專利名稱：在寬視場中動態(tài)控制光方向的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光的方向控制，尤其涉及動態(tài)控制光的傳播方向的技術(shù)。
動態(tài)控制光的傳播方向是光學(xué)中的一項基本技術(shù)。直接應(yīng)用包括激光雷達(dá)系統(tǒng)、激光投影顯示器、目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)、土地測量系統(tǒng)、娛樂、激光打印機(jī)。激光加工、計量學(xué)、激光掃描和光通信。
目前，有四種重要的光偏轉(zhuǎn)方法機(jī)電、聲光、電光和電控光柵方法。在這四種方法中，機(jī)電方法最常用于商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。機(jī)電方法將旋轉(zhuǎn)反射鏡或旋轉(zhuǎn)棱鏡用作改變光方向的機(jī)械裝置。這些裝置因宏觀規(guī)模的機(jī)械運動的固有特性而存在許多局限。例如，它們相對較慢。一般地說，它需要化幾毫秒的時間將光束從一個方向改變到另一方向。另外，這類系統(tǒng)容易受機(jī)械振動的干擾。
其余三種方法不包含宏觀規(guī)模的機(jī)械運動部件。但是最大偏轉(zhuǎn)角范圍通常對其性能構(gòu)成一重要的限制因素。例如，現(xiàn)有技術(shù)中完全電子控制方法能夠提供的最大偏轉(zhuǎn)角一般小于±3°。此較小的偏轉(zhuǎn)角實質(zhì)上將電子控制方法排除在幾乎所有重要的實踐應(yīng)用之外。機(jī)電控制的旋轉(zhuǎn)反射鏡裝置可以適當(dāng)?shù)靥峁┹^大的偏轉(zhuǎn)角。兩維的機(jī)電控制旋轉(zhuǎn)反射鏡的最大偏轉(zhuǎn)角通常比±30°小得多，這是受機(jī)械零件幾何的限制。并且，在諸如激光雷達(dá)系統(tǒng)等許多重要的光掃描應(yīng)用中，通常需要很大的掃描角范圍。因此，即使就連機(jī)電系統(tǒng)的最大偏轉(zhuǎn)角范圍都仍然是不夠的。
在現(xiàn)有技術(shù)中，授予Huignard的美國專利4,836,629揭示了一種在寬視場中改變光束方向的全息多路復(fù)用器(holographic multiplexer)系統(tǒng)。關(guān)鍵部件是全息多路復(fù)用器，其工作方式基于光的波動特性。具體地說，在Huignard系統(tǒng)中，將一束光分成多束光，它們以不同的傳播方向通過相干電磁波的干涉。然后，Huignard用一光閘選擇從系統(tǒng)中輸出哪束光。Huignard系統(tǒng)的一個缺點是，輸出光能只是輸入光能的一小部分。例如，如果全息多路復(fù)用器輸出N×N=N2的光束矩陣，那么每條光束的最大能量水平都只有1/N2，并且由于N2一般為數(shù)百或數(shù)千，所以與輸入能量相比，輸出能量確實非常小。
必須注意，對于實際應(yīng)用來說，全息元件和過程通常太復(fù)雜。例如，Huignard系統(tǒng)用一附加激光系統(tǒng)、一兩維調(diào)相器和附加的非線性光學(xué)材料將外界的激光能量抽運到輸出光束中，以補(bǔ)償全息多路復(fù)用過程中損失的光能。定量地說，附加激光器的功率輸出必須是比入射激光源之功率輸出高許多倍，以補(bǔ)償抽運系統(tǒng)中的損耗。另外，為了使多路復(fù)用器工作，必須首先用一個相當(dāng)精密的兩維檢測系統(tǒng)記錄全息圖，然后用一相當(dāng)復(fù)雜的過程重建原始波前，從而提供多個分光束。所有這些使得Huignard系統(tǒng)對于許多實際應(yīng)用來說太復(fù)雜、太精密。
根據(jù)經(jīng)典的幾何光學(xué)，使初始偏轉(zhuǎn)光束的偏轉(zhuǎn)角增加一小量(一般為±5°)的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用擴(kuò)束器。如圖2所示，擴(kuò)束器是具有兩個正透鏡的透鏡系統(tǒng)，其中兩個正透鏡共享同一焦平面112。透鏡102的焦距f1比第二透鏡104的焦距大得多。當(dāng)準(zhǔn)直良好的光束從第二透鏡104傳播到第一透鏡102時，如在標(biāo)號106處，光束的大小將增大f1/f2因子。當(dāng)沿反方向使用擴(kuò)束器時，即如在標(biāo)號108處從第一透鏡102傳播到第二透鏡104，光束大小將減小，并且輸入光束相對光軸110的偏轉(zhuǎn)角會增大f1/f2因子。然而，當(dāng)f1/f2較大時，最重要的限制條件是輸出光束的最大偏轉(zhuǎn)角。輸出光束總是從較小透鏡104的輸出面114轉(zhuǎn)向光軸110，然后在離開小透鏡104的距離為δ的地方越過光軸110。比值r/δ直接決定了最大偏轉(zhuǎn)角，其中r是小透鏡104的半徑。
望遠(yuǎn)鏡接目鏡甚至具有更具體規(guī)定的目的。因為使用者用眼睛直接觀察系統(tǒng)，所以將光束輸出設(shè)計在離開小透鏡表面大約5-10毫米，并且光束寬度大約為2毫米，以適合人眼的瞳孔大小。
由此可見，擴(kuò)束器或標(biāo)準(zhǔn)的望遠(yuǎn)鏡接目鏡是一種能夠在近場大量提供輸出光束的裝置。由于輸出光束總是轉(zhuǎn)向光軸并且δ的值不能非常小，所以最大偏轉(zhuǎn)角范圍受到很大限制。另外，由于輸出光束來自透鏡邊緣，所以光束畸變和劣化非常大。當(dāng)使用復(fù)合透鏡系統(tǒng)時，將這些透鏡系統(tǒng)設(shè)計成工作在透鏡系統(tǒng)近場，而不是遠(yuǎn)場。當(dāng)光束通過光軸并進(jìn)入遠(yuǎn)場后，光束的劣化通常變得不能接受。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種用于控制光束方向的設(shè)備。
