵列相互之间输出的光的相位彼此吻合。以上，如果将公共电极和控制电极的正负极性反置，或用其它不为零的电位作参照电位，本质上是同样的。

因此，本发明的子阵列方法同时具有平行控制各子阵列和独立控制各子阵列的能力。图16示意本发明对子阵列的控制方法。横座标表示子阵和调制单元的位置。纵座标表示三个相邻子阵30₁、30₂、30₃之间以及各相控单元之间的相位关系。在设定的方向上，各子阵列内的各相控单元发出的光是同相的，但是各子阵列之间在设定方向上输出的光线却不一定是同相的。本发明中，各子阵列的公共电极是分别控制的，因而可以分别调整各子阵列的公共电极16₁，...，16_n的电位(图15)，使该子阵列的相位阶梯状图线22上下平移(图16)，直至各子阵列之间输出的光在设定的方向上相位彼此吻合。如图16所示，本发明的方法总能将相邻子阵列的相邻两调制单元间的相位差调控成β＝0，或β＝2π(β参见图4)。图16示意子阵列30₂的曲线22的形状未变，但已向上平移。图中1_1，2和1_2，3处阶梯状曲线连贯吻合。调制单元所需的相位位移的可调范围相应增加相当于1个光波波长的相位，即2π。

在不规则相控阵中相控单元的有效位置作不规则排列。图17示意的是本发明的子阵列的控制方法在不规则相控阵中的应用。横座标代表相控单元的有效位置。纵座标示意三个相邻子阵30₁、30₂、30₃的各相控单元的相位关系。不规则相控阵反映在图中，示意阶梯的长短，高度互不相同。但是，各子阵列的阶梯状曲线22形状是相同的，除最后一个阶梯的长度外。最后一个阶梯的长度被绘不同以示意不规则子阵列在母阵中的不规则排列(详见后述)。此外，图中还示意各子阵列的波阵面46彼此吻合。本发明的子阵列控制方法既可用于规则相控阵，也可用于不规则相控阵。

上述用控制各子阵列的公共电极的方法实现各子阵列输出的光在设定的方向上相位彼此吻合可用干图5，图6，图7所示的一维相控阵；以及如图10所示的由两个具有条状控制电极的一维调制阵列构成的二维相控阵。对图11所示的二维相控阵，可采用子阵列相位补偿调制器的方法，如图18所示。每个子阵列再设置一与其相配的子阵列相位补偿调制器31，用来平移如图16所示的阶梯线，以实现各子阵列间的相位吻合。子阵列相位补偿调制器的结构与图11所示的二维调制阵列相同，但其条状电极的宽度与子阵列的尺寸相当。控制方法也与图11所示的二维调制阵列相同，即一组电极用来实现一个方向上(与此电极排列方式一致的)子阵列间相位的吻合，另一组电极用来实现另一个方向上子阵列间相位的吻合。图19示意采用上述方法的一个二维调制阵列12，以及与其相配的子阵列相位补偿调制器(阵列)42。图19包含九个二维子阵列；每个二维子阵列包含九个调制单元。17(x1)，17(x2)，17(x3)是控制光束在x方向偏转的控制信号线。17(y1)，17(y2)，17(y3)是控制光束在y方向偏转的控制信号线。子阵列相位补偿调制器(阵列)42由电极38和在电极之间的电光材料构成。16(x1)，16(x2)，16(x3)是与控制光束在x方向偏转的控制信号相应的子阵列相位补偿调制器的控制信号线。16(y1)，16(y2)，16(y3)是与控制光束在y方向偏转的控制信号相应的子阵列相位补偿调制器的控制信号线。图19所示的构造配置一个由八十一个透镜组成的透镜阵列即可构成一个八十一个相控单元的相控阵。这八十一个透镜也相应组成九个子阵列，每个子阵列九个透镜。在此附加说明：子阵列的数目和子阵列中的相控单元的数目不一定要相等，也可以根据相控阵中相控单元的总数作其它种可行的组合，

