CN117742053A - 一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置及其控制方法。装置包括光源、准直器、第一液晶轴锥透镜、第二液晶轴锥透镜、电压驱动装置以及计算机控制装置，光源发出的光束经过准直器出射为平行光束，平行光束入射到所述第一液晶轴锥透镜后，光束偏折到所述第二液晶轴锥透镜，经过第二液晶轴锥透镜后出射光束变为直径变大的平行光，计算机控制装置用于输入控制电压驱动装置输出对应驱动电压的参数，电压驱动装置利用驱动电压对液晶轴锥透镜进行控制，从而实现光束直径的变倍。这种无机械移动的特性使得液晶透镜扩束装置更加耐用、可靠，并且更适合在振动、冲击等环境中使用，同时提高了变倍的响应速率和扩束倍率。
Description
技术领域
本发明涉及光束扩束技术领域，尤其涉及一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置及其控制方法。
背景技术
光束扩束(Beam Shaping)是一种可将准直输入光束的直径成比例扩大的系统，常用于光通信、激光加工、医疗设备和科学研究等领域。
光通信：在光纤通信系统中，为了提高传输效率和减小损耗，常需要对发射端的激光器输出进行扩束，使其能够匹配到纤芯尺寸。
激光加工：在激光切割、打标和焊接等应用中，通过对激光进行扩束可以实现更大范围的加工区域或者更均匀的功率分布。
医疗设备：在眼科手术中使用激光器时，需要将紧密聚焦的激光束通过透镜系统进行扩散，以确保安全性并避免损伤。
在传统光束扩束技术领域，改变光束直径并且保持焦距不变，一般使用变倍透镜和焦距补偿透镜组合来实现光束的变倍，但是在实际应用时存在焦点失焦，无法快速定位，效率较低等问题，并且安装光学器件时调试难度较大，导致实际光束变倍倍率达不到设计要求。
有人提出了一种使用两个轴锥透镜的组合来实现光束直径变倍的方法，轴锥镜与普通球面透镜一样，属于光学领域常用镜片，轴锥透镜通常用于调节激光能量分布，它也是实现贝塞尔光束最常用的透镜。使用轴锥透镜对光路系统进行变倍，在3D打印中改变打印工作面处的成像光斑大小，取代普通的球面透镜。通过电机驱动沿轴移动轴锥透镜改变两个轴锥透镜之间的间距，从而实现光束的扩束。但在实际操作中需要使用电机移动轴锥透镜，机械运动会对光学系统的稳定性造成影响。
随着液晶光电子器件的不断发展，液晶是一种特殊的物质，可以通过电场调控其光学特性。当液晶受到电场作用时，它可以改变折射率，从而影响光线的传播方向。利用液晶制备结构简单的电可调液晶透镜成为可能，利用电可调的液晶透镜组来实现光束的扩束，光学系统不需要移动光学元件，只需要控制液晶的驱动电压就可以实现光束直径倍率的变化，更加快速、准确的实现变倍。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置及其控制方法，用于解决现有技术中结构复杂和光学器件机械移动带来的影响。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置，装置包括光源、准直器、第一液晶轴锥透镜、第二液晶轴锥透镜、电压驱动装置以及计算机控制装置，光源发出的光束经过准直器出射为平行光束，平行光束入射到所述第一液晶轴锥透镜后，光束偏折到所述第二液晶轴锥透镜，经过第二液晶轴锥透镜后出射光束变为直径变大的平行光，计算机控制装置用于输入控制电压驱动装置输出对应驱动电压的参数，电压驱动装置利用驱动电压对液晶轴锥透镜进行控制，从而实现光束直径的变倍。
第一液晶轴锥透镜和第二液晶轴锥透镜结构相同，锥角相对放置，液晶轴锥透镜由第一透明玻璃基板、液晶层和第二透明玻璃基板构成，第一透明玻璃基板两端为镀置条状透明电极材料的第一透明电极V1和第二透明电极V2，其余部分为镀有透明的高阻抗膜的第一高阻层，第二透明玻璃基板两端为镀置条状透明材料的第三透明电极V3和第四透明电极V4，其余部分为镀有透明的高阻抗膜的第二高阻层。
液晶轴锥透镜中的第一透明电极V1、第二透明电极V2、第三透明电极V3和第四透明电极V4的电极材料选用氧化铟锡(ITO)、石墨烯、金属纳米线、碳纳米管、导电聚合物、银、铜和铝薄膜中的一种；第一高阻层和第二高阻层的高阻材料为聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌铝(AZO)或其他高阻材料中的一种。
作为优选，在本发明的光学系统中，所述准直器、所述第一液晶轴锥透镜和所述第二液晶轴锥透镜的中心位点处于同一直线上。
