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CN103034011A - 一种硅基液晶光滤波器 - Google Patents

一种硅基液晶光滤波器 Download PDF

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CN103034011A
CN103034011A CN2012105133602A CN201210513360A CN103034011A CN 103034011 A CN103034011 A CN 103034011A CN 2012105133602 A CN2012105133602 A CN 2012105133602A CN 201210513360 A CN201210513360 A CN 201210513360A CN 103034011 A CN103034011 A CN 103034011A
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Abstract

一种硅基液晶光滤波器,属于光电子器件,解决现有LCOS光滤波器光束偏转角度不均匀且精度不高的问题。本发明由透射型衍射光栅、凸透镜、LCOS面板和信号控制电路组成,透射型衍射光栅、凸透镜和LCOS面板依次设置在光路上,信号控制电路由静态随机存储器和中央控制器构成,中央控制器分别连接LCOS面板的列数据驱动器和行扫描驱动器,静态随机存储器中存有电压对照表,其表项为液晶单元地址及其对应的数字电压编码。本发明实现的偏转角度数目和精度大幅提升,中心波长和带宽调节的步长和精度也因此大幅提升,实现带宽和中心频率可调的功能,可以应用于光电子领域、光通信领域不同要求的场合,并具有现场可编程特性。

Description

一种硅基液晶光滤波器
技术领域
本发明属于光电子器件,适用于光电子领域、光通信领域。 
背景技术
国内外实现多端口的可调光滤波器的主要技术手段包括微机电系统(MEMS)转镜技术、数字微镜器件(DMD)技术、液晶(LC)技术和硅基液晶(LCOS)技术。硅基液晶技术可以实现高分辨率的调节步长,从而实现带宽和中心波长连续可调,但是目前的硅基液晶实现光束偏转主要原理是基于周期性闪耀光栅的光束偏转原理,离散偏转角度β由下式决定:β=sin-1(λ/Md),其中,λ为光束波长,M为一个周期内的相位级次,d为每个相位台阶的宽度,若在高填充比的条件下,可以近似为电极的宽度,由于电极间距一定,故闪耀光栅的偏转角度实际上取决于M,而M只能取一系列离散的值,因此对于周期性的闪耀光栅,为了保证出射波阵面的闪耀周期相同,只能实现有限数量的离散的衍射角度,无法进行光波束的连续偏转,偏转角度数目有限,偏转精度有限,这就影响了整个硅基液晶光滤波器的调节精度。自硅基液晶光滤波器被提出至今,国内外学者开展了广泛的研究,主要集中在光束偏转效率,光束偏转精度,液晶材料响应时间等几个方面,均取得了较大进展,但是实现光束偏转角度离散不均匀的问题仍未得到有效的解决,无法适应大规模的光交换滤波系统。 
发明内容
本发明提供一种硅基液晶光滤波器,解决现有LCOS光滤波器光束偏转角度不均匀且精度不高的问题。 
本发明所提供的一种硅基液晶光滤波器,由透射型衍射光栅、凸透镜、LCOS面板和信号控制电路组成,所述透射型衍射光栅、凸透镜和LCOS面板依次设置在光路上,其特征在于: 
A.所述LCOS面板包括液晶单元矩阵、列数据驱动器和行扫描驱动器; 
A1.所述液晶单元矩阵由M×N个液晶单元排列成二维的M行N列矩阵,每个液晶单元由NMOS开关管、电容、正电极、负电极和液晶片构成,电容连接于NMOS管漏极和公共电极之间,正电极连接NMOS管漏极,负电极连接公共电极,液晶片贴在正负电极之间;M=256、512、640、786、1024,N=256、512、640、786; 
