CN110031967B - 光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法 - Google Patents

光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明光学技术领域，公开一种光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法，以解决传统光束偏转所导致的盲区问题。本发明光束扫描方法包括：在光路上部署光束转换装置和至少两级上述的光学镜片组；由所述光束转换装置将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组；由旋转装置驱动相应的光学镜片组旋转，进而带动偏振光栅衍射角及楔形棱镜旋转，使得各级出射光随相应光学镜片组旋转而发生连续扫描；其中，各级光学镜片组在特定的至少一组相对位置上，使得最终出射至扫描物体的光束不发生偏转以实现无盲区扫描。而在扫描完盲区之后，通过镜片组之间的相对位移变化而切换到其他区域的扫描。

Description

光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法。
背景技术
近年来,有关光束偏转与扫描越来越引起各界的关注，一直是当代研究的热点。光束偏转技术在生产、生活等各个方面均有着非常关键的作用。包含：激光雷达、激光加工、激光通讯等多个领域，因此光束偏折与扫描器的研究具有重要的现实意义。
现有技术中，常采用电机转动棱镜的方式来控制光束偏折的方向，但该技术面临一个最大的问题是扫描中心区域存在一片中心盲区。本发明提供了一种解决该问题的方案。
发明内容
本发明目的在于公开一种光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法，以解决传统光束偏转所导致的盲区问题。
为达上述目的，本发明公开一种光学镜片组，包括：
楔形棱镜及与所述楔形棱镜垂面(所谓垂面即截面图像中与上下两边相垂直的连线所在的面)贴合成一体以进行同步旋转的偏振光栅；
其中，所述偏振光栅通过控制材料的结构周期排布实现光束衍射及偏转；且透射光谱集中在一级衍射级，出射光束偏转角为光束入射角、楔形棱镜光束偏转角以及偏振光栅衍射角三者的矢量叠加。
为达上述目的，本发明还公开一种光束扫描器，包括至少一级上述的光学镜片组，以及在光源与最近的一级光学镜片组之间还设置有：
光束转换装置，用于将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组。
为达上述目的，本发明还公开一种光束扫描方法，包括：
在光路上部署光束转换装置和至少两级上述的光学镜片组；
由所述光束转换装置将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组；
由旋转装置驱动相应的光学镜片组旋转，进而带动偏振光栅衍射角及楔形棱镜旋转，使得各级出射光随相应光学镜片组旋转而发生连续扫描；
其中，各级光学镜片组在特定的至少一组相对位置上，使得最终出射至扫描物体的光束不发生偏转以实现无盲区扫描。
本发明具有以下有益效果：
将偏振光栅与楔形棱镜组合成镜片组以应用于需要光束偏转的场景，如本发明的光束扫描。其中，在将该镜片组应用于光束扫描时，在偏振光栅与镜片组之间部署的光束转换装置的配套作用下，可以有效避免光源未经偏振态处理而直接入射偏振光栅所造成正负极耦合分布的两束衍射光的困扰，也避免了传统光栅需考虑其他多级衍射而需额外增加更复杂的多级衍射处理装置而造成的诸多不便。同时配合楔形棱镜本身的光束偏转特性，在传统意义上的盲区扫描时，由楔形棱镜对偏振光栅所导致的光束偏转予以纠偏，有效解决了单一种类器件扫描的中心盲区问题；而在扫描完盲区之后，通过镜片组之间的相对位移变化而切换到其他区域的扫描。
藉此，本发明将单态的左旋或右旋圆偏振光通过镜片组被偏转到特定方向，并通过旋转装置带动镜片组旋转而实现无盲区的光束扫描。结构简单实用，部署及操作非常便捷，整体性能得以显著提升。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的光束扫描器框架结构示意图。
图2是本发明实施例公开的两级镜片组解决盲区扫描所需条件的推导示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
本实施例公开一种光束扫描器及相应的镜片组。
本实施例光束扫描器包括至少一级光学镜片组，以及在光源与最近的一级光学镜片组之间还设置有：光束转换装置，用于将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组。
本实施例中，光学镜片组包括：楔形棱镜及与所述楔形棱镜垂面贴合成一体以进行同步旋转的偏振光栅。其中，偏振光栅通过控制材料的结构周期排布实现光束衍射及偏转；且透射光谱集中在一级衍射级，出射光束偏转角为光束入射角、楔形棱镜光束偏转角以及偏振光栅衍射角三者的矢量叠加。
