CN114185222A - 光束偏转器及其控制方法、激光雷达、光镊和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光束偏转技术领域，具体是一种光束偏转器及其控制方法、激光雷达、光镊和电子装置。本发明的光束偏转器，包括依次层叠设置的第一基板、第一电极层、第一高阻抗膜层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二高阻抗膜层、第二电极层和第二基板，所述第一电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极围成矩形的通光孔；设加载在第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上的电压分别为v1、v2、v3、v4，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min，最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)‑max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)‑max(v₁，v₂)≤V_max。本发明结构简单，相位分布连续性好。

Description

光束偏转器及其控制方法、激光雷达、光镊和电子装置

技术领域

本发明属于光学控制技术领域，具体是一种光束偏转器及其控制方法、激光雷达、光镊和电子装置。

背景技术

光束偏转器是一种将光束进行一定角度的偏转的器件，在激光雷达、光镊中得到了较为广泛的使用。光楔属于光束偏转器的一种，是一种顶角很小的棱镜，可以实现对平行光一定角度的偏转，常使用两个玻璃光楔组合实现多角度的光束偏转。但由于其体积过大及驱动方式的复杂性，应用受到限制。

液晶光学相控阵(SLM)是一种基于液晶材料的器件，利用液晶的双折射特性，可通过控制内部单元电极的电压形成类似光栅的相位分布，从而对入射光进行调制实现光束的偏转。但是，由于形成的相位分布不理想以及电极间的干扰、液晶的相位回程等问题，导致其偏转性能并不优秀。

目前也有采用两组液晶透镜阵列的结构来实现光束角度的偏转，这种结构利用了两组液晶透镜阵列中液晶单元光轴之间的距离差异来实现光束的偏转，但是这种方式需要至少两组液晶透镜阵列才能实现，结构较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光束偏转器及其控制方法、激光雷达、光镊和电子装置，用以解决现有技术中的光束偏转器结构复杂，相位分布不均匀的技术问题。

本发明采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种光束偏转器，包括依次层叠设置的第一基板、第一电极层、第一高阻抗膜层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二高阻抗膜层、第二电极层和第二基板，所述第一电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对设置，所述第二电极层包括第三电极和第四电极，所述第三电极层和第四电极层相对设置，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极围成矩形的通光孔；设加载在第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上的电压分别为v₁、v₂、v₃、v₄，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min，最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)-max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)-max(v₁，v₂)≤V_max。

优选地，所述光束偏转器还包括驱动电源和控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述驱动电源分别与所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极电连接，所述控制电路用于根据控制参数控制驱动电源输出相应的驱动电压。

优选地，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转方向和出射偏转光束的预设偏转角度。

第二方面，本发明提供另一种光束偏转器，包括若干个成阵列排布的液晶光楔单元，所述液晶光楔单元包括依次层叠设置的第一基板、第一电极层、第一高阻抗膜层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二高阻抗膜层、第二电极层和第二基板，所述第一电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对设置，所述第二电极层包括第三电极和第四电极，所述第三电极层和第四电极层相对设置，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极围成矩形的通光孔；设加载在第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上的电压分别为v₁、v₂、v₃、v₄，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min和最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)-max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)-max(v₁，v₂)≤V_max。

优选地，所述液晶光楔单元成矩形阵列排布。

第三方面，本发明提供一种光束偏转器控制方法，用于控制第一方面或第二方面所述的光束偏转器，所述包括以下步骤：

S1：获取光束偏转的控制参数；

S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压；

S3：控制所述驱动电源输出相应的驱动电压至各个电极。

优选地，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转角度和预设偏转方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S201：获取出射偏转光束的预设偏转角度和预设偏转方向；

S202：获取出射偏转光束的偏转角度和预设偏转方向与光束偏转器的各个电极的驱动电压的对应关系；

S203：根据所述出射偏转光束的偏转角度、预设偏转方向和所述对应关系确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压。

优选地，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转角度及方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S21：获取出射偏转光束的预设偏转角度θ和预设偏转方向φ；