A2.所述列数据驱动器由第一移位寄存器、第一锁存器、第二锁存器和模数转换器构成,所述第一移位寄存器为串行输入并行输出,第一移位寄存器的各位输出端对应连接第一锁存器的各位使能端,第一锁存器的各位输入端连接中央控制器的并行数据输出端,第一锁存器的各位输出端对应连接第二锁存器的各位输入端,第二锁存器的各位输出端对应连接模数转换器的各位输入端,数模转换器的输出端并行连接所述液晶单元矩阵各液晶单元NMOS开关管源极; 
A3.所述行扫描驱动器由第二移位寄存器和电平转换器构成,第二移位寄存器为串行输入并行输出,第二移位寄存器的各位输出端对应连接电平转换器的各位输入端,电平转换器的各位输出端连接所述液晶单元矩阵每行中各液晶单元的NMOS开关管栅极; 
B.所述信号控制电路由静态随机存储器和中央控制器构成, 
静态随机存储器和中央控制器电信号连接,中央控制器分别连接所述第一移位寄存器的数据输入端、时钟输入端、复位端,以及所述第一锁存器的数据输入端、第二锁存器的控制端,中央控制器分别连接模数转换器的片选端、转换使能端,中央控制器分别连接所述第二移位寄存器输入端的数据输入端、时钟输入端、复位端,以及电平转换器的使能端; 
B1.所述静态随机存储器中存有电压对照表,其表项为液晶单元地址及其对应的数字电压编码V,液晶单元地址共计M×N个,与所述液晶单元矩阵的M×N个液晶单元一一对应; 
B2.所述中央控制器对列数据驱动器进行下述操作: 
(B2.1)向第一移位寄存器的复位端输出高电平解除复位,向第一移位寄存器的数据输入端输入高电平,将第一内部计数器的值置为0; 
(B2.2)产生地址时钟,向第一移位寄存器的时钟控制端输出地址时钟,每次地址时钟脉冲上升沿到来时第一内部计数器的值加1,同时向第一移位寄存器数据输入端输出低电平;第一内部计数器的值每变化一次,同时从电压对照表中取出地址为第一内部计数器的值所对应的电压编码数据,输出到第一锁存器数据输入端; 
(B2.3)向第二锁存器控制端输出低电平信号,第二锁存器接收第一锁存器的输出,同时判断第一内部计数器的值是否小于N,是则转步骤(B2.2),否则顺序执行(B2.4); 
(B2.4)向第二锁存器控制端输出高电平信号,同时向数模转换器输出转换使能信号,模数转换器接收第二锁存器的输出,完成数模转换,转步骤(B2.1); 
B3.所述中央控制器对行扫描驱动器进行下述操作: 
(B3.1)向第二移位寄存器的复位端输出高电平解除复位,向第二移位寄存器的数据输入端输入高电平,向电平转换器输出使能信号,将第二内部计数器的值置为0; 
(B3.2)产生行扫描时钟,向第二移位寄存器的时钟控制端输出行扫描时钟,每次行扫描时钟的上升沿到来时第二内部计数器的值加1,同时向第二移位寄存器的数据输入端输出低电平; 
(B3.3)判断第二内部计数器的值是否小于M,是则转步骤(B3.2),否则,写入完毕。 
所述的硅基液晶光滤波器,所述凸透镜可以为傅里叶透镜。 
所述的硅基液晶光滤波器,其特征在于: 
所述电压对照表中,所述数字电压编码V,由下述操作产生: 
(1)计算给定偏转角度αh,对应波长λh的光斑覆盖范围内各液晶片对光波的相位延迟
Figure BDA00002512542300041
其中,d为液晶片的厚度,n=1,2,3…(Rrh-R1h),n为光斑所覆盖范围内液晶单元的列序号,(Rrh-R1h)为光斑所覆盖的液晶单元列数目,R1h、Rrh分别为光斑左边缘、右边缘在液晶单元上的列数,h为1~q中的整数,q=2~30,为入射到LCOS面板上光的波长数目; 
所述给定偏转角度αh为0°~17°的任意值; 
(2)根据下式计算λh所对应的光斑覆盖范围内,不同列序号的液晶片在扭曲角θn下的异常折射率nen); 
Figure BDA00002512542300043
其中θn为不同列序号的液晶片沿电场方向的扭曲角,n0为液晶片寻常折射率,φ为液晶片的定向角; 
(3)根据下式计算液晶片沿电场方向的扭曲角θn; 
1 n e ( θ n ) = cos 2 ( θ n ) n e 2 + sin 2 ( θ n ) n 0 2 ,
其中ne为液晶片最大异常折射率; 
