光束指向控制技术在太阳能照明、自由空间光通信、定向红外对抗、激光雷达、投影显示、光开关等领域中有着重要的应用。传统的光束指向控制技术,需要依赖机械装置改变光轴方向,进而实现对光束指向的控制,存在操作繁琐、响应速度慢、操作精度低等问题。基于介电润湿效应的液体棱镜具备结构简单、易于集成、对多波长无偏振依赖性、响应速度快、不需要克服运动过程中的惯性影响、且易于实现阵列化等诸多优点。因此,本课题设计了基于介电润湿效应的液体棱镜阵列系统,并将其应用于空间光束指向控制。主要研究工作如下:(1)介绍光束指向控制技术的研究背景和研究进展,阐述介电润湿效应及工作原理,推导了杨氏方程和杨氏-李普曼方程,并分析了介电润湿效应在显示领域、光学成像领域以及在光束指向控制领域的应用。(2)设计基于介电润湿效应的液体棱镜单元结构,分析其工作原理,推导光束转向角计算公式。通过选取特定的液体组合,达到降低饱和接触角和工作电压,从而提高光束转向范围的目的;设计基于介电润湿效应的一维液体棱镜阵列和二维液体棱镜阵列。根据几何光学和介电润湿理论,推导出器件的光束指向控制范围与棱镜单元光束转向角、填充液体的折射率、棱镜单元间距之间的关系。理论分析表明,一维液体棱镜阵列可以实现二维空间上对光束指向控制和对聚焦焦点的调谐,而二维液体棱镜阵列结构可以实现三维空间上对光束指向的控制和聚焦焦点的调谐。(3)采用COMSOL软件构建基于介电润湿效应的液体棱镜单元模型、一维液体棱镜阵列模型以及二维液体棱镜阵列模型;仿真模拟了在工作电压控制下棱镜腔体内双液体交界面面型的变化情况。通过添加射线追踪模块,再现了光线经过系统后的光束偏转情况;仿真与理论分析均表明:本课题所设计的液体棱镜阵列器件可以成功实现对光束指向的控制。此外,讨论了液体折射率、棱镜单元间间距等参数对系统光学指向控制性能的影响。选择特定液体组合,成功将饱和接触角降低至45°,此时液体棱镜单元的光束转向范围可提高到38°(-19°~19°)。当光轴间距r取6mm时,一维液体棱镜阵列系统可以实现的调谐范围为:顶点位于Z轴15.81mm处,顶角为38°倒立的等腰三角形。二维液体棱镜阵列系统可以实现在顶角为38°圆锥区域内的连续控制,且该圆锥顶点位于Z轴15.81mm位置处。