專利名稱：束偏轉(zhuǎn)器及掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來偏轉(zhuǎn)電磁能量束的束偏轉(zhuǎn)器，更具體地說是涉及(1)一種包含至少一對(duì)配套的微棱鏡陣列，這對(duì)陣列能選擇地改變光束的角度以便用于對(duì)與該陣列分開的一物體發(fā)出的光束和對(duì)這種物體進(jìn)行掃描；(2)一種制造該束偏轉(zhuǎn)器的方法；(3)一種使用該束偏轉(zhuǎn)器的能進(jìn)行一維、二維、或三維掃描，以便用在，如象激光雷達(dá)或其它的掃描和成像應(yīng)用方面的掃描儀。
在過去，已經(jīng)知道使用一微棱鏡陣列來選擇性地改變通過該陣列的光束的角度。一種這樣的陣列被公開在下述論文中free-space opticalinterconnections with liquid-crystal microprism arrays，Katsuhiko Hirabayashi，Tsuyoshi Yamamoto，and Masayasu Yamaguchi，Vol.34，No.14，AppliedOptics，10May 1995。但是，該公開的陣列的一個(gè)缺點(diǎn)是它使用了令人不滿意的大的微棱鏡，從而使得為了改變通過該陣列的光束的角度，該陣列所能發(fā)生的快速反應(yīng)的速度受到了限制。而且，另一缺點(diǎn)是該公開的通過該陣列的光束具有的直徑必須小于它的一個(gè)微棱鏡的尺寸，其值大約為100微米，從而就限制了它在大面積無失真掃描方面的使用。再一缺點(diǎn)是，由于該陣列使用這樣的大直徑光束，其分辨率將是極差的，因而該陣列就不適合于用在成像或物體掃描上。因而，該公開的陣列對(duì)于商業(yè)應(yīng)用，如所公開的光學(xué)互連和光學(xué)開關(guān)方面是不實(shí)用的，因?yàn)檫@些應(yīng)用要求的開關(guān)速度都比該陣列所能提供的高得多。由于該陣列的開關(guān)速度相當(dāng)緩慢以及由于相當(dāng)大尺寸，即間距、所用的微棱鏡相當(dāng)大等所引起的低劣的分辨率，因而就不可能將該陣列用于下述掃描應(yīng)用上(1)用該光束掃描遠(yuǎn)離該陣列的物體的情形；或(2)掃描由遠(yuǎn)離該陣列的物體或光源發(fā)出的光的情形。
在過去，掃描儀都是用一些反射鏡和馬達(dá)所組成，該馬達(dá)能使該反射鏡快速而精確移動(dòng)或振動(dòng)以便將由光源發(fā)出的光束定位。但是，因?yàn)槊總€(gè)運(yùn)動(dòng)物體的慣性可使掃描減慢，因而這樣的機(jī)械系統(tǒng)具有的掃描速度就會(huì)比希望的掃描速度小。
新近，對(duì)于快速掃描和操縱光能束的需要，典型地說來自激光器的光束，已導(dǎo)致了具有小的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移慣性的光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，這種小的慣性是由于使機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)處于最低程度的結(jié)果。這些發(fā)展的例子包括基于集成電路技術(shù)的可變形的反射鏡陣列(deformable mirror array)、基于一對(duì)互補(bǔ)的微透鏡陣列機(jī)械運(yùn)動(dòng)的雙光學(xué)微透鏡陣列概念、基于使用液晶相位光柵衍射的液晶掃描儀、以及基于全息干板的錐形光束掃描儀(conical beam scanner)和集光器(collector)。
遺憾的是，所有這些發(fā)展都有一些缺陷和局限。例如該可變形反射鏡掃描儀制造費(fèi)用昂貴，而且限于小孔徑和低掃描速度，同時(shí)更糟的也許是，它只能進(jìn)行一維掃描。該微透鏡陣列要求一特殊的非球面結(jié)構(gòu)和非平面運(yùn)動(dòng)來獲得可接受的光束準(zhǔn)直性能。此外，該微透鏡陣列還要求復(fù)雜的高電壓和龐大的壓電機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置來進(jìn)行非平面運(yùn)動(dòng)，而且該陣列還限于相當(dāng)緩慢的千赫茲的掃描速度。該液晶衍射光束偏轉(zhuǎn)器最好也只不過是實(shí)驗(yàn)性的，而且具有很小的衍射角、低于最佳值的衍射效率，和很大的噪音。最近，轉(zhuǎn)動(dòng)的全息光學(xué)元件或干板(plate)也不理想地被局限于一個(gè)方向的圓錐形掃描，就像該光束僅只沿一圓錐的表面發(fā)出一樣，因而這要求在一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)該全息光學(xué)元件。
所需要的是一種能有效地改變光的方向而毋需移動(dòng)該設(shè)備的裝置。還需要一種能改變有具有大直徑的物體發(fā)出的光束的方向而不會(huì)充分快地使該光束失真的微透鏡陣列以便適合商業(yè)應(yīng)用。還需要一種光束偏轉(zhuǎn)器，該偏轉(zhuǎn)器能用在既可掃描由光源發(fā)出的光也可掃描從物體接收的光的掃描儀中。再需要的是一種微棱鏡陣列，它適合用在使用光源的光掃描遠(yuǎn)離該陣列放置的一物體或一系列物體的掃描儀中。另外還需要的是一種可用于在能進(jìn)行二維掃描或三維掃描的微棱鏡陣列。另外還需要一種沒有運(yùn)動(dòng)部件而且能用來掃描形貌、圖像、網(wǎng)膜、以及任何其它能被掃描的物體或形跡(indicia)的掃描儀。
一光束偏轉(zhuǎn)器由一對(duì)配套的棱鏡陣列構(gòu)成，其中的一陣列由具有基本保持不變的折射率的材料制成，而另一陣列則由其折射率能被選擇地改變的材料制成。在操作過程中，將一場(chǎng)，既可是電場(chǎng)，也可是磁場(chǎng)，選擇性地施加在折射率可變的材料上來控制在光束通過該光束偏轉(zhuǎn)器時(shí)光束的偏轉(zhuǎn)角度。該場(chǎng)強(qiáng)，通量或通量密度，都由在光束偏轉(zhuǎn)器的電極上選擇性地施加電壓來控制。該場(chǎng)的通量線一般最好平行于可變折射率的棱鏡長(zhǎng)度方向延伸。在運(yùn)行期間該光束偏轉(zhuǎn)器最好不動(dòng)。
每個(gè)陣列都包括一具有一高度、一寬度和一不是比其高就是比其寬長(zhǎng)的長(zhǎng)度。每個(gè)棱鏡最好具有一包含直角的一般三角形橫截面。每個(gè)棱鏡都具有一面對(duì)進(jìn)入光束安置的面、一個(gè)在光束通過該棱鏡后光束從它射出的面、以及一側(cè)壁面。為了快速響應(yīng)場(chǎng)的存在與否或該場(chǎng)的變化，該可變折射率棱鏡具有的高度應(yīng)不大于大約20μm，以便構(gòu)成一能在大約100μs內(nèi)響應(yīng)的微棱鏡。在其它的優(yōu)選實(shí)施例中，為了使其響應(yīng)可快到大約30μs或更快，優(yōu)選的棱鏡高度小于15μm，最好是小于10μm。該可變折射率棱鏡還具有一在大約10°和60°之間的頂角，而且該棱鏡可使折射率達(dá)到0.15-0.3之多，典型地大約為0.2，以便使該光束偏轉(zhuǎn)的角度大到30°或更大。最好是，該折射率是可選擇性地變化的，以便該光束能在大約0.5毫弧度的角分辯率之內(nèi)精確地偏轉(zhuǎn)。由于該可變折射率棱鏡的折射率是可選擇性地變化的，因而它就能與折射率恒定不變的棱鏡的折射率匹配，使得在光束通過時(shí)該光束不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。每個(gè)可變折射率的棱鏡最好是用液晶材料制作，這液晶材料是向列液晶材料，或最好采用鐵電液晶材料。
最好是，每陣列都由很多微棱鏡對(duì)構(gòu)成，一個(gè)陣列的微棱鏡安放在另一陣列的兩相鄰棱鏡的空缺之間，使得兩該配套好的陣列最好具有一般的矩形橫截面。由可變折射率的微棱鏡組成的該陣列被這樣放置，使得光束通過它后再通過由折射率恒定的微棱鏡組成的陣列。
匹配好的兩陣列最好安放在一對(duì)平面板之間，而且在該可變折射率棱鏡的每側(cè)還有一導(dǎo)電層，這樣就構(gòu)成一格柵或柵格裝置(cell or panelassembly)，它可起著能在一個(gè)方向上使光偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)器的作用。最好在該面板之間安放一襯墊，并使其擴(kuò)延到該兩陣列的周邊附近。每個(gè)面板和每個(gè)導(dǎo)電材料層對(duì)于該光束的波長(zhǎng)至少在光學(xué)上是局部透明的，以便當(dāng)光束通過時(shí)使該光束的吸收減少到最小。每個(gè)面板還可用作一個(gè)該微棱鏡陣列附著其上的基底。
如果需要，在該兩微棱鏡之間還可安放一個(gè)導(dǎo)電層。這樣的安置能較好地通過每個(gè)可變折射率微棱鏡提供一非均勻場(chǎng)，以便有效地增大棱鏡的頂角，從而增大偏轉(zhuǎn)的最大角度。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，一可變折射率的微棱鏡陣列可以被夾在一對(duì)折射率恒定的微棱鏡之間來使該可變折射率微棱鏡的最大頂角增大。如果需要，該可變折射率棱鏡陣列可以是一對(duì)由該棱鏡組成的這樣的聯(lián)合陣列，以便使得它的每個(gè)棱鏡都具有一等角或等邊的三角形橫截面。
最好在鄰近該可變折射率微棱鏡陣列的平板和該可變折射率微棱鏡陣列之間安放一調(diào)整層(alignment layer)，該棱鏡陣列可經(jīng)受平行或垂直于這些微棱鏡長(zhǎng)度方向的研磨，以便將該可變折射率的微棱鏡的分子排列在希望的方向上。而且，為了排列這些分子，每個(gè)緊鄰該可變折射率微棱鏡安放的折射率恒定的微棱鏡的面也可經(jīng)受平行或垂直于該微棱鏡長(zhǎng)度方向的研磨。
為了將衍射噪音減至最小，最好是避免這種噪音，將一正微透鏡陣列安放在柵格裝置的前面，而將一負(fù)的微透鏡陣列安放在該柵格裝置的后面。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，該負(fù)的微透鏡陣列可安放在該正的微透鏡陣列和該柵格裝置之間。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，該棱鏡的寬度可按非周期的重復(fù)序列這樣變化，使得單一序列的寬度之和大于該光束的波長(zhǎng)。最好，該寬度的和至少是大約該光束波長(zhǎng)的100倍。
為了將該柵格裝置的溫度保持在希望的范圍內(nèi)，可使用一溫度控制裝置。一個(gè)這樣的裝置可包括一能根據(jù)檢測(cè)的溫度加熱該柵格裝置以便將它保持在希望的溫度范圍內(nèi)的加熱器。另一個(gè)這樣的裝置是根據(jù)檢測(cè)的溫度來控制電壓，以便對(duì)由于溫度所引起的任何折射率的變化進(jìn)行補(bǔ)償。
在制作該格柵或柵格裝置的過程中，可利用光束蝕刻沉積在該母版的基片上的耐蝕材料以產(chǎn)生所希望的三維母版型面(master profile)的方法來制備用于復(fù)制微棱鏡陣列之一，最好是復(fù)制折射率恒定的微棱鏡陣列的母版。該光束最好是一離子束，因?yàn)殡x子束能在該耐蝕材料中蝕刻出具有足夠小高度的凹陷，它小到足以產(chǎn)生所需的充分小的能達(dá)到所希望的快速響應(yīng)時(shí)間的微棱鏡。耐蝕材料最好是在束轟擊時(shí)能被刻蝕掉的耐離子束(ion-beam resist)或耐電子束材料(e-beam resist)，如象聚甲基丙烯酸甲酯。最好，該母版是用直寫式的電子束蝕刻技術(shù)(electron beamlithography)來制作，該電子束以一理想的強(qiáng)度選擇性地照射該耐蝕薄層足夠的時(shí)間，就可產(chǎn)生出與企圖復(fù)制的微棱鏡陣列互補(bǔ)的三維型面。該母版可用來制作可聯(lián)合在一起的子母版(submaster)，以便構(gòu)成一更大的母版，該子母版也作為母版用于復(fù)制微棱鏡陣列。
