CN114236940A - 双频液晶锥透镜、控制方法、调整装置和激光整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于透镜技术领域，尤其涉及一种双频液晶锥透镜、控制方法、调整装置和激光整形装置。本发明的双频液晶锥透镜，包括第一电极、液晶层、第二电极和第三电极；所述液晶层为双频液晶层；在沿与第一电极所在平面垂直的方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为D1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为D2，其中0≤D2≤0.4，0.3+D2/2≤D1≤0.7‑D2/2，其中D1和D2的单位为mm；所述第二电极和第一电极之间接收第一驱动电压v1，所述第三电极和第一电极之间接收第二驱动电压v2，所述第一驱动电压和第二驱动电压的频率不同。本发明可以实时地对锥透镜的最小底角进行调整，并能获得比现有技术更小的最小底角。

Description

双频液晶锥透镜、控制方法、调整装置和激光整形装置

技术领域

本发明属于透镜技技术领域，具体是一种双频液晶锥透镜、控制方法、调整装置和激光整形装置。

背景技术

锥透镜是一种可以按照某一角度对入射光线进行折射的光学元件。利用经过锥透镜折射后的光束之间的干涉和衍射，可以使得锥透镜的焦线变得很长，并能够沿着光轴产生的一条长的焦距线。通过锥透镜的高斯光束在焦线上光场有一个均匀的强度分布。锥透镜的前述特点使它得到了广泛的应用，比如用于高敏感的巧光测量，用于产生非共线的谐波，用来进行纳米粒子筛选，用锥透镜替代球透镜解决离焦问题，利用锥透镜获得一个成像物体的深度信息等。此外当一束高斯光束透过锥透镜后，会变成一束贝塞尔光束射出，从而可以大大减少衍射的影响。目前除了利用锥透镜产生贝塞尔光束之外，还有其它几种产生贝塞尔光束的方法。例如可以利用在传统会聚透镜后焦面加入一个带环形通光孔径的光阑产生贝塞尔光束，例如可以利用空间光调制器产生贝塞尔光束，又例如可以利用TAG lens产生贝塞尔光束；

但是采用在传统会聚透镜后焦面加入一个带环形通光孔径的光阑的方法所产生贝塞尔光束的焦深不如传统锥透镜的焦深大；采用空间光调制器产生贝塞尔光束的方法成本高，且调制函数复杂；采用TAG lens产生贝塞尔光束的方法所形成的锥透镜的最小底角受锥形腔体和液体介质的影响，而无法对其最小底角进行方便，快速，实时地调节。

目前，多采用锥透镜来来产生贝塞尔光束。但是使用锥透镜产生贝塞尔光束时，由于贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离与锥透镜的最小底角成反比，因此要想获得更大的贝塞尔-高的斯光束的最大无衍射距离，就需要最小底角值更小的锥透镜，如图1所示，图1这种α角为锥透镜的最小底角。但是传统的锥透镜由于工艺的限制，锥透镜的最小底角受到限制，为0.5度至1度左右，这严重限制了所产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离，因此采用现有技术的锥透镜也无法获得更大景深和清晰度更高的图像。并且，由于传统的锥透镜制造完成后锥透镜最小底角就已经固定，如果要改变其最小底角，只有更换锥透镜，因此在实际应用中没法实现快速实时地进行最小底角的调整，因此传统的锥透镜无法适用于需要快速实时地改变最小底角的应用场合。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种转双频液晶锥透镜及其控制方法、最小底角调整装置和激光整形装置，用以解决现有技术中的锥透镜最小底角值过大，致使锥透镜产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离短，以及锥透镜最小底角无法快速实时调整的技术问题。

本发明采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种双频液晶锥透镜，包括沿通光方向依次设置的第一电极、液晶层、第二电极和第三电极；

所述第一电极层为透明电极，所述第二电极为圆孔状电极，所述第三电极为透明电极，所述液晶层为双频液晶层；

在沿与第一电极所在平面垂直的方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为D1，所述第二电极与第三电极之间的距离为D2，其中0≤D2≤0.4，0.3+D2/2≤D1≤0.7-D2/2，其中D1和D2的单位为mm；