S22：获取光束偏转器的液晶线性工作区间；

S23：根据所述液晶线性工作区间获取液晶线性工作区间内的最小电压V_min、最大电压V_max和液晶线性工作区间内产生的最大光程差σ_max；

S24：获取光束偏转器的液晶光楔的长度L；

S25：根据预设偏转角度θ、预设偏转方向φ和液晶光楔的长度L确定各个电极对应的驱动电压。

优选地，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转角度及预设偏转方向，在所述S24：获取光束偏转器的液晶光楔的长度中，当φ∈[-π,-π/2]∪[0,π/2]时，L＝2^1/2a×|cos(φ-π/4)|,当φ∈[-π/2,0]∪[π/2,π]时，L＝2^1/2a×|sin(φ-π/4)|，其中a为液晶光楔的边长；

在所述S25：根据公式预设偏转角度θ、预设偏转方向φ和液晶光楔的长度L确定各个电极对应的驱动电压中，根据公式：

θ＝arctan((σ_max(V_max-v))/((V_max-V_min)L))

和

确定各个电极对应的驱动电压,其中v为通光孔区域内的最小有效电压值，且v∈[V_max,V_min]。

第四方面，本发明提供一种激光雷达，包括第一方面或者第二方面所述的光束偏转器或采用第三方面所述的光束偏转器控制方法。

第五方面，本发明提供一种光镊，包括第一方面或者第二方面所述的光束偏转器或采用第三方面所述的光束偏转器控制方法。

第六方面，本发明提供一种电子装置，包括第一方面或者第二方面所述的电子偏转器或采用第三方面所述的光束偏转器控制方法。

有益效果：本发明的光束偏转器及其控制方法、激光雷达、光镊和电子装置通过给围成矩形通光孔的四个电极加载驱动电压，并利用高阻抗膜使没有电极的有效工作区域的电压呈线性分布，最终在有效工作区内电压形成类似光栅的相位分布，使液晶层中的液晶分子偏转从而形成可以使平行光束角度偏转的光学器件。本发明的光束偏转器结构简单，相位分布理想，可以通过控制驱动电压方便地控制光束的偏转角度及方向。

本发明中采用液晶光楔单元阵列的光束偏转器偏转角度的范围大，器件厚度小，响应时间快，相位分布理想。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，这些均在本发明的保护范围内。

图1为本发明实施例1中的光束偏转器的结构示意图；

图2为本发明实施例1中的光束偏转器的横截面的结构示意图；

图3为本发明出射光束偏转方向和偏转角度的示意图；

图4为本发明实施例1中的光束偏转器使平行光束偏转的效果示意图；

图5为本发明实施例2中的光束偏转器的结构示意图；

图6为本发明实施例2中的光束偏转器使平行光束偏转的效果示意图；

图7理想情况下采用本发明的光束偏转器进行偏转的一种干涉条纹图；

图8理想情况下采用本发明的光束偏转器进行偏转的另一种干涉条纹图；

图9为采用本发明实施例1中的光束偏转器在第一种驱动电压条件下实际测得的干涉条纹图；

图10为采用本发明实施例1中的光束偏转器在第二种驱动电压条件下实际测得的干涉条纹图；

图11采用本发明实施例1中的光束偏转器在第一种驱动电压条件下实际测得的干涉条纹图；

图12采用本发明实施例2中的光束偏转器在第二种驱动电压条件下实际测得的干涉条纹图；

图13为本发明的光束偏转器的控制方法的流程示意图；

图14为本发明的确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压的方法的流程示意图。

图15为一种液晶线性工作区间的示意图；

图16为另一种液晶线性工作区间的示意图。

附图标记说明：

第一基板10、第一电极层20、第一电极21、第二电极22、第一高阻抗膜层30、第一取向层40、液晶层50、第二取向层60、第二高阻抗膜层70、第二电极层80、第三电极81、第四电极82、第二基板90、液晶光楔单元101、光楔平面110、入射平行光束120、出射偏转光束130。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。

实施例1

本发明实施例提供一种光束偏转器，如图1和图2所示，该光束偏转器包括依次层叠设置的第一基板10、第一电极层20、第一高阻抗膜层30、第一取向层40、液晶层50、第二取向层60、第二高阻抗膜层70、第二电极22层和第二基板90，所述第一电极层20包括第一电极21和第二电极22，所述第一电极21和第二电极22相对设置，所述第二电极22层包括第三电极81和第四电极82，所述第三电极81层和第四电极82层相对设置，所述第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82围成矩形的通光孔；