在復(fù)制該折射率恒定的微棱鏡陣列過程中，可在面板和母版之間滴一滴可硬化材料。該可硬化材料就可流進(jìn)上述在該母版中形成的在隆起之間的凹陷中，直到它基本覆蓋該母版的整個(gè)外表面，并與該面板或該面板上的薄層接觸。然后使該可硬化材料固化，最好用施加紫外光照射或其它的固化方法來實(shí)現(xiàn)。光學(xué)環(huán)氧樹脂等都是優(yōu)選的硬化材料。
將形成的該微棱鏡陣列與放置在該陣列上的另一面板一起放進(jìn)真空爐中，利用真空來將可變折射率材料汲取在形成的微棱鏡陣列和該另一面板之間。這可變的折射率材料最好是呈液體或可流動(dòng)的形態(tài)。最好用真空來將可變折射率材料汲取在該另一面板和所形成的微棱鏡陣列之間的封口中間。之后，先將折射率恒定不變的材料在希望的溫度上加熱，然后才將真空撤去以取出制作完成的柵格裝置。
可用兩個(gè)柵格裝置來構(gòu)造一二維的束偏轉(zhuǎn)器，將它們這樣取向，使得(1)一個(gè)柵格裝置的折射率恒定的棱鏡大體上垂直于另一柵格裝置的折射率恒定的棱鏡；(2)一個(gè)柵格裝置的可變折射率的棱鏡大體上垂直于另一柵格裝置的可變折射率的棱鏡。將最好是一正交排列的絞扭向列液晶板的偏振片安置于兩柵格裝置之間。該偏振片最好是相對(duì)于一個(gè)或兩個(gè)柵格裝置正交排列。
可以利用數(shù)字控制電路來控制兩柵格裝置，以便使該光束在兩個(gè)方向或維度上掃描，使得該二維光束偏轉(zhuǎn)器可以構(gòu)成二維掃描儀的一部件。這樣的控制電路最好包括一計(jì)算機(jī)，并帶有與使用至少一個(gè)對(duì)照表相適配的軟件，該對(duì)照表向一對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置提供數(shù)據(jù)，這樣一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置就會(huì)向需要使光束向一方向偏轉(zhuǎn)一希望角度的一個(gè)柵格裝置輸出電壓，而另一驅(qū)動(dòng)裝置就會(huì)向需要使光束向另一方向偏轉(zhuǎn)一希望角度的另一個(gè)柵格裝置輸出電壓。
在一個(gè)優(yōu)選掃描裝置中，光束發(fā)射體發(fā)出一光束，使該光束通過該光束偏轉(zhuǎn)器來使該光束在與該偏轉(zhuǎn)器有一距離的物體上掃描。從該物體反射的一個(gè)或多個(gè)光束可朝反方向通過該偏轉(zhuǎn)器，在這里，這些光束被一檢測(cè)器接收，該檢測(cè)器最好將這些反射光束加工成能被，例如計(jì)算機(jī)之類分析的信號(hào)。
例如，在束偏轉(zhuǎn)器是一二維束偏轉(zhuǎn)器的情形，可以使該束在該物體上和一圍繞該物體的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行垂直和水平掃描。這樣，在該束為激光光束的情形，該束偏轉(zhuǎn)器就可用作激光雷達(dá)掃描儀的部件來掃描地貌。
最好是，該二維束偏轉(zhuǎn)器能至少掃描30°×30°的可視域(field ofregard)且不慢于100μs，同時(shí)在掃描過程中該偏轉(zhuǎn)器都不會(huì)移動(dòng)。因此，最好是，該掃描儀能以至少大約10千赫的幀頻速度重復(fù)地掃描一在可視域內(nèi)的區(qū)域。
本發(fā)明的束偏轉(zhuǎn)器的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括它具有不使用活動(dòng)部件的全固態(tài)結(jié)構(gòu)；在運(yùn)行中它不需要移動(dòng)，因而，有利的是不需要進(jìn)行周期性的重新調(diào)整；它能在快達(dá)30μs或更短的時(shí)間內(nèi)使光束相對(duì)于它的輸入方向偏轉(zhuǎn)30°或更大的角度；它的重量很輕；它能在戶外和極端環(huán)境中運(yùn)作；它具有小巧、輕便、模塊化的、整體、單件和一體化結(jié)構(gòu)；它能構(gòu)成一維、二維、和三維掃描儀；它是多用途和堅(jiān)固的(rugged)；以及能快速和廉價(jià)地制造，并能大量成批生產(chǎn)。
本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于業(yè)內(nèi)人士來說將會(huì)從詳細(xì)說明和附圖一目了然。但是，應(yīng)該明白，該詳細(xì)說明和附圖盡管表述的是本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，而卻是用例證給出的并沒有什么限制。在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以作很多的變化和改進(jìn)而并不背離本發(fā)明的精神，因而本發(fā)明應(yīng)包括所有的這些改進(jìn)。
在附圖中至少圖示出了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的示范性實(shí)施例，在這些附圖中相同標(biāo)號(hào)始終代表相同部件，其中

圖1圖示出本發(fā)明的做成正方形或矩形的光束偏轉(zhuǎn)器的前視圖；圖2畫出了一維光束偏轉(zhuǎn)器的格柵或柵格裝置的側(cè)橫截面視圖，該裝置由一與可變折射率材料的棱鏡陣列配套的微棱鏡陣列構(gòu)成，前者在電磁能束通過該柵格裝置時(shí)用來選擇性地使該能束發(fā)生偏轉(zhuǎn)；圖3畫出了該柵格裝置的后半部分；圖4畫出了該柵格裝置的前半部分；圖5圖示出一個(gè)優(yōu)選光束偏轉(zhuǎn)器的柵格裝置的橫截面視圖；圖6圖示出另一個(gè)優(yōu)選光束偏轉(zhuǎn)器的柵格裝置的橫截面視圖；圖7是一表示通過一柵格裝置的光束的偏轉(zhuǎn)角度與施加在該柵格裝置上的電壓的關(guān)系曲線；圖8是又一個(gè)優(yōu)選光束偏轉(zhuǎn)器的柵格裝置的橫截面視圖；圖9圖示出該柵格裝置的一個(gè)優(yōu)選的溫度補(bǔ)償裝置；圖10畫出了使用一對(duì)微透鏡陣列來減小或避免由通過該光束偏轉(zhuǎn)器的光束產(chǎn)生的衍射噪音的情形；圖11畫出了第二個(gè)減小或避免光束衍射噪音的優(yōu)選微透鏡陣列裝置；圖12畫出了一優(yōu)選的光束偏轉(zhuǎn)器柵格裝置，其中各組棱鏡的寬度在一重復(fù)的非周期排列中都是不同的，以便減小或最好全部消除光束的衍射噪音；圖13畫出了在存在和不存在由選擇性地施加在該棱鏡上的電壓所提供的電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)，單個(gè)可變折射率材料棱鏡的工作情形；圖14圖示出了制作母版的第一步，該母版在以后可用于直接復(fù)制微棱鏡陣列或用來再制備一些復(fù)制微棱鏡陣列用的母版；圖15圖示出了制備母版的第二步，它是在用光蝕刻了由基片攜帶的光敏材料之后進(jìn)行的，這是為了形成基本與所希望的微棱鏡陣列的形狀互補(bǔ)的凸起和凹陷；圖16表示一制備該微棱鏡陣列的模鑄步驟，在這一步，是在其上模鑄的基片和母版之間提供一種液體的可硬化的材料；圖17圖示出了一固化步驟，在這一步，是通過光的照射來使該可硬化的材料固化；圖18圖示出了模鑄和固化后的該微棱鏡陣列；圖19圖示出了制作由可變折射率材料構(gòu)成的微棱鏡陣列的一準(zhǔn)備步驟；
圖20和圖21圖示出了按第一優(yōu)選方式研磨以形成平行的或π形柵元的柵格裝置(π-cell panel assembly)的情形；圖22圖示出了按第二優(yōu)選方式研磨以形成反向平行柵格的柵格裝置的情形；圖23圖示出了按第三優(yōu)選方式研磨以形成正交柵格的柵格裝置(crossed cell panel assembly)的情形；(從圖看這似乎與圖22搞反了一譯者)；圖24圖示出了由可變折射率材料構(gòu)成的棱鏡陣列在真空爐中的形成情形；圖25圖示出了由一對(duì)正交的柵格裝置構(gòu)成的二維光束偏轉(zhuǎn)器；圖26圖示出了將多對(duì)光束向Y-方向偏轉(zhuǎn)的二維光束偏轉(zhuǎn)器運(yùn)作的情形；圖27畫出了將多對(duì)光束向X-方向偏轉(zhuǎn)的二維光束偏轉(zhuǎn)器運(yùn)作的情形；圖28圖示出了用來控制該二維光束偏轉(zhuǎn)器運(yùn)作的控制原理圖；圖29圖示出了用來控制該二維光束偏轉(zhuǎn)器運(yùn)作的控制器的一個(gè)優(yōu)選數(shù)字電路原理的框圖；圖30圖示出了一利用該二維光束偏轉(zhuǎn)器的示范性二維掃描儀裝置；圖31畫出了使用該二維光束偏轉(zhuǎn)器的激光成像雷達(dá)裝置；圖32畫出了安裝在火箭或?qū)椛峡捎糜?，例如，自?dòng)尋的彈頭或目標(biāo)捕獲方面的激光成像雷達(dá)裝置。
圖1和圖2圖示出了本發(fā)明的一光束偏轉(zhuǎn)器40，它包括很多安置在一陣列44中的棱鏡42，該陣列最好夠成一柵格或柵格裝置46的部件。參看圖2，至少覆蓋每個(gè)棱鏡42的一部分的材料是可使其折射率n選擇性地發(fā)生改變或變化的材料48，因而在電磁輻射束50，最好是光束通過該柵格裝置時(shí)，其偏轉(zhuǎn)或掃描角度α?xí)S施加在該材料48上的控制電壓而改變。在它的優(yōu)選實(shí)施例中，該折射率可變的材料48被這樣構(gòu)成，使得通過它和至少一個(gè)棱鏡42的光束50偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度取決于，至少是部分地取決于施加電壓的大小。在其優(yōu)選實(shí)施例中，該折射率可變的材料48將以很多對(duì)棱鏡48的形式被安裝，這些棱鏡48的每一個(gè)都與一個(gè)棱鏡42配準(zhǔn)并安放在棱鏡42的前面。
本發(fā)明的光束偏轉(zhuǎn)器40尤其很適合于下述的應(yīng)用場(chǎng)合要求能快速改變?nèi)肷涔馐?0的角度α，使得從施加希望的電勢(shì)到達(dá)到希望的角度α為止的響應(yīng)時(shí)間不慢于大約100μs的場(chǎng)合。最好是，該偏轉(zhuǎn)器40的響應(yīng)時(shí)間或開關(guān)速度至少快到45μs或更快。
在使用單個(gè)柵格裝置46的情形，每對(duì)棱鏡42和48合作，以便可控地使入射光束50朝一般與柵格裝置46垂直的方向折射，使得在出射光束50’離開該柵格裝置46時(shí)偏轉(zhuǎn)角α相對(duì)于入射光束50的角度來說是在從銳角-0°的范圍變化。例如，參看圖2，當(dāng)光束50被可控折射時(shí)，每對(duì)棱鏡42和48就將光束50向Y方向折射。
為了在光束接近該柵格裝置46時(shí)該入射光束50一般都與柵格裝置46垂直，該光束50必須用一偏振器起偏，該偏振器在圖2中示意地表示在標(biāo)號(hào)51處，在光學(xué)上它是被安放在產(chǎn)生光束50的光源(未畫出)和該柵格裝置46之間。偏振器51最好是用在光束50入射在棱鏡42或48的地方。
該束的束源最好產(chǎn)生電磁能束50。最好是，該束源產(chǎn)生一波長(zhǎng)盡可能在0.3微米(μm)到大約30μm范圍內(nèi)的光束50。該束源最好產(chǎn)生一從該束源發(fā)出的最好是激光之類的相干光。在相干光垂直地聚焦在該柵格裝置46的情形，就不需使用偏振器51。該束源也可提供非相干的光束50。
