CN116794901A - 一种空分可编程时延二分之一波片的结构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空分可编程时延二分之一波片的结构及控制方法，所述结构包括：上玻璃基板11、ITO阵列光栅电极12、上基板取向层13、液晶层14、下基板取向层15、ITO公共电极16、下玻璃基板17。本发明的方法所述空分可编程时延二分之一波片相较于现有二分之一波片的响应时间固定，通过对阵列电极上电压的时间‑空间分区进行控制实现二分之一波片时延的任意可控，可用于实现液晶光学相控阵与液晶偏振光栅的级联系统同步响应，配合级联系统中不同器件实现系统的同步响应，解决了液晶偏振光栅和液晶光学相控阵级联实现连续角度扫描时光束跳变问题。

Description

一种空分可编程时延二分之一波片的结构及控制方法
技术领域
本发明属于液晶光学相控阵技术领域，具体涉及一种空分可编程时延二分之一波片的结构及控制方法。
背景技术
随着激光技术和光通信技术的发展，应用场景对光束指向和控制器件的性能要求越来越高。现有的机械和半机械的控制方式，由于功耗高、体积大、转动惯性大等缺点，已经无法满足相应的技术要求。由于非机械式的激光光束扫描方案能够实现体积小、惯性小、扫描响应速度高、可靠性好等优点，已成为该领域最为热门和实用性最强的研究方向之一。
基于液晶材料的液晶光学相控阵是非机械式光学扫描方案的重要分支，其具有制造技术成熟、驱动电压低、体积小、功耗低、无惯性和可编程等优点，在如激光通信和激光雷达等领域中有着广阔的应用前景。
针对单一液晶光学相控阵偏转角度较小的问题，目前较为成熟的解决方案是将液晶光学相控阵与液晶偏振光栅进行级联，液晶偏振光栅实现大角度的离散偏转，液晶光学相控阵实现离散角度间的连续扫描。由于级联偏转系统中的液晶光学相控阵和液晶偏振光栅前的二分之一波片存在响应时间不一致的问题，因此在进行光束连续指向时，会出现光束跳变的问题，而这在激光通信的应用时是无法接受的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种空分可编程时延二分之一波片的结构及控制方法，实现二分之一波片的响应时延任意可控，用于液晶光学相控阵与液晶偏振光栅的级联系统中，解决不同器件响应不同步导致光束在扫描过程中出现的跳变问题，实现激光通信中稳定连续的光束指向。
本发明采用的技术方案为：一种空分可编程时延二分之一波片的结构，包括：上玻璃基板11、ITO阵列光栅电极12、上基板取向层13、液晶层14、下基板取向层15、ITO公共电极16、下玻璃基板17。
上玻璃基板11与下玻璃基板17平行相对放置；上玻璃基板11与下玻璃基板17之间为液晶层14；上玻璃基板11内部包含上基板取向层13和透明导电的ITO阵列光栅电极12；下玻璃基板17内部包含下基板取向层15和ITO公共电极16。
所述上玻璃基板11中ITO阵列光栅电极12的光栅电极数目为N，且N≥2，相邻电极之间的间距为d，ITO阵列光栅电极12的光栅电极形成的有效口径大小为D。
进一步地，所述空分可编程时延二分之一波片外部配置有波控器电路模块18，所述波控器电路模块18包含波控算法模块。
进一步地，所述上基板取向层13与下基板取向层15取向方向一致且与ITO阵列光栅电极12方向一致。
本发明还提供了一种空分可编程时延二分之一波片的控制方法，具体步骤如下：
S1、搭建四分之一波片法光路测试所述空分可编程时延二分之一波片的电压相位关系并测试器件的响应时间；
设定附加相位为π时的电压为V1、附加相位为2π时的电压为V2、器件的响应时间为t1，测试液晶光学相控阵的响应时间为t2；
其中，所述空分可编程时延二分之一波片处于工作状态时，ITO阵列光栅电极12中N个光栅电极均处于V1或V2电压下。