进一步地，电压驱动装置对液晶轴锥透镜进行控制，具体为：使第一透明电极V1和第二透明电极V2之间具有一定的电相移，第一透明玻璃基板产生V形电压分布，第三透明电极V3和第四透明电极V4相对于第一透明玻璃基板上的电极具有一定的电相移，第二透明玻璃基板得到斜坡形的电压分布，从而等效轴锥透镜，实现光束直径的倍率变化。
进一步地，通过液晶轴锥透镜实现光束直径的变倍，具体为：通过下述公式(1)计算液晶轴锥透镜的等效底角：
其中，α是液晶轴锥透镜的等效底角，d是液晶轴锥透镜的厚度，△n是液晶轴锥透镜中心与边缘折射率的差值，D是液晶轴锥透镜的直径；
通过下述公式(2)计算入射光束的直径的变倍倍率：
其中，nLc是液晶的折射率，α是液晶轴锥透镜的等效底角，L是所述光学系统第一液晶轴锥透镜和第二液晶轴锥透镜的间距，M是光束变倍倍率，D1为入射光束直径，D2为出射光束直径。
进一步地，为了扩大系统的放大倍数，所述装置还包括第一轴锥透镜14和第二轴锥透镜15，第一液晶轴锥透镜与第一轴锥透镜贴合，第二液晶轴锥透镜与第二轴锥透镜贴合，两个轴锥透镜实现系统放大倍数的扩大，两个液晶轴锥透镜实现系统光束直径的变倍。
另一方面，本发明提供了一种基于液晶轴锥透镜组的控制方法，方法包括：通过计算机控制装置输入光束变倍倍率和入射波长参数，然后在根据实验数据构建的数据库中搜索所述参数对应的电压参数，从而控制电压驱动装置输出对应的驱动电压，利用输出的驱动电压控制液晶轴锥透镜电极上电压的幅值、相位和频率，进而通过控制液晶轴锥透镜中心跟边缘折射率的差值来改变等效底角α的大小，从而输出相应的扩束光束。
本发明的有益技术效果为：通过电压驱动装置控制液晶轴锥透镜驱动电压的振幅、频率和相位实现对液晶轴锥透镜的底角的控制，从而在固定光学系统中实现对光束直径的变倍，这种无机械移动的特性使得液晶透镜扩束装置更加耐用、可靠，并且更适合在振动、冲击等环境中使用。同时提高了变倍的响应速率和扩束倍率，相对于传统的元件，本发明中的液晶轴锥透镜扩束装置结构简单，操控方便，具有更低的制备成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的液晶轴锥透镜上下透明玻璃基板的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的液晶轴锥透镜的剖面示意图；
图4是本发明实施例提供的改变液晶轴锥透镜的驱动电压实现对光束直径变倍的原理图，(a)→(b)等效底角α变小；
图5是本发明实施例提供的改变液晶轴锥透镜的驱动电压实现对光束直径变倍的计算过程图；
图6是本发明实施例提供的液晶轴锥透镜扩束装置的等效光路图；
图7是本发明实施例提供的变倍倍率M与底角α的关系图；
图8是本发明实施例提供的一种轴锥透镜结合液晶轴锥透镜组的扩束装置的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的变倍倍率M与底角α的关系图；
图10是本发明实施例提供的一种基于液晶轴锥透镜组的控制方法的流程图；
附图标记说明:第一液晶轴锥透镜1、第二液晶轴锥透镜2、光源3、准直器4、第一透明电极5、第二透明电极6、第一高阻层7、第三透明电极8、第四透明电极9、第二高阻层10、第一透明玻璃基板11、液晶层12、第二透明玻璃基板13、第一轴锥透镜14、第二轴锥透镜15、电压驱动装置16、计算机控制装置17。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供了一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置，装置包括光源3、准直器4、第一液晶轴锥透镜1、第二液晶轴锥透镜2、电压驱动装置16以及计算机控制装置17，光源发出的光束经过准直器出射为平行光束，平行光束入射到所述第一液晶轴锥透镜后，光束偏折到所述第二液晶轴锥透镜，经过第二液晶轴锥透镜后出射光束变为直径变大的平行光，计算机控制装置用于输入控制电压驱动装置输出对应驱动电压的参数，电压驱动装置利用驱动电压对液晶轴锥透镜进行控制，从而实现光束直径的变倍。如图2和图3所示，液晶轴锥透镜由第一透明玻璃基板11、液晶层12、第二透明玻璃基板13构成，第一透明玻璃基板包括第一透明电极5、第二透明电极6和第一高阻层7，第二透明玻璃基板包括第三透明电极8、第四透明电极9和第二高阻层10。