另一個目的是提供一種在寬角度范圍內(nèi)控制光束方向的設(shè)備。
本發(fā)明提供了一種用于擴(kuò)展光偏轉(zhuǎn)角的設(shè)備，可以動態(tài)控制光束，使其轉(zhuǎn)向較大角度空間范圍內(nèi)的任何一方向，一般上下左右的偏轉(zhuǎn)范圍皆為±90°。本發(fā)明的設(shè)備可以應(yīng)用于沒有機(jī)械運動部件的全電子控制系統(tǒng)。正由于此，不再有電子方法對光方向的限制，可以在寬角度范圍內(nèi)對光束進(jìn)行完全電子控制，沒有任何運動部件，適用于寬光譜的場合。另外，本發(fā)明的設(shè)備也可以應(yīng)用于包括旋轉(zhuǎn)反射鏡或其它運動部件的系統(tǒng)。
本發(fā)明使用簡單的經(jīng)典幾何光學(xué)部件，提供了一種能夠在較大角度范圍內(nèi)動態(tài)控制光束的系統(tǒng)。所述幾何光學(xué)部件都是無源部件，不需要將附加光能抽運到系統(tǒng)內(nèi)。輸出光束能量一般在輸入光束能量的數(shù)量級內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且系統(tǒng)成本明顯低于全息系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明是一種光方向控制器件，適用于動態(tài)控制光源發(fā)出的初始光束的方向。該器件按實際順序包括初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器和光束方向測繪儀。初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器接收初始光束，并以初始偏轉(zhuǎn)角θ0將初始光束作為初始偏轉(zhuǎn)光束發(fā)射。光束方向測繪儀基于幾何光學(xué)，并且具有遠(yuǎn)場輸出空間。光束方向測繪儀在輸入面接收初始偏轉(zhuǎn)光束，并將輸出光束傳送到遠(yuǎn)場，輸出光束的輸出偏轉(zhuǎn)角θ大于初始偏轉(zhuǎn)角。光束方向測繪儀包括一光束尺寸減縮器、一光束傳輸轉(zhuǎn)接器和一投影機(jī)。光束尺寸減縮器接收初始偏轉(zhuǎn)光束，并將聚焦光束提供成為光束傳輸轉(zhuǎn)接器上的一個光能點。光束傳輸轉(zhuǎn)接器接收光能點，并將光能點傳播到發(fā)射面。投影機(jī)接收被傳播的光能點，并發(fā)射輸出光束，使輸出光束的中央光線不與光軸相交。
光源發(fā)出的光與初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器相容。初始光束偏轉(zhuǎn)器可以是目前可以獲得的、用于提供可控小角度偏轉(zhuǎn)的任何器件，例如機(jī)電控制偏轉(zhuǎn)器、聲光偏轉(zhuǎn)器、電光偏轉(zhuǎn)器和電控光柵器件，并且可以是一維或兩維偏轉(zhuǎn)器。
在第一實施例中，光束傳輸轉(zhuǎn)接器是一光纖板，并且投影機(jī)是一特種球面透鏡。光束尺寸減縮器將初始偏轉(zhuǎn)光束縮小到實質(zhì)上一個光能點，其尺寸大體上為光纖板中單根光纖的直徑。光能點僅在單根光纖或相鄰的光纖組內(nèi)傳播到發(fā)射面。被傳播的光能點在特種球面透鏡的半球形焦面上遇到一焦點。特特種球面透鏡將光能點發(fā)射成為準(zhǔn)直良好的光束，指向無窮遠(yuǎn)，方向沿連接焦點和特種球面透鏡之中點的直線。由于出射光束方向與光能點在特種球面透鏡之三維焦面上的位置之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，所以出射光束方向與初始偏轉(zhuǎn)光束方向之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。
第二實施例將一正透鏡用作傳輸轉(zhuǎn)接器，并將反向的幾何光學(xué)照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)用作投影機(jī)。在傳統(tǒng)的成像透鏡系統(tǒng)中，光束從輸入空間的遠(yuǎn)場開始傳播，并聚焦在焦平面上。在本發(fā)明中，光的傳播是反方向的，將輸入空間轉(zhuǎn)換成輸出空間。
成像透鏡系統(tǒng)最好具有第一和第二分組件，它們分別起正透鏡組件和負(fù)透鏡組件的作用。第一分組件使光束穿越光軸，而第二分組件增大光束偏轉(zhuǎn)。輸出光束在遠(yuǎn)場的最終偏轉(zhuǎn)角可以達(dá)到±90°。
透鏡像差對窄光束的影響比寬光束小得多，并且入射光束總是窄的，因為光束減縮器焦距大大地大于從第一分組件焦平面到第一分組件表面的距離。另外，正負(fù)透鏡組件的像差可以設(shè)計成相互大大抵消。
第三實施例用傳統(tǒng)的透鏡組件代替第一實施例的特種球面透鏡。盡管第三實施例沒有提供同樣大的角度偏轉(zhuǎn)，但更容易制造。
按照以下附圖以及對本發(fā)明的詳細(xì)描述，將清楚本發(fā)明的其它目的。
為了全面理解本發(fā)明的特點和目的，請參照附圖。附圖有

圖1是一示意圖，示出了本發(fā)明的一個一般的實施例；圖2是一示意圖，示出了現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)束器；圖3是一示意圖，示出了本發(fā)明的第一實施例；圖4是一透視圖，示出了圖1實施例的一部分，顯示兩維偏轉(zhuǎn)；圖5是一示意圖，示出了本發(fā)明的第二實施例；以及圖6是一示意圖示出了本發(fā)明的第三實施例。
