本發(fā)明涉及一種固態(tài)光掃描器，特別是基于對具有顯著熱光效應(yīng)的材料進(jìn)行梯度溫度調(diào)制的工作原理。該固態(tài)光掃描器中不包含任何機(jī)械活動(dòng)部件，體積小，功耗低，壽命長，可用于各種微光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光掃描器被廣泛應(yīng)用于需要將光束通過光學(xué)元件的快速偏轉(zhuǎn)而形成一維，二維或三維圖形等場合，例如條碼掃描，光學(xué)掃描顯微鏡，激光投影電視等。

通常的大尺寸光掃描器根據(jù)核心光學(xué)偏轉(zhuǎn)部件的不同，可分為電磁式機(jī)械偏轉(zhuǎn)(例如檢流計(jì)Galvanometer)，多面體棱鏡機(jī)械偏轉(zhuǎn)，電光偏轉(zhuǎn)，聲光偏轉(zhuǎn)等；對于微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的微型光掃描器根據(jù)微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理的不同，可分為電熱式，電磁式，靜電式等。對于目前最小的MEMS微型光掃描器，其芯片(Die)尺寸也在數(shù)毫米見方，厚度可低于1毫米。此外仍然存在工藝復(fù)雜，加工成本高等問題。

熱光效應(yīng)，指的是光學(xué)介質(zhì)的折射率隨著溫度變化而發(fā)生變化的物理效應(yīng)，是光學(xué)材料的一種光學(xué)性質(zhì)。在給定的溫度場中，晶體、半導(dǎo)體材料、玻璃以及其他應(yīng)用在不同光器件和系統(tǒng)中的光學(xué)材料，其折射率不是一個(gè)恒定的參數(shù)。在一定的壓強(qiáng)下，材料的折射率隨溫度的變化量稱之為熱光系數(shù)。它被定義為dn/dT，n和T分別是材料的折射率和溫度，單位是每攝氏度或者每開爾文。對于有機(jī)聚合物來說，溫度變化引起的材料折射率變化主要由材料密度變化決定，其熱光系數(shù)在10^-4量級，相對于硅等無機(jī)材料較高。

因此本發(fā)明提出了一種固態(tài)光掃描器，特別是基于對具有顯著熱光效應(yīng)的材料進(jìn)行梯度溫度調(diào)制的工作原理。該固態(tài)光掃描器中不包含任何機(jī)械活動(dòng)部件，具有體積小，功耗低，工藝簡單，成本低，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種微光學(xué)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種固態(tài)光掃描器，特別是基于對具有顯著熱光效應(yīng)的材料進(jìn)行梯度溫度調(diào)制的工作原理。該固態(tài)光掃描器中不包含任何機(jī)械活動(dòng)部件，具有體積小，功耗低，工藝簡單，成本低，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種微光學(xué)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案是：它包括光偏轉(zhuǎn)材料，制冷器和加熱器。光偏轉(zhuǎn)材料的一個(gè)輸入端與外部光源輸入的光束相連，光偏轉(zhuǎn)材料的第二個(gè)輸入端與制冷器的輸出端相連，光偏轉(zhuǎn)材料的第三個(gè)輸入端與加熱器的輸出端相連，光偏轉(zhuǎn)材料的輸出端與外部掃描目標(biāo)相連；制冷器的輸入端與外部制冷器電源和控制電路相連；加熱器的輸入端與外部加熱器電源和控制電路相連；

所述的光偏轉(zhuǎn)材料為具有高熱光系數(shù)，低導(dǎo)熱系數(shù)，高耐熱溫度的勻質(zhì)材料，可以為但不限于各種高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，SU8等；

所述的光偏轉(zhuǎn)材料的外形為直平行六面體，為了建立與入射光束具有一定傾斜角度的梯度溫度場；直平行六面體的一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，光學(xué)透明，并鍍有高透過率鍍膜，直平行六面體的另一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，分別與制冷器和加熱器的輸出平面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；

所述的制冷器可以為基于帕爾帖(Peltier)效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器，熱管或水冷導(dǎo)熱器，制冷器的輸出平面與光偏轉(zhuǎn)材料的一組相對的矩形平面的表面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；制冷器工作在恒定功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料的一側(cè)建立穩(wěn)定的低溫；

所述的加熱器為電阻式加熱器，其的輸出平面與光偏轉(zhuǎn)材料的一組相對的矩形平面的表面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；加熱器工作在變化功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料的另一側(cè)建立受外部控制電路控制的變化的高溫，從而在光偏轉(zhuǎn)材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)變化的梯度溫度場。

本發(fā)明的工作原理是這樣的：光偏轉(zhuǎn)材料的外形為直平行六面體，直平行六面體的一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，光學(xué)透明，并鍍有高透過率鍍膜，直平行六面體的另一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，分別與制冷器和加熱器的輸出平面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；制冷器可以為基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器，熱管或水冷導(dǎo)熱器，工作在恒定功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料的一側(cè)建立穩(wěn)定的低溫；加熱器為電阻式加熱器，工作在變化功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料的另一側(cè)建立受外部控制電路控制的變化的高溫，從而在光偏轉(zhuǎn)材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)變化的梯度溫度場；光偏轉(zhuǎn)材料為具有高熱光系數(shù)且高耐熱溫度的勻質(zhì)材料，可以為各種高分子聚合物；下面以聚甲基丙稀酸甲酯為例，熱光系數(shù)為-1.44x10^-4K^-1，導(dǎo)熱系數(shù)為0.17W/(m·K)，在832nm波長下折射率約為1.5025@20℃，1.3581@12℃，最高溫度為120℃；制冷器采用半導(dǎo)體制冷器，理論上能夠在冷端和熱端之間維持60℃溫差，實(shí)際效率沒有這么高，冷端溫度設(shè)為恒定的-10℃；加熱器使熱端溫度在約20℃至120℃之間波動(dòng)，溫差為100℃；在入射角度為70度時(shí)，可以計(jì)算出最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角度為70-arcsin(sin70度*1.3581/1.5025)＝11.86度，光束向加熱器一側(cè)的熱端偏轉(zhuǎn)；由于光束在漸變梯度溫度場里連續(xù)偏轉(zhuǎn)，因此會(huì)在光偏轉(zhuǎn)材料的輸出端疊加一個(gè)側(cè)向位移。

