專利名稱：電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光掃描，具體是一種電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其中一個電光 開關(guān)和一個偏振分束器構(gòu)成單級近場掃描單元，多個近場掃描單元按照一定的拓?fù)?結(jié)構(gòu)組成近場光掃描陣列，其后加棱鏡偏轉(zhuǎn)陣列構(gòu)成遠(yuǎn)場光掃描陣列，通過控制電 光開關(guān)的半波電壓來實現(xiàn)數(shù)字式的空間掃描，適用于瞄準(zhǔn)跟蹤、空間激光通信和激 光雷達(dá)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光光束掃描器在軍用和民用上都有重要應(yīng)用，其中在激光雷達(dá)、激光 預(yù)警和空間激光通信中，需要光掃描器對目標(biāo)進(jìn)行捕獲和跟蹤，為了在遠(yuǎn)距 離的較大視場中快速的發(fā)現(xiàn)較小的目標(biāo)，需要掃描速度快和掃描精度高的光 掃描器，而為了能應(yīng)用于星載光端機(jī)或機(jī)載激光雷達(dá)，又要求易于集成的光 掃描器?，F(xiàn)有的激光光束掃描器大致可分為機(jī)械式和非機(jī)械式兩大類。最常 用的二維光束掃描器是電機(jī)械掃描器，其缺點是受機(jī)械傳動精度影響，掃描 精度有限，集成化程度低。非機(jī)械式的掃描器大致有液晶光柵數(shù)字偏轉(zhuǎn)器、 電光棱鏡偏轉(zhuǎn)器和光學(xué)相控陣光束掃描器。液晶光柵數(shù)字偏轉(zhuǎn)器受衍射效率 的影響偏轉(zhuǎn)范圍有限，在激光雷達(dá)和跟瞄技術(shù)領(lǐng)域中的使用受到限制。要實 現(xiàn)較大范圍的高精度掃描，電光棱鏡掃描器需級聯(lián)很多的電光晶體，單做一 維的偏轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)，但二維的快速高精度掃描制作難度大，不易實現(xiàn)；采用衍 射光學(xué)元件實現(xiàn)的光學(xué)相控陣光束掃描器則需要大量的移相器，由于相控單元 尺寸很小，生產(chǎn)工藝難度大，成本高，并且難以消除衍射所帶來的光學(xué)問題; 采用LiT'a03晶片結(jié)構(gòu)設(shè)計的電光調(diào)制二維相控陣需要將輸入光束分成多束光 來實現(xiàn)二維掃描，從而大大削減了掃描光束的能量，不適合遠(yuǎn)距離的空間掃 描，因此需要新的掃描器件。發(fā)明內(nèi)容為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，該 電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器具有結(jié)構(gòu)緊湊，光能量利用度高，掃描速度快，集成度 高和空間掃描方式多樣等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其特點是由雙折射電光晶體平板、電極、 偏振分束器和棱鏡陣列組成所述雙折射電光晶體平板的光軸方向平行于光的傳播 方向，所述的電極加在所述的雙折射電光晶體平板的上、下兩個表面，構(gòu)成電光開 關(guān)，所述的偏振分束器設(shè)置在所述的電光開關(guān)之后構(gòu)成一個近場光掃描單元，多個 近場光掃描單元按照多級的級聯(lián)方式構(gòu)成近場光掃描陣列，該多級近場光掃描陣列 的構(gòu)成規(guī)律是第一級近場掃描子系統(tǒng)由一個近場掃描單元構(gòu)成，形成兩個掃描位 置，第二級近場掃描子系統(tǒng)由兩個近場掃描單元構(gòu)成，形成四個掃描位置，第三級 近場掃描子系統(tǒng)由四個近場掃描單元構(gòu)成，形成八個掃描位置，依次類推，第m級 近場掃描子系統(tǒng)由2『i個近場掃描單元構(gòu)成，形成y個掃描位置，在該m級近場光 掃描子系統(tǒng)的2"個掃描位置后對應(yīng)地設(shè)置2"個棱鏡單元構(gòu)成的棱鏡陣列，m為構(gòu)成 近場光掃描陣列的級數(shù)。所述的雙折射電光晶體平板垂直于光線行進(jìn)方向的入射面和出射面為光學(xué)拋光面。所述的偏振分束器是由下部正方體和上部等腰直角三角棱體一體構(gòu)成，下部正 方體的對角平分面鍍半透半反膜，上部等腰直角三角棱體的上表面鍍?nèi)瓷淠?。所述的雙折射電光晶體是由磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體構(gòu) 成的。