CN113176554A - 一种光点阵生成结构及激光雷达结构 - Google Patents

一种光点阵生成结构及激光雷达结构 Download PDF

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Abstract

一种光点阵生成结构及激光雷达结构涉及非机械式光束调控技术领域，解决了现有光点阵生成系统复杂、体积较大、效率不高的问题，光点阵生成结构包括交替设置的液晶偏振光栅结构和液晶四分之一波片结构，液晶偏振光栅结构为N层，液晶四分之一波片结构为N‑1层，N＞1，液晶偏振光栅结构能够将入射到其上的光分别分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光；液晶四分之一波片结构能够将入射到其上的圆偏振光转换为线偏振光。激光雷达结构，包括激光光源、光点阵生成结构、阵列波片、电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组、四分之一波片薄膜、聚光透镜和探测器。本发明减小了光点阵生成结构的复杂度，能量利用率高。

Description

一种光点阵生成结构及激光雷达结构
技术领域
本发明涉及非机械式光束调控技术领域，具体涉及一种光点阵生成结构及激光雷达结构。
背景技术
激光雷达等非机械式光束调控技术领域，人们经常会遇到效率、探测距离、精度、体积功耗等方面的系统矛盾，利用光点阵扫描的手段可以同时大幅提高激光利用效率、增加探测距离、改善探测精度及大幅压缩扫描时间，是一种相对经济优良的光扫描方案。然而，当前光点阵的生成主要还是依赖于光纤阵列、液晶空间光调制器、MEMS等手段，普遍面临着生成系统复杂、体积较大、效率不高等问题，严重阻碍了其在激光雷达等非机械式光束调控技术领域的应用。基于光点阵的这一问题，激光雷达具有同样的问题。
发明内容
在此背景下，本发明提供一种光点阵生成结构及激光雷达结构。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种光点阵生成结构，包括交替设置的液晶偏振光栅结构和液晶四分之一波片结构，液晶偏振光栅结构为N层，液晶四分之一波片结构为N-1层，N为大于1的整数，液晶偏振光栅结构能够将入射到其上的光分别分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光；液晶四分之一波片结构能够将入射到其上的圆偏振光转换为线偏振光。
包括一种光点阵生成结构的激光雷达结构，还包括激光光源、阵列波片、电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组、四分之一波片薄膜、聚光透镜、探测器，所述激光光源发射的激光经过光点阵生成结构得到光点阵，光点阵经阵列波片转换为同一偏振态的光点阵，同一偏振态的光点阵经过电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组后角度发生偏转、再经四分之一波片薄膜得到线偏振光，线偏振光对探测目标进行扫描，扫描后的光束依次经过四分之一波片薄膜、电控液晶波片和液晶偏振光栅薄膜组、聚光透镜后入射至探测器。本发明的有益效果是：
本发明的一种光点阵生成结构是一种薄膜串联结构，结构简单实用，大幅减小光点阵生成系统复杂度、减小系统体积，利用液晶偏振光栅的高效率光衍射可实现光点阵的高效分光，能量利用率高。
本发明激光雷达结构，激光雷达结构基于一种光点阵生成结构，结构紧凑，整个雷达结构可实现高效率、远距离、高精度的目标探测，为激光雷达系统的小型化提供了可行思路。
附图说明
图1为本发明的一种光点阵生成结构在一维方向上的分光图。
图2为本发明的一种光点阵生成结构在二维方向上的分光图。
图3为本发明的激光雷达结构的结构与分光图。
图4为本发明的一种光点阵生成结构的4×4出射光点阵中子光束偏振态分布图。
图5为本发明的激光雷达结构的4×4阵列波片中波片分布图。