所述第二电极和第一电极之间接收第一驱动电压v1，所述第三电极和第一电极之间接收第二驱动电压v2，所述第一驱动电压和第二驱动电压为交流电压，所述第一驱动电压和第二驱动电压的频率不同。

优选地，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的电压值满足：0≤v2≤40，0≤v1≤v2×3/4+30，其中v1和v2的单位为V。

第二方面，本发明提供一种调整装置，用于调整双频液晶锥透镜的最小底角，所述调整装置包括驱动电源第一方面所述的双频液晶液晶锥透镜，所述驱动电源包括第一电压输出模块和第二电压输出模块，所述第一电压输出模块所输出的电压的频率与第二电压输出模块所输出的电压的频率不同，所述第一电压输出模块用于输出第一驱动电压，所述第二电压输出模块用于输出第二驱动电压。

优选地，所述第一电压输出模块的输出电压的大小可调，和/或

第二电压输出模块的输出电压的大小可调。

优选地，所述第一电压输出模块的输出电压的频率可调，和/或

第二电压输出模块的输出电压的频率可调。

优选地，所述调整装置还包括控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述控制电路用于根据接收的锥透镜最小底角调整信号控制驱动电源的输出的驱动电压的大小。

优选地，所述控制电路还用于根据接收的驱动电压频率调整信号控制驱动电源的输出的驱动电压的频率。

第三方面，本发明提供一种双频液晶锥透镜控制方法，用于控制第一方面所述的双频液晶锥透镜，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S21：获取双频液晶锥透镜的目标最小底角；

S22：根据所述双频液晶锥透镜的目标最小底角确定用于驱动双频液晶锥透镜的第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小；

S23：根据所述第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小在第二电极和第一电极之间加载第一驱动电压，在第三电极和第一电极之间加载第二驱动电压，所述第一驱动电压的频率和第二驱动电压的频率不同。

第四方面，本发明提供一种激光整形装置，其特征在于，包括激光光源、驱动电路和第一方面所述的双频液晶液晶锥透镜，所述激光光源用于产生并发射激光，所述双频液晶液晶锥透镜用于利用所述激光产生贝塞尔光束，所述驱动电路用于为双频液晶液晶锥透镜提供第一驱动电压和第一驱动电压。

优选地，所述激光整形装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路用于接收驱动电压的预设值，并控制驱动电路按照驱动电压的预设值输出相应的第一驱动电压和第二驱动电压。

有益效果：本发明的双频液晶锥透镜、控制方法、调整装置和激光整形装置通过采用满足第一电极与第二电极之间的距离为D1，第二电极与第三电极之间的距离为D2，其中0≤D2≤0.4，0.3+D2/2≤D1≤0.7-D2/2的三个电极驱动双频液晶层工作，利用加载在电极上的频率不同的第一驱动电压和第二驱动电压所产生的电场驱动液晶分子偏转，形成可以靠电压驱动且波前近似圆锥形分布的锥透镜。通过调整驱动电压控制电场在空间中的分布情况，从而调整双频液晶锥透镜的最小底角，可以方便，快捷，实时地对双频液晶锥透镜的最小底角进行调整，并且其调整过程不需要改变双频液晶锥透镜的外形，不需要对双频液晶锥透镜进行重新加工，因此不会受到加工工艺的限制，可以获得比现有技术的锥透镜更小的最小底角。并且本发明采用了频率不同的第一驱动电压和第二驱动电压来驱动双频液晶锥透镜，可以使本实施例的双频液晶锥透镜的波前的边缘形状更接近理想的圆锥形。

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为锥透镜最小底角的示意图；

图2为本发明双频液晶锥透镜的结构示意图；

图3为本发明采用相同频率驱动和采用不同频率驱动双频液晶锥透镜时的波前图；

图4为本发明的双频液晶锥透镜最小底角调整装置的结构框图；

图5为本发明的具有控制电路的双频液晶锥透镜最小底角调整装置的结构框图；

图6为本发明的双频液晶锥透镜控制方法的流程图；

图7为本发明的激光整形装置的结构示意图；

图8为本发明的具驱动控制电路的激光整形装置的结构示意图；

图9为本发明的具有最大无衍射距离转换模块的激光整形装置的结构示意图；

图10为本发明的具有驱动电压查询单元的激光整形装置的结构示意图。

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

如图2所示，本实施例提供一种双频液晶锥透镜，所述双频液晶透镜包括沿通光方向依次设置的第一电极21、液晶层、第二电极22和第三电极23；

所述第一电极21层为透明电极，所述第二电极22为圆孔状电极，所述第三电极23为透明电极，所述液晶层为双频液晶层30；双频液晶层30位于第一电极21和第二电极22之间。