圖1用方框形式示出了本發(fā)明基本的光束方向控制系統(tǒng)10，該系統(tǒng)包括初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14和基于經(jīng)典幾何光學(xué)的復(fù)合光束方向測繪儀16，以便為輸出光束提供增大的偏轉(zhuǎn)角。在本說明書的剩余部分中，基于經(jīng)典幾何光學(xué)的復(fù)合光束方向測繪儀16簡稱為“光束方向測繪儀”。
本發(fā)明10試圖與光源12和傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)一起使用，以便如下所述適當(dāng)?shù)馗淖儼l(fā)光裝置的輸出，從而滿足初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14的具體要求，達(dá)到最值性能。這里光源12包括一發(fā)光裝置，例如可以將激光器或燈作為光源。光源12所用的技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的、建立良好的。
來自光源12的光束24經(jīng)過初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14，初始偏轉(zhuǎn)角為θ0，這是在光束方向和系統(tǒng)光軸66之間測得的。初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14受外部裝置42控制。根據(jù)所用初始光束偏轉(zhuǎn)器的類型，初始偏轉(zhuǎn)角θ0可以涉及例如從±0.001°至±45°的范圍。然后，經(jīng)初始偏轉(zhuǎn)的光束經(jīng)過光束方向測繪儀16，測繪儀16將初始的較小偏轉(zhuǎn)角θ0增大至輸出偏轉(zhuǎn)角θ。在一些實施例中，輸出偏轉(zhuǎn)角θ幾乎可以與±90°一樣大。
初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14可以是目前可以獲得的、能夠提供小角度偏轉(zhuǎn)的任何器件，并且初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14的種類決定了初始光束24的所需參數(shù)。如上所述，目前有四種動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器機(jī)電控制偏轉(zhuǎn)器、聲光偏轉(zhuǎn)器、電光偏轉(zhuǎn)器和電控光柵器件。初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器14可以是一維或二維偏轉(zhuǎn)器。
機(jī)電控制偏轉(zhuǎn)器使用旋轉(zhuǎn)反射鏡或棱鏡。它要求初始光束的尺寸小得足以與反射鏡的尺寸相適應(yīng)。它還要求初始光束具有明確的方向，并且最好是準(zhǔn)直的。光的波長可以是反射鏡或棱鏡之光波長范圍內(nèi)的任何波長。機(jī)電控制旋轉(zhuǎn)反射鏡和棱鏡可以提供中等大的角覆蓋區(qū)。例如，一種典型的兩維電掃描儀具有±30°的最大移動范圍。機(jī)電偏轉(zhuǎn)器的主要問題是其工作速度。
聲光偏轉(zhuǎn)器包括透明偏轉(zhuǎn)介質(zhì)、超聲波換能器和用于控制超聲波的射頻(RF)信號源。在偏轉(zhuǎn)介質(zhì)中，強(qiáng)聲波產(chǎn)生類似于移動光柵的密度圖案。在激光束(較好的光源)經(jīng)過密度光柵后，由衍射產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角為sinα0≌α0=λ/(2∧)，其中λ是光波長，而∧是聲波波長。由于聲波波長總比光波波長大得多，所以偏轉(zhuǎn)角總是相當(dāng)小。在聲光器件中，通過調(diào)諧RF信號頻率來改變聲波波長∧，并可將激光束偏轉(zhuǎn)到不同的方向。由于沒有運動部件，所以響應(yīng)很快，通常在10微秒左右。
聲光偏轉(zhuǎn)器需要單色的且準(zhǔn)直良好的初始光束。所以唯一實用的光源是激光。波長范圍可以從紫外線(UV)到紅外線(IR)。光束大小也影響諸如角分辨率和響應(yīng)時間等性能參數(shù)。聲光偏轉(zhuǎn)器的光束大小可以從例如1mm×1mm變化到10cm×10cm。在許多情況下，激光源直接射出的光束的尺寸比聲光偏轉(zhuǎn)器所要求的更窄。在這些情況下，通常用一標(biāo)準(zhǔn)透鏡系統(tǒng)適當(dāng)增大光束尺寸。聲光偏轉(zhuǎn)器的最大偏轉(zhuǎn)角通常小于±2°。
在電光偏轉(zhuǎn)器中，高強(qiáng)度的電場影響透光介質(zhì)的折射率。當(dāng)光束從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時，隨著電場強(qiáng)度的變化，光束方向從一個方向偏向另一方向。電光偏轉(zhuǎn)器的響應(yīng)時間可以在納秒范圍內(nèi)。但是，由于電光系數(shù)較小，所以即使施加在不足1毫米厚的介質(zhì)板上的電場處于數(shù)千伏至數(shù)萬伏之間，偏轉(zhuǎn)角仍然很小。電光偏轉(zhuǎn)器的可行偏轉(zhuǎn)角比±2°小得多。與聲光偏轉(zhuǎn)器不同的是，電光偏轉(zhuǎn)器不要求光束是單色的。但是，與聲光偏轉(zhuǎn)器一樣，光束尺寸會影響輸出光束的角散度。光束尺寸越大，輸出光束的角散度越小。
目前可獲得兩種電控光柵器件微型機(jī)電(MEM)光柵閥(LGV)和液晶光柵。衍射光束的方向和強(qiáng)度可以由施加在光柵柵線上的電信號來控制。衍射方向只能不連續(xù)地變化。這些器件要求單色的且準(zhǔn)直良好的初始光束。最大偏轉(zhuǎn)角由能夠在線柵之間制作的最小線柵距確定。例如，目前的最小線柵距d大約為5微米。因此，根據(jù)衍射定律，sinα=λ/d，對于λ=0.5微米，最大偏轉(zhuǎn)角的不連續(xù)改變大約為5°。