S2、设定液晶光学相控阵的响应时间和空分可编程时延二分之一波片响应时间的差值为Δt，设置所需时延，实现二者的同步响应；
其中，Δt＝t2-t1，t表示响应时间。
初始状态时，ITO阵列光栅电极12中第1-N个光栅电极均处于电压V2下。
当t＝0时，对ITO阵列光栅电极12中第1-N个光栅电极均施加电压V1，根据测试结果可知：当t＝t1时，器件响应完成；若需要对器件进行时间为Δt的时延，将其响应时间变为t2＝t1+Δt，在t＝0～Δt的时间段内完成第1-N个光栅电极的分步控制，实现液晶偏振光栅和空分可编程时延二分之一波片的同步响应。
S3、根据ITO阵列光栅电极12中光栅电极数目N，分析在t＝0～Δt的时间段实现N个电极的分步控制；
其中，t∈(0，Δt)，表示当t＝t0时，ITO阵列光栅电极12中加载电压V1的光栅电极的数量，即对第1到/>的光栅电极加载电压V1。
由于的计算结果存在小数，则进一步处理：
其中，表示对/>进行向下取整，Y(t0)表示当t＝t0时，ITO阵列光栅电极12中加载电压V1的光栅电极的数量，即对第1到Y(t0)的光栅电极加载电压V1。
S4、加载电压调制信号；
当t＝0时，所述空分可编程时延二分之一波片上的电极均处于V2电压下，即器件对入射光附加2π的相移量，不改变入射光的偏振状态，当t＝ti时，对ITO阵列光栅电极12中第1-Y(ti)个光栅电极加载电压V1。当t＝Δt时，所述空分可编程时延二分之一波片上的电极均处于V1电压。
其中，ti∈(0，Δt)。
S5、加载所述波控算法模块对空分可编程时延二分之一波片进行控制，通过得到的电压信号实现液晶偏振光栅的任意时延可控，进而实现与液晶光学相控阵的同步响应，解决光束在角度切换过程中的跳变问题。
本发明的有益效果：本发明所述结构包括：上玻璃基板11、ITO阵列光栅电极12、上基板取向层13、液晶层14、下基板取向层15、ITO公共电极16、下玻璃基板17。本发明的方法所述空分可编程时延二分之一波片相较于现有二分之一波片的响应时间固定，通过对阵列电极上电压的时间-空间分区进行控制实现二分之一波片时延的任意可控，可用于实现液晶光学相控阵与液晶偏振光栅的级联系统同步响应，配合级联系统中不同器件实现系统的同步响应，解决了液晶偏振光栅和液晶光学相控阵级联实现连续角度扫描时光束跳变问题。
附图说明
图1为本发明的一种空分可编程时延二分之一波片的结构示意图。
图2为本发明实施例中器件间响应时间不匹配导致光束跳变问题示意图。
图3本发明实施例中光束跳变造成同时出现两个光斑的示意图。
图4本发明实施例中空分可编程时延二分之一波片实现级联同步响应的系统结构图。
图5为本发明实施例中波片区域控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种空分可编程时延二分之一波片的结构示意图，包括：上玻璃基板11、ITO阵列光栅电极12、上基板取向层13、液晶层14、下基板取向层15、ITO公共电极16、下玻璃基板17。
上玻璃基板11与下玻璃基板17平行相对放置；上玻璃基板11与下玻璃基板17之间为液晶层14；上玻璃基板11内部包含上基板取向层13和透明导电的ITO阵列光栅电极12；下玻璃基板17内部包含下基板取向层15和ITO公共电极16。
所述上玻璃基板11中ITO阵列光栅电极12的光栅电极数目为N，且N≥2，相邻电极之间的间距为d，ITO阵列光栅电极12的光栅电极形成的有效口径大小为D。
在本实施例中，所述空分可编程时延二分之一波片外部配置有波控器电路模块18，所述波控器电路模块18包含波控算法模块。
在本实施例中，所述上基板取向层13与下基板取向层15取向方向一致且与ITO阵列光栅电极12方向一致。
在本实施例中，本发明还提供了一种空分可编程时延二分之一波片的控制方法，具体步骤如下：