图中：1、基板，2、第一层取向膜一，3、第一层液晶偏振光栅薄膜，4、第一层取向膜二，5、第一层液晶四分之一波片薄膜，6、第二层取向膜一，7、第二层液晶偏振光栅薄膜，8、第二层取向膜二，9、第二层液晶四分之一波片薄膜，10、第三层取向膜一，11、第三层液晶偏振光栅薄膜，12、激光光源，13、光点阵生成结构，14、阵列波片，15、光点阵，16、第一基板一，17、第一导电薄膜，18、第一取向膜三，19、第一液晶材料，20、第二取向膜三，21、第二导电薄膜，22、第二基板一，23、第三基板一，24、第三取向膜三，25、第二液晶偏振光栅薄膜一，26、第四基板一，27、第三导电薄膜，28、第四取向膜三，29、第二液晶材料，30、第五取向膜三，31、第四导电薄膜，32、第五基板一，33、第六基板一，34、第六取向膜三，35、第二液晶偏振光栅薄膜二，36、第七基板一，37、第七取向膜三，38、四分之一波片薄膜，39、聚光透镜，40、探测器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种光点阵生成结构，包括的N层液晶偏振光栅结构和N-1层液晶四分之一波片结构，N为大于1的整数。液晶偏振光栅结构和液晶四分之一波片结构交替设置，光点阵生成结构的两端为液晶偏振光栅结构。
液晶偏振光栅结构用于将入射到其上的光分别分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光；液晶四分之一波片结构用于将入射到其上的圆偏振光转换为线偏振光。具体为自然光和/或线偏振光的入射光入射到第一层液晶偏振光栅结构上，第一层液晶偏振光栅结构将入射到其上的每一束光束都分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光，然后入射到第一层液晶四分之一波片结构上，第一层液晶四分之一波片结构将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为线偏振光，该线偏振光入射到第二层液晶偏振光栅结构上，第二层液晶偏振光栅结构将入射到其上的每一束线偏振光都分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光，再入射到第二层液晶四分之一波片结构上，第二层液晶四分之一波片结构将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为线偏振光，第三层液晶偏振光栅结构将入射到其上的每一束线偏振光都分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光，……，第N-1层液晶四分之一波片结构将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为线偏振光，第N层液晶偏振光栅结构将入射到其上的每一束线偏振光都分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光，第N层液晶偏振光栅结构出射的光构成一个光点阵，最终生成这个光点阵的偏转角数量为2N个。
光点阵生成结构包括用于承载所述液晶偏振光栅结构和液晶四分之一波片结构的基板1。液晶偏振光栅结构包括取向膜一和连接液晶偏振光栅薄膜，取向膜一用于诱导液晶偏振光栅薄膜的液晶分子取向，液晶偏振光栅薄膜厚度满足半波条件；液晶四分之一波片结构包括取向膜二和连接取向膜二的液晶四分之一波片薄膜，取向膜二用于诱导液晶四分之一波片薄膜的液晶分子取向。第一层液晶偏振光栅结构的取向膜一连接基板1。第i-1层取向膜二连接第i-1层液晶偏振光栅薄膜，第i层取向膜一连接第i-1层液晶四分之一波片薄膜，i为大于1小于等于N的整数。取向膜一和取向膜二统称为取向膜，取向膜的数量为2N-1层，液晶四分之一波片薄膜数量为N-1层。
以N＝3的光点阵生成结构为例，如图1所示，一种光点阵生成结构包括顺次设置的基板1、第一层取向膜一2、第一层液晶偏振光栅薄膜3、第一层取向膜二4、第一层液晶四分之一波片薄膜5、第二层取向膜一6、第二层液晶偏振光栅薄膜7、第二层取向膜二8、第二层液晶四分之一波片薄膜9、第三层取向膜一10、第三层液晶偏振光栅薄膜11。第一层液晶偏振光栅薄膜3膜层厚度满足半波条件，用以将入射光分为两束等光强的圆偏振光，分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；第一层取向膜一2用以诱导第一层液晶偏振光栅薄膜3的液晶分子取向，形成第一个液晶偏振光栅结构。第一层液晶四分之一波片薄膜5用以将圆偏振光转换为线偏振光；第一层取向膜二4用以诱导第一层液晶四分之一波片薄膜5的液晶分子取向，形成第一层液晶四分之一波片薄膜5。第二层液晶偏振光栅薄膜7的膜层厚度满足半波条件，用以将入射两束线偏振光分别分为两束等光强的圆偏振光，第二层取向膜一6用以诱导第二层液晶偏振光栅薄膜7的液晶分子取向，形成第二层液晶偏振光栅结构。第二层液晶四分之一波片薄膜9用以将圆偏振光转换为线偏振光；第二层取向膜二8用以诱导第二层液晶四分之一波片薄膜9的液晶分子取向，形成第二层液晶四分之一波片薄膜9。