(4)计算各液晶单元正负电极之间模拟电压Vn: 
Figure BDA00002512542300051
式中,Vc为液晶片阈值电压,V0为液晶片饱和电压; 
(5)计算各液晶单元的数字电压编码Vn数: 
Vn数=2P×Vn/VREF,式中,VREF为数模转换器的参考电压,P为表示电压编码的二进制数的位数,将n=1、2、3、…(Rrh-R1h)依次代入到步骤(1)到(5),依次求出给定偏转角度αh,对应波长λh的光斑所覆盖范围内,不同列序号所对应的液晶片应加载的数字电压编码V1数、V2数、V3数、V4数
Figure BDA00002512542300052
(6)在电压对照表中与光斑覆盖范围内液晶单元所对应的液晶单元地址中,从第R1h~第Rrh列,键入数字电压编码V1数、V2数、V3数、V4数同一列液晶片所对应的数字电压编码相同,完成给定偏转角度αh,波长λh所对应的电压编码数据的编辑; 
(7)h依次取1到q,重复步骤(1)~(6),完成一幅帧数据的存储,帧数据包括给定偏转角度对应不同波长的电压编码数据。 
所述的硅基液晶光滤波器,其特征在于: 
所述步骤(7)中,当h依次取1到q时,给定偏转角度αh与其对应,分别取0°~17°不同的角度值,所完成的一幅帧数据,包括给定不同偏转角度对应不同波长的电压编码数据。 
本发明中,入射的包含多个信道的波分复用(WDM)光束经过透射型衍射光栅,不同波长的光以不同的角度透射出去,实现分光功能;透射出去的光 束经过凸透镜后,改变光斑的大小,聚焦于LCOS面板的不同位置处;聚焦后,光斑的尺寸范围应覆盖多个液晶单元,将所述的帧数据通过信号控制电路加载到光斑所覆盖的LCOS液晶单元上,在光斑范围内形成所需要的非周期性液晶闪耀光栅,分别对不同位置的光进行偏转,使入射光按指定的方向进行反射,由于偏转角度αh在可控范围内是任意设定的,当给定不同的偏转角度,可以得到对应一个波长的多幅帧数据,还可得到不同偏转角度对应不同波长的一幅或多幅帧数据,因此,实现的偏转角度数目和精度大幅提升,中心波长和带宽调节的步长和精度也因此大幅提升,实现带宽和中心频率可调的功能,可以应用于不同要求的场合,并具有现场可编程特性。 
附图说明
图1为本发明的结构示意图; 
图2为LCOS面板示意图; 
图3为液晶单元结构示意图; 
图4为列数据驱动器示意图; 
图5为行扫描驱动器示意图; 
图6为信号控制电路示意图; 
图7为中央控制器对列数据驱动器的操作流程图; 
图8为中央控制器对行扫描驱动器的操作流程图; 
图9为现有LCOS离散偏转滤波的数值仿真结果; 
图10为本发明的数值仿真结果。 
具体实施方式
以下结合附图和实施例对发明进一步说明。 
如图1所示,本发明的实施例,由透射型衍射光栅、凸透镜、LCOS面板和信号控制电路组成,所述透射型衍射光栅、凸透镜和LCOS面板依次设置在 光路上; 
选取的入射的波分复用(WDM)光束包含四个信道,信道间隔为100GHZ,波长为λ1=1.5484微米,λ2=1.5492微米,λ3=1.550微米,λ4=1.5508微米,透射型衍射光栅的线数选用2400线/mm,凸透镜为傅里叶透镜,焦距为100毫米; 
如图2所示,本实施例的LCOS面板,包括液晶单元矩阵、列数据驱动器和行扫描驱动器,液晶单元矩阵由256×256个液晶单元排列成二维的256行256列矩阵;聚焦在液晶单元矩阵上的每个光斑的直径为300微米左右,在水平方向上大约覆盖20个液晶单元; 
WDM光束经过所述的衍射光栅分光和聚焦透镜后,四个不同信道的光斑依次分布在水平方向上,设置LCOS面板的位置,使各个信道的光斑覆盖的像素在80到100行之间,并且通过计算可得到,λ1覆盖的液晶单元矩阵列的范围为90到110列,λ2覆盖的液晶单元矩阵列的范围为120到140列,λ3覆盖的液晶单元矩阵列的范围为150到170列,λ4覆盖的像素矩阵列的范围为180到200列; 
