CN101576697A - 电光开关阵列数字光扫描器 - Google Patents

Abstract

一种电光开关阵列数字光扫描器，由电光晶体开关，偏振分束器和棱镜阵列构成，其中单个电光开关和单个偏振分束器组成单级近场扫描单元，多级近场扫描单元按照一定的拓扑结构形成近场光扫描阵列，其后加棱镜阵列使光束产生相应的偏转，构成远场光扫描阵列，本发明具有响应快，扫描速度快、空间扫描方式灵活和集成度高的特点，适用于空间激光扫描，激光雷达领域。

Description

电光开关阵列数字光扫描器

技术领域

本发明涉及激光扫描，具体是一种电光开关阵列数字光扫描器，其中一个电光开关和一个偏振分束器构成单级近场扫描单元，多个近场扫描单元按照一定的拓扑结构组成近场光扫描阵列，其后加棱镜偏转阵列构成远场光扫描阵列，通过控制电光开关的半波电压来实现数字式的空间扫描，适用于瞄准跟踪、空间激光通信和激光雷达等领域。

背景技术

激光光束扫描器在军用和民用上都有重要应用，其中在激光雷达、激光预警和空间激光通信中，需要光扫描器对目标进行捕获和跟踪，为了在远距离的较大视场中快速的发现较小的目标，需要扫描速度快和扫描精度高的光扫描器，而为了能应用于星载***或机载激光雷达，又要求易于集成的光扫描器。现有的激光光束扫描器大致可分为机械式和非机械式两大类。最常用的二维光束扫描器是电机械扫描器，其缺点是受机械传动精度影响，扫描精度有限，集成化程度低。非机械式的扫描器大致有液晶光栅数字偏转器、电光棱镜偏转器和光学相控阵光束扫描器。液晶光栅数字偏转器受衍射效率的影响偏转范围有限，在激光雷达和跟瞄技术领域中的使用受到限制。要实现较大范围的高精度扫描，电光棱镜扫描器需级联很多的电光晶体，单做一维的偏转可以实现，但二维的快速高精度扫描制作难度大，不易实现；采用衍射光学元件实现的光学相控阵光束扫描器则需要大量的移相器，由于相控单元尺寸很小，生产工艺难度大，成本高，并且难以消除衍射所带来的光学问题；采用LiTaO₃晶片结构设计的电光调制二维相控阵需要将输入光束分成多束光来实现二维扫描，从而大大削减了扫描光束的能量，不适合远距离的空间扫描，因此需要新的扫描器件。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电光开关阵列数字光扫描器，该电光开关阵列数字光扫描器具有结构紧凑，光能量利用度高，扫描速度快，集成度高和空间扫描方式多样等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种高速电光开关阵列数字光扫描器，其特点是由双折射电光晶体平板、电极、偏振分束器和棱镜阵列组成：所述双折射电光晶体平板的光轴方向平行于光的传播方向，所述的电极加在所述的双折射电光晶体平板的上、下两个表面，构成电光开关，所述的偏振分束器设置在所述的电光开关之后构成一个近场光扫描单元，多个近场光扫描单元按照多级的级联方式构成近场光扫描阵列，该多级近场光扫描阵列的构成规律是：第一级近场扫描子***由一个近场扫描单元构成，形成两个扫描位置，第二级近场扫描子***由两个近场扫描单元构成，形成四个扫描位置，第三级近场扫描子***由四个近场扫描单元构成，形成八个扫描位置，依次类推，第m级近场扫描子***由2^m-1个近场扫描单元构成，形成2^m个扫描位置，在该m级近场光扫描子***的2^m个扫描位置后对应地设置2^m个棱镜单元构成的棱镜阵列，m为构成近场光扫描阵列的级数。

所述的双折射电光晶体平板垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

所述的偏振分束器是由下部正方体和上部等腰直角三角棱体一体构成，下部正方体的对角平分面镀半透半反膜，上部等腰直角三角棱体的上表面镀全反射膜。

所述的双折射电光晶体是由磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂或钽酸锂晶体构成的。

所述的棱镜单元由单个棱镜构成，或由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，该棱镜沿光线行进方向的入射面为平面，出射面为斜面，该棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\sin (\mathrm{\θ}-i_1)+n\·{\sin i}_2}{n\·{\sin i}_2-\cos (\mathrm{\θ}-i_1)}\right],$

其中：i₁为入射角， $i_2=\arcsin \left(\frac{{\sin i}_1}{n}\right),$ n为棱镜的折射率，α为棱镜的顶角，θ为偏转角，入射角i₁为入射光线和入射面法线之间的夹角，偏转角θ为入射光线和出射光线之间的夹角。