图18所示的子阵列相位补偿调制器的方法也可用于图5，图6，图7所示的一维相控阵。图20示意一个带子阵列相位补偿调制器(阵列)43的一维调制器阵列12。图20示意包含三个一维子阵列，每个子阵列有三个相控单元。用图20所示的子阵列相位补偿调制器的方法时，各子阵列的公共电极就不必再单独控制了，因此，整个调制阵列只要一个公共电极16便可。图20所示的子阵列相位补偿调制器的方法也可用于图10所示的二维相控阵。由子阵列组成的二维相控阵也可以由两个图20所示的带子阵列相位补偿调制器的一维条状调制阵列，按图10所示的方法构成。此时，每个二维相控阵子阵列实际上拥有两个子阵列相位补偿调制器。由子阵列组成的二维相控阵也可由图10所示的二维相控阵加上(串列)图19所示的子阵列相位补偿调制器(阵列)42构成。

图20是以纵向调制器为例。同样的，也可以用如图7所示的横向调制器构造调制阵列12和子阵列相位补偿调制器阵列42。当调制阵列是如图7所示的横向调制阵列时，子阵列相位补偿调制器阵列也可以采用与调制阵列同样的结构。只要将其调制单元按子阵列的大小一组组并联即可。如图21所示。将三个调制单元并联而构成一个子阵列相位补偿调制器阵列单元。用于由三个相控单元组成的子阵列。如图20所示的情形。

不论采用控制公共电极的方法还是子阵列相位补偿调制器的方法，控制信号本质上是一样的。这也是本发明的方法的优点之一。

需要说明，采用图19所示的二维子阵列相位补偿调制器阵列或采用两个图20所示的一维子阵列相位补偿调制器阵列相交串列而成的二维子阵列相位补偿调制器阵列时，对每个二维子阵列的“独立”控制还不是真正独立的(详见后述)。这样做的优点在于大大地减少了控制信号(线)的数目；可用于二维规则相控阵，以及二维规则排列的不规则子阵列的相控阵(即，子阵列中的相控单元呈不规则排列，而各子阵列彼此之间在母阵中呈规则排列。详见后述)。

以上叙述是以如图10、图11的条状调制阵列结构为例。然而，同样的控制方法也适用于如图12、13、14所示的调制阵列构成的二维不规则子阵列。

6.不规则相控阵子阵列的构造

本发明的不规则相控阵的子阵列技术包含两层含义。其一，不规则相控阵的子阵列本身是不规则阵列。其二，不规则相控阵的各子阵列彼此之间在母阵中也呈不规则排列。本发明在不规则相控阵原理下，应用虚拟等效点光源相控阵的概念，提出了构造不规则相控阵的子阵列的简便，可行的方法。如下：

再次说明，各子阵列中相控单元有效位置的排列方式是相同的，但是各子阵列中的相控单元本身的几何位置的排列，形状，尺寸可以相同，也可以不同。

为叙述方便，设相邻子阵列的，隔着边界相邻的两个相控单元，其有效位置之间的的距离称为：“有效间隔”。这也就是隔着子阵列的边界相邻的两个透镜的焦点间的距离。图22和23中，e1、e2、e3表示有效间隔。相邻子阵列间两个隔着边界相邻的相控单元，其边界之间的距离称之为“间隔”。图22，图23中，s1、s2、s3表示间隔。本发明子阵列中各有效间隔是不规则的。也就是：不仅各子阵列内相控单元的有效位置是不规则排列的，而且各子阵的有效阵列(即，子阵列中相控单元有效位置的阵列)之间在母阵中的排列也是不规则的。各子阵的有效阵列之间作不规则排列，其实施的方法示例于图22和图23。这是两种各有优点的排列方法。

图22，在各子阵列中透镜光轴28的位置是相同的。也就是说：各子阵列中，由透镜阵列形成的虚拟等效点光源不规则阵列相对于相控单元的位置是固定的。即，光轴28相对于调制单元中轴29的位置(见图8)，在各子阵列中是一样的，即i＝j＝k。而子阵列之间的有效间隔e1、e2、...、等作不规则排列则是通过变化子阵列之间的间隔来实现的，即s1≠s2≠s3。另一种实施各子阵列不规则排列的方法见图23。子阵列之间的间隔保持为常数，即s1＝s2＝s3。子阵列之间有效间隔作不规则排列是通过调整透镜阵列的光轴28的位置来实现的。即各子阵列中由透镜形成的虚拟等效点光源不规则阵列相对于调制阵列的位置是不固定的，各子阵列之间是互不相同的，i≠j≠k。