前述结构可以形成一个液晶光楔，因此前述结构的光束偏转器，属于液晶光楔结构形式的光束偏转器。如图1所示，在上述结构中，光束偏转器包括两块基板，分别是第一基板10和第二基板90，其中第一基板10和第二基板90相对设置，其中第一基板10和第二基板90可以是玻璃基板，或者透明的塑料基板。在第一基板10朝向第二基板90的表面依次设置第一电极层20和第一高阻抗模层，在第二基板90朝向第一基板10的一面依次设置第二电极22层和第二高阻抗膜层70。第一电极层20和第二电极22层通电后可以形成驱动液晶分子偏转的电场。第一高阻抗模层和第二高阻抗膜层70可以使通光孔区域的电压呈线性分布。前述高阻抗膜可以采用透明的高阻抗膜。前述的第一取向层40和第二取向层60用于给液晶层50配向。液晶层50的液晶分子在第一取向层40和第二取向层60作用下，以一定的预倾角排列。

如图2所示，前述结构均采用第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82的形式来驱动液晶光楔单元。这四个电极围成一个矩形孔，该矩形孔便是液晶光楔单元的矩形通光孔。将本实施例的光束偏转器投影到与第一基板10平行的参考平面上后，第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82的投影在参考平面上围成了一个矩形的孔(图中阴影区域)，液晶层50中与该矩形孔的投影重合的部分为液晶光楔的有效工作区。

本实施例在具体实施时涂覆一层PI取向层，进行摩擦取向，第一基板10和第二基板90中的其中一个沿着ITO电极摩擦，另一个垂直ITO电极摩擦，使得摩擦方向相反，最后灌入所选液晶并胶合。

本实施例的光束偏转器通过改变驱动电压得到所需的电场，利用电场控制方孔内液晶分子偏转，使得液晶分子形成特定的排列状态，以此实现玻璃光楔的相位分布。如图2所示，在本实施例中，分别对第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82上加载驱动电压来驱动光束偏转器工作。设加载在第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82上的电压分别为第一驱动电压v₁、第二驱动电压v₂、第三驱动电压v₃和第四驱动电压v₄，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min和最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)-max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)-max(v₁，v₂)≤V_max。其中液晶线性工作区间是指液晶相位延迟量和驱动电压成线性关系的电压区间。其中液晶线性工作区间是指液晶相位延迟量和驱动电压成线性关系的电压区间，如图15和图16所示，图15和图16为标明了液晶线性工作区间的两个示例。

本实施例可以采取至少两种驱动方式实现通过光束偏转器的光束的偏转。一种方式是通过使加载在第一电极21上的第一驱动电压和加载在第二电极22上的第二驱动电压中的较小者大于加载在第三电极81上的第三驱动电压和加载在第四电极82上的第四驱动电压中的较大者。第二种方式是通过使加载在第三电极81上的第三驱动电压和加载在第四电极82上的第四驱动电压中的较小者大于加载在第一电极21上的第一驱动电压和加载在第二电极22上的第二驱动电压中的较大者。采取前述电压驱动方式后液晶光楔的有效工作区内电场为一倾斜平面，该电场平面的法向量可由v₁，v₂，v₃，v₄这四个驱动电压的幅值控制，因此通过v₁，v₂，v₃，v₄这四个驱动电压的幅值即可以实现对偏转方向φ以及偏转角度θ的控制。其中第一驱动电压v₁、第二驱动电压v₂、第三驱动电压v₃和第四驱动电压v₄可以采用交流电，设第一驱动电压的频率为f₁、相位为

第二驱动电压的频率为f₂、相位为

第三驱动电压的频率为f₃、相位为

第四驱动电压的频率为f₄、相位为

则f₁＝f₂＝f₃＝f₄，

ΔV₁₂＝v₁-v₂，ΔV₃₄＝v₃-v₄，电场等势线的斜率为k＝ΔV₃₄/ΔV₁₂，可以用于控制偏转方向，电场线密度由有效区域内最大及最小有效电压的差值决定，差值越大电场线越密，用于控制偏转角度。

在本实施例中，所述光束偏转器还包括驱动电源和控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述驱动电源分别与所述第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82电连接，所述控制电路用于根据控制参数控制驱动电源输出相应的驱动电压。