如图3所示,液晶单元矩阵中的每个液晶单元由NMOS开关管1、电容2、正电极3、负电极4和液晶片5构成,电容连接于NMOS管漏极和公共电极6之间,正电极连接NMOS管漏极,负电极4连接公共电极6,液晶片5贴在正负电极之间;液晶单元尺寸为15微米,填充比100%,一级波长闪耀的衍射效率可达93%以上。 
如图4所示,列数据驱动器由第一移位寄存器、第一锁存器、第二锁存器和模数转换器构成,第一移位寄存器采用串行输入、256位的并行输出,第一锁存器和第二锁存器包含256个10位输入输出的锁存器,数模转换器包含256个10位输入的数模转换器; 
如图5所示,行扫描驱动器由第二移位寄存器和电平转换器构成,第二移位寄存器采用串行输入、256位的并行输出,电平转换器由1位输入输出的电平转换器级联成256位的输入输出; 
如图6所示,信号控制电路由静态随机存储器(SRAM)和中央控制器构成, 
静态随机存储器和中央控制器电信号连接,中央控制器分别连接所述第一移位寄存器的数据输入端、时钟输入端、复位端,以及所述第一锁存器的数据输入端、第二锁存器的控制端,中央控制器分别连接模数转换器的片选端、转换使能端,中央控制器分别连接所述第二移位寄存器输入端的数据输入端、时钟输入端、复位端,以及电平转换器的使能端;本实施例的中央控制器采用Altera公司的cycloneII FPGA芯片,逻辑资源4608个,引脚208个,静态随机存储器采用存储容量为512KB的SRAM。 
本实施例使波长为λ1、λ2、λ3、λ4的光在某t1时刻在水平方向上偏转的角度分别为0.3°、0.1°、0.4°、0.7°,而在之后的t2时刻,使λ2的偏转角度改变微小的量,即它们在水平方向上的偏转角度分别为0.3°、0.11°、0.4°、0.7°,在计算电压编码数据的过程中,液晶单元的序列号取1到20,n0=1.521,ne=1.746,φ=0.907,d=5微米,Vc=0.507V,V0=3.503V,VREF=5V,表示电压编码的二进制数的位数P取10,可产生1024阶电压,按照发明内容部分计算电压编码数据的步骤(1)到(7),可求出在t1、t2时刻的电压编码数据,将电压编码数据键入到电压对照表的相应位置上; 
在t1时刻,λ1对应的光波实现0.3°偏转的数字编码电压为: 
356 362 368 374 357 359 372 375 358 364
370 376 380 386 361 369 373 381 386 391
在t1时刻,λ2对应的光波实现0.1°偏转的数字编码电压为: 
125 129 133 137 140 126 130 132 136 142
148 156 140 147 149 152 158 162 165 167
在t1时刻,λ3对应的光波实现0.4°偏转的数字编码电压为: 
380 388 397 406 406 383 391 400 405 385
393 398 404 410 416 397 405 411 419 425
在t1时刻,λ4对应的光波实现0.7°偏转的数字编码电压为: 
620 630 641 649 650 623 633 644 653 663
626 635 647 656 667 672 678 629 638 650
在t2时刻,λ1、λ3、λ4对应的光波的数字编码电压不需要改变,λ2对应的光波的数字编码电压要变; 
在t2时刻,λ2对应的光波实现0.11°偏转的数字编码电压为: 
126 130 134 138 141 127 131 133 137 143
149 157 141 148 151 154 159 163 168 171
如图7所示,本实施例中,中央控制器对列数据驱动器的操作: 
(1)向第一移位寄存器的复位端输出高电平解除复位,向第一移位寄存器的数据输入端输入高电平,将第一内部计数器的值置为0; 
(2)系统时钟为50MHZ,经分频产生地址时钟10MHZ,向第一移位寄存器的时钟控制端输出地址时钟,每次地址时钟脉冲上升沿到来时第一内部计数器的值加1,同时向第一移位寄存器数据输入端输出低电平;第一内部计数器的值每变化一次,同时从电压对照表中取出地址为第一内部计数器的值所对应的电压编码数据,输出到第一锁存器数据输入端; 