采用子阵列技术，使控制导线的数目大为减少。例如，一个1024个相控单元的阵列分成32个子阵列，每个子阵列有32个相控单元。32条控制线用来平行控制各子阵列中的32个调制单元中的控制极；另外32条控制线用来分别控制32个子阵列的32个公共电极。(采用子阵列相位补偿调制器的方法时，也一样，32条控制线用来平行控制各子阵列中的32个调制单元；另外32条控制线用来分别控制32个子阵列的32个子阵列相位补偿调制器)。总的控制线是32+32＝64条。如果不采用本发明的子阵列，则1024个调制单元需要1024条控制线。

下面对二维的不规则排列的不规则子阵列作进一步阐述。图24示意一个二维的不规则排列的不规则子阵列的例子。图中所示包括九个二维不规则子阵列。每个子阵列有九个相控单元。此二维阵列或用图11所示的方法，由两组相互交叉的条状电极构成；或用图10所示的方法，由两组相互交叉的具有条状控制电极的一维调制阵列构成。17(X1)，17(X2)，17(X3)是控制光束在X方向上偏转的控制信号线；17(Y1)，17(Y2)，17(Y3)是控制光束在Y方向上偏转的控制信号线。图中示意的条状电极(或具有条状电极的调制单元)41分成三组(一维子阵列)30_x1，30_x2，30_x3和另三组(一维子阵列)30_Y1，30_Y2，30_Y3。图中由三横三竖的虚线相交的九个黑点代表一个二维子阵列中的九个相控单元的有效位置。40_1，1，40_1，2，40_2，1......等代表各二维子阵列。正如图中所示，各二维子阵列中的相控单元的有效位置的排列方式是相同的，而各二维子阵列之间的排列是不规则的。此例中，各二维子阵列中的相控单元的有效位置在子阵内按行按列排齐，而行列之间的距离是不规则的。

此时，对二维子阵列的“独立”控制必须是真正独立的。可采用图25示意的方法对各子阵列进行真正独立的控制。图25中的子阵列相位补偿调制器(阵列)45由控制电极44，公共电极39，以及在这两电极间的电-光材料构成子阵列相位补偿调制器。每个子阵列相位补偿调制器的尺寸与相配的子阵列相当。图19中的子阵列相位补偿调制器阵列42可换成图25中的子阵列相位补偿调制器阵列45。图25中的子阵列相位补偿调制器阵列45也可以与图10所示的两个一维(条状电极)调制阵列串列。也可以在图10所示的结构上，将其中的一个一维(条状)调制阵列的公共电极改换成图25所示的子阵列相位补偿调制器阵列45中控制电极44那样的电极。使每个二维子阵列有一个完全独立的公共电极。对子一个1000×1000相控单元，即一百万个相控单元组成的二维不规则相控阵，可分成100个子阵列，每个子阵列包含100×100相控单元，即一万个相控单元。这样就可用100条控制线平行控制各子阵列中的100个(条状)控制电极，操纵光束作X方向的偏转；用100条控制线平行控制各子阵列中的另100个(条状)控制电极，操纵光束作Y方向的偏转，再用100条控制线控制各子阵列的子阵列相位补偿调制器(或公共电极)以实现各子阵列之间的光相位的吻合。控制信号(线)总数是300条。若不采用本发明的子阵列技术，则需二千条控制信号(线)。若不采用本发明用的条状(电极)结构，则需一百万条控制线！

7.反射式不规则相控阵

前面的叙述是以透射式不规则相控阵为例。本发明提出的一系列原理，概念和方法同样也适用于反射式不规则相控阵。这里仅叙述反射式不规则相控阵的特点，与前面所叙的内容相似的部分将不再重复。

图26示意反射式不规则相控阵的一种工作方式。光束18由光源33垂直入射，并穿过调制阵列12，被相配于调制阵列的反射镜阵列32反射，再次通过调制阵列12，并且被反射镜会聚，在反射镜的焦点位置上形成虚拟等效点光源不规则相控阵列。通过调节各相控单元发出的光的相位，使相控阵向设定的方向(譬如，屏幕34)输出光束。这里，与透射式不规则相控阵一样，各相控单元的有效位置是由反射镜的焦点定义的，各相控单元的有效位置一般不与各相控单元的几何中心位置重合。与前面所述的透镜类似，反射镜一般也是不对称的。图27进一步示意反射式不规则相控阵的构造。入射光18穿过调制阵列12，被反射镜32反射并聚焦在焦点36。于是在焦点36形成了虚拟等效点光源相控阵列。