參看圖25-27，在兩個(gè)這樣的柵格裝置46a和46b彼此重疊的情形中，該柵格裝置46a和46b可形成一二維偏轉(zhuǎn)器52的部件，用來選擇性地使光束50發(fā)生二維折射，以便用來掃描一放置在與該偏轉(zhuǎn)器52有一段距離處的物體。由于它的有利的快速的開關(guān)速度，因此掃描儀裝置至少可由一個(gè)柵格裝置46構(gòu)成，最好是由一對(duì)柵格裝置46a和46b來構(gòu)成，而且該掃描儀裝置很適于用在要求高速掃描的應(yīng)用方面。這些應(yīng)用的例子包括測(cè)距儀、顯示器、打印機(jī)、刻板機(jī)、復(fù)印機(jī)、機(jī)械視覺、附近車輛檢測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、以及激光雷達(dá)(LADARS)之類的成像雷達(dá)。II.一維光束偏轉(zhuǎn)器每塊棱鏡42最好都是一折射率恒定的棱鏡42，它構(gòu)成該后面陣列44的一單列，而且最好從該柵格裝置46的一側(cè)伸到另一側(cè)。一單個(gè)的柵格偏轉(zhuǎn)(panel deflector)40最好僅具有一單行的與一單行的可變折射率棱鏡48配套的恒定折射率的棱鏡42。當(dāng)然，雖然在圖1中所示的柵格裝置46的棱鏡42和48都是水平的，但它們也可取非水平的方向。
如圖2所示，該柵格裝置46的每?jī)蓚€(gè)配套的棱鏡42和48都具有一通常的矩形橫截面。該柵格裝置46包括前一面板68和一后面板70，這兩面板被棱鏡42和48隔開。參看圖3和4，各面板68和70分別都有一向著入射光束50放置的前表面72和74和一向著背向入射光束方向放置的后表面76和78。每塊面板68和70最好是由透明玻璃構(gòu)造，但如果需要，也可用合適的聚合物構(gòu)造。其它的合適的面板材料的例子包括石英晶體、硼硅玻璃、透紅外的窗口、聚碳酸酯、聚丙烯、以及其它的最好是至少對(duì)該光束50的波長(zhǎng)有些透明的材料。
每塊棱鏡42最好都是用一種折射率基本恒定的，而且在具有高的表面品質(zhì)和良好的光學(xué)品質(zhì)，因而具有良好的透光性和最低的散射損失時(shí)，又能適合用作光學(xué)棱鏡的材料構(gòu)成。在一優(yōu)選的棱鏡實(shí)施例中，該棱鏡42是由聚合物，最好是環(huán)氧樹脂構(gòu)成的。一種這樣合適的環(huán)氧樹脂是由新澤西州北不倫瑞克市的Norland Products，Inc.公司制造和經(jīng)銷的NOV72型環(huán)氧樹脂，例如這材料具有例如下表列出的合適性能粘滯性 155cps折射率 1.56硬度 肖氏硬度75在1Mhz時(shí)的介電常數(shù) 3.98介電強(qiáng)度(V/mil)456在1Mhz時(shí)的損耗矢量 0.0351體電阻(Ω/cm) 7.37×1014表面電阻(Ω) 3.73×1012表1最好是，該棱鏡材料能起電絕緣體的作用，阻止電子流過每塊折射率恒定的棱鏡42。其它的材料也可能是合適的。例如，另一種聚合物、粘結(jié)劑、光學(xué)粘結(jié)劑、或環(huán)氧樹脂類也可使用。另外，例如，玻璃、石英、熔煉二氧化硅、透紅外的窗口、聚碳酸酯、或聚丙烯也可使用。
參看圖3，該陣列44的每塊棱鏡42最好具有同樣的橫截面形狀。每塊棱鏡42具有多邊形的橫截面，它最好是通常的矩形。每塊棱鏡42具有一接受光束的面56，它最好基本是平面并相對(duì)于入射光束50有一夾角；一基本上是平的光束出射面58，該光束從它離開該棱鏡42，該出射面最好相對(duì)于入射光束50是垂直放置的；以及一個(gè)側(cè)壁面60，它通常最好與光束出射面58垂直。
每塊棱鏡42都有一頂點(diǎn)62處于光束接收面56與側(cè)壁面60相交的地方，在圖1中它表現(xiàn)為一線62。如圖1所示，每條頂點(diǎn)線62都是一個(gè)棱鏡42與鄰近棱鏡42的分界線。每塊棱鏡還具有一對(duì)角頂64和66，這兩角頂彼此間和與頂點(diǎn)62之間都是分開的。角頂66是由側(cè)壁面60和光束出射面58相交形成的。如圖3所示，一個(gè)棱鏡42的下角頂64最好是緊鄰或連接緊鄰棱鏡42的上角頂66。
每塊棱鏡42都有一頂角φ，它對(duì)于后陣列44的所有的棱鏡42而言最好都基本相同。在一優(yōu)選實(shí)施例中，該頂角φ大約為57°。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，這φ大約為45°。φ的選擇最好是取決于一個(gè)或多個(gè)因素，如最大的希望角αmax、能使光束折射通過的該裝置46、掃描或開關(guān)速度、每塊棱鏡42和48的尺寸、以及其它的或許可能的因素。φ的選擇最好是根據(jù)例行實(shí)驗(yàn)和關(guān)于這些因素的優(yōu)選結(jié)果以及該光束偏轉(zhuǎn)器40的應(yīng)用場(chǎng)合來決定。
該后面板70形成一片攜帶每塊棱鏡42的基片。最好是，每塊棱鏡42的光束出射面58用粘結(jié)劑固定在該面板70的前表面74上。如圖2所示，一調(diào)整層80被置于該棱鏡42的前表面56和它的光束出射面58上。該調(diào)整層80最好能有助于將該折射率起變化的材料48的分子沿一特定方向排列，最好沿該棱鏡42的長(zhǎng)度方向排列。該調(diào)整層80最好是由聚酰胺或聚乙烯醇(PVA)構(gòu)成的一薄層。
在每塊棱鏡42的光束出射面58和該后面板70的前表面74之間還放置有一導(dǎo)電層82。該導(dǎo)電層82在光學(xué)上基本透明的同時(shí)，最好還是由電子能夠流動(dòng)的材料構(gòu)成。最好這種導(dǎo)電材料具有這樣的厚度，以便使得通過它的光吸收得最少。一種合用的材料是氧化錫銦(ITO)。
該導(dǎo)電層82至少與一個(gè)電極或接線端子84相連接(圖1)，而該電極又與一電勢(shì)源，即用V表示的電壓源相連。在運(yùn)作期間該電壓源V和導(dǎo)電層82被用來產(chǎn)生一用來選擇性地控制一個(gè)或多個(gè)棱鏡48的折射率的電場(chǎng)。最好施加在給定陣列88的所有棱鏡48上的電場(chǎng)通量或通量密度都是大約相同的。在施加電壓時(shí)，施加在給定陣列88的所有棱鏡48附近的電壓最好都是相同的。
參看圖4，還將可變折射率棱鏡48安裝于放置在后陣列44前面的陣列88中，而且在光學(xué)上連接在后陣列44和光束束源之間，使得從該束源發(fā)出或產(chǎn)生的光束50將首先通過前陣列88的至少一個(gè)棱鏡48，然后再通過后陣列44的至少一個(gè)棱鏡42。
如前所述，每個(gè)棱鏡48都是由折射率n可選擇性改變的材料制作，以便當(dāng)光束通過該棱鏡48和42時(shí)能選擇性地控制光束折射或偏轉(zhuǎn)的角度。最好是，每塊棱鏡48都由折射率能隨存在的電場(chǎng)而選擇性地變化的液晶來制作。在制作液晶材料的棱鏡48時(shí)，研磨方向(rubbing direction)可以是平行的(π型柵元)、反向平行、或正交的。
某些合適的可變折射率的液晶材料及其一些性能列表于下η(mPa s)(@20 k11(×10-12N) Δn neΔε℃)E7 269.0 11.1*0.2253 1.7460 13.8K15 58.0 12.0 0.212 1.7420 20.1ZLi1565 131.5 14.4*0.1317 1.6237 7.0EDH-E44 325.3*15.5 0.2627 1.7904 16.8表2注上表中所列的帶*號(hào)之值為外推值。
其中，η 是該可變折射率材料分子的轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)；k11是該可變折射率材料的彎曲彈性常數(shù)；Δn 是該可變折射率材料折射率n的最大變化；ne是在不施加電磁場(chǎng)時(shí)，也就是該液晶處于“不工作”狀態(tài)時(shí)，該材料的折射率；Δε是可變折射率材料的介電常數(shù)。所有這些可變折射率的液晶材料都可從紐約Hawthorne的E.M.Industries公司買到。
其它合適的液晶材料也可使用，只要該材料的分子容易隨下列情況的發(fā)生而均勻又快速地排列(1)電場(chǎng)的存在，即接通電場(chǎng)，(2)沒有電場(chǎng)，即關(guān)閉電場(chǎng)，以及(3)改變電場(chǎng)的大小，通量或通量密度，也就是快速改變?chǔ)痢＠?，可以使用具有希望特性的向列、鐵電、以及非鐵電的液晶材料。合適的材料最好可在不大于大約100μs的時(shí)間內(nèi)開啟和關(guān)閉，從施加希望的電位到達(dá)到希望的偏轉(zhuǎn)角。最好，該材料的響應(yīng)時(shí)間或開關(guān)速度至少應(yīng)快到45μs以下。如果希望，也可施加磁場(chǎng)來選擇性地控制用在棱鏡48上的液晶的折射率。為了取得更快的響應(yīng)時(shí)間，最好使用鐵電液晶材料。
參看上述之表2，在可變折射率材料為液晶材料的情形，該液晶材料對(duì)于電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在的響應(yīng)能力用其上升時(shí)間，Tr來度量，該液晶材料對(duì)于撤除電場(chǎng)或磁場(chǎng)的響應(yīng)能力用其弛豫時(shí)間Td來度量。這樣，所選的每塊棱鏡48的液晶材料在不施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)的關(guān)閉狀態(tài)必須容易均勻排列。另外，該液晶材料在其分子取向或排列方面必須是很確定的。上升時(shí)間Tr和弛豫時(shí)間Td可用下述方程表示Tr=C1ηd2ϵ0ΔϵV2]]>Td=C2ηd2k11π]]>其中C1和C2都是取決于液晶材料的特定類型的常數(shù)；D是液晶柵元(liquid crystal cell)的厚度，也就是棱鏡48的厚度；從上述兩方程式所表明的關(guān)系，很明顯，Tr和Td是與η和d2成正比，而Tr和Td分別與Δε和k11成反比。因而選擇具有低η、大Δε和大的k11，同時(shí)將配套的陣列44和88的橫截面厚度做得盡可能薄，對(duì)于實(shí)現(xiàn)此處引述的希望的快速響應(yīng)時(shí)間和開關(guān)速度都將是可取和十分重要的。對(duì)于合適的液晶材料來說，最好是，η不大于大約300 mPa s，Δε不小于大約20，以及k11不小于大約10×10-12N。
該陣列88的每塊棱鏡48最好具有一基本共同的橫截面形狀，最好是通常的三角形。每塊棱鏡48都具有一光束接受面90，它最好放置成基本與入射光束50垂直或正交。該光束出射面92放置成與該光束接受面90成一銳角，而且與入射光束50的方向有一角度。該側(cè)壁面94一般與入射光束50的方向平行。
每塊棱鏡48都具有一頂點(diǎn)96，它是由側(cè)壁面94和光束出射面92相交形成的。光束接受面90與光束出射面92之間相交形成另一頂點(diǎn)98，而光束接受面90與側(cè)壁面94之間相交又形成另一頂角100。
前面板68形成一攜帶每塊棱鏡48的基片。最好是，每塊棱鏡48的光束接受面被固定在該面板68的后表面76上。又如圖2所示，在每塊棱鏡48的光束接受面90和該面板68的后表面76之間安放有一導(dǎo)電層102。最好是，該導(dǎo)電層102與導(dǎo)電層82是相同或基本相同的。將該導(dǎo)電層102與電極或接線端子86電連接(圖1)，該電極又與電壓源V電連接。
參看圖2-4，當(dāng)將兩陣列44和88裝配在一起時(shí)，最好有一調(diào)整層104安置在每塊棱鏡的光束出射面92與每塊棱鏡42的光束接受面56之間。該調(diào)整層104最好與層80相同或基本相同。
圖5畫出了另一優(yōu)選的柵格結(jié)構(gòu)(panel congiguration)。圖5與圖2相似，只是圖5中在每個(gè)面板68和70之間還有一墊片105。該墊片105最好是安放在該棱鏡陣列42和48的周邊附近，而且最好是用彈性薄膜，如DuPont MYLAR之類薄膜制作。又如圖5所示，陣列44的棱鏡42是從基底部分45向上伸出的。另外，在圖5中，該調(diào)整層80是安放在棱鏡陣列88的前面而不是后面。