S1、搭建四分之一波片法光路测试所述空分可编程时延二分之一波片的电压相位关系并测试器件的响应时间；
设定附加相位为π时的电压为V1、附加相位为2π时的电压为V2、器件的响应时间为t1，测试液晶光学相控阵的响应时间为t2；
其中，所述空分可编程时延二分之一波片处于工作状态时，ITO阵列光栅电极12中N个光栅电极均处于V1或V2电压下。
S2、设定液晶光学相控阵的响应时间和空分可编程时延二分之一波片响应时间的差值为Δt，设置所需时延，实现二者的同步响应；
其中，Δt＝t2-t1，r表示响应时间。
初始状态时，ITO阵列光栅电极12中第1-N个光栅电极均处于电压V2下。
当t＝0时，对ITO阵列光栅电极12中第1-N个光栅电极均施加电压V1，根据测试结果可知：当t＝t1时，器件响应完成。若需要对器件进行时间为Δt的时延，将其响应时间变为t2＝t1+Δt，在t＝0～Δt的时间段内完成第1-N个光栅电极的分步控制，实现液晶偏振光栅和空分可编程时延二分之一波片的同步响应。
S3、根据ITO阵列光栅电极12中光栅电极数目N，分析在t＝0～Δt的时间段实现N个电极的分步控制；
其中，t∈(0，Δt)，表示当t＝t0时，ITO阵列光栅电极12中加载电压V1的光栅电极的数量，即对第1到/>的光栅电极加载电压V1。
由于的计算结果存在小数，则进一步处理：
其中，表示对/>进行向下取整，Y(t0)表示当t＝t0时，ITO阵列光栅电极12中加载电压V1的光栅电极的数量，即对第1到Y(t0)的光栅电极加载电压V1。
S4、加载电压调制信号；
当t＝0时，所述空分可编程时延二分之一波片上的电极均处于V2电压下，即器件对入射光附加2π的相移量，不改变入射光的偏振状态，当t＝ti时，对ITO阵列光栅电极12中第1-Y(ti)个光栅电极加载电压V1。当t＝Δt时，所述空分可编程时延二分之一波片上的电极均处于V1电压。
其中，ti∈(0，Δt)。
S5、加载所述波控算法模块对空分可编程时延二分之一波片进行控制，通过得到的电压信号实现液晶偏振光栅的任意时延可控，进而实现与液晶光学相控阵的同步响应，解决光束在角度切换过程中的跳变问题。
本发明方法还提供了实施例2，如图2所示，器件间响应时间不匹配导致光束跳变问题示意图。
图2(a)为二分之一波片和液晶偏振光栅组合实现光束-0.3°向+0.3°偏转时，+0.3°和-0.3°区域的光束能量随时间变化的曲线；图2(b)为液晶相控阵实现光束-0.3°向+0.3°偏转时，+0.3°和-0.3°区域的光束能量随时间变化的曲线。图2(c)、图2(d)为液晶相控阵、液晶移相器和液晶偏振光栅级联(级联结构如图5所示)，二分之一波片和液晶偏振光栅组合实现光束-0.3°向+0.3°偏转，液晶相控阵实现光束+0.3°向-0.3°偏转，实现光束偏转从-0°向+0°切换时，由于器件响应时间不同导致0°位置的光束能量存在向0.3°跳变的问题。
其中，上述光束跳变问题示意图如图3所示；液晶相控阵、液晶移相器和液晶偏振光栅级联，所述空分可编程时延二分之一波片实现级联同步响应的系统结构如图4所示。
在本实施例2中，根据上述光束跳变问题，对空分可编程时延二分之一波片的时延时间和时延曲线进行设置：Δt＝t2-t1
进行离散化处理后：
在t＝ti时，对ITO阵列光栅电极12中第1-Y(ti)个光栅电极加载电压V1，对ITO阵列光栅电极12中第Y(ti)-N个光栅电极加载电压V2。
具体控制方法示意图如图5所示：当t＝0时，ITO阵列光栅电极12中N个光栅电极均处于电压V2下，当t＝0～Δt时，对ITO阵列光栅电极12中第1-Y(ti)个光栅电极施加电压V1，当t＝Δt＝t2-t1时，对ITO阵列光栅电极12中N个光栅电极均施加电压V1。即可实现空分可编程时延二分之一波片响应时间与液晶偏振光栅的响应匹配，从而解决光束跳变的问题。