所述的棱鏡單元由單個棱鏡構(gòu)成，或由水平偏轉(zhuǎn)棱鏡和垂直偏轉(zhuǎn)棱鏡的 組合棱鏡構(gòu)成，該棱鏡沿光線行進(jìn)方向的入射面為平面，出射面為斜面，該棱鏡頂角由入射角、偏轉(zhuǎn)角和棱鏡的折射率確定，其關(guān)系式為<formula>formula see original document page 4</formula>其中纟為入射角，<formula>formula see original document page 4</formula>為棱鏡的折射率，"為棱鏡的頂、w 〉角，0為偏轉(zhuǎn)角，入射角纟為入射光線和入射面法線之間的夾角，偏轉(zhuǎn)角^為入射光線和出射光線之間的夾角。 本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器將電光開關(guān)和偏振分束器組成了可控位置的單級一維數(shù)字型的近場光掃描單元，多級近場光掃描單元按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 組成近場光掃描陣列，結(jié)合棱鏡偏轉(zhuǎn)陣列構(gòu)成遠(yuǎn)場光掃描陣列，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)場的二 維空'間掃描。本發(fā)明具有掃描速度快、集成度高、光能量利用率高和掃描方式多樣 的特點，適用于遠(yuǎn)距離的自由空間激光掃描。


圖1是本發(fā)明高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器的原理示意2是本發(fā)明棱鏡頂角和入射角，偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系3是本發(fā)明高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器實施例的結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明實施例中單級近場掃描單元的結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明實施例中實現(xiàn)1X8遠(yuǎn)場掃描的棱鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。本發(fā)明高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器的原理如圖1所示，雙折射電光晶體平 板1加上電極2構(gòu)成一個電光開關(guān)5， 一個電光開關(guān)加上一個偏振分束器3構(gòu)成一 個單級近場電光掃描單元6，多個近場掃描單元組成多級近場掃描子系統(tǒng)，各級近 場掃描子系統(tǒng)按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成近場掃描陣列，各級的近場掃描子系統(tǒng)按以 下的規(guī)律構(gòu)成第一級近場掃描子系統(tǒng)由一個近場掃描單元構(gòu)成，形成形成兩個掃 描位置，第二級近場掃描子系統(tǒng)由兩個近場掃描單元構(gòu)成，形成四個掃描位置，第 三級近場掃描子系統(tǒng)由四個近場掃描單元構(gòu)成，形成八個掃描位置，依次類推，第 m級近場掃描子系統(tǒng)7由2"1—1個近場掃描單元構(gòu)成，形成2"個掃描位置，可根據(jù)實 際需要按照一定的空間結(jié)構(gòu)組成空間近場掃描矩陣，后面加上由2"個棱鏡單元構(gòu)成 的棱鏡陣列則組成了遠(yuǎn)場的空間掃描陣列，為簡化結(jié)構(gòu)，棱鏡陣列中每個棱鏡的入 射面設(shè)計為平面，出射面為斜面，其中單個棱鏡單元可由單個棱鏡構(gòu)成，也可由 水平偏轉(zhuǎn)棱鏡和垂直偏轉(zhuǎn)棱鏡的組合棱鏡構(gòu)成，單個棱鏡頂角由入射角、偏sin(^_f1) +".Sim;轉(zhuǎn)角和棱鏡的折射率確定，其關(guān)系式為《=^^&w'smz2 — cos(入射角，/2=arCSinf^)，"為棱鏡的折射率，"為棱鏡的頂角，^為偏轉(zhuǎn)角，其角度關(guān)系如圖2所示。當(dāng)入射角為0時，棱鏡頂角和偏轉(zhuǎn)角和棱鏡折射率、《 —cos6 乂之間的關(guān)系簡化為a = 。rctg「 )。本發(fā)明高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器主要用于遠(yuǎn)距離的空間掃描。