其中圆孔状电极为中间设有一圆形通孔的电极，该圆形通孔的轴向方向即前述通光方向。其中第一电极21可选用透明电极，如ITO电极或者AZO电极，第二电极22可以选用透明电极或者非透明电极例如金属电极，其中金属电极材料包括但不限于Al、Pt、Cr。其中双频液晶层30采用双频液晶制作。前述双频液晶(Dual-frequency liquid crystal)是一种介电各向异性随外加频率的改变而变化的液晶。液晶的介电常数主要受到两种极化的影响:电场感应极化和液晶分子的取向极化。感应极化具有快速的响应时间,而取向极化随外场频率的升高会产生弛豫现象。根据德拜公式,当外部场频率高于弛豫频率时,液晶分子的取向极化将无法跟上频率的变化,这就使得沿液晶分子长轴方向的介电常数分量随频率的增高而逐渐减小,从而导致了双频液晶介电各向异性随频率改变的现象。双频液晶介电常数各向异性随频率的升高逐渐减小,到达临界频率时介电各向异性为零,超过临界频率后变为负值。当到达光频时沿液晶分子长轴方向的介电常数分量接近于液晶的非寻常光折射率的平方。

本实施例中在沿与第一电极21所在平面垂直的方向上，所述第一电极21与第二电极22之间的距离为D1，所述第二电极22与第三电极23之间的距离为D2，其中0≤D2≤0.4，0.3+D2/2≤D1≤0.7-D2/2，其中D1和D2的单位为mm；

所述第二电极22和第一电极21之间接收第一驱动电压v1，所述第三电极23和第一电极21之间接收第二驱动电压v2，所述第一驱动电压和第二驱动电压为交流电压，所述第一驱动电压和第二驱动电压的频率不同。

在本实施例中可以将第一电极21作为公共电极，以便利用第二电极22和第三电极23形成可以同时加载第一驱动电压和第二驱动电压的双频液晶锥透镜驱动电路。

本实施例使第一电极21，第二电极22第三电极23之间的距离满足0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7。采用前述结构后，在第一驱动电压和第二驱动电压的综合作用下，通过双频液晶锥透镜的光波的波前分布为近似的圆锥形分布。本实施例在采用前述结构的同时采用了双频液晶材料制作液晶层，并利用频率不同的第一驱动电压和第二驱动电压来驱动本实施例中的双频液晶锥透镜后可以实现锥透镜的最小底角的边缘区分。

如图3所示，图3中的实线表示本实施例中第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的频率相同时的波前图，虚线表示本实施例中第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的频率不相同时的波前图。从图中可以看出采用了前述结构后整体上两种波前图都接近圆锥形，但是在双频液晶锥透镜的边缘位置第一驱动电压v1和第二驱动电压v2采用不同的频率时比采用相同的频率时的波前图更接近圆锥形。

本实施例可以利用第一驱动电压或者第二驱动电压的协同驱动来增加锥透镜最小底角调节的灵活性，还可以通过对第一驱动电压或者第二驱动电压之间相对大小的设置来使锥透镜在正锥透镜和负锥透镜两种状态之间进行方便快速地切换。例如当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1大于v2时，双频液晶透镜为正锥透镜，当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1小于v2时，双频液晶透镜为负锥透镜。由于双频液晶锥透镜的最小底角可以随着驱动电压v1或者v2的改变而快速改变，因此本实施例可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，通过调第一驱动整驱动电压v1或/和第二驱动电压v2来方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整。

在进行最小底角调整时可以保持第一驱动整驱动电压v1不变，调整第二驱动电压v2，也可以保持第二驱动电压v2不变，调整第一驱动电压v1，还可以同时调整第一驱动整驱动电压v1和第二驱动电压v2。