由于光线两次通过光相位调制器，在其它条件相同的情况下，相位调制器的厚度只需透射式相控阵的一半，或者，控制信号的电压只需透射式相控阵的一半。

由于光源位于反射式不规则相控阵的正前方，为避免反射式不规则相控阵的输出光束受遮档，可将输出光束的扫描范围偏向一边，如图26所示，偏向上方。在这种情况下，可将反射镜适当偏转以提高反射式不规则相控阵的效率。方法如图28所示。需要指出，严格地讲此时图28中的36是光线汇聚的点，并非反射镜的焦点。现为叙述简明起见，此处略去其差别。图28中反射镜的光轴35与相控阵的法线49成一交角。使从各相控单元发出的光的发散范围与相控阵的扫描范围相适应。也就是说，一般情况下反射镜的光轴不仅不与相配的调制器的几何中心轴重合，而且也不与其平行。

所用的反射镜并非一定是图27或图28所示的凹面镜，它也可以是平面镜与透镜，光栅等的组合。它们用于本发明时，在原理或结构上与凹面镜并无区别。与前述的透镜的方法类似，通过改变反射镜的光学参数，如焦距，孔径等可以控制各相控单元的光的发散角。

前面所述的调制阵列的所有方法均可用于反射式不规则相控阵，包括，一维阵列及各种二维阵列。前面所述的子阵列的各种方法也均可用于反射式不规则相控阵。不再一一复述。

8.相控发光元件阵列

本发明提出的不规则相控阵原理以及虚拟等效点光源相控阵列的概念和方法可用于构造相控发光元件阵列。前面叙述的相控阵，是以空间分布的调制器对光源来的一束光进行调制为例。其各相控单元本身并不发光，而仅仅是对从光源来的光作相位调制而已。如前所说，在先相控阵技术要求相控单元间距离小于半个波长(或一个波长)。以波长0.5微米的可见光为例，即相控单元间距离必须小于0.25微米，因而，相控单元的尺寸必须小于0.25微米。在这样的情况下，构造由相控发光元件组成的光相控阵，在目前的技术水平下是不可能的。本发明的方法可以使相控单元间距离不受波长的限制，可以是波长的几百倍，几千倍，甚至更大，因而，相控发光元件之间有足够的空间来构造控制相控发光元件发出的光的相位的结构和电路，使构造由相控发光元件组成的光相控阵成为可能。

相控发光元件是指发出的光的相位可以控制的发光元件，包括各种激光器，光放大器、光纤激光器，以及激光二极管等。大孔径的相控阵可由分立的，包括相控发光元件的相控单元组成。小孔径的相控阵可用微电子技术(譬如，光刻)将发光元件，控制发光元件的结构和电路集成在一起而成。

图29，30，31示意由相控发光元件构成的不规则相控阵。图29示意小尺寸发光元件37构成的不规则相控阵。当光源尺寸与波长相当时，发出的光显著发散，因此可以不用透镜。不规则相控阵阵列由发光元件本身的不规则排列而构成。由于光源本身能控制其发出的光的相位，就不需要如前面所叙的那种光相位调制器了。当发光元件37发出的光束尺寸较大时需要用透镜23来使光发散，如图30所示。可按前面所叙的虚拟等效点光源的方法来构成不规则相控阵。出于和上段所说同样的理由，无需前面所叙的那种光相位调制器了，

若发光元件的相控能力不足，譬如，各发光元件发出的光彼此只能维持固定的相位关系，或者甚至固定的相位关系也不能维持，则可使用前面所叙的那种光相位调制器12，如图31所示。当发光元件自身不能长期维持相互间固定的相位关系时，只要单个发光元件的相位在一段时间内足够稳定，仍然可以采用图31所示的方法。在这种情况下，可定时或随机测取各发光元件发出的光的相位关系的变化，动态地补偿各发光元件发出的光的相位关系随时间而发生的漂移。

前面描述的各种不规则相控阵的方法，包括相控单元的排列方法，虚拟等效点光源的方法和子阵列的种种方法均可应用于构造由相控发光元件组成的不规则相控阵。由于其显而易见，这里不再一一复述。

