基于液晶透镜和液晶微透镜阵列的光束偏转装置及方法与流程
本发明属于光束偏转技术领域，涉及液晶光学、电控双折射和液晶微透镜阵列，提出一种基于液晶透镜的光束偏转装置、基于液晶微透镜阵列的光束偏转器、以及对应的光束偏转方法。
背景技术：
液晶透镜是一种基于液晶材料的器件，利用液晶的双折射特性，可通过电压控制形成非均匀电场分布使液晶分子沿电场线分布，从而对入射光进行调制，形成类似玻璃透镜的相位分布。液晶透镜根据形成电场的不同，改变形成透镜的特性，一般工作区域为圆孔。
光束偏转器是通过控制入射光的波前对光束的传播方向进行控制的一种器件。。光束偏转器在光纤通信系统中的光纤光开关器件中使用颇多，一般光束偏转其是通过移动两个透镜，使其光轴发生偏移从而偏转光束，偏转角度由光轴的偏移量和后一透镜的焦距决定。当我们所需的偏转角确定时，如果想要光束偏转的速度很快，就需要减小透镜的移动量即光轴的移动量，因此需要减小后一透镜的焦距；而且对于大光束的偏转，大口径透镜的光能利用率很低，因此必须对光束转向装置中的光束进行分块处理。但一般的玻璃透镜都是圆孔，利用圆孔透镜组成的光束转向装置不能完全做到无缝拼接。另一种方法是利用两个柱透镜阵列实现一个微透镜阵列的功能，通过微机电装置控制两个微透镜阵列产生空间上的位移，使得两微透镜阵列的光轴发生位移，从而实现对光线一定角度以及一定方向的偏转。但是当两微透镜阵列发生空间上的位移时的情况，前一个透镜阵列中的单个透镜单元的光束只有部分进入了后一个微透镜阵列中对应透镜单元，导致一部分光束的缺失。
技术实现要素：
针对传统光束偏转装置中存在的圆孔透镜不能无缝拼接导致光能利用率低以及微透镜阵列在进行光束偏转时容易发生空间上的位移导致光束缺失的问题，本发明提出一种基于液晶透镜的光束偏转装置，采用光轴可移动的电压控制液晶透镜构成光束偏转装置，不需要空间上的移动即可使得光束偏转装置中两个透镜的光轴之间发生偏移，实现出射光束与入射光束之间的偏转；另外本发明还提出将透镜构成透镜阵列，当采用矩孔液晶透镜构成液晶微透镜矩孔阵列时能够实现无缝拼接，解决了传统光束偏转器需要机械结构控制透镜在空间上移动的问题和圆孔透镜不能无缝拼接的问题。
本发明的技术方案为：
本发明提出一种基于液晶透镜的光束偏转装置，包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜透光区域的形状和孔径与所述第二透镜透光区域的形状和孔径一致，所述第一透镜和所述第二透镜的尺寸比等于所述第一透镜和所述第二透镜的焦距比；所述第一透镜与所述第二透镜之间相隔所述第一透镜和第二透镜的焦距之和放置，当出射光束与入射光束之间不发生偏转时，所述第一透镜和所述第二透镜的光轴均位于同一直线上；
所述第二透镜为电压控制的液晶透镜，通过施加不同幅值、相位和频率的控制电压能够控制所述第二透镜的光轴移动，使得所述第一透镜和所述第二透镜的光轴之间发生偏移，实现出射光束与入射光束之间的偏转。
具体的，所述液晶透镜包括液晶层，所述液晶层两侧都由内向外依次设置取向层、高阻抗膜、电极层和玻璃基板，两个所述取向层的摩擦方向反向平行，两个所述高阻抗膜重合的部分为所述透光区域，两个所述电极层分别位于所述透光区域两侧的位置设置四个电极，所述控制电压施加在所述四个电极上。
具体的，所述第一透镜为玻璃透镜或所述液晶透镜。
具体的，将所述光束偏转装置进行级联实现光束的大角度偏转，前一级级联的所述光束偏转装置的出射光束作为后一级级联的所述光束偏转装置的入射光束。
具体的，当所述入射光束为非偏振光时，采用以下两种方式处理：
方式一、将所述入射光束经过偏振片后再进入所述光束偏转装置，所述光束偏转装置级联时，只在第一级级联的所述光束偏转装置前设置所述偏振片；