光束方向測繪儀16提供初始偏轉(zhuǎn)角θ0的固定輸出測繪圖案，即輸出偏轉(zhuǎn)角θ是初始偏轉(zhuǎn)角θ0的固定函數(shù)或者θ=M(θ0)，這里函數(shù)M是特殊的光束方向測繪儀的固定函數(shù)。光束方向測繪儀16在一側(cè)具有接收面72，在另一側(cè)有一輸出空間34。輸入面72上某點處的輸入光束傳到輸出面82，輸出面82在輸出空間34的遠(yuǎn)場38中射出輸出光束32。
對于幾何光學(xué)透鏡系統(tǒng)，近場36和遠(yuǎn)場38之間的差別是明顯的。一個著名的例子是眾所周知的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡之間的差別。近場器件定義為近場36中器件性能比遠(yuǎn)場38中器件性能更好的器件。遠(yuǎn)場器件在遠(yuǎn)場38中的性能更好。例如，許多望遠(yuǎn)鏡接目鏡在離開輸出表面5-10毫米處具有最佳性能，這便使它們成為近場器件。這種器件在本發(fā)明中的工作情況不會特別好。
近場36和遠(yuǎn)場38之間的邊界依賴于光束方向測繪儀16本身的尺寸。如果光束方向測繪儀16的尺寸大約為q(q定義為透鏡組件的平均直徑)，那么近場36定義為光束方向測繪儀16附近向外到達(dá)大約10q距離的區(qū)域。遠(yuǎn)場38是近場36以外的空間。
光束方向測繪儀16包括三個部件光束尺寸減縮器18、光束傳輸轉(zhuǎn)接器20和投影機(jī)22。光束尺寸減縮器18是傳統(tǒng)的正透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)將入射光束基本上縮小到一點，且不明顯影響光束的偏轉(zhuǎn)角。它縮小初始偏轉(zhuǎn)光束26的尺寸，以使輸出光束32獲得最佳的方向分辨率。光束尺寸減縮器18在一側(cè)具有一接收面54，在另一側(cè)具有一焦平面68。單方向入射光束26在焦平面68縮小成單個點48。
光束傳輸轉(zhuǎn)接器20是一個幾何光學(xué)器件，它在一側(cè)接收會聚光束，在另一側(cè)從基本上單個點射出一發(fā)散光束。存在幾種形式，以下參照幾個實施例進(jìn)行描述。
投影機(jī)22提供光束方向測繪儀的最終輸出。投影機(jī)22是一個幾何光學(xué)透鏡組件，它具有以下兩個特點(a)輸出光束32的中央光線不與中央光軸66相交；(b)輸出光束32在輸出空間34的遠(yuǎn)場38處提供最佳光束質(zhì)量。當(dāng)輸出光束32是一窄光束時，中央光線的意義是明顯的。當(dāng)輸出光束32具有一有限寬度時，中央光線可以定義為光束的重心線(gravity center line)。當(dāng)光束傳過空氣時，一般在重心線與其它平均法計算得到的中央光線之間沒有重大的差別。注意，投影機(jī)22只要求中央光線與光軸66沒有交點。當(dāng)光束具有有限寬度時，可以存在離開中央光線的側(cè)光線，它們與光軸66相交。這些側(cè)光線不表示系統(tǒng)的任何特征，因為光束的寬度可以變化。另一方面，光束的中央光纖代表了整個光束的一般光路。
投影機(jī)22的這兩個特征提供了一種實質(zhì)上與現(xiàn)有技術(shù)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)不同的幾何透鏡系統(tǒng)。如圖2所示，由于望遠(yuǎn)鏡與人眼接觸，所以輸出光束的中央光線在離開輸出表面一小距離δ處總存在一交點。另一方面，對于光束方向測繪儀，不存在這樣的交點。如果光束的中央光線與光軸相交，那么在投影機(jī)22內(nèi)相交。注意，本發(fā)明中定義的投影機(jī)22與其它地方使用的投影透鏡系統(tǒng)不同。
光束傳輸轉(zhuǎn)接器20和投影機(jī)22的詳細(xì)情況根據(jù)以下討論的實施例而不同。第一實施例在本發(fā)明光束方向控制系統(tǒng)的第一實施例40中，如圖3和圖4所示，光束傳輸轉(zhuǎn)接器20是光纖板44，而投影機(jī)22是特種球面透鏡46。初始偏轉(zhuǎn)光束26經(jīng)過光束尺寸減縮器18，在光纖板44的接收面56上將光束縮到光能點48。
由于初始偏轉(zhuǎn)光束26的大小與光能點48大小之間差別較大，所以光束尺寸減縮器18實質(zhì)上是一個聚焦器件。光束尺寸減縮器18的焦平面68應(yīng)該在光纖板44的接收面56上，或者其附近。光能點48越小，輸出光束32之方向的角分辨率越高。但是，光能點48太小會使光能點48處的能量密度太大。通過折衷這些要求，根據(jù)具體應(yīng)用選擇光能點48的大小和光纖50的直徑。最好，光點48的大小在尺寸上與光纖板44中單根光纖50的直徑相比擬。
光纖板44是一個熔融的光纖聚集體，一般包含數(shù)百萬根光纖50。每根光纖都遵守光折射和反射定律，也就是說遵守幾何光學(xué)。當(dāng)會聚光束在大致一點上照射光纖板時，光能進(jìn)入單根光張或多根相鄰的光纖，并嚴(yán)格地在這些光纖內(nèi)傳播，不散布開。在光纖板的另一側(cè)，以光錐形式發(fā)射光能。對于每個光纖板，錐角是明角的，并且獨立于入射光束。錐角由標(biāo)稱孔徑(NA)來確定。NA是光纖材料的一個參數(shù)，它獨立于入射光束。
NA=n0×sinU(1)其中，如果光射入空氣，則n0=1.0，并且U是半錐角。NA的范圍一般為0.2-1.0。例如，當(dāng)NA=0.3時，在用于傳輸光束的每單根光纖的光軸周圍±17.45°內(nèi)，射出輸出光束。NA是所有光纖器件的一個參數(shù)。本發(fā)明將此部件用作光束傳輸轉(zhuǎn)接器20，用于在光束尺寸減縮器18和投影機(jī)22之間提供優(yōu)選狀態(tài)。由于此優(yōu)化作用，系統(tǒng)性能得到明顯增強(qiáng)。