本实施例还可以在第一电极21和第二电极22之间以及第二电极22和第三电极23之间设置绝缘部件，其中在第一电极21和第二电极22之间的绝缘部件为绝缘层40，通过绝缘层40将第一电极21和第二电极22有效阻隔开，防止两个电极之间短路。其中，第二电极22和第三电极23之间的绝缘部件为设置在液晶层中的间隔子。间隔子设置在液晶层的径向方向的边缘处，一方面将液晶层支撑起预设的厚度，另一方面在第二电极22和第三电极23之间起到绝缘作用。本实施方式的双频液晶锥透镜还包括第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明基板13，沿通光方向上，所述第一透明基板11、第一电极21、双频液晶层30、第二透明基板12、第二电极22、绝缘层40、第三电极23和第三透明基板13依次层叠设置。其中第一电极21可以涂覆在第一透明基板11上，所述第二电极22可以涂覆在第二透明基板12上，所述第三电极23可以涂覆在第三透明基板13上。三块透明基板可以对三个电极起到很好的支撑和保护的作用，使液晶锥透镜的结构和性能更加稳固。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上对v1和v2的取值范围做进一步限定。在本实施例中所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的电压值满足：0≤v2≤40，0≤v1≤v2×3/4+30，其中v1和v2的单位为V。

本实施例在实施例3的基础上，将第一驱动电压和第二驱动电压之间大小关系限制在前述范围内时双频液晶锥透镜的波前分布最接近圆锥形，使用该锥透镜的成像效果也最好。

实施例3

如图4所示，针对实施例1或实施例2中的双频液晶锥透镜，本实施例提供一种双频液晶锥透镜最小底角调整装置来调整前述双频液晶锥透镜的最小底角，所述调整装置包括驱动电源和权利要求1或2中任一项所述的双频液晶锥透镜，所述驱动电源包括第一电压输出模块和第二电压输出模块，所述第一电压输出模块所输出的电压的频率与第二电压模块所输出的电压的频率不同，所述第一电压输出模块用于输出第一驱动电压，所述第二电压输出模块用于输出第二驱动电压。

本实施例的双频液晶锥透镜最小底角调整装置采用了两个频率不同的电压输出模块分别为前述双频率液晶锥透镜输出第一驱动电压和第二驱动电压，这样可以利用前述两个驱动电压形成使液晶透镜波前成圆锥形分布的电场。由于第一电压输出模块和第二电压输出模块所输出的第一驱动电压和第二驱动电压的频率不同，因此可以使本实施例的双频液晶锥透镜的波前的边缘形状更接近理想的圆锥形。

在本实施例中，所述第一电压输出模块的输出电压的大小可调，或者第二电压输出模块的输出电压的大小可调，或者第一电压输出模块的输出电压的大小和第二电压输出模块的输出电压的大小均可调。当第一电压输出模块的输出电压的大小可调时可以固定第二驱动电压大小不变，通过调整第一电压输出模块的输出第一驱动电压来调整双频率液晶锥透镜的最小底角的大小。当第二电压输出模块的输出电压的大小可调时可以固定第一驱动电压大小不变，通过调整第二电压输出模块的输出第二驱动电压来调整双频率液晶锥透镜的最小底角的大小。当第一电压输出模块的输出电压的大小和第二电压输出模块的输出电压的大小均可调时，既可以像前面一样固定第一驱动电压和第二驱动电压中的一个不变，调整其中另一个的大小来改变双频率液晶锥透镜的最小底角，也可以同时改变第一驱动电压和第二驱动电压来改变双频率液晶锥透镜的最小底角。

采用本实施例的双频液晶锥透镜最小底角调整装置只需要调整驱动电源输出的电压值就可以改变液晶层中液晶分子的排布从而改变锥透镜的最小底角。本装置通过改变驱动电源的输出电压来调整双频液晶锥透镜的最小底角，不需要改变锥透镜的外形结构，就可以快速实时地实现对锥透镜最小底角的调整。

此外本实施例还可以通过改变第一电压输出模块所输出的第一驱动电压v1和第一电压输出模块所输出的第二驱动电压之间的大小关系来实现正锥透镜状态和负锥透镜状态之间的切换。