第一液晶轴锥透镜和第二液晶轴锥透镜结构相同，锥角相对放置，两个液晶轴锥透镜表面平行，并且在光学系统中保持适当的相对位置，固定安装。液晶轴锥透镜的电极电压调控装置为普源精电RIGOL电压驱动。
液晶轴锥透镜中的第一透明电极5、第二透明电极6、第三透明电极8和第四透明电极9，电极材料选用氧化铟锡(ITO)、石墨烯、金属纳米线、碳纳米管、导电聚合物以及银、铜和铝薄膜等透明材料。第一高阻层7和第二高阻层10的高阻材料使用聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌铝(AZO)或其他高阻材料中的一种。
作为优选，在本发明的光学系统中，所述准直器、所述第一液晶轴锥透镜和所述第二液晶轴锥透镜的中心位点处于同一直线上。
在本实施例中，通过调整液晶轴锥透镜上电极V1、V2、V3、V4电压的振幅和相位使液晶轴锥透镜的折射率从边缘到中心呈斜坡分布，等效轴锥透镜，利用两个液晶轴锥透镜实现光束直径的倍率变化，如图4所示。在扩束装置不发生机械移动的情况下，通过改变液晶轴锥透镜的等效底角，可以实现光束的扩束，这种无机械移动的特性使得液晶透镜更加耐用、可靠，并且更适合在振动、冲击等环境中使用。
在本实施例中，对液晶轴锥透镜进行驱动时，使所述第一透明电极V1和所述第二透明电极V2之间具有一定的电相移，第一透明玻璃基板产生V形的电压分布，从V1到V2是垂直液晶轴锥透镜分布的。第三透明电极V3和第四透明电极V4相对于第一透明玻璃基板上的电极具有一定的电相移，使得第二透明玻璃基板得到斜坡形的电压分布。所述电相移由高阻层电压理论计算确定。假设使用正弦电极信号，每个信号的特征将是频率(ω约1kHz，取决于所使用的LC材料和使用的高阻材料)、振幅(A)和电相移(φ)，电极信号定义为：V1＝A1·sin(ωt+φ1)，V2＝A2·sin(ωt+φ2)，V3＝A3·sin(ωt+φ3)，V4＝A4·sin(ωt+φ4)，同一基板的电极之间需要180°的相移，上基板和下基板的电极间需要90°的相移，例如，φ1＝0°，φ2＝180°，φ3＝90°，φ4＝270°，每个电极的初始振幅都是相同的，即A1＝A2＝A3＝A4＝v，这产生了同侧电极之间的信号的抵消。如果将其转换为复数表示，则上侧所得电场分布具有从V1到V2的非线性V形状(在有源区的中心，电极之间具有零交叉)，底部电极(V3和V4)相对于上部电极具有90°的电相移，在复数表示中，所得电压分布是一个零交叉的斜坡形状。
如图5和图6所示，经过液晶轴锥透镜之后，透镜中心与边缘的相位变为：
其中，ncenter与nedge分别为液晶轴锥透镜中心与边缘的折射率，d为液晶轴锥透镜的厚度，λ为入射光波长。根据之前的假设，液晶轴锥透镜的相位分布为一理想斜面，则：
从公式(3)和公式(4)可知：联立公式(5)得：
其中α是液晶轴锥透镜的等效底角；D是液晶轴锥透镜的孔径；d是液晶轴锥透镜的厚度；△n是液晶轴锥透镜中心与边缘折射率的差值，△n＝ncenter-nedge。
计算入射光束直径的变倍倍率：
其中M是光束变倍倍率；nLc是液晶的折射率；L是所述光学系统第一液晶轴锥透镜和第二液晶轴锥透镜的间距；D1入射光束直径；D2出射光束直径。通过仿真得到变倍倍率M与底角α的关系，如图7所示。
如图8所示，本发明还提供了一种轴锥透镜结合液晶轴锥透镜组的光束直径调节装置，该装置包括：第一液晶轴锥透镜1、第一轴锥透镜14、第二液晶轴锥透镜2、第二轴锥透镜15。
在本实施例中，将第一液晶轴锥透镜与第一轴锥透镜贴合，第二液晶轴锥透镜与第二轴锥透镜贴合，两个轴锥透镜可以扩大系统的放大倍数，两个液晶轴锥透镜可以通过控制底角实现固定光学系统的光束直径的变倍，同时进一步扩大装置的放大倍数。如图9所示，通过仿真可知轴锥透镜对系统的放大倍率有着显著的调控能力。
如图10所示，本发明还提供了一种基于液晶轴锥透镜组的控制方法，方法包括：通过计算机控制装置输入光束变倍倍率和入射波长参数，然后在根据实验数据构建的数据库中搜索所述参数对应的电压参数，从而控制电压驱动装置输出对应的驱动电压，利用输出的驱动电压控制液晶轴锥透镜电极上电压的幅值、相位和频率，进而通过控制液晶轴锥透镜中心跟边缘折射率的差值来改变等效底角α的大小，从而输出相应的扩束光束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置，其特征在于，所述装置包括：光源、准直器、第一液晶轴锥透镜、第二液晶轴锥透镜、电压驱动装置以及计算机控制装置，光源发出的光束经过准直器出射为平行光束，平行光束入射到所述第一液晶轴锥透镜后，光束偏折到所述第二液晶轴锥透镜，经过第二液晶轴锥透镜后出射光束变为直径变大的平行光，计算机控制装置用于输入控制电压驱动装置输出对应驱动电压的参数，电压驱动装置利用驱动电压对液晶轴锥透镜进行控制，从而实现光束直径的变倍。