對于大多數(shù)傳統(tǒng)應(yīng)用，光纖板垂直于光纖軸切割。但是，出射面并不必須是平型表面。還應(yīng)注意，光纖板的接收面面積和發(fā)射面面積可以不同。當(dāng)兩者大小不等時，有時將光纖板稱為光纖錐體。光纖的類型和結(jié)構(gòu)將影響系統(tǒng)的輸出偏轉(zhuǎn)角。
由于大量光纖熔融在一起，實質(zhì)上不分離，所以光纖板可以將整個像從其輸入端傳輸?shù)狡漭敵龆恕＿@與個別光纖組件的光纖束完全不同，光纖束一般具有護(hù)套或其它保護(hù)部分，它們會使光纖分離得較遠(yuǎn)。
光纖板44可以使光能點48只在單根光纖內(nèi)或者在光纖組附近傳播，致使當(dāng)光能點48從光纖板44的接收面56傳播至其發(fā)射面58之后，點的大小幾乎保持不變。
標(biāo)號L表示光束尺寸減縮器18之平面60與光纖板44之接收面56之間的距離。選擇距離L，使得初始偏轉(zhuǎn)光束26在到達(dá)光纖板44之接收面56時離開光軸66的最大距離略小于特種球面透鏡46的半徑。如圖3和圖4所示，如果系統(tǒng)用于兩維光束偏轉(zhuǎn)，偏離x軸的初始偏轉(zhuǎn)角為α0，偏離y軸的初始偏轉(zhuǎn)角為β0，并且光束尺寸減縮器18是一薄透鏡，其焦距f等于距離L，那么沿x和y的偏移位置可以寫成x=L×tanα0(2a)y=L×tanβ0(2b)特種球面透鏡46設(shè)計成具有半球形焦面62，該表面62大致上與光纖板44的發(fā)射面58吻合。結(jié)果，用與特種球面透鏡46之焦面62互補(bǔ)的半球面制作發(fā)射面58。這可以用標(biāo)準(zhǔn)的玻璃研磨技術(shù)來實現(xiàn)。
可以用許多方法制造具有半球形焦面的特種球面透鏡46。最簡單的方法是使用折射率n等于或接近2.0的玻璃材料。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的幾何光學(xué)，可以從數(shù)學(xué)上證明，當(dāng)近軸準(zhǔn)直光束照射一個直徑比光束尺寸大得多且折射率等于或接近2.0的球面時，光束在球面的背面聚焦成一點。另一種方法是，使用一個球芯和許多具有不同折射率的同心殼結(jié)構(gòu)，這也可以提供這樣一種特種球面透鏡。特種球面透鏡46之半徑的范圍可以是5-100毫米。
在傳播通過光纖板44之后，光能點48在焦面62的焦點52上遇到特種球面透鏡46，并且經(jīng)特種球面透鏡46折射，發(fā)射出很好整形的光束32。例如，當(dāng)特種球面透鏡46的焦面62與發(fā)射面58吻合時，輸出光束32是一準(zhǔn)直良好的光束，沿連接焦點52和特種球面透鏡46之中點64的直線方向射向無窮遠(yuǎn)。注意，與光軸66相交發(fā)生在光束方向測繪儀16的內(nèi)部。輸出光束準(zhǔn)直良好的原因是，光能位于特種球面透鏡46的焦點52上。由于輸出光束32的方向θ與光能點48在特種球面透鏡46之三維焦面62上的位置成一一對應(yīng)關(guān)系，所以輸出光束32的方向θ與初始偏轉(zhuǎn)光束26的方向成一一對應(yīng)關(guān)系。
如輸出光束32相對x軸的偏轉(zhuǎn)角為α，相對y軸的偏轉(zhuǎn)角為β，那么對于本簡化情況，(α,β)與初始偏轉(zhuǎn)角(α0,β0)之間的關(guān)系可以計算為sinα=x／R(3a)sinβ=y／R(3b)其中R是特種球面透鏡46的半徑。由等式(2a)和(2b)以及等式(3a)和(3b)，輸出光束32的輸出偏轉(zhuǎn)角為sinα=(L／R)×tanα0(4a)sinβ=(L／R)×tanβ0(4b)只要距離L比半徑R大得多，那么輸出光束32的偏轉(zhuǎn)角α將總是初始偏轉(zhuǎn)角α0的很大倍數(shù)。對于β和β0也一樣。
當(dāng)初始偏轉(zhuǎn)角α0=0,β0=0時，光束中心位于光纖板接收面56的中心，即點x=0,y=0。隨著初始偏轉(zhuǎn)角α0向其最大值方向增加，坐標(biāo)x從x=0移至x=R，而輸出光束方向從α=0變化到α=90°。如果已知初始光束偏轉(zhuǎn)器14的最大初始偏轉(zhuǎn)角αmax，那么總是可以通過適當(dāng)選擇特種球面透鏡46的半徑R以及焦距L，將輸出偏轉(zhuǎn)角α設(shè)計為接近于±90°。對于β也是這樣。注意，由于特種球面透鏡46受實際物理限制，所以不可能獲得±90°的偏轉(zhuǎn)角，但可以接近±90°。
在一數(shù)值舉例中，如果初始偏轉(zhuǎn)角α0=±2°并且距離L≌28.64cm，那么x=y=1cm。相應(yīng)地，光束尺寸減縮器42的焦距應(yīng)該大約為28.64cm，以便可以在光纖板接收面56上將初始偏轉(zhuǎn)光束26縮小成一個點。如果特種球面透鏡46的半徑R為R≌1cm，可以將較小的初始偏轉(zhuǎn)角α0=±2°增大到接近α≌±90°，幾乎覆蓋外界整個半空間(2π立體弧度角)。
當(dāng)必要的距離L太大以致于不能適合本發(fā)明光束方向控制系統(tǒng)所能獲得的空間時，可以用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)將距離L適應(yīng)到可獲得的空間。例如，這類方法包括插入一對平行反射鏡，以便在反射鏡包容的空腔內(nèi)來回反射光束。在該情況下，保持了總的光路長度L，但實質(zhì)上縮短了透鏡和光纖板之間的線性距離。另一種方法是用一透鏡系統(tǒng)代替單個透鏡，以獲得較大的偏移距離x，從而縮短必要的距離L。例如，Bravais透鏡系統(tǒng)就是這樣一種標(biāo)準(zhǔn)透鏡系統(tǒng)。