本发明的技术效果：

本发明高速电光开关阵列数字光扫描器将电光开关和偏振分束器组成了可控位置的单级一维数字型的近场光扫描单元，多级近场光扫描单元按照一定的拓扑结构组成近场光扫描阵列，结合棱镜偏转阵列构成远场光扫描阵列，从而实现远场的二维空间扫描。本发明具有扫描速度快、集成度高、光能量利用率高和扫描方式多样的特点，适用于远距离的自由空间激光扫描。

附图说明

图1是本发明高速电光开关阵列数字光扫描器的原理示意图

图2是本发明棱镜顶角和入射角，偏转角之间的关系图

图3是本发明高速电光开关阵列数字光扫描器实施例的结构示意图

图4是本发明实施例中单级近场扫描单元的结构示意图

图5是本发明实施例中实现1×8远场扫描的棱镜阵列的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明高速电光开关阵列数字光扫描器的原理如图1所示，双折射电光晶体平板1加上电极2构成一个电光开关5，一个电光开关加上一个偏振分束器3构成一个单级近场电光扫描单元6，多个近场扫描单元组成多级近场扫描子***，各级近场扫描子***按照一定的拓扑结构形成近场扫描阵列，各级的近场扫描子***按以下的规律构成：第一级近场扫描子***由一个近场扫描单元构成，形成形成两个扫描位置，第二级近场扫描子***由两个近场扫描单元构成，形成四个扫描位置，第三级近场扫描子***由四个近场扫描单元构成，形成八个扫描位置，依次类推，第m级近场扫描子***7由2^m-1个近场扫描单元构成，形成2^m个扫描位置，可根据实际需要按照一定的空间结构组成空间近场扫描矩阵，后面加上由2^m个棱镜单元构成的棱镜阵列则组成了远场的空间扫描阵列，为简化结构，棱镜阵列中每个棱镜的入射面设计为平面，出射面为斜面，其中单个棱镜单元可由单个棱镜构成，也可由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，单个棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为 $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\sin (\mathrm{\θ}-i_1)+n\·{\sin i}_2}{n\·{\sin i}_2-\cos (\mathrm{\θ}-i_1)}\right],$ 其中i₁为入射角， $i_2=\arcsin \left(\frac{{\sin i}_1}{n}\right),$ n为棱镜的折射率，α为棱镜的顶角，θ为偏转角，其角度关系如图2所示。当入射角为0时，棱镜顶角和偏转角和棱镜折射率之间的关系简化为 $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n-\cos \mathrm{\θ}}\right).$ 本发明高速电光开关阵列数字光扫描器主要用于远距离的空间扫描。

本实施例制作一个高速电光开关阵列数字光扫描器，其近场可实现为2×4的位置扫描，远场实现1×8的位置扫描。本发明高速电光开关阵列数字光扫描器实施例的结构示意图如图3所示，由三级近场扫描子***构成2×4的近场光扫描阵列，其后加相应的棱镜阵列构成远场的空间光扫描器。把双折射电光晶体切成长方体的平板，切割好的晶体平板沿光线的行进方向为晶体的光轴，在一块双折射电光晶体平板1的上下两个表面镀上电极2，构成一个电光开关5，一个电光开关加上一个偏振分束器构成一个单级的近场扫描单元6，2个近场扫描单元构成第二级的近场扫描子***，4个近场扫描单元构成第三级的扫描子***，三级近场扫描子***按图3所示的空间结构组成近场光扫描阵列，其后加棱镜阵列，最后构成2×4的远场光扫描器。棱镜阵列由8个棱镜组成。单级近场扫描单元如图4所示，由电光开关5和具有梯形体结构的偏振分束器3组成，偏振分束器3由正方体的下部和等腰直角三角棱的上部两部分组成，下部的正方体的角平分面镀半透半反膜，上部的等腰直角三角棱的反射面镀全反射膜，使图中的入射光束a为线偏振光，电光开关5不加电压时，光通过晶体后光矢量振动方向不变，光从偏振分束器3直透过去，即不加半波电压时，图4中的出射光束为b。当对电光晶体加上半波电压后，光通过晶体其振动方向偏转90度，这样从电光晶体出来的光束再通过偏振分束器3时就被反射，出射光束变为为c，从而实现单级的一维数字型扫描。在图3的实施例中，入射光束a的方向为纸面内的水平方向，对于第一级近场扫描子***，偏振分束器3的直透方向为纸面内的水平方向，反射光先被下部正方体的角平分面沿垂直纸面朝里方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿纸面内的水平方向出射；对于第二级近场扫描子***，偏振分束器3的直透方向为纸面内的水平方向，反射光先被下部的正方体的角平分面沿纸面内的垂直方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿纸面内的水平方向出射；对于第三级近场扫描子***，偏振分束器3的直透方向为纸面内的水平方向，反射光先被下部的正方体的角平分面沿纸面内的垂直方向反射，再被上部的等腰直角三角棱反射沿纸面内的水平方向出射，最后可排成2×4的扫描矩阵。棱镜阵列4的结构示意图如图5所示，图中单个棱镜的顶角由所需要的扫描角确定。设使用波长为1.55μm，扫描的入射光束口径为3mm，远场扫描要求为每束光之间的偏转角为0.1度，选择铌酸锂晶体为双折射电光晶体的材料，则设计的双折射电光晶体平板的尺寸为：长×宽×高＝50mm×5mm×5mm，查得该使用波长的半波电压为12800V/mm，由纵横比算得该电光开关的半波电压为1280V，因此设计电光开关驱动电源的电压在500-2000V可满足使用要求。偏振分束器下部正方体棱镜的尺寸为长×宽×高＝5mm×5mm×5mm，上部等腰直角三角棱形的尺寸为：两直角边长度分别为5mm，斜边的长度为7.07mm，每个偏振分束器的尺寸一样，只是放置的方向不同。设计完成的扫描阵列的近场光斑中心间距为5mm，。在棱镜阵列中，材料选用K9玻璃，折射率为1.52，棱镜单元的直角边尺寸都为5mm，根据扫描要求每个棱镜顶角不同，放置方式不同，按远场实现1×8的扫描，且每束光之间的偏转角为0.1度计算，棱镜41的顶角为-0.0962度，棱镜42的顶角为0.0962度，棱镜43的顶角为-0.2885度，棱镜44的顶角为0.2885度，棱镜45的顶角为-0.4807度，棱镜46的顶角为0.4807度，棱镜47的顶角为-0.673度，棱镜48的顶角为0.673度，如图5所示。