本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、基于熱光效應(yīng)，具有體積小，功耗低，工藝簡單，成本低，壽命長等優(yōu)點(diǎn)；

2、外形規(guī)則，材料常見，且兼容MEMS工藝，便于與微光學(xué)系統(tǒng)集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的一維級聯(lián)示意圖；

圖4為本發(fā)明的二維級聯(lián)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：如圖1和圖2所示，它包括光偏轉(zhuǎn)材料1，制冷器2和加熱器3。光偏轉(zhuǎn)材料1的一個(gè)輸入端與外部光源輸入的光束相連，光偏轉(zhuǎn)材料1的第二個(gè)輸入端與制冷器2的輸出端相連，光偏轉(zhuǎn)材料1的第三個(gè)輸入端與加熱器3的輸出端相連，光偏轉(zhuǎn)材料1的輸出端與外部掃描目標(biāo)相連；制冷器2的輸入端與外部制冷器電源和控制電路相連；加熱器3的輸入端與外部加熱器電源和控制電路相連；

所述的光偏轉(zhuǎn)材料1為具有高熱光系數(shù)，低導(dǎo)熱系數(shù)，高耐熱溫度的勻質(zhì)材料，可以為各種高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯，聚碳酸酯，SU8等；

所述的光偏轉(zhuǎn)材料1的外形為直平行六面體，為了建立與入射光束具有一定傾斜角度的梯度溫度場；直平行六面體的一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，光學(xué)透明，并鍍有高透過率鍍膜，直平行六面體的另一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，分別與制冷器2和加熱器3的輸出平面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；

所述的制冷器2可以為基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器，熱管或水冷導(dǎo)熱器，制冷器2的輸出平面與光偏轉(zhuǎn)材料1的一組相對的矩形平面的表面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；制冷器2工作在恒定功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料1的一側(cè)建立穩(wěn)定的低溫；

所述的加熱器3為電阻式加熱器，其的輸出平面與光偏轉(zhuǎn)材料1的一組相對的矩形平面的表面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；加熱器3工作在變化功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料1的另一側(cè)建立受外部控制電路控制的變化的高溫，從而在光偏轉(zhuǎn)材料1內(nèi)實(shí)現(xiàn)變化的梯度溫度場。

本發(fā)明的工作原理是這樣的：光偏轉(zhuǎn)材料1的外形為直平行六面體，直平行六面體的一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，光學(xué)透明，并鍍有高透過率鍍膜，直平行六面體的另一組相對的矩形平面的表面具有低粗糙度，分別與制冷器2和加熱器3的輸出平面緊密相連，其間的微小空隙采用導(dǎo)熱硅脂填充以提高導(dǎo)熱系數(shù)；制冷器2可以為基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器，熱管或水冷導(dǎo)熱器，工作在恒定功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料的一側(cè)建立穩(wěn)定的低溫；加熱器3為電阻式加熱器，工作在變化功率模式，用于在光偏轉(zhuǎn)材料1的另一側(cè)建立受外部控制電路控制的變化的高溫，從而在光偏轉(zhuǎn)材料1內(nèi)實(shí)現(xiàn)變化的梯度溫度場；光偏轉(zhuǎn)材料1為具有高熱光系數(shù)且高耐熱溫度的勻質(zhì)材料，可以為各種高分子聚合物；下面以聚甲基丙稀酸甲酯為例，熱光系數(shù)為-1.44x10^-4K^-1，導(dǎo)熱系數(shù)為0.17W/(m·K)，在832nm波長下折射率約為1.5025@20℃，1.3581@12℃，最高溫度為120℃；制冷器2采用半導(dǎo)體制冷器，理論上能夠在冷端和熱端之間維持60℃溫差，實(shí)際效率沒有這么高，冷端溫度設(shè)為恒定的-10℃；加熱器3使熱端溫度在約20℃至120℃之間波動(dòng)，溫差為100℃；在入射角度為70度時(shí)，可以計(jì)算出最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角度為70-arcsin(sin70度*1.3581/1.5025)＝11.86度，光束向加熱器3一側(cè)的熱端偏轉(zhuǎn)。

可以通過多個(gè)本發(fā)明的級聯(lián)實(shí)現(xiàn)掃描角度的擴(kuò)大或二維掃描的擴(kuò)展；以下為一維級聯(lián)的實(shí)施例：如圖3所示，它包括兩組本發(fā)明，兩組本發(fā)明沿入射光軸同向相連，使入射光在兩組本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)均處于同一平面，使光束偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到兩倍；

以下為二維級聯(lián)的實(shí)施例：如圖4所示，它包括兩組本發(fā)明，兩組本發(fā)明沿入射光軸旋轉(zhuǎn)90度相連，使入射光在兩組本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)平面相差90度，形成X-Y二維掃描。