在本实施例中使用者可以向光束偏转器的控制电路输入一些相关的控制参数，其输入方式包括但不限于按键输入、语音输入、触摸屏输入、图像输入、数据导入等。控制电路可以接收输入的控制参数，然后根据所接收到的控制参数确定相应的四个驱动电压的，即第一驱动电压v₁、第二驱动电压v₂、第三驱动电压v₃和第四驱动电压v₄，最后控制驱动电源按照控制电路所确定的驱动电压输出相应的驱动电压至第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82上。其中驱动电源可以通过电极引出线分别与第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82电连接。

在本实施例中控制参数包括但不限于出射偏转光束130的预设偏转方向和/或出射偏转光束130的预设偏转角度。为了便于描述，在本实施例中入射到光束偏转器中的光束称为入射光束，由光束偏转器射出的光束称为出射偏转光束130。

如图3所示，入射平行光束120，经过光束偏转器后射出，射出的光束为出射偏转光束130。其中出射偏转光束130的偏转方向φ是指出射偏转光束130在光楔平面110上的投影与x轴的夹角，出射偏转光束130的偏转角度θ是指出射偏转光束130与z轴(与光楔平面110垂直的方向)的夹角。

在实际应用中往往需要时对入射到光束偏转器的平行光束的进行偏转，得到出射偏转光束130，并对出射偏转光束130的预设偏转方向和预设偏转角度进行控制，因此本实施例可以将出射偏转光束130的预设偏转方向和/或出射偏转光束130的预设偏转角度作为控制参数直接输入到控制电路中。

为了测试本实施例中光束偏转器的效果，本实施例将前述光束偏转器放置在迈克尔逊干涉光路的其中一臂中，在干涉光路前放置偏振方向与液晶取向方向相同的偏振片进行起偏，光经过扩束镜扩束，然后进入起偏器，再进入干涉光路形成干涉条纹，最后在CMOS中成像。

为观察本实施例中光束偏转器的工作情况，实验使用457nm激光对其进行了测试。当我们加上相位

频率为f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz电压幅值的有效值V₁＝0，V₂＝1V，V₃＝V₄＝2.5V时，此时在CMOS中可观察到干涉条纹，如图9所示，为便于对照效果理想状态的干涉条纹图如图7所示；当电压有效幅值V₁＝0，V₂＝0.5V，V₃＝2.5V，V₄＝2V的电压时，此时在CMOS中可观察到干涉条纹，如图10所示，为便于对照效果理想状态的干涉条纹图如图8，所示由此可以得到，该光束偏转器实现了可控的光束偏转功能。

实施例2

本实施例提供另一种结构形式的光束偏转器，包括若干个成阵列排布的液晶光楔单元101，所述液晶光楔单元101包括依次层叠设置的第一基板10、第一电极层20、第一高阻抗膜层30、第一取向层40、液晶层50、第二取向层60、第二高阻抗膜层70、第二电极22层和第二基板90，所述第一电极层20包括第一电极21和第二电极22，所述第一电极21和第二电极22相对设置，所述第二电极22层包括第三电极81和第四电极82，所述第三电极81层和第四电极82层相对设置，所述第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82围成矩形的通光孔；设加载在第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82上的电压分别为v₁、v₂、v₃、v₄，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min和最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)-max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)-max(v₁，v₂)≤V_max。

在本实施例中，每个液晶光楔单元101包括两块基板，分别是第一基板10和第二基板90，其中第一基板10和第二基板90相对设置，其中第一基板10和第二基板90可以是玻璃基板，或者透明的塑料基板。在第一基板10朝向第二基板90的表面依次设置第一电极层20和第一高阻抗模层，在第二基板90朝向第一基板10的一面依次设置第二电极22层和第二高阻抗膜层70。第一电极层20和第二电极22层通电后可以形成驱动液晶分子偏转的电场。第一高阻抗模层和第二高阻抗膜层70可以使通光孔区域的电压呈线性分布。前述高阻抗膜可以采用透明的高阻抗膜。前述的第一取向层40和第二取向层60用于给液晶层50配向。液晶层50的液晶分子在第一取向层40和第二取向层60作用下，以一定的预倾角排列。

前述结构均采用第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82的形式来驱动液晶光楔单元。这四个电极围成一个矩形孔，该矩形孔便是液晶光楔单元的矩形通光孔。将本实施例的光束偏转器投影到与第一基板10平行的参考平面上后，第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82的投影在参考平面上围成了一个矩形的孔(图中阴影区域)，液晶层50中与该矩形孔的投影重合的部分为液晶光楔的有效工作区。