圖6畫出了又一個(gè)優(yōu)選的柵格結(jié)構(gòu)。如圖6所示，在緊鄰的兩棱鏡42和48之間還可安放另一導(dǎo)電層106。在圖3中也以虛線表示的該導(dǎo)電層106覆蓋在棱鏡42的光束接受面56上而不是在面58和74之間的層82上。一種這樣的層106最好有助于保持該光束50的分布形狀，其方法是產(chǎn)生一橫過緊鄰的可變折射率棱鏡48的非均勻場(chǎng)來防止在其通過柵格裝置46時(shí)該光束50的匯聚或發(fā)散。這樣的層106最好用ITO制作，并最好還能產(chǎn)生雙折射，Δn，以便更均勻地橫穿整個(gè)由棱鏡48組成的陣列88。
在每塊棱鏡42的面56上提供的導(dǎo)電材料層106還能在圖2和圖5所示的整個(gè)柵格(panel)范圍上使最大偏轉(zhuǎn)角αmax，增大。這是因?yàn)樵诿繅K棱鏡48的頂尖98(圖4)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度比其基底94附近大，因而引起每塊棱鏡48的有效折射率變化在基底94附近比在頂尖98附近大。因而使每塊棱鏡48的有效頂角增大，也就是使光程增加，使得它的表現(xiàn)猶如它的頂角φ比實(shí)際的頂角大的情形一樣，因此對(duì)于一給定的頂角σ來說，當(dāng)與圖2和圖5所示的柵格相比起來它就會(huì)產(chǎn)生一較大的最大偏轉(zhuǎn)角αmax。最好是，σ和φ基本上是相同的。
當(dāng)將兩陣列44和88裝配在一起時(shí)，前陣列88的每塊棱鏡48基本上是被容納在緊位于每塊棱鏡42前面的呈通常三角形橫截面的一互補(bǔ)的空缺中。最好是，將該調(diào)整層104安放于它們之間，這也有助于使它們保持在一起。象這樣，該調(diào)整層104最好用作一種粘結(jié)劑，它將每塊棱鏡48的光束出射面92與緊鄰和面對(duì)該特定棱鏡48的棱鏡42的光束接受面56連接起來。當(dāng)裝配在一起時(shí)，該配套的陣列44和88就形成一通常的矩形橫截面的棱鏡組合(prismatic assembly)。
為了增大響應(yīng)和開關(guān)速度，該棱鏡42和48中的每一塊都是相當(dāng)小的。該棱鏡42和48中的每一塊都具有一間距(pitch)，p，它代表該棱鏡的高度、深度或厚度。每塊棱鏡42和48都具有一不大于大約20μm的高度p，因而它們每個(gè)都是微棱鏡。由于液晶棱鏡48的關(guān)閉速度，也就是返回它關(guān)閉時(shí)的折射率ne的速度，隨它的厚度增大而減小，因此最好能將每塊棱鏡48和42的厚度減至最小。為了達(dá)到小于大約100μs的理想的快速響應(yīng)時(shí)間，每塊棱鏡42和48都有一不大于大約20μm的高度p。最好每塊棱鏡的高度p小于大約15μm，而且為了更進(jìn)一步減小響應(yīng)時(shí)間，取值為大約10μm或更小。為了更進(jìn)一步減小關(guān)閉時(shí)間(turn-offtime)，在該棱鏡48用可變折射率液晶材料制作的情形，在制作時(shí)研磨是在平行方向進(jìn)行的，以便在制作完成時(shí)形成一具有π-型柵元結(jié)構(gòu)(π-cellconstrution)的柵格裝置46。
每塊棱鏡42的高度p最好對(duì)于陣列44的所有棱鏡42基本都是相同的。同樣，每塊棱鏡48的高度p最好對(duì)于陣列88的所有棱鏡48也基本都是相同的。雖然每塊棱鏡42的高度P可不同于每塊棱鏡48的高度P，但最好是差不多一樣的。因?yàn)槊繅K棱鏡42和48優(yōu)選地是具有一直角三角形的橫截面，所以兩棱鏡42和48的高度P最好與該棱鏡42和48的側(cè)壁面60和94的長(zhǎng)度相同。
每塊棱鏡42和48的寬度W最好不大于大約100μm。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該棱鏡的寬度W為大約30μm，如果希望，還可更窄。
該電壓源V是一可變電壓的電壓源，它能按某種方式改變施加在電極84和86上的電壓，以便改變每塊可變折射率棱鏡48的折射率n。最好，該電壓源V是一能較好地輸出方波的交變電流源。最好，施加在電極84和86上的電壓可選擇性地在0-10伏之間變化。根據(jù)棱鏡的厚度，該電壓還可更高。例如，對(duì)于大于20μm的棱鏡厚度來說，該電壓可比10伏更高。
該電壓源V可與其它的模擬或數(shù)字電路連接，這些電路是用來選擇性地控制該電壓源V應(yīng)給每電極提供多大的電壓。例如，為了精確地控制光束50的折射角，就可使用數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)程序一道來控制所應(yīng)施加的電壓。這樣的計(jì)算機(jī)程序可訪問一對(duì)照表或函數(shù)，如能將棱鏡48的很多折射率與產(chǎn)生希望的折射率所需要的電壓關(guān)聯(lián)起來的方程。
這樣的對(duì)照表或方程可根據(jù)對(duì)給定的施加電壓所得到的折射率的例行實(shí)驗(yàn)來求得，其方法是在光束通過柵格裝置46時(shí)施加該電壓并測(cè)量該光束50的折射角。圖7圖示出了對(duì)于具有棱鏡48的聚合物微棱鏡陣列所得到的這樣的數(shù)據(jù)，每個(gè)棱鏡的長(zhǎng)為25μm，高為30μm，而且都由向列液晶E7制作，并安置在孔徑尺寸大約2英寸×3英寸的柵格裝置46中。如圖7的曲線108所示，該光束的偏轉(zhuǎn)角的最大值αmax大約為20°，而最小偏轉(zhuǎn)角αmin大約為-8°。在不施加電壓時(shí)，α大約為20°。如拋物曲線108所示，當(dāng)電壓在0伏和25伏之間變化時(shí)，α就相應(yīng)地在稍小于20°和0°之間選擇性地發(fā)生變化。這樣，對(duì)于圖1所示的柵格裝置46來說，當(dāng)根據(jù)上述規(guī)格來構(gòu)造時(shí)，α就會(huì)在從稍小于大約20°的αmax到優(yōu)選的最小α之間的范圍內(nèi)變化，該最小α限于不大于0°的角度值。
圖8畫出了光束偏轉(zhuǎn)器的第二實(shí)施例40’的第二個(gè)優(yōu)選的柵格裝置110的一部分。該柵格裝置110具有由棱鏡42構(gòu)成的一對(duì)外陣列44和44’和一由可變折射率棱鏡114構(gòu)成的中間陣列112，這中間陣列的每個(gè)棱鏡都具有一可以是等邊或等腰三角形的橫截面。每個(gè)棱鏡114可以由在用標(biāo)號(hào)120表示的虛線位置處拼合起來的一對(duì)棱鏡48構(gòu)成。陣列44’和陣列44是相同的，只是它們關(guān)于線120互為鏡像。如果需要，柵格裝置110可由44和88組成的第一對(duì)陣列和由88和44組成的第二對(duì)陣列拼合一起來構(gòu)成，從而得到一雙微棱鏡陣列組合。安放在該前面板68和前棱鏡陣列44之間的是一導(dǎo)電層118，而安放在后面板70和后棱鏡陣列44’之間的是另一導(dǎo)電層118。該柵格裝置110可產(chǎn)生一最大的偏轉(zhuǎn)角αmax，它比柵格裝置46產(chǎn)生的大得多。通常，柵格裝置10的αmax比大約柵格裝置46的兩倍還大。
在溫度的考慮是重要的場(chǎng)合，如該光束偏轉(zhuǎn)器40或40’在溫度低于60℃的戶外使用時(shí)，可使用溫度補(bǔ)償。對(duì)于溫度變化很大的軍事和航空應(yīng)用來說，最好采用某種溫度補(bǔ)償。在環(huán)境溫度大約在60℃以上時(shí)，溫度補(bǔ)償多半是不需要的。當(dāng)在溫度恒定的室內(nèi)使用時(shí)，溫度補(bǔ)償就可不要。
參看圖9，該光束偏轉(zhuǎn)器40包括一溫度補(bǔ)償器122，它是構(gòu)造來幫助將由該可變折射率棱鏡48構(gòu)成的陣列88保持在相當(dāng)恒定的溫度上和保持在偏轉(zhuǎn)器40的響應(yīng)時(shí)間不會(huì)發(fā)生明顯減慢的溫度上。該補(bǔ)償器122包括一與柵格裝置46接觸的熱電加熱器(thermoelectric heater)124來加熱該柵格裝置46。更可取的是，該熱電加熱器124包括一最好能基本將整個(gè)的柵格裝置46封裝在里面的保溫套。
該加熱器124由電路126控制，該電路最好包括一與檢測(cè)該柵格裝置46周圍環(huán)境溫度的傳感器130連接的控制器128。例如，該控制器128可以是一程序控制器，而傳感器130可以是，例如熱電偶、熱敏電阻等等?？蓮囊豢梢允请妷涸碫的電源向電路126提供電能。
最好是，從該傳感器130給該控制器128提供一代表周圍溫度的信號(hào)，從而由控制器調(diào)節(jié)流向加熱器的電流，以便幫助將該柵格裝置46的溫度相當(dāng)恒定地保持在希望的溫度上。如果希望，另一與該柵格裝置46連接的傳感器還可向該控制器128提供反饋，以便檢測(cè)該柵格裝置46的實(shí)際溫度。這種反饋也可用來調(diào)節(jié)流向加熱器124的電流。
在另一優(yōu)選的補(bǔ)償器方案中，該控制器128可按檢測(cè)到的周圍溫度和檢測(cè)到的柵格裝置溫度來調(diào)節(jié)施加到圖8中的電極84和86上的電壓。根據(jù)檢測(cè)到的溫度可用一對(duì)照表來調(diào)節(jié)該電壓。
圖10圖示出了光束偏轉(zhuǎn)器的另一優(yōu)選實(shí)施例40a，它可用來減少在該偏轉(zhuǎn)器40a運(yùn)行期間光束的衍射噪音。為了減小衍射噪音，該偏轉(zhuǎn)器40使用了一放置在每一光束50的源和柵格裝置46之間的正微透鏡陣列132和一放置在該柵格裝置46后面的負(fù)微透鏡陣列134。該正微透鏡陣列132包括有安排來形成圖11所示陣列132的很多對(duì)緊鄰的凸透鏡。該負(fù)微透鏡陣列132(似乎應(yīng)為134—譯者)包括有安排來形成圖10所示陣列134的很多對(duì)緊鄰的凹透鏡。該正的微透鏡陣列132由于它使每一光束540聚焦因而就避開了棱鏡42的犄角，從而可減少衍射噪音，而在通過柵格裝置46后，該負(fù)微透鏡134又將該光束50準(zhǔn)直平行或展寬。
圖11圖示出了光束偏轉(zhuǎn)器的又一優(yōu)選的實(shí)施例40b，其中該負(fù)微透鏡陣列134是安放在該正微透鏡陣列132和該柵格裝置46之間。這個(gè)偏轉(zhuǎn)器40b也可有利地減小衍射噪音。最好是，該光束偏轉(zhuǎn)器40a和40b都屬于微孔液晶微棱鏡陣列結(jié)構(gòu)。
圖12圖示出了再一優(yōu)選的也可減小衍射噪音的光束偏轉(zhuǎn)器實(shí)施例40c。該光束偏轉(zhuǎn)器40c是一非周期的液晶微棱鏡陣列，它所具有的棱鏡42每個(gè)都具有相同的間距(pitch)，但每個(gè)卻具有不同的寬度，d1，d2，d3，d4，和d5。最好是，該系列棱鏡寬度在整個(gè)該陣列中是重復(fù)的。該棱鏡寬度的和，d1+d2+d3+d4+d5，比該光束波長(zhǎng)長(zhǎng)，最好是長(zhǎng)得多。最好該棱鏡寬度的和至少是該光束波長(zhǎng)的100倍。由于這種結(jié)構(gòu)，衍射幾乎是微不足道的。
參看圖1、2、和13，在運(yùn)作期間，當(dāng)沒有電施加到電極84和86上時(shí)，各可變折射率棱鏡48的折射率n1C都比與其緊鄰的棱鏡42的折射率npoly大，因而光束50按圖2所示的那樣偏轉(zhuǎn)，使得離開柵格裝置46出來的光束50’相對(duì)于入射的光束50成一銳角。如圖2所示，n1C和npoly之間的差異在斷電時(shí)最大，而且光束50的偏轉(zhuǎn)角α也處于最大值αmax。為了使αmax至少達(dá)到大約30°，n1C和npoly之間的斷電差異至少應(yīng)為大約0.15，最好至少為大約0.2。