本實施例制作一個高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其近場可實現(xiàn)為2X4的位 置掃描，遠(yuǎn)場實現(xiàn)1X8的位置掃描。本發(fā)明高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器實施例 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，由三級近場掃描子系統(tǒng)構(gòu)成2X4的近場光掃描陣列，其 后加相應(yīng)的棱鏡陣列構(gòu)成遠(yuǎn)場的空間光掃描器。把雙折射電光晶體切成長方體的平 板，切割好的晶體平板沿光線的行進(jìn)方向為晶體的光軸，在一塊雙折射電光晶體平 板1的上下兩個表面鍍上電極2，構(gòu)成一個電光開關(guān)5， 一個電光開關(guān)加上一個偏振 分束器構(gòu)成一個單級的近場掃描單元6， 2個近場掃描單元構(gòu)成第二級的近場掃描子 系統(tǒng)，4個近場掃描單元構(gòu)成第三級的掃描子系統(tǒng)，三級近場掃描子系統(tǒng)按圖3所 示的空間結(jié)構(gòu)組成近場光掃描陣列，其后加棱鏡陣列，最后構(gòu)成2X4的遠(yuǎn)場光掃描 器。棱鏡陣列由8個棱鏡組成。單級近場掃描單元如圖4所示，由電光開關(guān)5和具 有梯形體結(jié)構(gòu)的偏振分束器3組成，偏振分束器3由正方體的下部和等腰直角三角 棱的上部兩部分組成，下部的正方體的角平分面鍍半透半反膜，上部的等腰直角三 角棱的反射面鍍?nèi)瓷淠ぃ箞D中的入射光束a為線偏振光，電光開關(guān)5不加電壓 時，光通過晶體后光矢量振動方向不變，光從偏振分束器3直透過去，即不加半波 電壓時，圖4中的出射光束為b。當(dāng)對電光晶體加上半波電壓后，光通過晶體其振 動方向偏轉(zhuǎn)90度，這樣從電光晶體出來的光束再通過偏振分束器3時就被反射，出 射光束變?yōu)闉閏，從而實現(xiàn)單級的一維數(shù)字型掃描。在圖3的實施例中，入射光束a 的方向為紙面內(nèi)的水平方向，對于第一級近場掃描子系統(tǒng)，偏振分束器3的直透方 向為紙面內(nèi)的水平方向，反射光先被下部正方體的角平分面沿垂直紙面朝里方向反 射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿紙面內(nèi)的水平方向出射；對于第二級近場掃 描子系統(tǒng)，偏振分束器3的直透方向為紙面內(nèi)的水平方向，反射光先被下部的正方 體的角平分面沿紙面內(nèi)的垂直方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿紙面內(nèi) 的水平方向出射；對于第三級近場掃描子系統(tǒng)，偏振分束器3的直透方向為紙面內(nèi) 的水平方向，反射光先被下部的正方體的角平分面沿紙面內(nèi)的垂直方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿紙面內(nèi)的水平方向出射，最后可排成2X4的掃描矩 陣。棱鏡陣列4的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，圖中單個棱鏡的頂角由所需要的掃描角 確定。設(shè)使用波長為L55pm，掃描的入射光束口徑為3mm，遠(yuǎn)場掃描要求為每束光 之間的偏轉(zhuǎn)角為0.1度，選擇鈮酸鋰晶體為雙折射電光晶體的材料，則設(shè)計的雙折 射電光晶體平板的尺寸為長X寬X高50mmX5mmX5ram，查得該使用波長的半波電 壓為12800V/鵬，由縱橫比算得該電光開關(guān)的半波電壓為1280V，因此設(shè)計電光開關(guān) 驅(qū)動電源的電壓在500-2000V可滿足使用要求。偏振分束器下部正方體棱鏡的尺寸 為長X寬X高二5mmX5鵬X5腿，上部等腰直角三角棱形的尺寸為兩直角邊長度分 別為5mra，斜邊的長度為7.07mm，每個偏振分束器的尺寸一樣，只是放置的方向不 同。設(shè)計完成的掃描陣列的近場光斑中心間距為5mm，。在棱鏡陣列中，材料選用K9 玻璃，折射率為1.52，棱鏡單元的直角邊尺寸都為5mm，根據(jù)掃描要求每個棱鏡頂 角不同，放置方式不同，按遠(yuǎn)場實現(xiàn)1X8的掃描，且每束光之間的偏轉(zhuǎn)角為O. l度 計算，棱鏡41的頂角為-0.0962度，棱鏡42的頂角為0.0962度，棱鏡43的頂角 為-0.2885度，棱鏡44的頂角為0.2885度，棱鏡45的頂角為-0. 4807度，棱鏡46 的頂角為0.4807度，棱鏡47的頂角為-0.673度，棱鏡48的頂角為0. 673度，如 圖5所示。如果遠(yuǎn)場需要實現(xiàn)2X4的空間掃描，只需用將棱鏡陣列中的42、 44、 46、 48 棱鏡單元或者41、 43、 45、 47棱鏡單元改由水平偏轉(zhuǎn)棱鏡和垂直偏轉(zhuǎn)棱鏡的組合棱鏡即可，每個棱鏡的頂角為《 = ^^^，其中z;為入射角，Z2=arcSinf^)，"為棱鏡的折射率，"為棱鏡的頂角，e為偏轉(zhuǎn)角。另外，VW y1改變棱鏡單元的組合可實現(xiàn)任意的空間掃描方式，在實際應(yīng)用中可根據(jù)實際需要 加以選擇和設(shè)計。