上面从八个方面说明了本发明的特征和优点：1.不规则相控阵的原理；2.透镜阵列与虚拟等效点光源相控阵；3.二维不规则相控阵；4.不规则阵列中相控单元的排列方法；5.子阵列的控制；6.不规则相控阵子阵列的构造；7.反射式不规则相控阵；8.相控发光元件阵列。其中已经包括了实施本发明的实例说明以便解释本发明。本发明不仅仅局限于上述的几种形式。根据本发明提出的原理和方法而对上述的几种形式做些变化，修改，对有适当技能的人，是很显而易见的。譬如，可将多个调制阵列重叠以降低调制阵列所需的驱动电压。本发明涵盖基于本发明内容实质的各种变化，修改或相当的方法和装置。

对本说明书的附图说明如下：

图1，在先技术规则相控阵装置一种体现形式的剖面示意；

图2，说明相控阵技术向θ方向输出光束的原理；

图3，说明相控阵技术中多光束问题；

图4，在先子阵列技术中相邻子阵间相位不连贯的情形；

图5，不规则相控阵装置的一种体现形式的部份相控单元的剖面示意；

图6，用固体电-光材料的纵向调制阵列示意；

图7，用固体电-光材料的横向调制阵列示意；

图8，不规则相控阵中一个调制单元及相配的透镜示意；

图9，另一种透镜的配置方法；

图10，两个一维调制阵列和一个二维透镜阵列构成一个二维相控阵列的实现形式；

图11，两组控制电极构成一个二维调制阵列的体现形式；

图12，采用横向相位调制方式，对各调制单元进行单独控制的二维调制阵列的一种体现形式；

图13，采用纵向相位调制方式，对各调制单元进行单独控制的二维调制阵列的一种体现形式；

图14，采用纵向相位调制方式，对各调制单元进行单独控制的二维调制阵列的另一种体现形式；

图15，不规则相控阵子阵接线方法的示意；

图16，相邻子阵间相位吻合的情形；

图17，不规则相控阵中相邻子阵间相位吻合的情形；

图18，用子阵列相位补偿调制器的子阵列方法；

图19，带子阵列相位补偿调制器的二维子阵列的构造示意图；

图20，带子阵列相位补偿调制器的一维子阵列的构造示意图；

图21，由横向调制器阵列构造子阵列相位补偿调制器阵列的一种方法；

图22，不规则相控阵子阵作不规则排列的实现方法；

图23，不规则相控阵子阵作不规则排列的另一种实现方法；

图24，二维不规则排列的不规则子阵列的排列示意图；

图25，二维不规则排列的不规则子阵列的子阵列相位补偿调制器阵列的构造示意图；

图26，反射式相控阵示意图；

图27，反射式相控阵原理示意图；

图28，反射式相控阵中光轴向上倾斜的反射镜工作原理示意图；

图29，小尺寸相控发光元件阵列；

图30，大尺寸相控发光元件及透镜阵列；

图31，大尺寸相控发光元件，调制器及透镜阵列。

(说明书全文完)

Claims

1.一种光相控阵装置，其特征包括由许多相控单元组成的不规则相控阵，所述的相控单元的有效位置，即在涉及相位关系计算时代表相控单元的几何点的位置，呈不规则排列，相邻相控单元间的平均距离远大于所述的相控阵装置所涉及的光波的波长；包括控制从所述的各相控单元发出的光的彼此间的相位关系，使光束射向设定方向的机构。

2.权利要求1所述的一种光相控阵装置，所述的不规则相控阵由许多不规则子阵列组成；各不规则子阵列由许多相控单元组成，各不规则子阵列的各相控单元的有效位置呈不规则排列。

3.权利要求2所述的一种光相控阵装置，所述的不规则子阵列的相控单元的有效位置的阵列彼此间在母阵中也呈不规则排列。

4.权利要求3所述的一种光相控阵装置，所述的子阵列包括对各子阵列平行控制的机构，及对各子阵列独立控制以实现各子阵列间光相位吻合的机构。

5.权利要求4所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元包括光相位调制器，所述的对各子阵列独立控制的机构包括各子阵列的调制器采用与其它子阵列独立的公共电极以及对各子阵列的公共电极独立控制的机构。