特種球面透鏡46或光纖板44的空間分辨率會影響輸出光束32的方向分辨率，無論哪個更粗糙。光纖板44的分辨率由光纖50的直徑?jīng)Q定，光纖直徑的范圍通常在5微米至1000微米以上。特種球面透鏡46的分辨率由其焦點52的大小決定，并且依賴于特種球面透鏡46的設(shè)計精度，焦點52的尺寸范圍大約從5微米至1000微米。第二實施例圖5示出了第二實施例80。光束傳輸轉(zhuǎn)接器20是正透鏡組件96，而投影機(jī)22是反方向使用的照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84。照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)定義為這樣一種透鏡系統(tǒng)，它在靠近透鏡系統(tǒng)的一側(cè)具有一個位于透鏡系統(tǒng)之外的一平面型焦面，而在另一側(cè)具有一輸入空間，因此在輸入空間的遠(yuǎn)場，從離開透鏡系統(tǒng)一段距離的點光源產(chǎn)生的光束將聚焦在焦平面的某一點上。
正透鏡組件96增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。正透鏡組件96具有大于零的等效焦距。當(dāng)正透鏡組件的中央平面與光束減縮器18的焦平面68重合時，從焦平面68發(fā)出的光束的方向?qū)⒈桓淖儭８鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)的幾何光學(xué)公式，發(fā)射光束中央光線的方向?qū)⑾鄬θ肷涔馐醒牍饩€的方向偏轉(zhuǎn)V角度。
V=y/f(5)其中f是正透鏡96的焦距，而y是中央光線與正透鏡96之中央平面相交點的坐標(biāo)。也就是說，透鏡將入射光束的中央光線順時針旋轉(zhuǎn)V角度。中央光線與正透鏡96之中央平面相交得越遠(yuǎn)，偏轉(zhuǎn)角越大。上述簡單的關(guān)系適用于近軸近似下的薄的正透鏡。對于厚透鏡或透鏡組件以及高級近似結(jié)果，可以進(jìn)行更精確的計算，但基本特征是相同的。在標(biāo)準(zhǔn)幾何光學(xué)中可以找到類似的用正透鏡或組件來旋轉(zhuǎn)入射光束的技術(shù)。這類透鏡稱為“場透鏡”。由于光束旋轉(zhuǎn)，所以下一個光學(xué)部件(本例中，是照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84)可以接收到更多的光能。根據(jù)幾何光學(xué)，增加了系統(tǒng)的場孔徑(field aperture)。盡管類似，但在光束方向測繪儀16中使用正透鏡96實質(zhì)上與現(xiàn)有技術(shù)不同。
注意，照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84必須滿足上述投影機(jī)22的兩個特征。幾乎所有現(xiàn)代的照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)都能做到這點。一些非常原始的(例如，一百年前)、可以用作照相機(jī)透鏡的成像透鏡不能滿足投影機(jī)的這些要求。例如，單個正透鏡或者簡單的雙透鏡就不滿足要求。盡管這些透鏡具有成像能力，但它們實質(zhì)上是排除在照相機(jī)透鏡之外的。
根據(jù)現(xiàn)代照相機(jī)的規(guī)定，可以將照相機(jī)透鏡分成標(biāo)準(zhǔn)透鏡、廣角透鏡和魚眼透鏡。標(biāo)準(zhǔn)照相機(jī)透鏡的視角至少為±20°，這意味著最原始的成像透鏡因其視場的局限而不能包括在根據(jù)現(xiàn)代照相機(jī)透鏡規(guī)定的照相機(jī)成像透鏡內(nèi)。
重要的是，盡管本發(fā)明使用的照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)具有與現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)非常類似的透鏡結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明使用照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)是反方向的。因此，工作原理與現(xiàn)有技術(shù)中的不同。在傳統(tǒng)成像透鏡系統(tǒng)中，輸入光束來自于透鏡系統(tǒng)輸入空間的遠(yuǎn)場，光束傳播是從遠(yuǎn)場至透鏡系統(tǒng)，光在焦平面上聚焦成一個像并被位于焦平面上的照相底片或者光電探測器所接收。在本發(fā)明中，使用具有類似透鏡結(jié)構(gòu)的照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)。但是，光沿反方向傳播，輸入空間轉(zhuǎn)換成輸出空間。
如圖5所示，光束減縮器18將具有初始偏轉(zhuǎn)角θ0的準(zhǔn)直良好的光束26聚焦到照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84的焦平面86上。照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84將具有較大偏轉(zhuǎn)角θ和所需光束性能參數(shù)的光束32輸出到遠(yuǎn)場38。在近場36，光束32的質(zhì)量不重要。
以下說明照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84的工作原理，以及為什么反方向使用傳統(tǒng)的照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)可以提供較大的輸出偏轉(zhuǎn)角。照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84中最重要的原理基于經(jīng)典幾何光學(xué)中眾所周知的共軛原理。根據(jù)共軛原理，焦平面上的點和成像透鏡系統(tǒng)輸出空間中的點構(gòu)成一對共軛點。另外，焦平面上的每一點都與輸出空間遠(yuǎn)場中的輸出光束方向成一一對應(yīng)關(guān)系。