在本实施例中，所述光束偏转器还包括驱动电源和控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述驱动电源包括第一驱动电压输出端、第二驱动电压输出端、第三驱动电压输出端和第四驱动电压输出端，所述各个液晶光楔单元101的第一电极21与所述第一驱动电压输出端电连接，所述各个液晶光楔单元101的第二电极22与所述第二驱动电压输出端电连接，所述各个液晶光楔单元101的第三电极81与所述第三驱动电压输出端电连接，所述各个液晶光楔单元101的第四电极82与所述第四驱动电压输出端电连接。本实施例利用第一驱动电压输出端输出的电压对各个液晶光楔单元101的第一电极21进行统一驱动，利用第二驱动电压输出端输出的电压对各个液晶光楔单元101的第二电极22进行统一驱动，利用第三驱动电压输出端输出的电压对各个液晶光楔单元101的第三电极81进行统一驱动，利用第四驱动电压输出端输出的电压对各个液晶光楔单元101的第四电极82进行统一驱动。采取前述电路结构，驱动电源只需要四个驱动电压输出端就可以驱动阵列中所有的液晶光楔单元101工作，使液晶光楔单元101组成的阵列形成一个大口径的光束偏转器。

对于前述由液晶光楔单元101阵列形成的光束偏转器，本实施例也可以采取至少两种驱动方式实现通过光束偏转器的光束的偏转。一种方式是通过使加载在液晶光楔单元101中第一电极21上的第一驱动电压和加载在第二电极22上的第二驱动电压中的较小者大于加载在第三电极81上的第三驱动电压和加载在第四电极82上的第四驱动电压中的较大者。第二种方式是通过使加载在第三电极81上的第三驱动电压和加载在第四电极82上的第四驱动电压中的较小者大于加载在第一电极21上的第一驱动电压和加载在第二电极22上的第二驱动电压中的较大者。采取前述电压驱动方式后各个液晶光楔单元101的有效工作区内电场为一倾斜平面，该电场平面的法向量可由v₁，v₂，v₃，v₄这四个驱动电压的幅值控制，因此通过v₁，v₂，v₃，v₄这四个驱动电压的幅值即可以实现对偏转方向φ以及偏转角度θ的控制。其中第一驱动电压v₁、第二驱动电压v₂、第三驱动电压v₃和第四驱动电压v₄可以采用交流电，设第一驱动电压的频率为f₁、相位为

第二驱动电压的频率为f₂、相位为

第三驱动电压的频率为f₃、相位为

第四驱动电压的频率为f₄、相位为

则f₁＝f₂＝f₃＝f₄，

ΔV₁₂＝v₁-v₂，ΔV₃₄＝v₃-v₄。由于阵列中各个液晶光楔单元101电极结构和布置方式相同，都具有第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82，因此可以对各个液晶光楔单元101的第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82进行统一的控制。例如对各个液晶光楔单元101的第一电极21统一加载相同的电压v₁，对各个液晶光楔单元101的第二电极22统一加载相同的电压v₂，对各个液晶光楔单元101的第三电极81统一加载相同的电压v₃，对各个液晶光楔单元101的第四电极82统一加载相同的电压v₄。采用这种方式时只需要控制驱动电源的四个驱动电压输出端的输出电压即可，其控制方式简单，相应的驱动电源的结构也简单。

本实施例中由液晶光楔单元101阵列组成的光束偏转器，可以实现每个液晶光楔单元101产生相同的相位分布，通过调节驱动电压，改变液晶状态，使得入射的光束发生相同的偏转，并且其相位分布具有一定的连续性，相较于SLM的离散相位分布具有一定优势，并且采用矩形通光孔的液晶光楔单元101组成的阵列开口率更大。对于每个单元液晶光楔，其孔径小，可以实现更大范围的偏转角度，液晶光楔单元101阵列厚度和响应时间也能大幅减小。并且本实施例的光束偏转器只需要一组液晶光楔单元101阵列就可以实现光束的偏振，无需控制光轴移动，其结构和控制方法也更加简单。作为一种优选的实施方式，在本实施例中所述液晶光楔单元101成矩形阵列排布。由于阵列中各个液晶光楔单元101的通光孔为矩形，因此将这些光楔单元按照矩形阵列的方式进行排布，可以使相邻液晶光楔单元101之间的缝隙更小，从而使开口率得到显著提升。