當(dāng)在電極84和86上加電時(shí)，棱鏡48的n1C折射率減小，從而使偏轉(zhuǎn)角α減小。當(dāng)在電極84和86上加電時(shí)，電被提供給各導(dǎo)電層82和102，從而產(chǎn)生一橫穿在導(dǎo)電層82和102之間并通過每塊棱鏡48的電場(chǎng)。當(dāng)電量，也就是電壓增加時(shí)，偏轉(zhuǎn)角α就減小，直到接近或達(dá)到0°，如圖2所示。當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，n1C減小，直到接近或基本與npoly相等。當(dāng)n1C≈npoly時(shí)，α≈0°，光束50最好基本上直線通過柵格裝置46而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)n1C≈npoly≈1.5時(shí)，α就為0°。參看圖7，如果電壓進(jìn)一步加大到超出α為0°的電壓值時(shí)，該光束50實(shí)際上就可能朝反方向偏轉(zhuǎn)，因而偏轉(zhuǎn)角α的值就位負(fù)數(shù)。通過選擇性控制施加到該柵格裝置46的電極84和86上的電壓大小就可精確控制光束50通過該柵格裝置46時(shí)所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角α，最好控制在大約0.5毫弧度以內(nèi)。更具體地說，該光束50的偏轉(zhuǎn)角α可以通過控制器電路來控制，該電路能能精確地將電壓施加到電極84和86上，以便使該光束50偏轉(zhuǎn)角與希望的偏轉(zhuǎn)角的偏差是在大約0.5毫弧度以內(nèi)。最好是，也可以選擇地施加電壓，以便能使該光束50以小到0.5毫弧度的角增量偏轉(zhuǎn)。
圖13圖示出在沒有電壓施加在棱鏡48上時(shí)該可變折射率材料的分子136的排列情形。在圖13中還畫出了一條在與紙面垂直的方向上偏振的光束50，它投射到該可變折射率的棱鏡48的前表面90，在該棱鏡上處于前表面90的可變折射率材料的分子136一般是平行于光的偏振方向排列的。在形成緊鄰的兩棱鏡42和44(后者似乎應(yīng)為48—譯者)之間的界面部分的表面92上的分子136，以及在表面90和92之間的棱鏡內(nèi)的分子也是沿相同方向排列。入射光然后將在該可變材料棱鏡48中感受到一光折射率n1c。通過該柵格裝置46的光將根據(jù)Snell定律發(fā)生偏轉(zhuǎn)
nlcsinθ1＝npolysinθ但是，當(dāng)在一對(duì)緊貼的棱鏡42和48兩邊施加的電壓大于大約為1-2伏的閾值電壓時(shí)，棱鏡的分子通常就會(huì)沿產(chǎn)生在棱鏡兩側(cè)的導(dǎo)電層之間的電場(chǎng)方向排列，這導(dǎo)電層通常為導(dǎo)電層82和84。只有在表面90和92上的一薄層分子不沿該電場(chǎng)方向重創(chuàng)新取向。在圖13中，該電場(chǎng)的通量線137一般是與紙面垂直的。這就是說，通量線137從紙面伸出并平行與該棱鏡48的長(zhǎng)度方向。分子136通常保持朝制作時(shí)研磨的方向取向。但是在光束通過棱鏡42和48時(shí)，這一薄層分子136對(duì)該光束50的影響是微不足道的，因而一般可以忽略。
當(dāng)施加一超過Vth的相當(dāng)大電壓時(shí)，就得到一折射率nLCO，它就導(dǎo)致在棱鏡48和棱鏡42的界面處產(chǎn)生一偏轉(zhuǎn)角θ2，該偏轉(zhuǎn)角滿足下述方程nlcosinθ1＝npolysinθ2在所施加的電壓是在0伏與該棱鏡42和48的飽和電壓Vsat之間的情形中，該折射率n1c就取決于該可變折射率材料的分子取向和光偏振的方向，其關(guān)系式為 其中， (電場(chǎng)方向)是光束50的偏振方向，而 (分子取向)是可變折射率材料的方向矢量。因?yàn)樵摲较蚴噶渴且晃恢煤瘮?shù)，所以折射率是隨位置而變化的。甚至在一給定點(diǎn)上，該折射率也隨光束偏轉(zhuǎn)的方向變化。該有效折射率neff可表示為neff=nenone2sin2β+no2cos2β]]>其中β是該電場(chǎng)方向與該分子場(chǎng)取向之間的夾角。III.制作方法一柵格裝置或格柵裝置46的制作過程中，該柵格裝置46由一前基片68、一具有可發(fā)生選擇性變化的可變折射率的材料48的層88、一最好由折射率基本恒定的材料構(gòu)成的陣列44或棱鏡42、以及一后基片70等組成。在制作圖2所示的該柵格裝置46的過程中，該后基片70用導(dǎo)電層82覆蓋，而將該陣列44或棱鏡42，最好是微棱鏡42，凸印(embossed)在層82和基片70上面。在將墊片105安放在兩基片68和70之間的條件下，將基片68和70組合在一起，并將可變折射率材料引入基片68和70之間來充填在陣列44和上基片70(從圖2和圖5看，似乎應(yīng)為68-譯者)之間所產(chǎn)生的空缺。當(dāng)空缺被可變材料充填好后就完成了該格柵或柵格裝置46的制作。
參看圖14和圖15，為了能批量生產(chǎn)柵格裝置46，最好構(gòu)造一母版138，以便用于將棱鏡凸印在基片70上。圖14畫出了一制作圖15所示母版138用的坯件140。該坯件140由一攜帶有中間層144和能量束抵抗層(energy beam resist layer)146的的基片142構(gòu)成。
該基片最好是由玻璃，如石英玻璃、二氧化硅、硼硅酸鹽之類材料構(gòu)成。該中間層144最好用ITO、鉻、或其它合適的反射材料制作。該能量束抵抗層146由一種能用能量束148蝕刻的材料構(gòu)造，該能量束最好是具有適當(dāng)高的能量密度，能在沖擊時(shí)用蒸發(fā)或其它方式選擇性地將層146的一部分除掉的電子束、粒子束、或其它能量束。
最好是，該層146用抗粒子束的材料，如聚甲基炳烯酸甲酯(PMMA)制作，因而在直寫式電子束光刻過程中由發(fā)射體(未畫出)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)能束148就可沖擊在層146上以產(chǎn)生希望的母版三維凸文花樣(relief patterm)154。最好是由該層146在該束或能量束148下的照射強(qiáng)度或曝光時(shí)間來決定該層146的各部分的蝕刻深度。
在制作該母版138的過程中，如圖14所示，該坯件140至少由一能量束148照射，最好是由很多能量束148照射以便各自都能蝕刻掉該層146的一部分。當(dāng)照射完成后，如圖15所示，該蝕刻就產(chǎn)生一凸紋花樣154，它包括很多對(duì)直立的一般的三角形尖峰150，這些三角形尖峰與希望在其中形成的陣列44的棱鏡42是互補(bǔ)的。
在另一類似的優(yōu)選制作方法中，該坯件140優(yōu)選地完全用玻璃構(gòu)成，這種玻璃最好是石英成分。一粒子束把該希望的三維凸紋花樣加工在該玻璃坯件上，以后就用它來作母版138。最好是，可將這樣的母版用于大批生產(chǎn)該棱鏡陣列44的，最好連帶基片70的復(fù)制品，其復(fù)制方法是采用高光學(xué)級(jí)別的注模法或利用光敏聚合物來復(fù)制。
圖15所示的母版138實(shí)際上可包括一子母版(submaster)，它可用綁結(jié)或用別的方式與其它的子母版結(jié)合在一起，形成一大得多的母版。例如，當(dāng)該子母版138具有1cm×1cm的尺寸時(shí)，幾個(gè)子母版沿著一個(gè)和多個(gè)邊緣綁結(jié)或結(jié)合在一起就可產(chǎn)生一子母版陣列，從而形成一大得多的母版，其尺寸可大到7.5cm×7.5cm，或更大。在使用綁結(jié)之類方法來將子母版結(jié)合在一起的情形中，在這些子母版138結(jié)合的位置上所產(chǎn)生的不連續(xù)性最好不大于大約0.1μm。
這樣，就可產(chǎn)生一較大的母版來制作較大的柵格裝置46。例如，雖然尺寸為1cm×1cm的柵格裝置46可能適合某些應(yīng)用，但尺寸為3cm×3cm的柵格裝置就可能適合其它的應(yīng)用，而尺寸為7.5cm×7.5cm的的柵格裝置又可能適合別的一些應(yīng)用。如果希望，用來復(fù)制該柵格裝置的母版可以作成如圖所示的通常的矩形，通常的圓形，或其它的不同構(gòu)形。
參看圖16，圖15所示的母版138可優(yōu)選地用來制作另一種最好是一件的，整體結(jié)構(gòu)的，而且是由光敏聚合物構(gòu)成的母版156。然后再用該光敏聚合物母版156來復(fù)制該柵格裝置46的一半158，如象圖4所示的該后半部分158。在這樣做之前，在面板70上涂敷一導(dǎo)電層82，而且最好還覆蓋涂敷一層調(diào)整層80。之后，將面板70緊貼該母版156放置，而且還將少量的可硬化的材料160，通常只一兩滴，加在面板70和母版156之間。該可硬化的材料160最好是能流進(jìn)該母版的凸紋尖峰之間空隙中的液體。然后該可硬化的材料160硬化，以便基本符合與該母版156互補(bǔ)的形狀，從而整體地在平板70上形成陣列44。
參看圖17，該可硬化材料160最好可用光162來固化，這光最好是紫外光。在固化完成后，將該柵格裝置的一半158從該母版156上取下，并將該母版再一次準(zhǔn)備好，以便用來制作另一柵格裝置的一半158。圖18圖示出了從母版156上取下后的完成的柵格裝置的一半158。
能按上述方式成形的優(yōu)選可硬化材料160的一個(gè)例子就是Norland公司的NOA72號(hào)環(huán)氧樹脂，它具有在表1中所列出的典型性能。在制作由每個(gè)厚度不大于10-20μm的棱鏡42構(gòu)成的3”×3”的正方形陣列時(shí)，只需滴一兩滴NOA72號(hào)環(huán)氧樹脂就行了。NOA72號(hào)環(huán)氧樹脂的一理想的特點(diǎn)就是它只要求用紫外光來固化，而不需要加熱，因此可避免由加熱引起的應(yīng)力。NOA72之所以理想，還因?yàn)樗趶?50納米(nm)到3μm的寬波長(zhǎng)范圍都具有大于95％的極好的透光特性。此外，NOA72在從-40℃到110℃的很寬溫度范圍上都具有極好的熱穩(wěn)定性，因而很適合軍事方面的光學(xué)應(yīng)用。
參看圖19，在準(zhǔn)備將該可變折射率材料制作成棱鏡48的過程中，將錨定材料(anchoring material)層164施加在導(dǎo)電材料層102上。該錨定層164最好是很薄的，最好厚不大于幾千埃()。該錨定層最好有助于將該可變折射率材料錨定在面板68上。該錨定層164最好還能有助于排列至少一些可變折射率材料的分子。
一種優(yōu)選的錨定材料是DuPont PI2555的聚酰亞胺，最好是用旋涂法(spin coating)將它施加在該導(dǎo)電層102的上面。在旋涂之后，最好將該錨定材料層164烘干，以幫助將它粘結(jié)在導(dǎo)電層102上。之后，將該錨定層164進(jìn)行研磨，以便在錨定層164上形成凹槽(pocket)，一些可變折射率材料分子就被陷入并排列在這些凹槽之中。
在旋涂過程中，大約每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速最好能產(chǎn)生一厚度大約為2000的錨定材料層164。在烘干時(shí)該錨定材料層164最好在大約275℃的溫度上烘烤大約1小時(shí)。在烘干之后，該錨定材料層164最好用Yoshikawa公司的“細(xì)粉撲(Finepuff)”牌的研磨用起絨織物之類物品進(jìn)行單向研磨，以便在該錨定材料164中形成溝槽，當(dāng)將該可變折射率材料施加在該平板68上時(shí)，該可變折射率材料就會(huì)被陷入并排列在這些溝槽中。
參看圖20-24，陣列44的每塊棱鏡42的暴露面56和60也被研磨，以便在施加該可變折射率材料時(shí)將可變折射率材料的分子排成行。作為這種研磨的結(jié)果，該可變折射率材料分子的排列將被進(jìn)一步改善。