在本發(fā)明中，焦平面86是輸入面，遠(yuǎn)場38是輸出空間。當(dāng)沿反方向使用成像透鏡系統(tǒng)時，光從焦點射出，被成像透鏡系統(tǒng)接收，然后沿與成像過程相同的路徑反方向傳送到光源點。當(dāng)把廣角照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)反方向用作成像透鏡組件84時，遠(yuǎn)場38中的輸出光束32將具有較大的輸出偏轉(zhuǎn)角θ。本發(fā)明嘗試了照相機(jī)透鏡系統(tǒng)84的幾種可能的實施例，包括照相成像透鏡系統(tǒng)和數(shù)字成像透鏡系統(tǒng)。照相成像透鏡系統(tǒng)是模擬成像系統(tǒng)，它在焦平面上設(shè)計放置照相底片。數(shù)字成像透鏡系統(tǒng)在其焦平面上設(shè)計放置一數(shù)字光電探測器。
注意，在許多情況下，同時擁有以下兩個特征的特殊結(jié)構(gòu)的照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84在本發(fā)明實施例80中特別有用。
1．照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)84可以分成兩個分組件。第一分組件88起正透鏡組件的作用。正透鏡組件具有聚焦能力，并且經(jīng)過正透鏡組件的窄光束向中央光軸偏轉(zhuǎn)。因此，第一分組件88將窄光束92導(dǎo)向系統(tǒng)80的光軸66，并在標(biāo)號94處與光軸66相交。第一分組件88提供了第一級光束偏轉(zhuǎn)。第二分組件90起負(fù)透鏡的作用，并進(jìn)一步提供了第二級光束偏轉(zhuǎn)。第二分組件90離開第一分組件88一適當(dāng)?shù)木嚯x。在窄光束92離開第一分組件88并與光軸66相交后，窄光束92進(jìn)入第二分組件90。第二分組件90以增大的角度引導(dǎo)窄光束92遠(yuǎn)離光軸60。第二分組件90為光束偏轉(zhuǎn)提供一個增大的階段。由于輸出光束32發(fā)散而遠(yuǎn)離光軸66，并且第二分組件90大于第一分組件88，所以輸出光束32在遠(yuǎn)場38中的最終偏轉(zhuǎn)角可以很大，達(dá)到±90°。
2．在第三實施例80的幾何條件下，入射第一透鏡組件88的光束28總是一窄光束。這是因為光束減縮器18的焦距一般比焦平面86至第一分組件88之平面的距離大得多。當(dāng)入射光束28較窄時，它將在通過透鏡系統(tǒng)84的整個光路期間保持在一較窄的區(qū)域內(nèi)。眾所周知，透鏡像差對窄光束的影響比對寬光束的影響小得多，這將導(dǎo)致在遠(yuǎn)場38中提供質(zhì)量很好的輸出光束。
另外，根據(jù)幾何光學(xué)的基本原理，可以將正透鏡組件的像差和負(fù)透鏡組件的像差設(shè)計成相互大大抵消。這可以通過選擇適當(dāng)?shù)膸缀魏筒牧蠀?shù)來實現(xiàn)。結(jié)果是光束方向測繪儀16可以同時提供具有大偏轉(zhuǎn)角和高質(zhì)量的光束。
一例這樣的透鏡系統(tǒng)是具有反焦結(jié)構(gòu)的照相透鏡組件。依照標(biāo)準(zhǔn)定義，反焦照相機(jī)透鏡組件具有一負(fù)的透鏡分組件，后跟一正的透鏡分組件，兩者分開一段距離，致使透鏡組件的后焦距大于透鏡組件的有效焦距。反焦照相機(jī)透鏡組件是許多廣角照相機(jī)成像透鏡的基礎(chǔ)。如上所述，本發(fā)明是沿反方向使用反焦照相機(jī)透鏡組件的，也就是說，光束首先進(jìn)入正的透鏡組件。
另一例同時滿足這些條件的系統(tǒng)是將作為第一分組件88的Erfle透鏡組件與作為第二分組件90的負(fù)透鏡組件組合在一起，形成一反焦透鏡系統(tǒng)，如圖5所示。反焦結(jié)構(gòu)包括一負(fù)的透鏡組件和一正的透鏡組件。Erfle透鏡組件包括6個正的和負(fù)的透鏡元件，它具有總體上正的聚焦能力。Erfle透鏡組件能夠接收一窄的輸入光束，并沿整個光路保持較窄。Erfle透鏡組件提供相對較大的第一級偏轉(zhuǎn)。作為第二分組伯90的具有較大尺寸的負(fù)透鏡將使偏轉(zhuǎn)光束偏轉(zhuǎn)增大，并提供一負(fù)透鏡，用于抵消Erfle透鏡組件的像差。
在經(jīng)典望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，已將Erfle透鏡組件以及眾多類似的透鏡組件用作鏡頭。當(dāng)反方向使用時，反焦結(jié)構(gòu)是廣角照相機(jī)透鏡中的一項重要技術(shù)。但是，現(xiàn)有技術(shù)中不存在將望遠(yuǎn)鏡接目鏡與一負(fù)透鏡結(jié)合以便為動態(tài)控制光束偏轉(zhuǎn)提供兩級偏轉(zhuǎn)的反焦結(jié)構(gòu)。第三實施例圖6所示的第三實施例70與第一實施例10相同，除了用現(xiàn)代照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)76代替第一實施例10的特種球面透鏡46。由于現(xiàn)代照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)76具有平面型焦面，所以光纖板74必須具有平面型表面78，以便與傳統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)76耦合。因此，等式(2a)和(2b)變成tanα=x/F(6a)tanβ=y/F(6b)其中F是輸出透鏡系統(tǒng)76的焦距。現(xiàn)代照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)與第二實施例80中描述的相同。