方式二、当所述第一透镜采用非液晶透镜时，在所述光束偏转装置中增加一个所述第二透镜，两个所述第二透镜贴合在一起，且两个所述第二透镜的取向方向正交；当所述第一透镜采用液晶透镜时，在所述光束偏转装置中增加一个采用液晶透镜的所述第一透镜，并增加一个所述第二透镜，两个所述第一透镜贴合在一起，两个所述第二透镜贴合在一起，且两个所述第一透镜的取向方向正交，两个所述第二透镜的取向方向正交。
基于上述方案，本发明将透镜构成透镜阵列，提出一种基于液晶微透镜阵列的光束偏转器，包括由多个第一透镜单元构成的第一透镜阵列，以及由与多个所述第一透镜单元一一对应的多个第二透镜单元构成的第二透镜阵列；所述第一透镜单元透光区域的形状和孔径与对应的所述第二透镜单元透光区域的形状和孔径一致，所述第一透镜单元和对应的所述第二透镜单元的尺寸比等于所述第一透镜单元和对应的所述第二透镜单元的焦距比；所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间相隔所述第一透镜单元和第二透镜单元的焦距之和放置，当出射光束与入射光束之间不发生偏转时，所述第一透镜单元的光轴与对应的所述第二透镜单元的光轴位于同一直线上；
所述第二透镜单元为电压控制的液晶透镜，通过施加不同幅值、相位和频率的控制电压能够控制所述第二透镜单元的光轴移动，使得所述第一透镜单元和对应的所述第二透镜单元的光轴之间发生偏移，实现出射光束与入射光束之间的偏转。
具体的，所述第一透镜单元为玻璃透镜或所述液晶透镜。
具体的，所述液晶透镜包括液晶层，所述液晶层两侧都由内向外依次设置取向层、高阻抗膜、电极层和玻璃基板，两个所述取向层的摩擦方向反向平行，两个所述高阻抗膜重合的部分为所述透光区域，两个所述电极层分别位于所述透光区域两侧的位置设置四个电极，所述控制电压施加在所述四个电极上。
具体的，所述液晶透镜两个高阻抗膜重合的部分为矩形，使得所述第二透镜阵列能够由多个第二透镜单元无缝拼接而成，所述液晶透镜的四个电极分别设置在矩形透光区域四条边的外侧。
具体的，将所述光束偏转器进行级联实现光束的大角度偏转，前一级级联的所述光束偏转器的出射光束作为后一级级联的所述光束偏转器的入射光束。
具体的，当所述入射光束为非偏振光时，采用以下两种方式处理：
方式一、将所述入射光束经过偏振片后再进入所述光束偏转器，所述光束偏转器级联时，只在第一级级联的所述光束偏转器前设置所述偏振片；
方式二、当所述第一透镜单元采用非液晶透镜时，将所述第二透镜单元采用两个取向方向正交的液晶透镜贴合在一起构成；当所述第一透镜单元采用液晶透镜时，将所述第一透镜单元和所述第二透镜单元均采用两个取向方向正交的液晶透镜贴合在一起构成。
另外本发明还提出一种基于液晶透镜的光束偏转方法，能够应用于上述液晶透镜组成的光束偏转装置和液晶微透镜阵列组成的光束偏转器中。
光束偏转方法的技术方案为：设置第一透镜和与所述第一透镜透光区域的形状和孔径一致的第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的尺寸比等于所述第一透镜和所述第二透镜的焦距比；将所述第一透镜与所述第二透镜之间相隔所述第一透镜和所述第二透镜的焦距之和放置，入射光束分别通过所述第一透镜和所述第二透镜后射出；
所述第二透镜选择为电压控制的液晶透镜，通过施加不同幅值、相位和频率的控制电压能够控制所述第二透镜的光轴移动；当不施加控制电压时，所述第一透镜和所述第二透镜的光轴均位于同一直线上，出射光束与入射光束之间不发生偏转；当施加不同幅值、相位和频率的控制电压时，所述第二透镜的光轴发生对应的移动，使得所述第一透镜和所述第二透镜的光轴之间发生偏移，实现出射光束与入射光束之间的偏转，出射光束与入射光束的偏转角度