參看圖20和圖21，研磨可以沿著各棱鏡42的的長(zhǎng)度方向進(jìn)行和沿著同一方向在平板68的錨定層164上進(jìn)行，以便形成一平行的或π型的格柵。參看圖22，該棱鏡42可以沿其長(zhǎng)度的橫方向進(jìn)行研磨，而該錨定層164的研磨則可沿通常與該棱鏡的研磨方向垂直的方向進(jìn)行，以便形成正交的格柵。參看圖23，該棱鏡42和錨定層164還可沿相反的方向進(jìn)行研磨，以便形成反向平行的格柵。
參看圖24，該前板68被安放在由棱鏡42和后板70組成的陣列44的上面，并用該墊片105將平面板68和70隔開。由于面板68和70是分隔開的，所以在棱鏡42、墊片105、以及前面板70之間就留有一空隙。將該整個(gè)裝置放于一真空干燥爐166的爐腔中，以便將真空引入該空隙，從而就可將該可變折射率材料吸入該空隙中。最好是，對(duì)該真空干燥爐166的溫度進(jìn)行控制，以便獲得該可變折射率材料的良好初始排列。最好是，該真空干燥爐166在處于該可變折射率材料的均質(zhì)相的溫度上進(jìn)行運(yùn)作，以便獲得由棱鏡48組成的具有良好均勻性的陣列88。在該空隙被填充后，就可將完整的柵格裝置或格柵裝置46從爐腔底提起并釋放真空，這樣就可從該真空干燥爐中取出該柵格裝置46。
如果該母版156用母版138來制作，則在制作母版156的過程中最好進(jìn)行下列步驟。第一，利用理想的金剛石來加工(turn)一鎳質(zhì)或銅質(zhì)母版，以獲得一特定的縱橫比。第二，將由鎳質(zhì)或銅質(zhì)母版獲得的結(jié)構(gòu)通過壓注或注模法(compression or injection moldung)轉(zhuǎn)變成一塑料子母版。第三，由該塑料子母版產(chǎn)生一橡膠的子母版156。最后，再通過多重紫外光復(fù)制技術(shù)在該母版156上形成最后的棱柱形結(jié)構(gòu)，使得該棱柱形結(jié)構(gòu)具有一理想的角度和理想的縱橫比。IV.二維光束偏轉(zhuǎn)器圖25-27圖示出了一二維光束偏轉(zhuǎn)器52，它具有兩個(gè)彼此正交的格柵或柵格裝置46a和46b，使得一光束50通過該第一柵格裝置46a時(shí)可向一個(gè)方向上偏轉(zhuǎn)，而在通過該第二柵格裝置46b時(shí)又可向另一方向偏轉(zhuǎn)。這樣，可使通過該偏轉(zhuǎn)器52的光束50的光子發(fā)生一維或二維偏轉(zhuǎn)，因而可對(duì)其進(jìn)行選擇性的控制方向，很向一電子槍在電視顯像管中控制電子方向一樣。
如圖25-27所示，將該柵格裝置46a和46b這樣取向，使得柵格裝置46a的棱鏡42是橫的，以便使這些棱鏡一般都與柵格裝置46b的那些棱鏡垂直。在這兩個(gè)正交的柵格裝置46a和46b之間有一相當(dāng)薄的絞扭向列液晶板(twisted nematic liquid crystal plate)168，它起著偏振旋轉(zhuǎn)器的作用。該偏振旋轉(zhuǎn)器168最好在光束50通過該第一柵格裝置46a之后使光束的偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣它在通過第二柵格裝置46b之前其偏振就是適當(dāng)?shù)?。最好該偏振旋轉(zhuǎn)器168使該光束50的偏振旋轉(zhuǎn)90°。
所有這些層46a、168和46b都被夾疊在一起形成一具有單件的、整體的一體化結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)器52。最好該偏轉(zhuǎn)器52的橫截面厚度只有幾個(gè)毫米。最好該橫截面厚度不大于10毫米。
如圖25所示，通過第一柵格裝置46a的光束50的偏轉(zhuǎn)角度α相對(duì)于入射光束50來說是銳角，而該光束的偏轉(zhuǎn)一般是朝向與它通過的柵格裝置46a的棱鏡42的長(zhǎng)方向的軸垂直的方向。在光束的偏振方向被偏振旋轉(zhuǎn)器168改變后，該偏轉(zhuǎn)一次的光束50’在它通過第二柵格裝置46b時(shí)又被進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)。當(dāng)該光束50’通過這第二柵格裝置46b時(shí)，它所偏轉(zhuǎn)的角度α相對(duì)于它的入射方向來說是一銳角，而偏轉(zhuǎn)的方向一般與它通過的柵格裝置46b的棱鏡42的長(zhǎng)方向的軸垂直。在被第二柵格裝置46b偏轉(zhuǎn)后，這經(jīng)兩次偏轉(zhuǎn)的光束50”將從該第二柵格裝置46b射出。
這樣，一單光束在通過該光束偏轉(zhuǎn)器52時(shí)，可在水平和垂直兩個(gè)方向發(fā)生都偏轉(zhuǎn)，也可只是發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)或只發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)。另外，當(dāng)很多光束50基本同時(shí)通過該光束偏轉(zhuǎn)器52時(shí)，這些光束50就可基本同時(shí)在水平和垂直兩方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也可只是發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)或只發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)。例如，圖25就畫出了該偏轉(zhuǎn)器52使一單光束50在在水平和垂直兩方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情形。圖26畫出了該偏轉(zhuǎn)器52使很多對(duì)光束50同時(shí)只在垂直方向上，即Y方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情形。圖27畫出了該偏轉(zhuǎn)器52使很多光束50同時(shí)只在水平方向上，即X方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情形。通過選擇性地控制光束在各方向上的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)器52實(shí)際上就能使單光束50或多光束50向上、向下和向后、向前掃描掃描位于距該偏轉(zhuǎn)器52一定距離上的物體。有利的是，各光束50的偏轉(zhuǎn)都毋需移動(dòng)該偏轉(zhuǎn)器52。
每個(gè)柵格裝置46a和46b都與一能各自改變的獨(dú)立電源V1和V2相連，以便獨(dú)立地改變每個(gè)柵格裝置46a和46b的偏轉(zhuǎn)角。如果希望，還可以不要柵格裝置46a的面板70和不要柵格裝置46b的面板68來構(gòu)造該光束偏轉(zhuǎn)器52。
圖28和圖29圖示出了控制電路的原理圖，該電路能夠獨(dú)立地控制施加在柵格裝置46a和46b上的電壓，從而控制通過該偏轉(zhuǎn)器52的光束在兩個(gè)方向，如X和Y方向的偏轉(zhuǎn)。參看圖28，該偏轉(zhuǎn)器52被一計(jì)算機(jī)170控制，該計(jì)算機(jī)與接口軟件172合作，以便將X-掃描驅(qū)動(dòng)器176和Y-掃描驅(qū)動(dòng)器178所用的施加電壓對(duì)照表174的應(yīng)用協(xié)調(diào)起來，從而使得當(dāng)光束通過偏轉(zhuǎn)器52時(shí)能相當(dāng)精確地使該光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。該X-掃描驅(qū)動(dòng)器176負(fù)責(zé)使光束精確地向X-方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而該Y-掃描驅(qū)動(dòng)器178則負(fù)責(zé)使光束向Y-方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
例如，該X-掃描驅(qū)動(dòng)器176控制電源V1施加在柵格裝置46a上的電壓大小，以便當(dāng)該光束通過該柵格裝置46a時(shí)能精確地使該光束50偏轉(zhuǎn)一希望的角度α1或αx。另外，該Y-掃描驅(qū)動(dòng)器178則控制電源V2施加在柵格裝置46b上的電壓大小，以便當(dāng)該光束通過該柵格裝置46b時(shí)能精確地使上述偏轉(zhuǎn)過一次的光束50’又偏轉(zhuǎn)一希望的角度α2或αy。
最好是，對(duì)于由計(jì)算機(jī)指令給定的一組希望的偏轉(zhuǎn)角αx，αy來說，該軟件172能使該對(duì)照表174被訪問，以便選定為達(dá)到希望的偏轉(zhuǎn)角αx，αy應(yīng)施加于各驅(qū)動(dòng)器176和178上的合適電壓值。該合適的電壓值被各驅(qū)動(dòng)器用作基準(zhǔn)，以便驅(qū)使加到它的柵格裝置46a和46b上的輸出電壓與該合適電壓值匹配。
一用來與該偏轉(zhuǎn)器52連接的示范性電路180被示于圖29中，該電路可使偏轉(zhuǎn)器52按一預(yù)定的圖樣將光束50向上、向下、向后、和向前掃描。最好，以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array)(未畫)方式運(yùn)行的高速電子控制子系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)該掃描電路180。
施加到每個(gè)柵格裝置46a和46Buh的合適的電壓水平是由一X-計(jì)數(shù)器和一Y-計(jì)數(shù)器以數(shù)字方式產(chǎn)生的，最好每個(gè)都是10位計(jì)數(shù)器。所產(chǎn)生的該合適電壓水平最好是按X和Y方向的希望的偏轉(zhuǎn)角αx，αy，從計(jì)算機(jī)，如計(jì)算機(jī)170計(jì)算得到的。該X-對(duì)照表186和該Y-對(duì)照表188最好存儲(chǔ)在一存儲(chǔ)器中，它們對(duì)于由可變折射率材料，例如液晶材料48所顯示的對(duì)電壓的非線性響應(yīng)各自都作了補(bǔ)償。這種非線性響應(yīng)的例子被示于圖7中。最好是將每個(gè)對(duì)照表186和188儲(chǔ)存在SDRAM集成電路中，而且也可儲(chǔ)存在另一種存儲(chǔ)器件中。每個(gè)對(duì)照表186和188還分別與一裝在另一存儲(chǔ)器件，最好是EEPROM之類的存貯器190和192中的系數(shù)表通信。各對(duì)照表186和188的輸出最好是分別被10位構(gòu)造的數(shù)模轉(zhuǎn)換器194和196所轉(zhuǎn)換。各個(gè)轉(zhuǎn)換器194和196輸出的模擬電壓最好先被緩沖和放大，然后再施加到相應(yīng)的柵格裝置46a和46b的電極84和86上。
利用這種電路，最好能使一束或多束光50每秒鐘向上和向下、向后和向前掃描幾千次。最好是，能使一束或多束光50，按重復(fù)的預(yù)定花樣，以至少快達(dá)10千赫的頻率掃描。V.掃描儀圖30圖示出了一使用二維光束偏轉(zhuǎn)器52的掃描裝置198。該掃描裝置198具有一發(fā)射體200，從該發(fā)射體至少發(fā)射一束光50。最好使該光束50向一光束導(dǎo)向裝置202發(fā)射，該導(dǎo)向裝置包括一對(duì)分開一定距離的反射鏡204和206，這兩反射鏡能使該發(fā)射體200與該偏轉(zhuǎn)器52的后部橫向隔開一距離。將該光束50引導(dǎo)通過該偏轉(zhuǎn)器52，在這里，電路，如在圖28和29中所示的電路在兩個(gè)方向上使光束50‘’偏轉(zhuǎn)，以便掃描安放在距該偏轉(zhuǎn)器52一定距離的物體208.