6.权利要求4所述的一种光相控阵装置，所述的对各子阵列独立控制的机构包括各子阵列设置子阵列相位补偿调制器的机构。

7.权利要求3所述的一种光相控阵装置，所述的各子阵列的相控单元的有效位置的阵列彼此间在母阵中呈不规则排列包括各子阵列相控单元本身几何位置在母阵中呈不规则排列。

8.权利要求3所述的一种光相控阵装置，所述的各子阵列的相控单元的有效位置的阵列彼此间在母阵中呈不规则排列包括子阵列间本身几何位置在母阵中基本上呈规则排列。

9.权利要求1所述的一种光相控阵装置，所述的不规则相控阵包括一维不规则相控阵。

10.权利要求1所述的一种光相控阵装置，所述的不规则相控阵是二维不规则相控阵。

11.权利要求10所述的一种光相控阵装置，所述的二维不规则相控阵包括两个一维调制阵列相交串列而构成的一个二维调制阵列。

12.权利要求11所述的一种光相控阵装置，所述的一维调制阵列包括纵向一维调制阵列和横向一维调制阵列两种中的至少一种。

13.权利要求10所述的一种光相控阵装置，所述的二维不规则相控阵包括由分别设置于电光材料两面，彼此相交的两组条状电极而构成一个二维调制阵列。

14.权利要求10所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元的有效位置呈不规则排列的机构包括相控单元的有效位置按行按列排齐而行与行、列与列间的距离呈不规则的排列机构。

15.权利要求14所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元本身的几何位置呈规则排列。

16.权利要求1所述的一种光相拉阵装置，所述的相邻相控单元间的距离是所述的相控阵装置所涉及的光波的波长的十倍以上。

17.权利要求16所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元的宽度是所述的相控阵装置所涉及的光波的波长的十倍以上。

18.权利要求17所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元包括光相位调制器，而光相位调制器的宽度是所述的相控阵装置所涉及的光波的波长的十倍以上。

19.权利要求1所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元包括相控发光元件。

20.权利要求1所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元的有效位置呈不规则排列包括相控单元本身的几何中心位置呈规则排列，而各相控单元的有效位置在各相控单元的几何中心周围一定的范围内，按相同的概率随机排列。

21.权利要求1所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元的有效位置呈不规则排列包括相控单元本身的几何位置呈不规则排列。

22.权利要求1所述的一种光相控阵装置，包括产生虚拟等效点光源阵列并由此定义相控单元的有效位置的机构。

23.权利要求22所述的一种光相控阵装置，所述产生虚拟等效点光源阵列并由此定义相控单元的有效位置的机构包括透镜阵列。

24.权利要求23所述的一种光相控阵装置，所述的透镜的机构包括透镜光轴与透镜几何中心不重合的机构。

25.权利要求23所述的一种构造光相控阵装置的机构，所述的透镜的机构包括由透镜控制光发散角的机构。

26.权利要求22所述的一种光相控阵装置，所述产生虚拟等效点光源阵列并由此定义相控单元的有效位置的机构包括反射镜阵列。

27.权利要求26所述的一种光相控阵装置，所述的反射镜的机构包括反射镜光轴与反射镜几何中心不重合的机构。

28.权利要求26所述的一种光相控阵装置，包括由所述的反射镜控制光发散角的机构。

29.权利要求26所述的一种构造光相控阵装置的机构，包括所述的反射镜的光轴与相控阵法线成一交角的机构。

30.一种光相控阵装置，其特征包括由许多相控单元组成的相控阵，相邻相控单元间的距高远大于所述的相控阵装置所涉及的光波的波长；各相控单元包括由电极和电极间的电-光材料构成的光相位调制器；包括各相控单元配置透镜或反射镜；包括用所述的透镜或反射镜产生具有给定发散角的等效点光源，以及由等效点光源定义相控单元的有效位置的机构；包括相控单元的有效位置呈不规则排列以消除相邻相控单元间的距离大于光相控阵装置所涉及的光波的波长时多光束翰出的现象的机构；包括控制从所述的各相控单元发出的光的彼此间的相位关系，使从各相控单元发出的光之间产生特定的干涉花样，从而使光束射向设定方向的机构。

31.权利要求30所述的一种光相控阵装置、所述的不规则相控阵由许多不规则子阵列组成；各不规则子阵列由许多相控单元组成，各不规则子阵列的相控单元的有效位置呈不规则排列；各子阵列的相控单元的有效位置的阵列彼此间在母阵中也呈不规则排列。