第三层液晶偏振光栅薄膜11的膜层厚度满足半波条件，用以将入射到其上的线偏振光(四束线偏振光)分别分为两束等光强的圆偏振光，得到光点阵；第三层取向膜一10用以诱导第三层液晶偏振光栅薄膜11的液晶分子取向，形成第三层液晶偏振光栅结构。入射光为自然光或者为任意角度线偏振光。入射光从基板1的一侧入射，分别通过基板1、第一层取向膜一2、第一层液晶偏振光栅薄膜3、第一层取向膜二4、第一层液晶四分之一波片薄膜5、第二层取向膜一6、第二层液晶偏振光栅薄膜7、第二层取向膜二8、第二层液晶四分之一波片薄膜9、第三层取向膜三、第三层液晶偏振光栅薄膜11，得到光点阵，光点阵的所有子光束一部分为左旋圆偏振光，另一部分为右旋圆偏振的光。
一种光点阵生成结构最终得到的光点阵中每个子光束的出射角度满足θX＝arcsin[(±sinα1)+(±sinα2)+(±sinα3)+…+(±sinαi)+…+(±sinαN)]，其中±sinα1为光垂直经过第一层液晶偏振光栅薄膜3时产生的两个偏转角度，±sinα2为光垂直经过第二层液晶偏振光栅薄膜7时产生的两个偏转角度，±sinα3为光垂直经过第三层液晶偏振光栅薄膜11时产生的两个偏转角度，±sinαN为光垂直经过第N层液晶偏振光栅薄膜时产生的两个偏转角度，所有出射角度的光构成一个光点阵。也就是每个子光束的出射角度满足：
Figure BDA0003045261970000051
一种光点阵生成结构所生成的光点阵可以是一维光点阵，即一种光点阵生成结构的衍射方向为一种，也可以是二维光点阵，即一种光点阵生成结构的衍射方向为两种，一维光点阵对应一组液晶偏振光栅薄膜和液晶四分之一波片薄膜(也就是一层液晶偏振光栅结构和一层液晶四分之一波片结构)，第i-1层液晶偏振光栅结构和第i层液晶四分之一波片结构能构成一个一维光点阵，一种光点阵生成结构的所有液晶偏振光栅薄膜都朝向一个方向进行衍射，则一种光点阵生成结构的衍射方向为一种。二维光点阵对应两组液晶偏振光栅薄膜和液晶四分之一波片薄膜，液晶偏振光栅分别朝向x方向和y方向进行衍射，某一层或某几层液晶偏振光栅薄膜的衍射方向为x方向，其余层液晶偏振光栅薄膜的衍射方向为y方向。图1为一个衍射方向的一种光点阵生成结构，θ0～θ14均表示光束角度，图2为xy两个衍射方向的一种光点阵生成结构在二维方向上的分光图，x方向衍射薄膜包括对光束进行x方向衍射的液晶偏振光栅薄膜，y方向衍射薄膜包括对光束进行x方向衍射的液晶偏振光栅薄膜，(θx0，θy0)、(θx1，θy1)、(θx2，θy1)、(θxM，θyM)、(θxM，θyM+1)、(θxN-1，θyN)和(θxN，θyN)均表示光点阵子光束的光束角度，θx0，…，θxN均表示光束x方向的偏转角度，θy0，…，θyN均表示光束y方向的偏转角度，M表示大于2小于N的整数。
一种激光雷达结构，包括激光光源12、光点阵生成结构13、阵列波片14、阵列波片14、电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组、四分之一波片薄膜38、聚光透镜39、探测器40。激光光源12用以实现激光发射。光点阵生成结构13用以实现分光形成光点阵15。阵列波片14用以将光点阵15中的每束光束转换为同一偏振态，即全部转换为左旋圆偏振态或者全部转换为右旋圆偏振态，阵列波片14和光点阵生成结构13生成的光阵列正对应，若光点阵生成结构13生成的光阵列为P×Q，阵列波片14的阵列为P×Q，P和Q均为正整数。电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组用以实现光点阵15整体的大角度偏转和扫描。四分之一波片薄膜38用以将圆偏振光转换为线偏振光。聚光透镜39用以将接收的光束导入探测器40。探测器40用以接收聚光透镜39的聚焦光束，即进行目标探测。
如图3，一种激光雷达结构的光路传输过程为：激光光源12发射的激光经过光点阵生成结构13得到光点阵15，光点阵经阵列波片14转换为同一偏振态的光点阵，同一偏振态的光点阵15经过电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组后光点阵所有子光束的偏转相同的角度、再经四分之一波片薄膜38得到线偏振光，得到的线偏振光对探测目标进行扫描，扫描后光束反射，反射后依次经过四分之一波片薄膜38变为圆偏振光、电控液晶波片和液晶偏振光栅薄膜组偏转、聚光透镜39汇聚后入射至探测器40。