可选的，所述光束转换装置至少包括1/4波片、以及置于所述光源与所述1/4波片之间的线性偏振片。其具体部署方式可采用下述的任意一种方案：
方案一、当所述光束转换装置具体用于将光源发出的光束转换成左旋圆偏振光提供给偏振光栅时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈45°夹角。
方案二、当所述光束转换装置具体用于将光源发出的光束转换成右旋圆偏振光提供给偏振光栅时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈-45°夹角。
具体可参照附图1，其中标引序号1、2、3分别指代线性偏振片、1/4波片和镜片组。其中，线性入射偏振光经过1/4波片转变为圆偏振光，再经过镜片组连续偏转至特定方向以实现相应目标物体表面的扫描，且随镜片组的旋转，带动偏振光栅衍射角及楔形棱镜旋转，使得各级出射光随相应光学镜片组旋转而发生连续扫描。
可选地，本实施例偏振光栅还用于：在偏转过程中将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光，或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光。优选地，所述偏振光栅的一级衍射级具体为：将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；或将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级。
可选的，本实施例偏振光栅光学性能改性材料可由液晶、液晶聚合物制成。或者，该偏振光栅光学性能改性材料可由金属超表面或介质超表面制成，其中，超表面是一种由一系列亚波长的人工微结构组成的超薄二维阵列平面，具有制作相对简单、损耗相对较低、体积小和厚度超薄等特性，可以实现对电磁波的振幅、相位、传播模式、偏振态等方面的有效调控。
本实施例中，为了避免传统扫描所存在的盲区问题，进一步的，本实施例可以两个或两个以上镜片组的组合来达成下述效果：
各级光学镜片组在特定的至少一组相对位置上，使得最终出射至扫描物体的光束不发生偏转以实现无盲区扫描。
参照图2，各自独立控制转速的两级光学镜片组分别间隔设置在光路上，相应的旋转装置分别用于驱动相应的光学镜片组以楔形棱镜的垂面做顺时针或逆时针旋转，且各级光学镜片组的旋转面平行。藉此，使得最终出射至扫描物体的光束不发生偏转以实现无盲区扫描的条件推到过程如下：
设定楔形棱镜楔角为θ1，θ2。
偏振光栅衍射角为α1，α2。
楔形棱镜光学材质折射率为n。
设定入射光线沿着楔形棱镜中心水平入射。
楔形棱镜剖面短边为l1，l4；长边为l2，l3。
两个楔形棱镜间距为D。
当光束平直入射且出射光束与入射光束共线时，则可以确定：
Figure BDA0002064255590000041
而基于折射定理，可以确定：
Figure BDA0002064255590000042
根据对角相等定理：
∠1＝∠2+∠3
Figure BDA0002064255590000043
Figure BDA0002064255590000044
基于偏振光栅衍射角特性：
∠4＝α1
基于平行定理：
Figure BDA0002064255590000045
则：
Figure BDA0002064255590000046
而基于偏振光栅衍射角特性：
∠6+∠7＝α2
而基于平行定理：
Figure BDA0002064255590000047
而利用对角相等定理可得：
Figure BDA0002064255590000051
基于对角定理和平行定理：
∠7＝∠9＝∠10
基于夹角定理：
∠10+∠11＝∠12
则：
Figure BDA0002064255590000052
即：
Figure BDA0002064255590000053
联合上述公式可得出相关的参数设计应满足：
Figure BDA0002064255590000054
Figure BDA0002064255590000055
可选的，本实施例的光束扫描器，当以两级光学镜片组为一个单元，各单元之间的排列方式一致，且各单元内的两个偏振光栅相邻设置。或者，当光学镜片组的整体数量为奇数时，不成单元的光学镜片组的排列方式与奇数级上的光学镜片组一致。
实施例二
与上述实施例所公开的镜片组及光束扫描器相对应的，本实施例公开一种光束扫描方法。
本实施例方法包括：
步骤S1、在光路上部署光束转换装置和至少两级上述的光学镜片组，其中，各级光学镜片组在特定的至少一组相对位置上，使得最终出射至扫描物体的光束不发生偏转以实现无盲区扫描。
步骤S2、由所述光束转换装置将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组。
步骤S3、由旋转装置驱动相应的光学镜片组旋转，进而带动偏振光栅衍射角及楔形棱镜旋转，使得各级出射光随相应光学镜片组旋转而发生连续扫描。
可选的，多级光学镜片组的部署方法为：