在本实施例中，所述第一电压输出模块的输出电压的频率可调，或者第二电压输出模块的输出电压的频率可调，或者第一电压输出模块的输出电压的频率和第二电压输出模块的输出电压的频率均可调。本实施例利用前述频率可调的第一电压输出模块和/或第二电压输出模块将电压频率调整至使双频液晶锥透镜的波前边缘位置最接近圆锥形分布的频率大小。本实施例的最小底角调整装置采用前述频率可调的电压输出模块后，可以根据不同特性的双频率液晶锥透镜来设置不同的电压频率与之匹配，使其可以适应各种不同的双频液晶锥透镜。

如图5所示，在本实施例中，所述双频液晶锥透镜调整装置还包括控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述控制电路用于根据接收的锥透镜最小底角调整信号控制驱动电源的输出的驱动电压的大小。

在本实施例中，控制电路可以接收用户输入的双频液晶锥透镜的最小底角调整信号，该最小底角调整信号表示了用户所需要的双频液晶锥透镜的最小底角值，控制电路根据所接收到的双频液晶锥透镜的最小底角值查找或者计算出对应的第一驱动电压和第二驱动电压的值，然后控制驱动电源中的第一电压输出模块和第二电压输出模块分别输出相应大小的第一驱动电压和第二驱动电压，从而使处于工作状态的双频液晶锥头透镜的最小底角为用户设定的最小底角。

本实施例增加的控制电路使用户可以方便的将双频液晶锥透镜的最小底角调整为用户设定的最小底角值。此外，在本实施例中，所述控制电路还用于根据接收的驱动电压频率调整信号控制驱动电源输出的驱动电压的频率。在本实施例中用户也可以利用控制电路将驱动电压的频率调整为最适合双频液晶锥透镜的电压频率。

实施例4

如图6所示，本实施例提供一种双频液晶锥透镜控制方法，用于控制实施例1或实施例2中的双频液晶锥透镜，该控制方法包括以下步骤：

S21：获取双频液晶锥透镜的目标最小底角；

其中目标最小底角是指用户所需要的双频液晶锥透镜的最小底角的大小。后续步骤以该最小底角作为控制双频液晶锥透镜的目标，使双频液晶锥透镜工作时的最小底角尽量接近前述目标最小底角。

S22：根据所述双频液晶锥透镜的目标最小底角确定用于驱动双频液晶锥透镜的第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小；

本步骤在已知目标最小底角的情况下确定双频液晶锥透镜的第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小，使双频液晶锥透镜在所确定出的第一驱动电压和第二驱动电压的驱动下所形成的锥透镜的最小底角为目标最小底角。为了方便快速的通过双频液晶锥透镜的目标最小底角确定第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小，可以通过实验的方式事先对双频液晶锥透镜的最小底角和第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小之间的关系进行标定。例如在双频液晶锥透镜制作完成后施加不同的第一驱动电压的大小和第二驱动电压，然后测量出对应的锥透镜的最小底角从而建立三者之间的对应关系。还可以根据实验数据建立双频液晶锥透镜的最小底角与第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小之间的对应关系的映射表。控制电路通过查找映射表来确定与双频液晶锥透镜的最小底角相对应的第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小。也可以对实验数据进行曲线拟合，得到表示双频液晶锥透镜的最小底角和第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小之间的对应关系的函数，这样控制电路可以根据接收到的目标最小底角和函数关系直接计算出对应的第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小。

S23：根据所述第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小在第二电极22和第一电极21之间加载第一驱动电压，在第三电极23和第一电极21之间加载第二驱动电压，所述第一驱动电压的频率和第二驱动电压的频率不同。

本步骤在前一步骤确定了第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小后就可以控制驱动电源输出相应的驱动电压到各个电极，使双频液晶锥透镜在驱动电源输出的第一驱动电压和第二驱动电压的驱动下处于锥透镜状态，并使该锥透镜的最小底角为第一步中所接收到的目标最小底角。

实施例5

如图7所示，本实施例提供一种激光整形装置，该激光整形装置包括激光光源、驱动电路和实施例1或实施例2中的双频液晶液晶锥透镜，所述激光光源用于产生并发射激光，所述双频液晶液晶锥透镜用于利用所述激光产生贝塞尔光束，所述驱动电路用于为液晶透镜元件提供第一驱动电压和第一驱动电压。