阵列波片14的结构与光点阵生成结构13出射的光点阵完全一致。阵列波片14由全波片和半波片构成。全波片对应光点阵的左旋圆偏振光设置，半波片对应光点阵的右旋圆偏振光设置；或者，全波片对应光点阵的右旋圆偏振光设置，半波片对应光点阵的左旋圆偏振光设置，也就是奇数列/行全为全波片、偶数列/行全为半波片，或者，奇数列/行全为半波片、偶数列/行全为全波片。图4为4×4出射光点阵中子光束偏振态分布图，LHC表示左旋圆偏振光，RHC表示右旋圆偏振光，(θx1，θy1)、(θx1，θy2)、(θx1，θy3)、(θx1，θy4)、(θx2，θy1)、(θx2，θy2)、(θx2，θy3)、(θx2，θy4)、(θx3，θy1)、(θx3，θy2)、(θx3，θy3)、(θx3，θy4)、(θx4，θy1)、(θx4，θy2)、(θx4，θy3)和(θx4，θy4)均表示4×4光点阵子光束的光束角度；图5为对应图4的4×4阵列波片14中波片分布图。
电控液晶波片和液晶偏振光栅薄膜膜组是多个电控液晶波片和多个第二液晶偏振光栅薄膜的组合，电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜的数量、电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜的排列方式根据用户需求的最大出射角度和用户需求的最小间隔角度决定，即对扫描探测目标的扫描角度需求，对扫描探测目标的光点阵的点阵最小间隔需求。作为一种示例，一种激光雷达结构中采用的电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组如图3：包括顺次设置的第一基板一16、第一导电薄膜17、第一取向膜三18、第一液晶材料19、第二取向膜三20、第二导电薄膜21、第二基板一22、第三基板一23、第三取向膜三24、第二液晶偏振光栅薄膜一25、第四基板一26、第三导电薄膜27、第四取向膜三28、第二液晶材料29、第五取向膜三30、第四导电薄膜31、第五基板一32、第六基板一33、第六取向膜三34、第二液晶偏振光栅薄膜二35、第七基板一36、第七取向膜三37。四分之一波片薄膜38与第七取向膜三37连接。
下面以1064nm入射光为例，对光点阵生成结构13和激光雷达进行举例详述。
一维光点阵的生成：
1064nm入射光下，光点阵生成结构13中第一层液晶偏振光栅薄膜3(x方向)、第二层液晶偏振光栅薄膜7(x方向)、第三层液晶偏振光栅薄膜11(x方向)、第四层液晶偏振光栅薄膜(x方向)的衍射角度分别为0.1°、0.2°、0.4°、0.8°，依据光栅方程计算，最终生成的光点阵子光束角度分别为：-1.5°、-1.3°、-1.1°、-0.9°、-0.7°、-0.5°、-0.3°、-0.1°、0.1°、0.3°、0.5°、0.7°、0.9°、1.1°、1.3°、1.5°。
二维光点阵的生成：
1064nm入射光下，光点阵生成结构13中第一层液晶偏振光栅薄膜3(x方向)、第二层液晶偏振光栅薄膜7(x方向)、第三层液晶偏振光栅薄膜11(y方向)、第四层液晶偏振光栅薄膜(y方向)的衍射角度分别为0.1°、0.2°、0.1°、0.2°，根据光栅方程，最终生成的光点阵是一个二维光点阵，其子光束衍射角度如下表表1所示，第一行第二列的-0.3°/-0.1°表示该子光束的x方向衍射角度为-0.3°、y方向衍射角度为-0.1°。
表1
-0.3°/-0.3° -0.3°/-0.1° -0.3°/0.1° -0.3°/0.3°
-0.1°/-0.3° -0.1°/-0.1° -0.1°/0.1° -0.1°/0.3°
0.1°/-0.3° 0.1°/-0.1° 0.1°/0.1° 0.1°/0.3°
0.3°/-0.3° 0.3°/-0.1° 0.3°/0.1° 0.3°/0.3°
一维光点阵的光束扫描：
一维光点阵同上“一维光点阵的生成”所述，角度值分别为-1.5°、-1.3°、-1.1°、-0.9°、-0.7°、-0.5°、-0.3°、-0.1°、0.1°、0.3°、0.5°、0.7°、0.9°、1.1°、1.3°、1.5°，沿x方向分布。电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组沿y方向衍射，包括四个电控液晶波片和四个第二液晶偏振光栅薄膜，电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜间隔排列，第二液晶偏振光栅薄膜的衍射角度分别为1°、2°、4°、8°，那么其在y方向衍射角度分别为-15°、-13°、-11°、-9°、-7°、-5°、-3°、1°、3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°，最终的光束扫描图案x方向最大扫描角度±1.5°、角度间隔0.2°，y方向最大扫描角度±15°、角度间隔2°。