具体的，所述第一透镜和所述第二透镜构成一个透镜组，将n个所述透镜组进行级联能够增大偏转角度，n为正整数，前一级级联的所述透镜组的出射光束作为后一级级联的所述透镜组的入射光束，第i级级联的所述透镜组的出射光束与入射光束的偏转角度为θi，则最终偏转角度为
本发明的工作原理为：
本发明利用第一透镜和第二透镜实现光束偏转，其中第二透镜是电压控制的液晶透镜，通过施加不同幅值、相位和频率的控制电压能够控制第二透镜的光轴移动；第一透镜可以是任意透镜，如第一透镜采用玻璃透镜或与第二透镜一样采用液晶透镜，需要保证第一透镜透光区域的形状和孔径与第二透镜透光区域的形状和孔径一致。将第一透镜与所述第二透镜之间相隔第一透镜和第二透镜的焦距之和放置，第一透镜和第二透镜的尺寸比等于第一透镜和第二透镜的焦距比。通过电压控制液晶透镜即第二透镜的电场，可以使第二透镜的光轴移动，第一透镜的光轴可以固定也可以移动，只要使得第一透镜和第二透镜的光轴之间发生偏移就达到了出射光束与入射光束之间发生偏转的目的，不需要机械移动，因此前面透镜的光能全部进入后面的透镜，没有杂散光的出现。光束的偏转方向位于光轴构成的空间平面上，偏转角度可由以下公式得到：
其中θ为偏转角，δd为第一透镜和第二透镜的光轴偏移量，f焦为第二透镜的的焦距。
矩孔液晶透镜的两块玻璃基板上镀ito(氧化铟锡)形成电极图形，镀有ito的面设置高阻抗膜并涂上聚酰亚胺进行摩擦取向形成两取向层，两块玻璃镀有ito的面相对，中间灌有液晶。两个高阻抗膜重合的部分为透光区域也是工作区域，第二透镜采用矩孔液晶透镜时，其工作区域是矩形，两玻璃基板上电极层上的条纹型电极相互垂直并分布在矩形工作区域四个边的外侧，形成四个电极。由于工作区域外侧面积相比工作区域而言很小，因此将矩孔液晶透镜构成透镜阵列时可实现无缝拼接。通过电压同步控制液晶微透镜阵列中每个液晶透镜单元的电场，可以使每个液晶透镜单元的光轴同步移动。若将位于光路方向前方的第一透镜构成的第一透镜阵列的光轴固定，位于光路方向后方的液晶微透镜阵列的光轴移动，两透镜阵列之间的距离为第一透镜和第二透镜的焦距之和，则两透镜阵列的光轴发生一定的偏移从而实现光束的转向。
本发明的有益效果为：本发明利用电压控制的液晶透镜构成光束偏转装置，通过控制液晶透镜各电极的电压来控制液晶透镜光轴移动，使得光束偏转装置中两个透镜的光轴发生偏移，实现了光束转向的作用，且光束全部被偏转，不需要机械结构控制透镜在空间上的移动，解决了光束缺失的问题；另外采用矩孔液晶透镜构成液晶微透镜矩孔阵列时能够实现无缝拼接，解决了圆孔透镜构成透镜阵列导致光能利用率低的问题。
附图说明
图1是本发明在实施例中采用的矩孔液晶透镜的俯视图。
图2是本发明在实施例中采用的矩孔液晶透镜的剖面图。
图3是本发明提出的基于液晶透镜的光束偏转装置采用矩孔液晶透镜时的结构示意图。
图4是本发明提出的基于液晶微透镜阵列的光束偏转器的工作原理图。
图5是光轴在中心时，本发明在实施例中采用的矩孔液晶透镜的干涉条纹图。
图6是光轴移动后，本发明在实施例中采用的矩孔液晶透镜的四种干涉条纹图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
本发明利用两个透镜之间的光轴发生偏移，实现出射光束与入射光束之间的偏转，其中第二透镜设置为电压控制液晶透镜，第一透镜可以为普通的玻璃透镜也可以为电压控制液晶透镜，这里所述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，比如入射光束可以依次经过第一透镜和第二透镜后射出，也可以依次经过第二透镜和第一透镜后射出。