可以理解的是，在其它实施例中也可以单独对各个液晶光楔单元101的电极加载电压进行驱动，从而各个液晶光楔单元101进行独立控制。

本实施例也可以将出射偏转光束130的预设偏转方向和出射偏转光束130的预设偏转角度作为控制参数直接输入到控制电路中，实现光束偏转器按照输入的预设偏转方向和预设偏转角度对光束进行偏转。

在本实施例中使用者可以向光束偏转器的控制电路输入一些相关的控制参数，其输入方式包括但不限于按键输入、语音输入、触摸屏输入、图像输入、数据导入等。控制电路可以接收输入的控制参数，然后根据所接收到的控制参数确定相应的四个驱动电压的，即第一驱动电压v₁、第二驱动电压v₂、第三驱动电压v₃和第四驱动电压v₄，最后控制驱动电源按照控制电路所确定的驱动电压输出相应的驱动电压至第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82上。其中驱动电源可以通过电极引出线分别与第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82电连接。

为测试本实施例中的光束偏转器的效果，本实施例将液晶光楔单元101成2×2排列的光束偏转器放置在迈克尔逊干涉光路的其中一臂中，在干涉光路前放置偏振方向与液晶取向方向相同的偏振片进行起偏，光经过扩束镜扩束，然后进入起偏器，再进入干涉光路形成干涉条纹，最后在CMOS中成像。当光束偏转器加上电压后，有效区域内电场等势线为平行直线，可使液晶分子发生偏转，折射率发生改变，形成周期性的光楔相位分布，实现对光束的偏转。

为观察本实施例中光束偏转器的工作情况，实验使用457nm激光对其进行了测试。当我们加上相位

频率为f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz电压幅值的有效值V₁＝0，V₂＝1V，V₃＝V₄＝2.5V时，此时在CMOS中可观察到干涉条纹，如图11所示，为便于对照效果理想状态的干涉条纹图如图7所示；当电压有效幅值V₁＝0，V₂＝0.5V，V₃＝2.5V，V₄＝2V的电压时，此时在CMOS中可观察到干涉条纹，如图12所示，为便于对照效果理想状态的干涉条纹图如图8，所示由此可以得到，该光束偏转器实现了可控的光束偏转功能。

实施例3

本实施例提供一种光束偏转器的控制方法，用于控制实施例1或实施例2中所述的光束偏转器，如图13所示，该方法包括以下步骤：

S1：获取光束偏转的控制参数；

其中控制参数包括出射偏转光束130的预设偏转方向和出射偏转光束130的预设偏转角度。

S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压；

无论是实施例1中由一个液晶光楔组成的光束偏转器，还是实施例2中由液晶光楔单元101阵列组成的光束偏转器都具有第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82这四个驱动电极，因此本步骤主要根据控制参数确定这四个驱动电极各自的驱动电压。

S3：控制所述驱动电源输出相应的驱动电压至各个电极；

当前述四个驱动电极各自的驱动电压确定后，控制电路控制驱动电源输出四个驱动电压，每个驱动电压对应一个电极。例如前一步中确定的第一电极21、第二电极22、第三电极81和第四电极82上的对应的电压分别为v₁、v₂、v₃、v₄，则在本步骤中，控制电路控制驱动电源向第一电极21输出驱动电压v₁，向第二电极22输出驱动电压v₂，向第三电极81输出驱动电压v₃，向第四电极82输出驱动电压v₄，在该电压的驱动下，从光束偏转器出射的光束可以按照预设偏转方向和/或预设偏转角度偏转。

如图14所示，本实施例提供一种对出射偏转光束130的偏转角度和偏转方向进行控制的方法，所述控制参数包括出射偏转光束130的预设偏转角度和预设偏转方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S201：获取出射偏转光束130的预设偏转角度和预设偏转方向；

S202：获取出射偏转光束130的偏转角度和预设偏转方向与光束偏转器的各个电极的驱动电压的对应关系；

对已经制作好的光束偏转器可以通过实验对该光束偏转器的出射偏转光束130的偏转角度及预设偏转方向和各个电极的驱动电压的对应关系进行标定。标定的结果可以存储在控制电路的存储模块中，在需要根据偏转角度及方向来确定各个电极的驱动电压之间调用该标定的结果。

S203：根据所述出射偏转光束130的偏转角度、预设偏转方向和所述对应关系确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压。