32.权利要求31所述的一种光相控阵装置，所述的子阵列的机构包括对各子阵列平行控制的机构，以及对各子阵列独立控制以实现各子阵列间光相位吻合的机构。

33.权利要求32所述的一种光相控阵装置，所述的对各子阵列独立控制的机构包括各子阵列的调制器采用与其它子阵列独立的公共电极以及对各子阵列的公共电极独立控制的机构。

34.权利要求32所述的一种光相控阵装置、所述的对各子阵列独立控制的机构包括各子阵列设置子阵列相位补偿调制器的机构。

35.权利要求31所述的一种光相控阵装置，所述的各子阵列的相控单元本身几何位置彼此之间在母阵中基本上呈规则排列。

36.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的透镜包括汇聚透镜和发散透镜二者中至少一种。

37.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元包括相控发光元件。

38.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的光相位调制器包括纵向调制器和横向调制器两种中的至少一种。

39.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的光相位调制器的宽度是所述的相控阵装置所涉及的光波的波长的十倍以上。

40.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的相邻相控单元间的距离平均是所述的相控阵装置所涉及的光波的波长的十倍以上。

41.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元的几何尺寸是所述的相控阵装置所涉及的光波的波长的十倍以上。

42.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的不规则相控阵包括一维不规则相控阵。

43.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的不规则相控阵是二维不规则相控阵。

44.权利要求43所述的一种光相控阵装置，所述的二维不规则相控阵包括由两个一维调制阵列相交串列而构成一个二维调制阵列。

45.权利要求43所述的一种光相控阵装置，所述的二维不规则相控阵包括由分别设置于电光材料两面，彼此相交的两组条状电极而构成一个二维调制阵列。

46.权利要求44所述的一种光相控阵装置，所述的一维不规则相控阵列包括纵向一维调制阵列和横向一维调制阵列两种中的至少一种。

47.权利要求43所述的一种光相控阵装置，包括相控单元的有效位置按行按列排齐而行与行、列与列间的距离呈不规则的排列。

48.权利要求30所述的一种光相控阵装置，包括相控单元本身的几何位置呈规则排列，而各相控单元的有效位置在各相控单元的周边内呈不规则排列。

49.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的透镜或反射镜的光轴与透镜或反射镜的几何中心不重合。

50.权利要求43所述的一种光相控阵装置，包括由子阵列构成的不规则相控阵，各子阵列中的各相控单元的有效位置按行按列排齐，而行与行、列与列间的距离呈不规则排列。

51.权利要求30所述的一种光相控阵装置，所述的反射镜的光轴与相控阵法线成一交角。

52.一种光相控阵装置，其特征包括由许多不规则子阵列组成的不规则相控阵；各子阵列由许多相控单元组成，各子阵列中相控单元的有效位置呈不规则排列，而相邻相控单元间的距高平均远大于所述的相控阵装置所涉及的光波的波长；包括控制从各相控单元发出的光的彼此间的相位关系，使光束射向设定方向的机构。

53.权利要求52所述的一种光相控阵装置、所述的各子阵列的相控单元的有效位置的阵列彼此间在母阵中呈不规则排列。

54.权利要求53所述的一种光相控阵装置，所述的各子阵列的相控单元本身几何位置彼此之间在母阵中呈不规则排列。

55.权利要求53所述的一种光相控阵装置，所述的子阵列的相控单元本身几何位置彼此之间在母阵中基本呈规则排列。

56.权利要求52所述的一种光相控阵装置、包括平行控制各子阵列的机构和独立控制各子阵列以实现各子阵列间光相位吻合的机构。

57.权利要求56所述的一种光相控阵装置，所述的平行控制各子阵列的机构包括各子阵列相应相控单元的光相位调制器的控制电极被此并联的机构；所述的独立控制各子阵列的机构包括各子阵列的调制器采用独立于其它子阵列的公共电极并独立控制所述的各子阵列公共电极的机构，以及采用各子阵列相位补偿调制器的机构二者中至少一种。