如图2所示是液晶透镜的剖面图，电压控制的液晶透镜由内向外分别为一个液晶层1、两个取向层2、两个高阻抗膜3、两个特殊电极图样的ito电极层4和两个玻璃基板5。首先在两个玻璃基板上分别镀ito电极层4，然后进行光刻获得所需的电极图样，如一般设置条纹型的电极；然后再在两个ito电极层4上面分别镀一层高阻抗膜3，对镀好高阻抗膜3的玻璃基板进行切割，两个高阻抗膜3重合的部分为透光区域，也是液晶透镜的工作区域；两个取向层2是通过分别在镀高阻抗膜的两个电极层4上涂覆聚酰亚胺然后进行摩擦取向得到，上下两板的摩擦方向平行且相反，然后在其中灌入液晶形成液晶层1。其中电极材料除了ito也可以采用其他材料，取向材料除了聚酰亚胺也可以采用其他材料，取向层的形成方式也可采用其他方式。
为了便于拼接，一些实施例中将切割后的玻璃基板的长边相互垂直放置，使得两个高阻抗膜3重合的部分为矩形，如图1所示是图2结构的俯视图，可以看出两个高阻抗膜3中间重合的部分为矩形工作区域，下面以采用矩孔的液晶透镜为例说明本发明的光束偏转原理，但值得说明的是，具有其他形状工作区域的液晶透镜也适用于本发明。矩形工作区域左右两侧的ito电极层4形成两个电极，矩形工作区域上下两侧的ito电极层4形成另外两个电极，共四个电极。当不向四个电极加电时，液晶层1中的液晶分子沿取向方向平行排列，不产生偏转，没有透镜效果；当向四个电极加电时，由于高阻抗膜的存在，电压会随线性分布。通过给四个电极以特定的电压关系加电时，可在中心工作区域产生类似圆孔液晶透镜的电场分布，使液晶层1中的液晶分子发生偏转，形成类似玻璃透镜的相位分布。因此通过调节施加控制电压的电压幅值、相位和频率，可使形成的电场分布的中心发生移动，即使得液晶透镜的光轴在透镜平面移动。
如果入射光是非偏振光，在使用时可以采用两种方式进行处理，第一种方式是在光束偏转装置前方加上偏振片，偏振方向与取向方向一致，如果光束偏转装置级联时，只在第一级级联的光束偏转装置前设置偏振片即可。第二种方式中，如果第一透镜是非液晶透镜时，只需设置两个采用液晶透镜的第二透镜贴合在一起，且两个第二透镜的取向方向正交即可；如果第一透镜也是液晶透镜，则需要设置两个采用液晶透镜的第一透镜贴合在一起，同时设置两个采用液晶透镜的第二透镜贴合在一起，两个第一透镜的取向方向正交，两个第二透镜的取向方向也正交；由于本申请中采用的液晶透镜可以做的很薄，所以两个液晶透镜贴合在一起作为一个整体对光束偏转装置的影响不会很大。
实施例一
如图3所示，将第一透镜和第二透镜按光路方向放置，第一透镜与第二透镜之间相隔第一透镜和第二透镜的焦距之和，当出射光束与入射光束之间不发生偏转时，第一透镜和第二透镜的光轴均位于同一直线上。本实施例中第一透镜和第二透镜都采用电压控制的矩孔液晶透镜，控制第一透镜的光轴固定，通过移动第二透镜的光轴使得第一透镜和第二透镜的光轴之间发生偏移(但第一透镜的光轴也可移动只要第一透镜和第二透镜的光轴之间有偏移即可)。设置第一透镜透光区域的形状和孔径与第二透镜透光区域的形状和孔径一致，第一透镜和第二透镜的尺寸比等于第一透镜和第二透镜的焦距比。
光轴移动的方法如下，在透镜表面建立坐标轴，假设初始时刻两个液晶透镜的光轴都在坐标轴中心(ox,oy)，移动之前第二透镜上四个电极施加的控制电压v1、v2、v3、v4的电压条件为：电压幅值v1＝v2＝v3＝v4，相位
令：
则：
v2a＝v1at21a(3)
v4a＝v3at43a(5)
出射光束与入射光束的偏转角度
实施例二
为了说明单个矩孔液晶透镜的透镜效果和光轴移动功能，本实施例中将单个矩孔液晶透镜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，光先经过扩束镜变为平行光，然后进入偏振片进行起偏，再进入干涉光路形成干涉条纹，最后在ccd中成像。当在矩孔液晶透镜的四个电极上加上特定电压的控制电压v1、v2、v3、v4时，可在有效区域内形成同心的圆形电场线，使液晶分子发生偏转，从而形成类似玻璃透镜的相位分布，通过改变控制电压v1、v2、v3、v4可使透镜的光轴发生移动。