综上，本发明的方法所述空分可编程时延二分之一波片相较于现有二分之一波片的响应时间固定，通过对阵列电极上电压的时间-空间分区进行控制实现二分之一波片时延的任意可控，可用于实现液晶光学相控阵与液晶偏振光栅的级联系统同步响应，配合级联系统中不同器件实现系统的同步响应，解决了液晶偏振光栅和液晶光学相控阵级联实现连续角度扫描时光束跳变问题。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种空分可编程时延二分之一波片的结构，包括：上玻璃基板11、ITO阵列光栅电极12、上基板取向层13、液晶层14、下基板取向层15、ITO公共电极16、下玻璃基板17；
上玻璃基板11与下玻璃基板17平行相对放置；上玻璃基板11与下玻璃基板17之间为液晶层14；上玻璃基板11内部包含上基板取向层13和透明导电的ITO阵列光栅电极12；下玻璃基板17内部包含下基板取向层15和ITO公共电极16；
所述上玻璃基板11中ITO阵列光栅电极12的光栅电极数目为N，且N≥2，相邻电极之间的间距为d，ITO阵列光栅电极12的光栅电极形成的有效口径大小为D。
2.根据权利要求1所述的一种空分可编程时延二分之一波片的结构，其特征在于，所述空分可编程时延二分之一波片外部配置有波控器电路模块18，所述波控器电路模块18包含波控算法模块。
3.根据权利要求1所述的一种空分可编程时延二分之一波片的结构，其特征在于，所述上基板取向层13与下基板取向层15取向方向一致且与ITO阵列光栅电极12方向一致。
4.一种空分可编程时延二分之一波片的控制方法，具体步骤如下：
S1、搭建四分之一波片法光路测试所述空分可编程时延二分之一波片的电压相位关系并测试器件的响应时间；
设定附加相位为π时的电压为V1、附加相位为2π时的电压为V2、器件的响应时间为t1，测试液晶光学相控阵的响应时间为t2；
其中，所述空分可编程时延二分之一波片处于工作状态时，ITO阵列光栅电极12中N个光栅电极均处于V1或V2电压下；
S2、设定液晶光学相控阵的响应时间和空分可编程时延二分之一波片响应时间的差值为Δt，设置所需时延，实现二者的同步响应；
其中，Δt＝t2-t1，t表示响应时间；
初始状态时，ITO阵列光栅电极12中第1-N个光栅电极均处于电压V2下；
当t＝0时，对ITO阵列光栅电极12中第1-N个光栅电极均施加电压V1，根据测试结果可知：当t＝t1时，器件响应完成；若需要对器件进行时间为Δt的时延，将其响应时间变为t2＝t1+Δt，在t＝0～Δt的时间段内完成第1-N个光栅电极的分步控制，实现液晶偏振光栅和空分可编程时延二分之一波片的同步响应；
S3、根据ITO阵列光栅电极12中光栅电极数目N，分析在t＝0～Δt的时间段实现N个电极的分步控制；
其中，t∈(0,Δt)，表示当t＝t0时，ITO阵列光栅电极12中加载电压V1的光栅电极的数量，即对第1到/>的光栅电极加载电压V1；
由于的计算结果存在小数，则进一步处理：
其中，表示对/>进行向下取整，Y(t0)表示当t＝t0时，ITO阵列光栅电极12中加载电压V1的光栅电极的数量，即对第1到Y(t0)的光栅电极加载电压V1；
S4、加载电压调制信号；
当t＝0时，所述空分可编程时延二分之一波片上的电极均处于V2电压下，即器件对入射光附加2π的相移量，不改变入射光的偏振状态，当t＝ti时，对ITO阵列光栅电极12中第1-Y(ti)个光栅电极加载电压V1；当t＝Δt时，所述空分可编程时延二分之一波片上的电极均处于V1电压；
其中，ti∈(0，Δt)；
S5、加载所述波控算法模块对空分可编程时延二分之一波片进行控制，通过得到的电压信号实现液晶偏振光栅的任意时延可控，进而实现与液晶光学相控阵的同步响应，解决光束在角度切换过程中的跳变问题。
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