(3)向第二锁存器控制端输出低电平信号,第二锁存器接收第一锁存器的输出,同时判断第一内部计数器的值是否小于256,是则转步骤(2),否则顺序执行(4); 
(4)向第二锁存器控制端输出高电平信号,同时向数模转换器输出转换使能信号,模数转换器接收第二锁存器的输出,完成数模转换,转步骤(1)。 
如图8所示,本实施例中,中央控制器对行扫描驱动器的操作: 
(1)向第二移位寄存器的复位端输出高电平解除复位,向第二移位寄存 器的数据输入端输入高电平,向电平转换器输出使能信号,将第二内部计数器的值置为0; 
(2)系统时钟为50MHZ,经分频产生行扫描时钟,频率为10MHZ/256=40KHZ,向第二移位寄存器的时钟控制端输出行扫描时钟,每次行扫描时钟的上升沿到来时第二内部计数器的值加1,同时向第二移位寄存器的数据输入端输出低电平; 
(3)判断第二内部计数器的值是否小于256,是则转步骤(2),否则,写入完毕。 
如图9所示,黑色区域为可以覆盖的偏转角度的范围,横轴x轴为偏转角度,以弧度为单位,纵轴y轴为对应偏转角度下的衍射效率,可看出,周期性闪耀光栅模型其可分辨角呈现不均匀分布,在小角度(θ<0.1θmax)时衍射角度较为密集,基本能够均匀覆盖视场,在大角度,特别是接近于最大衍射角度θmax时,衍射角度间隔较大,在很大的角度区段内无法实现光束能量的闪耀,波控受到了较大的限制; 
如图10所示,为硅基液晶实现连续偏转滤波的数值仿真结果,黑色区域为可以覆盖的偏转角度的范围,横轴x轴为偏转角度,以弧度为单位,纵轴y轴为对应偏转角度下的衍射效率,可以看出,在可偏转区域中,任何可分辨的衍射角度均可实现,光束偏转的精度更高,比同等条件下周期性闪耀光栅实现的可分辨角提高了很多倍。 

Claims (4)

1.一种硅基液晶光滤波器,由透射型衍射光栅、凸透镜、LCOS面板和信号控制电路组成,所述透射型衍射光栅、凸透镜和LCOS面板依次设置在光路上,其特征在于:
A.所述LCOS面板包括液晶单元矩阵、列数据驱动器和行扫描驱动器;
A1.所述液晶单元矩阵由M×N个液晶单元排列成二维的M行N列矩阵,每个液晶单元由NMOS开关管、电容、正电极、负电极和液晶片构成,电容连接于NMOS管漏极和公共电极之间,正电极连接NMOS管漏极,负电极连接公共电极,液晶片贴在正负电极之间;M=256、512、640、786、1024,N=256、512、640、786;
A2.所述列数据驱动器由第一移位寄存器、第一锁存器、第二锁存器和模数转换器构成,所述第一移位寄存器为串行输入并行输出,第一移位寄存器的各位输出端对应连接第一锁存器的各位使能端,第一锁存器的各位输入端连接中央控制器的并行数据输出端,第一锁存器的各位输出端对应连接第二锁存器的各位输入端,第二锁存器的各位输出端对应连接模数转换器的各位输入端,数模转换器的输出端并行连接所述液晶单元矩阵各液晶单元NMOS开关管源极;
A3.所述行扫描驱动器由第二移位寄存器和电平转换器构成,第二移位寄存器为串行输入并行输出,第二移位寄存器的各位输出端对应连接电平转换器的各位输入端,电平转换器的各位输出端连接所述液晶单元矩阵每行中各液晶单元的NMOS开关管栅极;
B.所述信号控制电路由静态随机存储器和中央控制器构成,
静态随机存储器和中央控制器电信号连接,中央控制器分别连接所述第一移位寄存器的数据输入端、时钟输入端、复位端,以及所述第一锁存器的数据输入端、第二锁存器的控制端,中央控制器分别连接模数转换器的片选端、转换使能端,中央控制器分别连接所述第二移位寄存器输入端的数据输入端、时钟输入端、复位端,以及电平转换器的使能端;
B1.所述静态随机存储器中存有电压对照表,其表项为液晶单元地址及其对应的数字电压编码V,液晶单元地址共计M×N个,与所述液晶单元矩阵的M×N个液晶单元一一对应;
B2.所述中央控制器对列数据驱动器进行下述操作:
(B2.1)向第一移位寄存器的复位端输出高电平解除复位,向第一移位寄存器的数据输入端输入高电平,将第一内部计数器的值置为0;