以两级光学镜片组为一个单元，各单元之间的排列方式一致，且各单元内的两个偏振光栅相邻设置；或者当光学镜片组的整体数量为奇数时，不成单元的光学镜片组的排列方式与奇数级上的光学镜片组一致。
综上，本发明上述各实施例所分别公开的光学镜片组、光束扫描器及其光束扫描方法，具有以下有益效果：
将偏振光栅与楔形棱镜组合成镜片组以应用于需要光束偏转的场景，如本发明的光束扫描。其中，在将该镜片组应用于光束扫描时，在偏振光栅与镜片组之间部署的光束转换装置的配套作用下，可以有效避免光源未经偏振态处理而直接入射偏振光栅所造成正负极耦合分布的两束衍射光的困扰，也避免了传统光栅需考虑其他多级衍射而需额外增加更复杂的多级衍射处理装置而造成的诸多不便。同时配合楔形棱镜本身的光束偏转特性，在传统意义上的盲区扫描时，由楔形棱镜对偏振光栅所导致的光束偏转予以纠偏，有效解决了单一种类器件扫描的中心盲区问题；而在扫描完盲区之后，通过镜片组之间的相对位移变化而切换到其他区域的扫描。
藉此，本发明将单态的左旋或右旋圆偏振光通过镜片组被偏转到特定方向，并通过旋转装置带动镜片组旋转而实现无盲区的光束扫描。结构简单实用，部署及操作非常便捷，整体性能得以显著提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光学镜片组，其特征在于，包括：
楔形棱镜及与所述楔形棱镜垂面贴合成一体以进行同步旋转的偏振光栅；
其中，所述偏振光栅通过控制材料的结构周期性排布实现光束衍射及偏转；且透射光谱集中在一级衍射级，出射光束偏转角为光束入射角、楔形棱镜光束偏转角以及偏振光栅衍射角三者的矢量叠加。
2.根据权利要求1所述的光学镜片组，其特征在于，所述偏振光栅还用于：在偏转过程中将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光，或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的光学镜片组，其特征在于，所述偏振光栅的一级衍射级具体为：
将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；或
将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级。
4.根据权利要求3所述的光学镜片组，其特征在于，各自独立控制转速的至少两级所述光学镜片组分别间隔设置在光路上，相应的旋转装置分别用于驱动相应的光学镜片组以所述楔形棱镜的垂面做顺时针或逆时针旋转，且各级光学镜片组的旋转面平行。
5.根据权利要求1至4任一所述的光学镜片组，其特征在于，所述偏振光栅光学性能改性材料由液晶、液晶聚合物制成。
6.根据权利要求1-4任一所述的光学镜片组，其特征在于，所述偏振光栅光学性能改性材料由金属超表面或介质超表面制成。
7.一种光束扫描器，其特征在于，包括至少一级如权利要求1至4任一所述的光学镜片组，以及在光源与最近的一级光学镜片组之间还设置有：
光束转换装置，用于将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组。
8.根据权利要求7所述的光束扫描器，其特征在于，所述光束转换装置至少包括1/4波片、以及置于所述光源与所述1/4波片之间的线性偏振片；其中：
当所述光束转换装置具体用于将光源发出的光束转换成左旋圆偏振光提供给偏振光栅时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈45°夹角；或者
当所述光束转换装置具体用于将光源发出的光束转换成右旋圆偏振光提供给偏振光栅时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈-45°夹角。
9.根据权利要求7或8所述的光束扫描器，其特征在于，以两级光学镜片组为一个单元，各单元之间的排列方式一致，且各单元内的两个偏振光栅相邻设置；以及
当光学镜片组的整体数量为奇数时，不成单元的光学镜片组的排列方式与奇数级上的光学镜片组一致。
10.一种光束扫描方法，其特征在于，包括：
在光路上部署光束转换装置和至少两级如权利要求1至6任一所述的光学镜片组；
由所述光束转换装置将光源发出的光束统一转换成左旋或右旋的圆偏振光提供给相邻一级的光学镜片组；
由旋转装置驱动相应的光学镜片组旋转，进而带动偏振光栅衍射角及楔形棱镜旋转，使得各级出射光随相应光学镜片组旋转而发生连续扫描；
其中，各级光学镜片组在特定的至少一组相对位置上，使得最终出射至扫描物体的光束不发生偏转以实现无盲区扫描。
11.根据权利要求10所述的光束扫描方法，其特征在于，所述光学镜片组的部署方法为：
以两级光学镜片组为一个单元，各单元之间的排列方式一致，且各单元内的两个偏振光栅相邻设置；以及
当光学镜片组的整体数量为奇数时，不成单元的光学镜片组的排列方式与奇数级上的光学镜片组一致。
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