注意，一般在幾何光學(xué)透鏡系統(tǒng)中有許多可選擇的器件。適當(dāng)使用任何數(shù)量的可選擇器件可以增強(qiáng)系統(tǒng)性能，但不改變系統(tǒng)的基本工作原理。這類器件的例子包括用于改變系統(tǒng)光軸方向的平面反射鏡、用于控制總能量流并減小背景的光闌、用于擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸的轉(zhuǎn)象透鏡，以及起光闌作用的場透鏡。
因此，已知的顯示和說明滿足上述目的的、用于對寬視場光方向進(jìn)行動態(tài)控制的設(shè)備。
由于不脫離本發(fā)明范圍可以對本發(fā)明的內(nèi)容作某些變化，所以上述說明中所述的以及附圖中顯示的所有內(nèi)容都被解釋為說明性的，不是限制性的。
權(quán)利要求
1．一種光方向控制器件，該器件適用于動態(tài)控制光源射出的初始光束的方向并具有一光軸，其特征在于，所述器件包括(a)按實際順序，初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器和光束方向測繪儀；(b)所述初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器接收所述初始光束，并以初始偏轉(zhuǎn)角將所述初始光束作為初始偏轉(zhuǎn)光束發(fā)射；(c)所述光束方向測繪儀基于幾何光學(xué)，并且具有遠(yuǎn)場輸出空間，所述光束方向測繪儀在輸入面接收所述初始偏轉(zhuǎn)光束，并將輸出光束傳送到所述遠(yuǎn)場，所述輸出光束的輸出偏轉(zhuǎn)角大于所述初始偏轉(zhuǎn)角；(d)所述光束方向測繪儀包括一光束尺寸減縮器、一光束傳輸轉(zhuǎn)接器和一投影機(jī)；(e)所述光束尺寸減縮器接收所述初始偏轉(zhuǎn)光束，并將聚焦光束提供成為所述光束傳輸轉(zhuǎn)接器上的一個光能點；(f)所述光束傳輸轉(zhuǎn)接器接收所述光能點，并將所述光能點傳播到發(fā)射面；以及(g)所述投影機(jī)接收所述被傳播的光能點，并發(fā)射所述輸出光束，使所述輸出光束的中央光線不與所述光軸相交。
2．如權(quán)利要求1所述的動態(tài)光方向控制器件，其特征在于，所述光束傳輸轉(zhuǎn)接器是一光纖板，并且所述投影機(jī)是一特種球面透鏡，所述光纖板將所述光能點傳播至半球形發(fā)射面，所述特種球面透鏡在基本上與所述光纖板半球形發(fā)射面重合的半球形焦面上接收所述光能點，并且以所述輸出偏轉(zhuǎn)角將所述光能點作為所述輸出光束發(fā)射至所述遠(yuǎn)場。
3．如權(quán)利要求1所述的動態(tài)光方向控制器件，其特征在于，所述光束傳輸轉(zhuǎn)接器是一正透鏡組件，而所述投影機(jī)是具有一焦平面的幾何光學(xué)現(xiàn)代照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)，所述正透鏡組件大體上位于所述成像透鏡系統(tǒng)的焦平面上，所述正透鏡組件接收所述光能點，并將所述光能點傳播至所述成像透鏡系統(tǒng)焦平面，所述照相機(jī)成像透鏡系統(tǒng)以所述輸出偏轉(zhuǎn)角將所述聚焦光束作為所述輸出光束發(fā)射。
4．如權(quán)利要求3所述的動態(tài)光方向控制器件，其特征在于，所述成像透鏡系統(tǒng)按實際順序包括一復(fù)合的正透鏡組件和一復(fù)合的負(fù)透鏡組件，兩個組件分開一段距離，所述復(fù)合的正透鏡組件在一較窄的區(qū)域內(nèi)引導(dǎo)所述聚焦光束，并將所述聚焦光束發(fā)射成為與所述光軸相交的窄光束，所述復(fù)合的負(fù)透鏡組件接收所述窄光束，引導(dǎo)所述窄光束遠(yuǎn)離所述光軸，并以所述輸出偏轉(zhuǎn)角將所述窄光束作為所述輸出光束發(fā)射到所述遠(yuǎn)場。
5．如權(quán)利要求1所述的動態(tài)光方向控制器件，其特征在于，所述光束傳輸轉(zhuǎn)接器是一光纖板，而所述投影機(jī)是一傳統(tǒng)的輸出透鏡組件，所述光纖板將所述光能點傳送到平面型發(fā)射面，所述傳統(tǒng)的輸出透鏡系統(tǒng)在大體上與光纖板發(fā)射面重合的平面型焦面上接收所述光能點，并以所述輸出偏轉(zhuǎn)角將所述光能點作為所述輸出光束發(fā)射到所述遠(yuǎn)場。
全文摘要
一種用于擴(kuò)展光偏轉(zhuǎn)角的設(shè)備,它將光束動態(tài)控制在±90°內(nèi)。設(shè)備包括初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器和復(fù)合光束方向測繪儀,而測繪儀包括光束尺寸減縮器、光束傳輸轉(zhuǎn)接器和投影機(jī)。初始動態(tài)光束偏轉(zhuǎn)器將初始光束偏轉(zhuǎn)一小角度。然后經(jīng)光束尺寸減縮器在光束傳輸轉(zhuǎn)接器上聚焦成一個光能點,最后轉(zhuǎn)接器將光點傳送給投影機(jī)。投影機(jī)在其輸出空間的遠(yuǎn)場以大于初始偏轉(zhuǎn)角的輸出偏轉(zhuǎn)角發(fā)射輸出光束。輸出光束的能量在輸入光束能量的數(shù)量級內(nèi)。
文檔編號G02B26/10GK1310352SQ01104580
公開日2001年8月29日 申請日期2001年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月15日
發(fā)明者趙永盛, 趙螢 申請人:高級光學(xué)技術(shù)股份有限公司