(B2.2)产生地址时钟,向第一移位寄存器的时钟控制端输出地址时钟,每次地址时钟脉冲上升沿到来时第一内部计数器的值加1,同时向第一移位寄存器数据输入端输出低电平;第一内部计数器的值每变化一次,同时从电压对照表中取出地址为第一内部计数器的值所对应的电压编码数据,输出到第一锁存器数据输入端;
(B2.3)向第二锁存器控制端输出低电平信号,第二锁存器接收第一锁存器的输出,同时判断第一内部计数器的值是否小于N,是则转步骤(B2.2),否则顺序执行(B2.4);
(B2.4)向第二锁存器控制端输出高电平信号,同时向数模转换器输出转换使能信号,模数转换器接收第二锁存器的输出,完成数模转换,转步骤(B2.1);
B3.所述中央控制器对行扫描驱动器进行下述操作:
(B3.1)向第二移位寄存器的复位端输出高电平解除复位,向第二移位寄存器的数据输入端输入高电平,向电平转换器输出使能信号,将第二内部计数器的值置为0;
(B3.2)产生行扫描时钟,向第二移位寄存器的时钟控制端输出行扫描时钟,每次行扫描时钟的上升沿到来时第二内部计数器的值加1,同时向第二移位寄存器的数据输入端输出低电平;
(B3.3)判断第二内部计数器的值是否小于M,是则转步骤(B3.2),否则,写入完毕。
2.如权利要求1所述的硅基液晶光滤波器,其特征在于:
所述凸透镜为傅里叶透镜。
3.如权利要求1或2所述的硅基液晶光滤波器,其特征在于:
所述电压对照表中,所述数字电压编码V,由下述操作产生:
(1)计算给定偏转角度αh,对应波长λh的光斑覆盖范围内各液晶片对光波的相位延迟
Figure FDA00002512542200031
Figure FDA00002512542200032
其中,d为液晶片的厚度,n=1,2,3…(Rrh-R1h),n为光斑所覆盖范围内液晶单元的列序号,(Rrh-R1h)为光斑所覆盖的液晶单元列数目,R1h、Rrh分别为光斑左边缘、右边缘在液晶单元上的列数,h为1~q中的整数,q=2~30,为入射到LCOS面板上光的波长数目;
所述给定偏转角度αh为0°~17°的任意值;
(2)根据下式计算λh所对应的光斑覆盖范围内,不同列序号的液晶片在扭曲角θn下的异常折射率nen);
其中θn为不同列序号的液晶片沿电场方向的扭曲角,n0为液晶片寻常折射率,φ为液晶片的定向角;
(3)根据下式计算液晶片沿电场方向的扭曲角θn
1 n e ( θ n ) = cos 2 ( θ n ) n e 2 + sin 2 ( θ n ) n 0 2 ,
其中ne为液晶片最大异常折射率;
(4)计算各液晶单元正负电极之间模拟电压Vn
Figure FDA00002512542200042
式中,Vc为液晶片阈值电压,V0为液晶片饱和电压;
(5)计算各液晶单元的数字电压编码Vn数
Vn数=2P×Vn/VREF,式中,VREF为数模转换器的参考电压,P为表示电压编码的二进制数的位数,将n=1、2、3、…(Rrh-R1h)依次代入到步骤(1)到(5),依次求出给定偏转角度αh,对应波长λh的光斑所覆盖范围内,不同列序号所对应的液晶片应加载的数字电压编码V1数、V2数、V3数、V4数
Figure FDA00002512542200043
(6)在电压对照表中与光斑覆盖范围内液晶单元所对应的液晶单元地址中,从第R1h~第Rrh列,键入数字电压编码V1数、V2数、V3数、V4数
Figure FDA00002512542200044
同一列液晶片所对应的数字电压编码相同,完成给定偏转角度αh,波长λh所对应的电压编码数据的编辑;
(7)h依次取1到q,重复步骤(1)~(6),完成一幅帧数据的存储,帧数据包括给定偏转角度对应不同波长的电压编码数据。
4.如权利要求3所述的硅基液晶光滤波器,其特征在于:
所述步骤(7)中,当h依次取1到q时,给定偏转角度αh与其对应,分别取0°~17°不同的角度值,所完成的一幅帧数据,包括给定不同偏转角度对应不同波长的电压编码数据。
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