二维光点阵的光束扫描：
二维光点阵同上“二维光点阵的生成”所述，电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组也是二维衍射，包括六个电控液晶波片、三个x方向衍射第二液晶偏振光栅薄膜、三个y方向衍射第二液晶偏振光栅薄膜，电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜一一对应、间隔排列，三个x方向衍射第二液晶偏振光栅薄膜的衍射角度分别为0.6°、1.2°、2.4°，三个y方向衍射第二液晶偏振光栅薄膜的衍射角度也分别为0.6°、1.2°、2.4°，电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组形成的衍射角度如下表表2所示，最终上述二维光点阵将按照下表中的角度值逐一扫过，形成最终扫描图案。
本发明的一种光点阵生成结构是一种薄膜串联结构，大幅减小光点阵生成系统复杂度、结构简单、体积大幅减小，利用液晶偏振光栅的高效率光衍射可实现光点阵的高效分光，相应激光雷达结构紧凑，可实现高效率、长距离、大视场角的光束扫描与目标探测，也为激光雷达系统的小型化提供了可行思路。
表2
Figure BDA0003045261970000081
Figure BDA0003045261970000091

Claims (10)

1.一种光点阵生成结构，其特征在于，包括交替设置的液晶偏振光栅结构和液晶四分之一波片结构，液晶偏振光栅结构为N层，液晶四分之一波片结构为N-1层，N为大于1的整数，液晶偏振光栅结构能够将入射到其上的光分别分为两束等光强的圆偏振光，一束为左旋圆偏振光另一束为右旋圆偏振光；液晶四分之一波片结构能够将入射到其上的圆偏振光转换为线偏振光。
2.如权利要求1所述的一种光点阵生成结构，其特征在于，液晶偏振光栅结构包括取向膜一和连接液晶偏振光栅薄膜，取向膜一用于诱导液晶偏振光栅薄膜的液晶分子取向，液晶偏振光栅薄膜厚度满足半波条件；液晶四分之一波片结构包括取向膜二和连接取向膜二的液晶四分之一波片薄膜，取向膜二用于诱导液晶四分之一波片薄膜的液晶分子取向。
3.如权利要求2所述的一种光点阵生成结构，其特征在于，所述液晶四分之一波片薄膜连接取向膜一。
4.如权利要求1所述的一种光点阵生成结构，其特征在于，所述第一层液晶偏振光栅结构用于将入射到其上的光束分别分为两束等光强的圆偏振光，入射到第一层外液晶偏振光栅结构上的光为自然光和/或线偏振光；除第一层之外的液晶偏振光栅结构用于将入射到其上的线偏振光分别分为两束等光强的圆偏振光。
5.如权利要求1所述的一种光点阵生成结构，其特征在于，所述光点阵生成结构包括用于承载所述液晶偏振光栅结构和液晶四分之一波片结构的基板。
6.如权利要求1所述的一种光点阵生成结构，其特征在于，所述光点阵中每层光束的出射角度满足
Figure FDA0003045261960000011
其中±sinαi为垂直入射至第i层液晶偏振光栅结构的光经过第i层液晶偏振光栅结构产生的两层偏转角度。
7.如权利要求1所述的一种光点阵生成结构，其特征在于，所述光点阵生成结构的衍射方向为一种或两种。
8.包括权利要求1至7中任意一项所述的一种光点阵生成结构的激光雷达结构，其特征在于，还包括激光光源、阵列波片、电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组、四分之一波片薄膜、聚光透镜、探测器，所述激光光源发射的激光经过光点阵生成结构得到光点阵，光点阵经阵列波片转换为同一偏振态的光点阵，同一偏振态的光点阵经过电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组后角度发生偏转、再经四分之一波片薄膜得到线偏振光，线偏振光对探测目标进行扫描，扫描后的光束依次经过四分之一波片薄膜、电控液晶波片和液晶偏振光栅薄膜组、聚光透镜后入射至探测器。
9.如权利要求8所述的激光雷达结构，其特征在于，所述阵列波片的阵列和一种光点阵生成结构的生成的光点阵的阵列相同。
10.如权利要求9所述的激光雷达结构，其特征在于，所述电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜膜组包括交替设置的电控液晶波片和第二液晶偏振光栅薄膜。
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