[發明專利]基于液晶透鏡和液晶微透鏡陣列的光束偏轉裝置及方法

有效

• 申請號: 202011032662.9
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112198733B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 陳曉西;徐律涵;葉茂
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/29
• 分類號: G02F1/29
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

基于液晶透鏡和液晶微透鏡陣列的光束偏轉裝置及方法，設置第一透鏡和第二透鏡構成光束偏轉裝置，第一透鏡與第二透鏡的透光區域形狀和孔徑一致，第一透鏡和第二透鏡的尺寸比等于其焦距比；第一透鏡與第二透鏡之間相隔第一透鏡和第二透鏡的焦距之和放置，當出射光束與入射光束之間不發生偏轉時，第一透鏡和第二透鏡的光軸位于同一直線上；第二透鏡為電壓控制的液晶透鏡，通過施加不同幅值、相位和頻率的控制電壓能夠控制第二透鏡的光軸移動，使得第一透鏡和第二透鏡的光軸之間發生偏移，不需要透鏡在空間上的移動即可實現出射光束與入射光束之間的偏轉；且第二透鏡采用矩孔液晶透鏡構成透鏡陣列時能夠實現無縫拼接，提高光能利用率。

技術領域

本發明屬于光束偏轉技術領域，涉及液晶光學、電控雙折射和液晶微透鏡陣列，提出一種基于液晶透鏡的光束偏轉裝置、基于液晶微透鏡陣列的光束偏轉器、以及對應的光束偏轉方法。

背景技術

液晶透鏡是一種基于液晶材料的器件，利用液晶的雙折射特性，可通過電壓控制形成非均勻電場分布使液晶分子沿電場線分布，從而對入射光進行調制，形成類似玻璃透鏡的相位分布。液晶透鏡根據形成電場的不同，改變形成透鏡的特性，一般工作區域為圓孔。

光束偏轉器是通過控制入射光的波前對光束的傳播方向進行控制的一種器件。。光束偏轉器在光纖通信系統中的光纖光開關器件中使用頗多，一般光束偏轉其是通過移動兩個透鏡，使其光軸發生偏移從而偏轉光束，偏轉角度由光軸的偏移量和后一透鏡的焦距決定。當我們所需的偏轉角確定時，如果想要光束偏轉的速度很快，就需要減小透鏡的移動量即光軸的移動量，因此需要減小后一透鏡的焦距；而且對于大光束的偏轉，大口徑透鏡的光能利用率很低，因此必須對光束轉向裝置中的光束進行分塊處理。但一般的玻璃透鏡都是圓孔，利用圓孔透鏡組成的光束轉向裝置不能完全做到無縫拼接。另一種方法是利用兩個柱透鏡陣列實現一個微透鏡陣列的功能，通過微機電裝置控制兩個微透鏡陣列產生空間上的位移，使得兩微透鏡陣列的光軸發生位移，從而實現對光線一定角度以及一定方向的偏轉。但是當兩微透鏡陣列發生空間上的位移時的情況，前一個透鏡陣列中的單個透鏡單元的光束只有部分進入了后一個微透鏡陣列中對應透鏡單元，導致一部分光束的缺失。

發明內容

針對傳統光束偏轉裝置中存在的圓孔透鏡不能無縫拼接導致光能利用率低以及微透鏡陣列在進行光束偏轉時容易發生空間上的位移導致光束缺失的問題，本發明提出一種基于液晶透鏡的光束偏轉裝置，采用光軸可移動的電壓控制液晶透鏡構成光束偏轉裝置，不需要空間上的移動即可使得光束偏轉裝置中兩個透鏡的光軸之間發生偏移，實現出射光束與入射光束之間的偏轉；另外本發明還提出將透鏡構成透鏡陣列，當采用矩孔液晶透鏡構成液晶微透鏡矩孔陣列時能夠實現無縫拼接，解決了傳統光束偏轉器需要機械結構控制透鏡在空間上移動的問題和圓孔透鏡不能無縫拼接的問題。

本發明的技術方案為：

本發明提出一種基于液晶透鏡的光束偏轉裝置，包括第一透鏡和第二透鏡，所述第一透鏡透光區域的形狀和孔徑與所述第二透鏡透光區域的形狀和孔徑一致，所述第一透鏡和所述第二透鏡的尺寸比等于所述第一透鏡和所述第二透鏡的焦距比；所述第一透鏡與所述第二透鏡之間相隔所述第一透鏡和第二透鏡的焦距之和放置，當出射光束與入射光束之間不發生偏轉時，所述第一透鏡和所述第二透鏡的光軸均位于同一直線上；

所述第二透鏡為電壓控制的液晶透鏡，通過施加不同幅值、相位和頻率的控制電壓能夠控制所述第二透鏡的光軸移動，使得所述第一透鏡和所述第二透鏡的光軸之間發生偏移，實現出射光束與入射光束之間的偏轉。

具體的，所述液晶透鏡包括液晶層，所述液晶層兩側都由內向外依次設置取向層、高阻抗膜、電極層和玻璃基板，兩個所述取向層的摩擦方向反向平行，兩個所述高阻抗膜重合的部分為所述透光區域，兩個所述電極層分別位于所述透光區域兩側的位置設置四個電極，所述控制電壓施加在所述四個電極上。

具體的，所述第一透鏡為玻璃透鏡或所述液晶透鏡。