這樣的物體208最好具有一將用光束50”來掃描的二維或三維的表面或輪廓。投射到物體208上的光束50”會(huì)產(chǎn)生向檢測(cè)器212反射的一束或多束光210，這檢測(cè)器最好能接收到該光束210。該檢測(cè)器212最好與一分析儀(未畫)相聯(lián)系，這分析儀能為特定目的分析這些反射光束212。最好是，這種分析儀包括至少一個(gè)處理器、數(shù)字電路，以及能為了從反射光提取信息或產(chǎn)生圖像的目的而分析該反射光210的軟件。如果希望，還可對(duì)該反射光進(jìn)行一些其它種類的分析。
可以這樣被掃描的物體208包括可掃描的二維和三維物體?？捎帽景l(fā)明的掃描儀掃描的物體僅舉出了幾個(gè)例子，它們包括紙、網(wǎng)膜、人、以及靶子。其它的應(yīng)用也是可能的。例如，一個(gè)這樣的掃描儀198可很適于用來從攜帶該掃描儀198的衛(wèi)星上掃描地球。另外，該掃描儀還很適于掃描從該物體208上發(fā)射或反射的光束。
該發(fā)射體200最好是一光源，該光最好是從激光之類發(fā)出的準(zhǔn)直光。該檢測(cè)器212最好構(gòu)造和安排來檢測(cè)由該發(fā)射體200發(fā)出的經(jīng)反射的光束210并產(chǎn)生一些電信號(hào)。合適的檢測(cè)器212的一些例子包括一電荷耦合器件(CCD)以及一數(shù)字?jǐn)z象機(jī)。
利用前述的并示于圖28和29中的該電路，本發(fā)明的掃描儀198最好至少符合下述規(guī)格X方向的視野 30°Y方向的視野 30°X方向的分辯率 0.4mradX方向的可分辯點(diǎn)數(shù) 1,316Y方向的分辨率 0.4mradY方向的可分辯點(diǎn)數(shù) 1,316行持續(xù)時(shí)間100μs點(diǎn)到點(diǎn)的時(shí)間延續(xù) 76ns點(diǎn)頻率13.16MHz表3在掃描一希望區(qū)域時(shí)可讀的可分辯點(diǎn)數(shù)大于1,300的希望分辨率最好要求數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，如象圖29所示的那種數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。該兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)用于X方向，另一個(gè)用于Y方向，它們產(chǎn)生一些周期脈沖，這些脈沖將被轉(zhuǎn)變成從0伏上升到希望的最高電壓值的模擬電壓，在優(yōu)選情形這最高值為10伏。還用數(shù)字控制來補(bǔ)償用作棱鏡48的特定可變折射率材料的非線性特性。
最好是用計(jì)數(shù)從0到1023的10位計(jì)數(shù)器182和184來使該光束50在X和Y方向掃描。它們的輸出[D0..D9]將送到相關(guān)的地址線對(duì)照表186和188以便進(jìn)行非線性補(bǔ)償。該1k×16的對(duì)照表186和188，最好是在SDRAM中運(yùn)行，重新變換數(shù)據(jù)。利用SDRAM的好處是允許大約70納秒(ns)的電到點(diǎn)的掃描過渡。存儲(chǔ)在EEPROM 190和192中的非線性系數(shù)最好在系統(tǒng)上電時(shí)傳送到SDRAM 186和188中。該SDRAM[Ds0...Ds9]186和188的輸出將被10位的D/A轉(zhuǎn)換器194和196轉(zhuǎn)變成用來控制希望的偏轉(zhuǎn)角αx和αy的模擬電壓值。最好要求另外的模擬緩沖來保證足夠的電耗(current drain)和電壓電平。該D/A轉(zhuǎn)換器194和196可利用市售的13-15MHz的時(shí)鐘來運(yùn)作。
如果希望，該掃描儀198可在沒有束源200的情況下運(yùn)作，這樣，由物體208發(fā)出的環(huán)境光210或從物體208反射的光210都能通過該光束偏轉(zhuǎn)器52，在這里，這些光最好被該偏轉(zhuǎn)器52向該檢測(cè)器212聚焦，或聚焦在該檢測(cè)器上。在這種情形，該偏轉(zhuǎn)器52最好這樣取向，使得該反射的光束210首先通過柵格裝置46a之后才通過柵格裝置46b，而且使光束210首先通過該柵格裝置46a的陣列88。VI.激光成像雷達(dá)圖31和32圖示出了一與掃描裝置198相似的激光成像雷達(dá)掃描裝置214，它使用二維光束偏轉(zhuǎn)器52，并由交通工具216，最好是飛行器攜帶。雖然圖32所示的飛行器是火箭或?qū)?，但該裝置214也可攜帶在飛機(jī)、靶標(biāo)、氣球、飛艇、衛(wèi)星、或其它的飛行器上。該裝置214最好是安放在該交通工具的前部或靠近前部的位置上，但也可安放在可給它提供相當(dāng)大的無障礙掃描視野的其它位置上。
該偏轉(zhuǎn)器52安裝在一個(gè)具有側(cè)壁220和端壁222的管套218中。該發(fā)射體224最好安放在管套218的外面，而且是一發(fā)射激光光束50的激光器。該光束50通過一可以是偏振器的鏡片226，在這里光束投射到第一反射鏡228，該反射鏡將光束50反射通過一在該管套側(cè)壁220上的透鏡或窗口230進(jìn)入管套218。在該管套218內(nèi)的第二反射鏡232將光束50向外反射到該管套218的前端，在這里光束通過偏轉(zhuǎn)器52。
該偏轉(zhuǎn)器52使光束50‘’橫掃過被掃描的物體，產(chǎn)生一些向偏轉(zhuǎn)器52反射回來的光束234。該反射光束234通過該偏轉(zhuǎn)器52進(jìn)入管套218，在這里該光束234被一由管套端壁222攜帶的優(yōu)選為拋物面反射鏡的鏡面236聚焦。該反射鏡236將反射光束234向另一在該管套218內(nèi)的反射鏡238聚焦，該反射鏡就將光束234向激光檢測(cè)器240反射，該檢測(cè)器最好是安置在該管套218外面管套端壁222的后面。該第二反射鏡238最好是將光束234反射過端壁222上的窗口(未畫)射向該檢測(cè)器240。最好是，將該管套218、檢測(cè)器52、鏡片裝置、和反射鏡226-232這樣構(gòu)造和安牌，以便使得該檢測(cè)器240能接收到該被掃描物體242的圖像。如果希望，該偏轉(zhuǎn)器52還可在被掃描物體或地貌反射的光束234通過該偏轉(zhuǎn)器52時(shí)，用來偏轉(zhuǎn)這些反射光束234。
如圖32所示，該被掃描物體242是在飛行器216前面和下面的地貌242。在圖32中以虛線表示該被掃描區(qū)域244的邊界。如掃描區(qū)域244所示，使該光束50”水平和垂直地掃描過該區(qū)域244。有利的是，該掃描裝置214的任何部件都不移動(dòng)就可完成掃描。更具體說，在掃描儀214運(yùn)行期間該光束偏轉(zhuǎn)器52不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。
最好使被掃描區(qū)域的圖像再現(xiàn)在檢測(cè)器上，最好使該再現(xiàn)圖像經(jīng)過，如數(shù)字信號(hào)處理之類的處理。然后再將該處理過的圖像與儲(chǔ)存在飛行器216上的地圖，如數(shù)字地圖比較，以便用在向飛行器216輸入目標(biāo)信息，或用在該飛行器216的導(dǎo)航和導(dǎo)向上。
該激光器224最好是一具有從大約1.2μm—大約1.5μm波長(zhǎng)的紅外激光器，以便不會(huì)損傷在被掃描區(qū)域附近人員的眼睛。最好該激光器224具有的光束直徑不大于大約1cm，以便于能使它進(jìn)行快速二維掃描。
該偏轉(zhuǎn)器52是圓形的，而且其直徑大約為3.5英寸。為了掃描一希望的大區(qū)域244，該偏轉(zhuǎn)器52具有一大約30°×30°的視野或可視域，而且作單次全域244掃描所花的時(shí)間不大于100μs。這樣，該偏轉(zhuǎn)器52在X方向具有的最大掃描角αxmax至少為大約30°，而在Y方向具有的最大掃描角αymax至少為大約30°。該偏轉(zhuǎn)器52最好是在一個(gè)方向掃描不慢于大約100μs，而在第二方向掃描不慢于大約30ms。
例如，該偏轉(zhuǎn)器能在不大于100μs的時(shí)間內(nèi)作一次從左到右或從右到左(X-方向)的全掃描，和在不大于大約30ms的時(shí)間內(nèi)作一次從上到下或從下到上(Y-方向)的全掃描。作為另一種選擇，該偏轉(zhuǎn)器52也可在不大于30ms的時(shí)間內(nèi)作一次從左到右或從右到左(X-方向)的全掃描，和在不大于大約100μs的時(shí)間內(nèi)作一次從上到下或從下到上(Y-方向)的全掃描。從該區(qū)域244的單次掃描所產(chǎn)生的圖像是一幀。最好，該具有前述特征的偏轉(zhuǎn)器52能進(jìn)行足夠快的掃描，快到足以給該檢測(cè)器提供大約30Hz以上的幀頻。
最好是，激光雷達(dá)裝置214至少具有下述規(guī)格通光孔徑 7.5cm×7.5cm指向分辨率＜620μrad響應(yīng)時(shí)間 ＜100μs透射率(transmission) ＞50％可視域30°×30°激光器的波長(zhǎng) 1.54μm總的光束能量 250mJ/8ns脈沖表4該通光孔徑的度量是該光束50實(shí)際可通過的光束偏轉(zhuǎn)器的大小。該指向分辨率是表示光束在X-方向(αx)和Y-方向的(αy)偏轉(zhuǎn)的精確情況。該響應(yīng)時(shí)間是表示該偏轉(zhuǎn)器52在整個(gè)可視域上可重復(fù)一次掃描的快慢情況。透射率反應(yīng)光束透過該偏轉(zhuǎn)器52的效率。激光器的波長(zhǎng)是表示發(fā)射光束50的激光器224的理想波長(zhǎng)。該總的光束能量是表示在，例如，8納秒的脈沖期間由該激光器224發(fā)射的能量多少。
為了達(dá)到這些希望的特性，在使用具有至少大約30μs的響應(yīng)時(shí)間的液晶材料48時(shí)，各柵格裝置46a和46b的各棱鏡48和42都具有一不大于大約10μm的間距(pitch)或高度。最好是，該液晶材料48為一鐵電液晶材料。更可取的是，用來形成棱鏡48的該液晶材料48應(yīng)具有雙折射或至少為大約0.25或0.26的Δn，以便在施加大約0伏-10伏之間的電壓時(shí)，αmax能達(dá)到大約45°。參數(shù) 值結(jié)果微棱鏡尺寸 10μm×10μm×7.5cm 對(duì)于μs的速度(45-60的棱鏡角) 液晶厚度≤10μm液晶材料 高速度的向列或鐵電液晶掃描角＞30°或≈30°(Δn＝0.2-0.3)液晶微棱鏡 ●平行排列對(duì)于給定的液晶，平行或棱柱的ITO●均勻或非均勻電場(chǎng)層，達(dá)到最大的Δn孔徑尺寸 3”×3”(7.5cm×7.5cm)7500×7500微棱鏡陣列指向分辨率 620μrad 10位調(diào)制(modulation)光束發(fā)散度 ＜200μrad波前誤差＜2.6λ(λ＝1.54μm)響應(yīng)時(shí)間 ＜100μs(靈敏的)ms-μs對(duì)DHFLC(鐵電液晶)，30μs響應(yīng)透射率 ＞80％在界面發(fā)生菲涅耳反射損耗掃描角 ≥30°×30° 具有Δn≈0.2的液晶材料激光損傷閾值 ＞1J/1個(gè)ns脈沖在1.064μm處(NdYAG激光器)表5該二維偏轉(zhuǎn)器52最好也能構(gòu)造成具有表5所示的特性。應(yīng)該注意到，產(chǎn)生具有該希望波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍和光束直徑的合適激光器的例子是NdYAG激光器。
如果希望制作一三維的掃描裝置，則可將三個(gè)柵格裝置46夾疊在一起，在各對(duì)相鄰的柵格裝置46之間安置一層絞扭向列液晶板(twistednematic liquid crystal plate)168。
如果希望，該二維光束偏轉(zhuǎn)器52可以用作一尋的裝置(targetingdevice)用來選擇性地將激光光束50，或其它的高能密度束引導(dǎo)到一運(yùn)動(dòng)的物體242上。這種用作尋的裝置52的例子是將一光束50引導(dǎo)到飛來的飛行器，導(dǎo)彈或火箭目標(biāo)242上，以便損壞或摧毀這些目標(biāo)。該尋的裝置52在運(yùn)作期間并不移動(dòng)，而且有利的是，該裝置能足夠快速地對(duì)光束50進(jìn)行二維導(dǎo)向，快到足以使光束對(duì)準(zhǔn)一個(gè)每小時(shí)移動(dòng)幾百，甚至幾千英里的目標(biāo)242上。
還應(yīng)明白，雖然前面的說明和附圖詳細(xì)地描述和圖示了本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施例，但對(duì)于與本發(fā)明相關(guān)的業(yè)內(nèi)人士來說，本公開將會(huì)使人聯(lián)想到很多改進(jìn)和結(jié)構(gòu)，以及大為不同的實(shí)施例和應(yīng)用而并不因此偏離本發(fā)明的精神和范圍。因而，本發(fā)明打算僅用所附權(quán)利要求的范圍來加以限制。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用來使電磁能束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于包括a)一第一棱鏡，具有(1)一能在有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在時(shí)發(fā)生變化的折射率，(2)一光束進(jìn)入該第一棱鏡時(shí)所通過的第一面，以及(3)一光束從該第一棱鏡射出時(shí)所通過的第二面；b)一第二棱鏡，具有(1)一保持基本恒定的折射率，(2)一光束進(jìn)入該第二棱鏡時(shí)所通過的第一面，以及(3)一光束從該第二棱鏡射出時(shí)所通過的第二面；c)在這里，該第一棱鏡和第二棱鏡是這樣匹配的，使該第一棱鏡的第二面緊鄰第二棱鏡的第一面放置；d)一這樣構(gòu)成和安排的電場(chǎng)或磁場(chǎng)源，使得該場(chǎng)至少穿過該第一棱鏡；e)在這里，該電場(chǎng)或磁場(chǎng)的通量變化會(huì)使該第一棱鏡的折射率發(fā)生變化，因而使得光束通過該棱鏡時(shí)的偏轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和第二棱鏡兩者都具有一通常的三角形橫截面，和一不大于大約100μm的間距，以便對(duì)該電場(chǎng)或磁場(chǎng)改變的響應(yīng)不慢于大約100μs。