權(quán)利要求
1、一種高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其特征在于是由雙折射電光晶體平板(1)、電極(2)、偏振分束器(3)和棱鏡陣列(4)組成所述雙折射電光晶體平板(1)的光軸方向平行于光的傳播方向，所述的電極(2)加在所述的雙折射電光晶體平板(1)的上、下兩個表面，構(gòu)成電光開關(guān)(5)，所述的偏振分束器(3)設(shè)置在所述的電光開關(guān)(5)之后構(gòu)成一個近場光掃描單元(6)，多個近場光掃描單元(6)按照多級的級聯(lián)方式構(gòu)成近場光掃描陣列，該多級近場光掃描陣列的構(gòu)成規(guī)律是第一級近場掃描子系統(tǒng)由一個近場掃描單元構(gòu)成，形成兩個掃描位置，第二級近場掃描子系統(tǒng)由兩個近場掃描單元構(gòu)成，形成四個掃描位置，第三級近場掃描子系統(tǒng)由四個近場掃描單元構(gòu)成，形成八個掃描位置，依次類推，第m級近場掃描子系統(tǒng)由2m-1個近場掃描單元構(gòu)成，形成2m個掃描位置，在該m級近場光掃描子系統(tǒng)(7)的2m個掃描位置后對應(yīng)地設(shè)置2m個棱鏡單元構(gòu)成的棱鏡陣列(4)，m為構(gòu)成近場光掃描陣列的級數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其特征在于所述的 雙折射電光晶體平板(1)垂直于光線行進(jìn)方向的入射面和出射面為光學(xué)拋光面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其特征在于所述的 偏振分束器(3)是由下部正方體和上部等腰直角三角棱體一體構(gòu)成，下部正方體的 對角平分面鍍半透半反膜，上部等腰直角三角棱體的上表面鍍?nèi)瓷淠ぁ?br> 4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其特征在于所述的 雙折射電光晶體是由磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體構(gòu)成的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，其特征在于 所述的棱鏡單元由單個棱鏡構(gòu)成，或由水平偏轉(zhuǎn)棱鏡和垂直偏轉(zhuǎn)棱鏡的組合 棱鏡構(gòu)成，該棱鏡沿光線行進(jìn)方向的入射面為平面，出射面為斜面，該棱鏡 頂角由入射角、偏轉(zhuǎn)角和棱鏡的折射率確定，其關(guān)系式為sin((9 —+w.sin/2a 二 arcfg，其中Z,為入射角，4-arcsin ，1，"為w.sin/2 — cos(61-々)棱鏡的折射率，"為棱鏡的頂角，^為偏轉(zhuǎn)角，入射角纟為入射光線和入射面 法線之間的夾角，偏轉(zhuǎn)角^為入射光線和出射光線之間的夾角。
全文摘要
一種電光開關(guān)陣列數(shù)字光掃描器，由電光晶體開關(guān)，偏振分束器和棱鏡陣列構(gòu)成，其中單個電光開關(guān)和單個偏振分束器組成單級近場掃描單元，多級近場掃描單元按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成近場光掃描陣列，其后加棱鏡陣列使光束產(chǎn)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，構(gòu)成遠(yuǎn)場光掃描陣列，本發(fā)明具有響應(yīng)快，掃描速度快、空間掃描方式靈活和集成度高的特點，適用于空間激光掃描，激光雷達(dá)領(lǐng)域。
文檔編號G02F1/29GK101576697SQ200910053208
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者萬玲玉, 劉立人, 煜 周, 戴恩文, 職亞楠, 閆愛民 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所