当获取到所需的出射偏转光束130的偏转角度及方向后，根据前一步中获取的偏转角度及方向与光束偏转器的各个电极的驱动电压的对应关系找到与该偏转角度及方向对应的驱动电压作为驱动电源最终输出的电压。

本实施例还提供另外一种对出射偏转光束130的偏转角度及方向进行控制的方法，所述控制参数包括出射偏转光束130的预设偏转角度及方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S21：获取出射偏转光束130的预设偏转角度θ和偏转方向φ；

S22：获取光束偏转器的液晶光楔的长度L；

其中液晶光楔的长度，与偏转方向φ相关，其满足以下函数关系：

当φ∈[-π,-π/2]∪[0,π/2]时，L＝2^1/2a×|cos(φ-π/4)|,当φ∈[-π/2,0]∪[π/2,π]时，L＝2^1/2a×|sin(φ-π/4)|。其中，a为液晶光楔的边长，即前述矩形通光孔的边长。

S23：获取光束偏转器的液晶线性工作区间；其中液晶线性工作区间是指液晶相位延迟量和驱动电压成线性关系的电压区间。

S24：根据所述液晶线性工作区间获取液晶线性工作区间内的最小电压V_min和最大电压V_max和液晶线性工作区间内产生的最大光程差σ_max；

S25：根据公式θ＝arctan((σ_max(v-V_min))/((V_max-V_min)L))和

确定各个电极对应的驱动电压,其中v为通光孔区域内的最小有效电压值，且v∈[V_max,V_min]。

由于可以采用使有效工作区的最小有效电压值保持为液晶线性工作区内最小电压不变，控制有效工作区内的最大有效电压值在液晶线性工作区间内变化的方式来控制出射偏转光束130的偏转角度θ及偏转方向φ的方式。因此本步骤的计算方式是根据前述控制方式来计算θ和φ的。

当施加同频同相的四个电压时，有效工作区内的电压分布V_rms如下式所示

其区域内最大及最小电压分布在正方形通光孔的四个顶点处。如图所示，其中x,y为有效工作区的位置坐标，其坐标原点位于正方形通光孔的中心位置。

此外本实施例还提供另外一种对出射偏转光束130的偏转角度及方向进行控制的方法，所述控制参数包括出射偏转光束130的预设偏转角度及方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S021：获取出射偏转光束130的预设偏转角度θ和偏转方向φ；

S022：获取光束偏转器的液晶光楔的长度L；

其中液晶光楔的长度，与偏转方向φ相关，其满足以下函数关系：

当φ∈[-π,-π/2]∪[0,π/2]时，L＝21/2a×|cos(φ-π/4)|,当φ∈[-π/2,0]∪[π/2,π]时，L＝21/2a×|sin(φ-π/4)|。其中，a为液晶光楔的边长，即前述矩形通光孔的边长。

S023：获取光束偏转器的液晶线性工作区间；

S024：根据所述液晶线性工作区间获取液晶线性工作区间内的最小电压_Vmin和最大电压V_max和液晶线性工作区域内产生的最大光程差σ_max；

S25：根据公式θ＝arctan((σ_max(V_max-v))/((V_max-V_min)L))和

确定各个电极对应的驱动电压,其中v为通光孔区域内的最小有效电压值，且v∈[V_max,V_min]。

由于可以采用使有效工作区的最大有效电压值保持为液晶线性工作区内最大电压不变，控制有效工作区内的最小有效电压值在液晶线性工作区间内变化的方式来控制出射偏转光束130的偏转角度θ和偏转方向φ的方式。因此本步骤的计算方式是根据前述控制方式来计算θ和φ的。

实施例4

本实施例提供一种激光雷达，该激光雷达包括实施例1或实施例2中所述的光束偏转器。本实施例的激光雷达由于采用了前述光束偏转器，因此可以在激光雷达工作时快速准确地实现电控无机械移动的光束导向，并可以实现激光雷达产品的轻量化。

实施例5

本实施例提供一种光镊，该光镊包括实施例1或实施例2中所述的权的光束偏转器。本实施例的光镊由于采用了前述光束偏转器，因此可以在光镊使用过程中快速准确地实现电控无机械移动的光束导向，并可以减轻光镊的重量。