58.权利要求52所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元本身的几何位置呈规则排列。

59.权利要求52所述的一种光相控阵装置，包括许多二维不规则子阵列组成的二维不规则相控阵。

60.权利要求59所述的一种光相控阵装置，所述的各二维不规则子阵列的相控单元的有效位置按行按列排齐而行与行，列与列间的距离呈不规则的排列。

61.权利要求52所述的一种光相控阵装置，包括各子阵列单独配置一光源的机构。

62.权利要求52所述的一种光相控阵装置，所述的相控单元有效位置由透镜所产生的等效点光源定义。

63.权利要求62所述的一种光相控阵装置，所述的透镜的机构包括透镜的光轴与透镜的几何中心不重合的机构。

64.权利要求62所述的一种光相控阵装置，所述的透镜的机构包括由透镜控制光发散角的机构。

65.权利要求61所述的一种光相控阵装置，所述的定义相控单元有效位置的机构包括由反射镜定义相控单元有效位置的机构。

66.权利要求65所述的一种光相控阵装置，所述的反射镜的机构包括反射镜光轴与反射镜几何中心不重合的机构。

67.权利要求65所述的一种光相控阵装置，所述的反射镜的机构包括由反射镜控制光发散角的机构。

68.权利要求66所述的一种构造光相控阵装置，所述的反射镜的机构包括反射镜的光轴与相控阵法线成一交角的机构。

69.一种光相控阵装置，其特征包括产生虚拟等效点光源阵列的机构，包括控制等效点光源的光的发散角的机构；包括对所述的等效点光源进行光相位调制，使从各等效点光源发出的光之间产生特定干涉花样，从而使光束射向设定方向的机构。

70.权利要求69所述的一种光相控阵装置，所述的产生虚拟等效点光源阵列的机构包括由许多透镜或反射镜组成的透镜阵列或反射镜阵列的机构。

71.权利要求70所述的一种光相控阵装置，所述的虚拟等效点光源呈不规则排列而组成不规则相控阵以消除相邻相控单元间的距离大于光相控阵装置所涉及的光波的波长时多光束输出的现象。

72.权利要求69所述的一种光相控阵装置，所述的对虚拟等效点光源进行光相位调制的机构包括光相位调制器和相控发光元件两种中至少一种。

73.权利要求71所述的一种光相控阵装置，所述的相邻虚拟等效点光源间距高平均是所涉及的光波波长的十倍以上。

74.权利要求71所述的一种光相控阵装置，所述的虚拟等效点光源组成不规则相控阵的机构包括透镜或反射镜本身呈规则排列，而其焦点位置呈不规则排列的机构。

75.权利要求74所述的一种光相控阵装置，包括所述的透镜或反射镜的光轴与透镜或反射镜的几何中心不重合。

76.权利要求70所述的一种光相控阵装置，所述的透镜或反射镜控制等效点光源的发散角。

77.权利要求74所述的一种光相控阵装置，所述的反射镜的光轴与相控阵法线成一交角。

78.权利要求71所述的一种光相控阵装置，所述的虚拟等效点光源组成二维不规则相控阵。

79.权利要求78所述的一种光相控阵装置，包括所述的虚拟等效点光源的位置按行按列排齐而行与行、列与列问的距离呈不规则的排列。

80.权利要求69所述的一种光相控阵装置，包括许多由虚拟等效点光源组成的，排列方式相同的许多不规则子阵列，各不规则子阵列中虚拟等效点光源呈不规则排列。

81.权利要求80所述的一种光相控阵装置，包括所述的各子阵列彼此间呈不规则排列。

82.权利要求81所述的一种光相控阵装置，所述的对等效点光源进行光相位调制的机构包括对各子阵列中相应单元平行控制的机构和对各子阵列独立控制的机构。

83.权利要求82所述的一种光相控阵装置，所述的对各子阵列独立控制的机构包括各子阵列采用具有独立公共电极的光相位调制阵列以及对各子阵列的公共电极独立控制的机构，和各子阵列采用子阵列相位补偿调制器的两种机构中至少一种机构。

84.权利要求78所述的一种光相控阵装置，所述的对虚拟等效点光源阵列进行光相位调制的机构包括与虚拟等效点光源阵列相配的二维调制阵列。

85.权利要求84所述的一种光相控阵装置，所述的二维调制阵列包括由两个一维调制阵列相交串列而构成的一个二维调制阵列。

86.权利要求84所述的一种光相控阵装置，所述的一维调制阵列的包括纵向调制阵列和横向调制阵列两种中的至少一种。

87.权利要求84所述的一种光相控阵装置，包括由分别设置于电光材料两面，彼此相交的两组条状电极而构成一个二维调制阵列。