如果远场需要实现2×4的空间扫描，只需用将棱镜阵列中的42、44、46、48棱镜单元或者41、43、45、47棱镜单元改由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜即可，每个棱镜的顶角为 $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\sin (\mathrm{\θ}-i_1)+n\·{\sin i}_2}{n\·{\sin i}_2-\cos (\mathrm{\θ}-i_1)}\right],$ 其中i₁为入射角， $i_2=\arcsin \left(\frac{{\sin i}_1}{n}\right),$ n为棱镜的折射率，α为棱镜的顶角，θ为偏转角。另外，改变棱镜单元的组合可实现任意的空间扫描方式，在实际应用中可根据实际需要加以选择和设计。

Claims (5)

1、一种高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于是由双折射电光晶体平板(1)、电极(2)、偏振分束器(3)和棱镜阵列(4)组成：所述双折射电光晶体平板(1)的光轴方向平行于光的传播方向，所述的电极(2)加在所述的双折射电光晶体平板(1)的上、下两个表面，构成电光开关(5)，所述的偏振分束器(3)设置在所述的电光开关(5)之后构成一个近场光扫描单元(6)，多个近场光扫描单元(6)按照多级的级联方式构成近场光扫描阵列，该多级近场光扫描阵列的构成规律是：第一级近场扫描子***由一个近场扫描单元构成，形成两个扫描位置，第二级近场扫描子***由两个近场扫描单元构成，形成四个扫描位置，第三级近场扫描子***由四个近场扫描单元构成，形成八个扫描位置，依次类推，第m级近场扫描子***由2^m-1个近场扫描单元构成，形成2^m个扫描位置，在该m级近场光扫描子***(7)的2^m个扫描位置后对应地设置2^m个棱镜单元构成的棱镜阵列(4)，m为构成近场光扫描阵列的级数。

2、根据权利要求1所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的双折射电光晶体平板(1)垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

3、根据权利要求1所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的偏振分束器(3)是由下部正方体和上部等腰直角三角棱体一体构成，下部正方体的对角平分面镀半透半反膜，上部等腰直角三角棱体的上表面镀全反射膜。

4、根据权利要求1所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的双折射电光晶体是由磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂或钽酸锂晶体构成的。

5、根据权利要求1所述的高速电光开关阵列数字光扫描器，其特征在于所述的棱镜单元由单个棱镜构成，或由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，该棱镜沿光线行进方向的入射面为平面，出射面为斜面，该棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\sin (\mathrm{\θ}-i_1)+n\·\sin i_2}{n\·\sin i_2-\cos (\mathrm{\θ}-i_1)}\right],$ 其中：i₁为入射角， $i_2=\arcsin \left(\frac{\sin i_1}{n}\right),$ n为棱镜的折射率，α为棱镜的顶角，θ为偏转角，入射角i₁为入射光线和入射面法线之间的夹角，偏转角θ为入射光线和出射光线之间的夹角。

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