实施例6

本实施例提供一种电子装置，该电子装置包括实施例1或实施例2中所述的权的光束偏转器。

在本实施例中所述电子装置包括但不限于光场相机，结构光成像设备等需要光束指向控制的电子装置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.光束偏转器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一基板、第一电极层、第一高阻抗膜层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二高阻抗膜层、第二电极层和第二基板，所述第一电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对设置，所述第二电极层包括第三电极和第四电极，所述第三电极层和第四电极层相对设置，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极围成矩形的通光孔；设加载在第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上的电压分别为v₁、v₂、v₃、v₄，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min，最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)-max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)-max(v₁，v₂)≤V_max。

2.根据权利要求1所述的光束偏转器，其特征在于，所述光束偏转器还包括驱动电源和控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述驱动电源分别与所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极电连接，所述控制电路用于根据控制参数控制驱动电源输出相应的驱动电压。

3.根据权利要求2所述的光束偏转器，其特征在于，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转方向和出射偏转光束的预设偏转角度。

4.光束偏转器，其特征在于，包括若干个成阵列排布的液晶光楔单元，所述液晶光楔单元包括依次层叠设置的第一基板、第一电极层、第一高阻抗膜层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二高阻抗膜层、第二电极层和第二基板，所述第一电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对设置，所述第二电极层包括第三电极和第四电极，所述第三电极层和第四电极层相对设置，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极围成矩形的通光孔；设加载在第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上的电压分别为v₁、v₂、v₃、v₄，设液晶线性工作区间内的最小电压为V_min，最大电压为V_max，则min(v₁，v₂)>max(v₃，v₄)，V_min≤min(v₁，v₂)-max(v₃，v₄)≤V_max，或者min(v₃，v₄)>max(v₁，v₂)，V_min≤min(v₃，v₄)-max(v₁，v₂)≤V_max。

5.根据权利要求4所述的光束偏转器，其特征在于，所述液晶光楔单元成矩形阵列排布。

6.光束偏转器控制方法，用于控制权利要求1至5中任一项所述的光束偏转器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：获取光束偏转的控制参数；

S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压；

S3：控制所述驱动电源输出相应的驱动电压至各个电极。

7.根据权利要求6所述的光束偏转器控制方法，其特征在于，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转角度和预设偏转方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S201：获取出射偏转光束的预设偏转角度和预设偏转方向；

S202：获取出射偏转光束的偏转角度和预设偏转方向与光束偏转器的各个电极的驱动电压的对应关系；

S203：根据所述出射偏转光束的偏转角度、预设偏转方向和所述对应关系确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压。

8.根据权利要求6所述的光束偏转器控制方法，其特征在于，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转角度及方向，所述S2：根据所述光束偏转的控制参数确定光束偏转器的各个电极对应的驱动电压还包括以下步骤：

S21：获取出射偏转光束的预设偏转角度θ和预设偏转方向φ；

S22：获取光束偏转器的液晶线性工作区间；

S23：根据所述液晶线性工作区间获取液晶线性工作区间内的最小电压V_min、最大电压V_max和液晶线性工作区间内产生的最大光程差σ_max；

S24：获取光束偏转器的液晶光楔的长度L；

S25：根据预设偏转角度θ、预设偏转方向φ和液晶光楔的长度L确定各个电极对应的驱动电压。

9.根据权利要求8所述的光束偏转器控制方法，其特征在于，所述控制参数包括出射偏转光束的预设偏转角度及预设偏转方向，在所述S24：获取光束偏转器的液晶光楔的长度中，当φ∈[-π,-π/2]∪[0,π/2]时，L＝2^1/2a×|cos(φ-π/4)|,当φ∈[-π/2,0]∪[π/2,π]时，L＝2^1/2a×|sin(φ-π/4)|，其中a为液晶光楔的边长；

在所述S25：根据公式预设偏转角度θ、预设偏转方向φ和液晶光楔的长度L确定各个电极对应的驱动电压中，根据公式：

θ＝arctan((σ_max(V_max-v))/((V_max-V_min)L))和

确定各个电极对应的驱动电压,其中v为通光孔区域内的最小有效电压值，且v∈[V_max,V_min]。

10.激光雷达，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的光束偏转器或采用权利要求6至8任一项所述的光束偏转器控制方法。

11.光镊，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的光束偏转器或采用权利要求6至8任一项所述的光束偏转器控制方法。

12.电子装置，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的光束偏转器或采用权利要求6至8任一项所述的光束偏转器控制方法。

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