为观察实施例二中矩孔液晶透镜的工作情况，实验使用457nm激光对其进行了测试。本实施例使用矩孔边长为5mm孔径的矩孔液晶透镜，当加上电压幅值v1＝v2＝v3＝v4＝1.628v，相位
实施例三
本实施例中第一透镜使用玻璃透镜，第二透镜使用矩孔液晶透镜，共同组成光束偏转装置。为了方便说明，本实施例中将玻璃透镜和矩孔液晶透镜的焦距设置相等，玻璃透镜和矩孔液晶透镜相距两倍焦距放置。首先将矩孔液晶透镜的焦距调节到与玻璃透镜的焦距相等，并且此时矩孔液晶透镜阵列的光轴在中心，这时入射光束没有发生偏转。然后调节矩孔液晶透镜的电压使其焦距不变、光轴移动，此时入射光束被偏转，随着矩孔液晶透镜光轴的移动方向、距离的变化，入射光束的偏转方向角度也随之变化。
实施例四
为了实现大角度偏转，可以将实施例一或实施例三中由第一透镜和第二透镜构成的单个光束偏转装置进行级联，前一级级联的光束偏转装置的出射光束作为后一级级联的光束偏转装置的入射光束，令第i级级联的光束偏转装置的出射光束与入射光束的偏转角度为θi，则最终偏转角度为
实施例五
考虑到玻璃透镜一般为圆形，拼接时会出现缝隙，如果使用两个锥透镜阵列组成一个透镜阵列会增加系统复杂度。因此本实施例中将矩孔液晶透镜拼接为矩孔液晶透镜阵列，将实施例一中的第一透镜作为一个第一透镜单元，将实施例一中的第二透镜作为一个第二透镜单元，多个第一透镜单元构成第一透镜阵列，多个第二透镜单元构成第二透镜阵列，第一透镜阵列和第二透镜阵列都是液晶微透镜阵列。本实施例使用两个相同并相距2f焦的矩孔液晶微透镜阵列组成光束偏转器，每个第一透镜单元与每个第二透镜单元一一对应，当出射光束与入射光束之间不发生偏转时，每个第一透镜单元的光轴与其对应的第二透镜单元的光轴位于同一直线上，液晶微透镜阵列各单元的光轴平行但不重合。
下面结合图3所示的矩孔液晶透镜和图4所示的矩孔液晶透镜构成阵列组成液晶光束偏转器进行说明，在液晶光束偏转器前方设置偏振片，偏振片的偏振方向为取向方向。本实施例中首先将两个矩孔液晶微透镜阵列的焦距调整到合适的长度，令第一透镜单元和第二透镜单元的焦距相等且不变都为f焦，则两透镜阵列之间的距离为两倍的焦距2f焦，两组液晶透镜的焦距通过加载的电压固定且相等，确保放大率不会发生变化。同时将两个矩孔液晶微透镜阵列的光轴都移到中心，这时光束没有发生偏转。
位于前方的液晶微透镜阵列(即图4中矩孔液晶微透镜阵列1为第一透镜阵列)中每个透镜单元的光轴固定，后方的液晶微透镜阵列(即图4中矩孔液晶微透镜阵列2为第二透镜阵列)中每个透镜单元的光轴可移动。在液晶光束偏转器中，通过固定矩孔液晶微透镜阵列1的电压不变，调节矩孔液晶微透镜阵列2的电压使其焦距不变、光轴移动，改变第二透镜单元每个矩孔液晶透镜对应控制电压v1、v2、v3、v4的电压幅值和相位，就可以控制第二透镜单元每个矩孔液晶透镜的光轴在透镜平面发生移动。则矩孔液晶微透镜阵列1的光轴固定在中心，使矩孔液晶微透镜阵列2的光轴发生移动，此时光束会发生偏转，随着光轴的移动方向、距离的变化，光束的偏转方向角度也随之变化，偏转后的光束在矩孔液晶微透镜阵列1与矩孔液晶微透镜阵列2光轴形成的平面上，偏转角度取决于两液晶微透镜阵列的光轴偏移量。此时的光束全部被偏转，没有光束的缺失，且偏转方向和偏转角度可调。
实施例六
将实施例五中由第一透镜阵列和第二透镜阵列构成的单个液晶光束偏转器进行级联，也可以实现光束的大角度偏转。
上面仅对本发明的优选实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！