前述贝塞尔光束是指横截面上光强沿径向满足第一类贝塞尔函数(First-kindBessel function)的一类光，最早由美国罗切斯特大学Drunin等人在1987年首次提出。理想的贝塞尔光束一般由多层圆环(圆筒)状结构组成，且每一层圆环所包含的激光能量均相等。普通的高斯光束的光强只是在焦点附近有限的瑞利长度范围内比较集中，而在沿光束传播方向的剖面上，贝塞尔光束的光强在横截面上的分布并不随着传播距离而发生变化，这一特性被称之为贝塞尔光束的无衍射特性，这也是贝塞尔光束区别于高斯光束的最大特点。贝塞尔光束的另一个特点是如果其中心光束遇到障碍物时，外围的光会在障碍物之后“修复”中心光束的缺失，对于传统的光学显微镜而言，光的衍射性质则是限制光学分辨率的瓶颈，传统高斯波形的脉冲光在经过光学元件和样品时存在一定的衍射现象，因此导致光学分辨率降低，而采用贝塞尔光后则会很好的抑制光的衍射，从而提显微成像高分辨率，此外轴透镜能够获得贝塞尔光束，进而实现长焦深小光斑高功率峰值能量分布。对此，本实施例利用前述实施例中的双频液晶液晶锥透镜对激光光源产生并发射的高斯光束进行整形的从而获得贝塞尔光束。

本实施例利用驱动电路用于为液晶透镜元件提供第一驱动电压和第一驱动电压，本实施例通过对第一驱动电压或者第二驱动电压的搭配来增加锥透镜最小底角调节的灵活性，还可以通过对第一驱动电压或者第二驱动电压之间相对大小的设置来使锥透镜在正锥透镜和负锥透镜两种状态之间进行方便快速地切换。例如当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1大于v2时，液晶透镜为正锥透镜，当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1小于v2时，液晶透镜为负锥透镜。由于锥透镜的最小底角可以随着驱动电压v1或者v2的改变而快速改变，因此本实施例可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，通过调第一驱动整驱动电压v1或/和第二驱动电压v2来方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整，从而实现对锥透镜产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离快速，实时地调整。并且由于本实施例的液晶锥透镜的最小底角是利用驱动电压来调节的，因此不会受到加工工艺的限制，所以采用本实施例可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。

此外由于本实施例的激光整形装置采用了双频液晶锥透镜，并且用于驱动该双频液晶液晶锥透镜的第一驱动电压和第二驱动电压的频率不同，使所形成的双频液晶锥透镜的波前的边缘形状更接近理想的圆锥形，这样可以使激光整形装置的整形效果更好，能够得到更为理想的贝塞尔光束。

如图8所示，在本实施例中，所述激光整形装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路用于接收驱动电压的预设值，并控制驱动电路按照驱动电压的预设值输出相应的第一驱动电压和第二驱动电压。

本实施例利用驱动控制电路来控制驱动电路所输出的第一驱动电压和第二驱动电压。作为其中一种实施方式，所述驱动电路包括第一电压输出模块和第二电压输出模块，其中第一电压输出模块用于输出第一驱动电压，第二电压输出模块用于输出第二驱动电压。在本实施例中第一电压输出模块的输出电压的大小可调第二电压输出模块的输出电压的大小可调。在本实施例中所述第一电压输出模块的输出电压的频率可调和/或第二电压输出模块的输出电压的频率可调。用户可以直接向驱动控制电路输入设定的第一驱动电压和第二驱动电压的值，控制电路则根据用户输入的值控制驱动电路输出相应大小的第一驱动电压和第二驱动电压。由于本实施例可以向驱动控制电路发送预先设定的v1和v2的值，驱动控制电路控制驱动电路按照设定的驱动电压输出，这样只需要改变发送给驱动控制电路的v1或/和v2的设定值就可以方便，快捷，实时地改变锥透镜的最小底角值，从而改变锥贝塞尔光束的最大无衍射距离，调整激光整形的效果。当利用驱动控制电路连续改变v1或/和v2的设定值，锥透镜的最小底角以及贝塞尔光束的最大无衍射距离也随电压一起连续改变。

