[发明专利]基于液晶透镜和液晶微透镜阵列的光束偏转装置及方法

说明书

基于液晶透镜和液晶微透镜阵列的光束偏转装置及方法，设置第一透镜和第二透镜构成光束偏转装置，第一透镜与第二透镜的透光区域形状和孔径一致，第一透镜和第二透镜的尺寸比等于其焦距比；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放置，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位于同一直线上；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第二透镜的光轴移动，使得第一透镜和第二透镜的光轴之间发生偏移，不需要透镜在空间上的移动即可实现出射光束与入射光束之间的偏转；且第二透镜采用矩孔液晶透镜构成透镜阵列时能够实现无缝拼接，提高光能利用率。

技术领域

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。

发明内容

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。