2.根据权利要求1所述的扩束装置，其特征在于，第一液晶轴锥透镜和第二液晶轴锥透镜结构相同，锥角相对放置，液晶轴锥透镜包括第一透明玻璃基板、液晶层和第二透明玻璃基板，第一透明玻璃基板两端为镀置条状透明电极材料的第一透明电极V1和第二透明电极V2，其余部分为镀有透明的高阻抗膜的第一高阻层，第二透明玻璃基板两端为镀置条状透明材料的第三透明电极V3和第四透明电极V4，其余部分为镀有透明的高阻抗膜的第二高阻层。
3.根据权利要求2所述的扩束装置，其特征在于，液晶轴锥透镜中的第一透明电极V1、第二透明电极V2、第三透明电极V3和第四透明电极V4的电极材料选用氧化铟锡(ITO)、石墨烯、金属纳米线、碳纳米管、导电聚合物、银、铜和铝薄膜中的一种，第一高阻层和第二高阻层的高阻材料为聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌铝(AZO)或其他高阻材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的扩束装置，其特征在于，所述准直器、所述第一液晶轴锥透镜和所述第二液晶轴锥透镜的中心位点处于同一直线上。
5.根据权利要求2所述的扩束装置，其特征在于，所述电压驱动装置对液晶轴锥透镜进行控制，包括：使第一透明电极V1和第二透明电极V2之间具有一定的电相移，第一透明玻璃基板产生V形的电压分布，第三透明电极V3和第四透明电极V4相对于第一透明玻璃基板上的电极具有一定的电相移，第二透明玻璃基板得到斜坡形的电压分布，从而等效轴锥透镜，实现光束直径的倍率变化。
6.根据权利要求1所述的扩束装置，其特征在于，通过液晶轴锥透镜实现光束直径的变倍，包括：通过下述公式计算入射光束的直径的变倍倍率：
其中，nLc是液晶的折射率，α是液晶轴锥透镜的等效底角，L是所述光学系统第一液晶轴锥透镜和第二液晶轴锥透镜的间距，M是光束变倍倍率，D1为入射光束直径，D2为出射光束直径；液晶轴锥透镜的等效底角α通过下述公式进行计算：
其中，d是液晶轴锥透镜的厚度，△n是液晶轴锥透镜中心与边缘折射率的差值，D是液晶轴锥透镜的直径。
7.根据权利要求1所述的扩束装置，其特征在于，所述装置还包括第一轴锥透镜和第二轴锥透镜，第一液晶轴锥透镜与第一轴锥透镜贴合，第二液晶轴锥透镜与第二轴锥透镜贴合，两个轴锥透镜实现系统放大倍数的扩大，两个液晶轴锥透镜实现系统光束直径的变倍。
8.一种基于液晶轴锥透镜组的控制方法，其特征在于，所述方法包括：通过计算机控制装置输入光束变倍倍率和入射波长参数，然后在根据实验数据构建的数据库中搜索所述参数对应的电压参数，从而控制电压驱动装置输出对应的驱动电压，利用输出的驱动电压控制液晶轴锥透镜电极上电压的幅值、相位和频率，进而通过控制液晶轴锥透镜中心跟边缘折射率的差值来改变等效底角α的大小，从而输出相应的扩束光束。
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| CN117742053A true CN117742053A (zh) | 2024-03-22 |
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Family Applications (1)
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| CN202410042587.6A Pending CN117742053A (zh) | 2024-01-11 | 2024-01-11 | 一种基于液晶轴锥透镜组的扩束装置及其控制方法 |
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| CN (1) | CN117742053A (zh) |
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2024
- 2024-01-11 CN CN202410042587.6A patent/CN117742053A/zh active Pending
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