此外，在本实施例中所述驱动控制电路用于根据接收的锥透镜最小底角调整信号控制驱动电路的输出的驱动电压的大小。这样用户也可以根据整形的实际需要直接向驱动控制电路输入想要的锥透镜最小底角，驱动控制电路根据输入的最小底角来控制驱动电路输出相应的驱动电压，使双频液晶锥透镜在该驱动电压下形成具有前述最小底角的液晶锥透镜。其中驱动控制电路根据输入的锥透镜的最小底角确定驱动电路输出的第一驱动电压和第二驱动电压的方法可以参见实施例4中的方法，这里不做赘述。

本实施例的锥透镜激光整形装置还包括最大无衍射距离转换模块，所述最大无衍射距离转换模块用于接收最大无衍射距离，所述最大无衍射距离转换模块将接收的最大无衍射距离转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给驱动控制电路。

如图9所示，本实施例的锥透镜激光整形装置还包括最大无衍射距离转换模块，所述最大无衍射距离转换模块用于接收最大无衍射距离，并将接收的最大无衍射距离转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给驱动控制电路。

本实施例的锥透镜激光整形装置在实施例5的基础上还增加了最大无衍射距离转换模块。由于最大无衍射距离和成像的景深直接相关，而本实例可以直接接收设定的最大无衍射距离，由最大无衍射距离转换模块转换成对应的驱动电压后输出到电极上，从而将锥透镜所产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离调整为预设的最大无衍射距离。这样可以使本装置对成像景深的调整更加方便。其中最大无衍射距离转换模块可以通过在处理器上运行相应程序实现。

如图10所示，本实施例在大无衍射距离转换模块基础上还增加了驱动电压查询单元，所述驱动电压查询单元用于根据映射表查询与最大无衍射距离对应的驱动电压的值；其中所述映射表用于记录最大无衍射距离与驱动电压值之间的映射关系。本实例在激光整形装置制作完成后，对锥透镜所产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离和驱动电压进行测量，测量出一系列最大无衍射距离相和其相对应的驱动电压的值，形成映射表，映射表可以存储在存储介质中。计算机执行查询查询程序，由映射表查询到与指定最大无衍射距离相对应的驱动电压值，驱动电路按查询到的驱动电压值输出，使锥透镜所产生的贝塞尔光束具备指定的最大无衍射距离。

此外最大无衍射距离转换单元包括驱动电压计算单元，所述驱动电压计算单元用于根据接收的最大无衍射距离计算出对应的驱动电压的值。驱动电压的计算可以在激光整形装置制作完成后对其最大无衍射距离和驱动电压进行测量，测量出一系列最大无衍射距离和其相对应的驱动电压的值，根据测得的系列值拟合出最大无衍射距离和驱动电压值的曲线，然后将拟合的曲线的公式作为由最大无衍射距离计算驱动电压值的公式，并可以通过增加测试数据的密度来提供拟合曲线的精度，从而提高计算的精度。本实施例可以按照任意指定的最大无衍射距离对锥透镜的所产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离行连续调整，可以更加直观，方便地调节激光整形的效果。

此外，本实施例的锥透镜激光整形装置还包括偏振单元，所述偏振单元设置在激光器和双频液晶锥透镜之间的光路上。偏振单元可以将自然光分为液晶锥透镜摩擦方向相同的线偏光。偏振单元可以选用偏振片。本实例还可以在锥透镜的光线射出一侧设置有扩束镜。本实施方式利用扩束镜扩展激光束的直径并减小激光束的发散角。

实施例6

本实施例的还提供一种双频液晶锥透镜锥透镜激光整形方法，利用实施例5中的激光整形装置进行激光整形，该方法包括：

S4：对双频液晶锥透镜施加第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；

S5、使激光光束通过所述锥透镜产生贝塞尔光束；

S6、通过调整驱动电压的值来调整贝塞尔光束的最大无衍射距离，其中v1和v2满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。