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該間距包括在通常與該光束平行的方向上的棱鏡厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束具有小于大約100μm的直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和第二棱鏡各具有一不大于大約30μm的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于為了響應(yīng)該電場(chǎng)或磁場(chǎng)的改變，該第一棱鏡的折射率也會(huì)發(fā)生改變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和第二棱鏡都具有一一般的三角形橫截面和一不大于大約20μm的間距，因而該第一棱鏡會(huì)隨電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化而在不多于大約30μs的時(shí)間內(nèi)改變其折射率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和第二棱鏡都具有一通常的三角形橫截面和一不大于大約15μm的間距和不大于30μm的寬度，因而該第一棱鏡會(huì)隨電場(chǎng)或磁場(chǎng)變化而在不多于大約30μs的時(shí)間內(nèi)改變其折射率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和第二棱鏡的間距不大于大約10μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光束偏轉(zhuǎn)器，還包括一放置在第一棱鏡的第一面緊鄰的第一導(dǎo)電層和放置在第二棱鏡的第二面緊鄰的第二導(dǎo)電層，以及與該第一導(dǎo)電層和該第二導(dǎo)電層電連接的一電壓源以便在將該電壓源的電壓施加到該第一導(dǎo)電層和該第二導(dǎo)電層時(shí)好提供通過該第一棱鏡的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一導(dǎo)電層和該第二導(dǎo)電層都是由氧化錫銦構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括一放置在第一棱鏡的第一面緊鄰的第一導(dǎo)電層和放置在第一棱鏡和第二棱鏡之間的第二導(dǎo)電層，和一與第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層電連接的電壓源，以便在將該電壓源的電壓施加到該第一導(dǎo)電層和該第二導(dǎo)電層時(shí)好提供通過該第一棱鏡的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和第二棱鏡都具有(1)一通常的三角形橫截面，(2)一不大于大約10μm的間距，以及(3)一大約在45°和60°之間的頂角。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該間距包括在通常與該光束方向平行的方向上的最大橫截面厚度；該第一棱鏡的頂角包括該第一棱鏡的第一面和第二面之間夾角；該第一棱鏡的頂角包括該第一棱鏡的第一面和第二面之間夾角。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡和該第二棱鏡都至少長(zhǎng)1cm。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡是由可變折射率材料構(gòu)成，該材料的折射率的變化可達(dá)0.2之多，其變化與所施加的電場(chǎng)或磁場(chǎng)的通量或大小有關(guān)。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光束偏轉(zhuǎn)器包括很多對(duì)排列在第一陣列中的第一棱鏡和很多對(duì)排列在第二陣列中的第二棱鏡，其中，(1)該第一棱鏡組成的第一陣列和該第二棱鏡組成的第二陣列被配接在一起，而且(2)該第一陣列和該第二陣列通常取與光束方向垂直的方向。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括(1)一放置在該第一和第二陣列一側(cè)的第一面板和(2)一放置在該第一和第二陣列另一側(cè)的第二面板，其中(1)該第一面板和該第二面板通常取與光束方向垂直的方向，(2)該第一面板、該第一陣列、該第二陣列、以及該第二面板構(gòu)成一柵格裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括一安放在該柵格裝置前面的光束偏振器，以便該光束在通過該柵格裝置之前先通過該偏振器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括(1)一安放在一個(gè)面板和一個(gè)陣列之間的第一導(dǎo)電層，(2)一安放在另一個(gè)面板和另一個(gè)陣列之間的第二導(dǎo)電層，(3)一與(i)該第一導(dǎo)電層和(ii)該第二導(dǎo)電層電連接的電壓源以便使施加在各第一棱鏡上的電場(chǎng)大小基本上都是相同的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一導(dǎo)電層被安放在該第一面板和該第一陣列之間，而該第二導(dǎo)電層被安放在該第二面板和該第二陣列之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于一個(gè)該導(dǎo)電層是安放在該第一陣列和第二陣列之間以便在各第一棱鏡中產(chǎn)生一非均勻的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括一與該柵格裝置有工作關(guān)聯(lián)的柵格裝置溫度補(bǔ)償裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該溫度補(bǔ)償裝置包括一溫度傳感器和一與該柵格裝置接觸的加熱器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該溫度傳感器不與該柵格裝置接觸，該加熱器包括一與該柵格裝置接觸的電加熱毯，該毯可根據(jù)該溫度傳感器檢測(cè)到的溫度選擇地加熱該柵格裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器包括很多光束，以便這些光束中的一個(gè)通過并被一個(gè)第一和一個(gè)第二棱鏡并被兩者都偏轉(zhuǎn)。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括(1)一安放在該柵格裝置前面的正微透鏡陣列，使得該光束在通過該柵格裝置之前首先通過該正微透鏡陣列；(2)一安放在在該柵格裝置后面的負(fù)微透鏡陣列，使得該光束在通過該負(fù)微透鏡陣列之前首先通過該柵格裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括(1)一安放在該柵格裝置前面的正微透鏡陣列，使得該光束在通過該柵格裝置之前首先通過該正微透鏡陣列；(2)一安放在該正微透鏡陣列和該柵格裝置之間的負(fù)微透鏡陣列。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于(1)該第一陣列和該第二陣列都至少包含五種棱鏡；(2)該第二棱鏡陣列的第一種具有一第一寬度，該第二棱鏡陣列的第二種具有一第二寬度，該第二棱鏡陣列的第三種具有一第三寬度，該第二棱鏡陣列的第四種具有一第四寬度，該第二棱鏡陣列的第五種具有一第五寬度；(3)這些寬度中沒有一個(gè)是相同的；(4)為了減小衍射噪音，該第一、第二、第三、第四、第五寬度的總和大約比該光束波長(zhǎng)的100倍還大。
30.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該柵格裝置有至少大約1英寸長(zhǎng)和至少大約1英寸高。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該柵格裝置有至少大約3.5英寸長(zhǎng)和至少大約3.5英寸高。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該柵格裝置的厚度不大于10毫米。
33.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束具有一小于100μm的直徑，而且在它通過該柵格裝置時(shí)可選擇性地至少以多達(dá)30°的角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束可選擇性地在大約0°到30°之間發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束選擇性地發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其與理想的偏轉(zhuǎn)角的偏差大約在0.5mrad之內(nèi)。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束是波長(zhǎng)在大約0.3μm和30μm之間的光。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束是由平行光組成。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該平行光是有一激光器產(chǎn)生的。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束是由紅外光構(gòu)成。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該紅外光的波長(zhǎng)是在大約1.2μm和大約1.5μm之間。
41.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器包括一對(duì)柵格裝置，使得一個(gè)柵格裝置放置在另一個(gè)柵格裝置的緊鄰，其中，一個(gè)柵格裝置的第一陣列的棱鏡與另一柵格裝置的第一陣列的棱鏡正交，而該一個(gè)柵格裝置的第二陣列的棱鏡與該另一柵格裝置的第二陣列的棱鏡正交，以便一個(gè)柵格裝置將光束向一方向偏轉(zhuǎn)，而該另一柵格裝置則將該光束向另一方向偏轉(zhuǎn)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于一個(gè)柵格裝置將光束向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，而該另一柵格裝置則將該光束向另一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于一個(gè)柵格裝置將光束向水平方向偏轉(zhuǎn)，而該另一柵格裝置則將該光束向垂直方向偏轉(zhuǎn)。
44.根據(jù)權(quán)利要求39所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括一放置在該兩柵格裝置之間的偏振片。
45.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該可變折射率材料是由液晶構(gòu)成。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡的每一個(gè)都是由鐵電液晶構(gòu)成。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一棱鏡的每一個(gè)都是由向列液晶構(gòu)成。
48.一光束偏轉(zhuǎn)器包括a)發(fā)射光束的光源；b)很多對(duì)安裝于一順該光束的橫方向安置的陣列中，其中(1)每一棱鏡都具有(i)一通常的三角形橫截面、(ii)一不大于20μm的間距、以及(iii)一在40°和65°之間的頂角；(2)每對(duì)緊鄰的棱鏡在它們之間形成一空隙，因而在該陣列中就存在有很多的這種空隙；c)收容在該陣列的每一空隙中的可變折射率材料，這里的可變折射率材料的折射率至少可變化0.15；d)一安置在該陣列附近的第一電極；e)一安置在該可變折射率材料附近的第二電極；f)一與該兩電極電連接的電壓源；g)這里，在電極上施加電壓就會(huì)在該可變折射率材料中產(chǎn)生一電場(chǎng)，這電場(chǎng)就可改變?cè)摽勺冋凵渎什牧系恼凵渎?；h)這里，創(chuàng)建一電壓源并使其能選擇性地發(fā)生變化，使得施加在該電極上的電壓大小可選擇地加以控制，以便用來選擇地控制該可變折射率材料的折射率，使得當(dāng)光束通過該可變折射率材料和該陣列時(shí)，該光束的偏轉(zhuǎn)是可選擇性控制的；i)這里，該光束偏轉(zhuǎn)的角度可達(dá)30°。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該光束首先通過該可變折射率材料，然后才通過該陣列的一個(gè)棱鏡。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該可變折射率材料包括折射率可變化達(dá)0.2的液晶。
51.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光束偏轉(zhuǎn)器還包括(a)一由透明材料構(gòu)成的第一面板，它安置在緊鄰該可變折射率材料的位置處，使得光束通過該可變折射率材料之前先通過該第一面板；及(b)一由透明材料構(gòu)成的第二面板，它安置在緊鄰該陣列的位置處，使得光束通過該第二面板之前先通過該陣列的一個(gè)棱鏡。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該第一和第二面板都由玻璃構(gòu)成。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該陣列的每一棱鏡都是由環(huán)氧樹脂構(gòu)成。
54.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于該陣列的每一棱鏡都是由玻璃構(gòu)成。
55.根據(jù)權(quán)利要求48所述的光束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于在光束通過該可變折射率材料之前首先通過該陣列的一個(gè)棱鏡。
56.用來使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)器包括a)一微棱鏡陣列，它的每一個(gè)棱鏡都具有一可隨電場(chǎng)或磁場(chǎng)的存在而改變的折射率和一不大于大約20μm的高度，這樣，該微棱鏡就可以在不小于(似乎應(yīng)為slower than不慢于一譯者)100μs時(shí)間內(nèi)響應(yīng)該場(chǎng)的變化；b)一第二微棱鏡陣列，它與第一陣列配套，其中，該微棱鏡的每一個(gè)都具有一不大于大約20μm的高度；c)一電場(chǎng)源，它是這樣構(gòu)建和安置的，使得該電場(chǎng)至少穿過該第一棱鏡；d)這里，該電場(chǎng)或磁場(chǎng)的通量變化可使該棱鏡陣列的折射率發(fā)生變化，因而使光束通過該棱鏡時(shí)的光束偏轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。
全文摘要
一束偏轉(zhuǎn)器(40)包括一對(duì)配套的微棱鏡陣列(42)和(48),一個(gè)陣列由一種可變折射率的材料(48)構(gòu)成,該材料的折射率可隨調(diào)節(jié)施加的電壓所調(diào)節(jié)的電場(chǎng)大小或強(qiáng)度而選擇性地發(fā)生變化。該另一陣列(42)最好由具有恒定折射率的材料構(gòu)成。在該可變折射率陣列的兩側(cè)都安置有一導(dǎo)電層(102、104和82)。最好在該陣列的前面和后面安置一面板(68和70)。兩副陣列可以相互平行地安置,一般使它們的微棱鏡垂直,從而形成一二維偏轉(zhuǎn)器。為了實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間快于100μs的偏轉(zhuǎn),每個(gè)棱鏡都具有不大于大約20μm的高度和最好不大于大約100μm的寬度。最好是,每個(gè)棱鏡的高小于大約15－10μm,以實(shí)現(xiàn)30μs或更快的響應(yīng)時(shí)間。一種制作該偏轉(zhuǎn)器的方法,包括利用直寫式電子束蝕刻技術(shù)來制造母版,用來復(fù)制具有高度為10μm以下的陣列。一對(duì)偏轉(zhuǎn)器可用來使光束發(fā)生二維偏轉(zhuǎn),并可用于掃描儀上。在光束為激光的情形,該偏轉(zhuǎn)器就可用于激光成像雷達(dá)裝置。一種這樣的掃描儀和激光成像雷達(dá)裝置提供了物體或區(qū)域的快速掃描,有利地是在掃描過程中毋需移動(dòng)該偏轉(zhuǎn)器。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK1320223SQ99811390
公開日2001年10月31日 申請(qǐng)日期1999年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月24日
發(fā)明者丁·M·埃, 加金德拉·D·薩文特 申請(qǐng)人:物理光學(xué)公司