当双频液晶锥透镜接收到接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2后，双频液晶锥透镜的电极在周围空间形成电场，在电场作用下液晶层的液晶分子的光轴以特定方式排列，进而使液晶透镜具有良好的锥透镜的特性，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。激光器所发射的激光经过该液晶锥透镜的干涉和衍射后产生贝塞尔光束。因此本实施例通过调整提供给液晶透镜元件的第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的大小，来调整空间电场的分布，从而调整液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离。当对本实施的液晶透镜元件的驱动电压进行连续，实时地调整的时候，液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离也随之快速地，实时地，连续地调整，而无需改变液晶透镜元件的结构或者外形。此外本实施例的液晶锥透镜的最小底角可以通过改变驱动电压来调节，而不会像现有技术的锥透镜一样受加工工艺的限制，因此本实施例可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。第一驱动电压和第二驱动电压之间满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30时，液晶分子的光轴排列使液晶透镜的特性最接近圆锥形透镜，因此使用该锥透镜可以产生更加理想的贝塞尔光束，从而提高激光整形的效果。

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 (10)

1.双频液晶锥透镜，其特征在于，包括沿通光方向依次设置的第一电极、液晶层、第二电极和第三电极；

所述第一电极为透明电极，所述第二电极为圆孔状电极，所述第三电极为透明电极，所述液晶层为双频液晶层；

在沿与第一电极所在平面垂直的方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为D1，所述第二电极与第三电极之间的距离为D2，其中0≤D2≤0.4，0.3+D2/2≤D1≤0.7-D2/2，其中D1和D2的单位为mm；

所述第二电极和第一电极之间接收第一驱动电压v1，所述第三电极和第一电极之间接收第二驱动电压v2，所述第一驱动电压和第二驱动电压为交流电压，所述第一驱动电压和第二驱动电压的频率不同。

2.根据权利要求1所述的双频液晶锥透镜，其特征在于，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的电压值满足：0≤v2≤40，0≤v1≤v2×3/4+30，其中v1和v2的单位为V。

3.调整装置，其特征在于，用于调整双频液晶锥透镜的最小底角，所述调整装置包括驱动电源和权利要求1或2中任一项所述的双频液晶锥透镜，所述驱动电源包括第一电压输出模块和第二电压输出模块，所述第一电压输出模块所输出的电压的频率与第二电压输出模块所输出的电压的频率不同，所述第一电压输出模块用于输出第一驱动电压，所述第二电压输出模块用于输出第二驱动电压。

4.根据权利要求3所述的调整装置，其特征在于，所述第一电压输出模块的输出电压的大小可调，和/或

第二电压输出模块的输出电压的大小可调。

5.根据权利要求4所述的调整装置，其特征在于，所述第一电压输出模块的输出电压的频率可调，和/或

第二电压输出模块的输出电压的频率可调。

6.根据权利要求5所述的调整装置，其特征在于，所述调整装置还包括控制电路，所述控制电路与所述驱动电源电连接，所述控制电路用于根据接收的锥透镜最小底角调整信号控制驱动电源输出的驱动电压的大小。

7.根据权利要求6所述的调整装置，其特征在于，所述控制电路还用于根据接收的驱动电压频率调整信号控制驱动电源的输出的驱动电压的频率。

8.双频液晶锥透镜控制方法，用于控制权利要求1或2中任一项所述的双频液晶锥透镜，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S21：获取双频液晶锥透镜的目标最小底角；

S22：根据所述双频液晶锥透镜的目标最小底角确定用于驱动双频液晶锥透镜的第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小；

S23：根据所述第一驱动电压的大小和第二驱动电压的大小在第二电极和第一电极之间加载第一驱动电压，在第三电极和第一电极之间加载第二驱动电压，所述第一驱动电压的频率和第二驱动电压的频率不同。

9.激光整形装置，其特征在于，包括激光光源、驱动电路和权利要求1或2中任一项所述的双频液晶液晶锥透镜，所述激光光源用于产生并发射激光，所述双频液晶液晶锥透镜用于利用所述激光产生贝塞尔光束，所述驱动电路用于为双频液晶液晶锥透镜提供第一驱动电压和第一驱动电压。

10.根据权利要求9所述的激光整形装置，其特征在于，所述激光整形装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路用于接收驱动电压的预设值，并控制驱动电路按照驱动电压的预设值输出相应的第一驱动电压和第二驱动电压。

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