CN101981475B - 具有偏移补偿的分束器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及分束器，这种分束器包括光学元件以校正光束偏移。在一个实施方式中，分束器包括：第一平板，它具有两个大约平行且相反的平面，部分反射层涂敷了这两个平面中的一个；以及补偿板，它具有两个大约平行且相反的平面。补偿板定位成使得穿过该补偿板的入射光束获得了第一光束偏移。接下来，具有第一光束偏移的入射光束穿过第一平板，被上述部分反射层分成了反射光束和透射光束，其中，透射光束具有第二光束偏移，该第二光束偏移基本上抵消了第一光束偏移，使得透射光束大约平行于对准于入射光束。

Description

具有偏移补偿的分束器

技术领域

本发明的实施方式涉及光学器件，尤其涉及包括偏移补偿板的分束器。

背景技术

分束器是一种光学器件，用于将一束光分成两束或更多束不同的光。分束器具有各种不同的且有用的应用。例如，分束器可以被用在照相机和投影仪中，并且可以被用于干涉测量，这些仅是一些例子。图1A-1B示出了两类通常使用的分束器的示意图。图1A示出了立方体分束器100的顶视图和立体图。立方体分束器100包括第一三角形棱镜102和第二三角形棱镜104。棱镜102和104的斜边表面是平行的且是平整的，其上涂有一层部分反射性材料106，比如银或铝。可以用粘合剂将棱镜102、104的斜边粘合到一起，该粘合剂的折射率与棱镜102、104大致相同。可以调节层106的厚度，以允许光按期望的比例被透射和被反射。如图1所示，入射光束108基本上垂直于平整的表面而进入立方体分束器100。层106将入射光束108分成透射光束110以及反射光束112，透射光束110从立方体分束器100中出射且方向与入射光束108一致，反射光束112从立方体分束器100中出射且方向与入射光束108大致垂直。

图1B示出了平板分束器120的侧视图。平板分束器120包括单个玻璃板122，其一个表面涂有部分反射层124，相反的表面则可以涂有防反射层。如图1B所示，玻璃板122取向成与入射光束126呈45度。层124反射该入射光束126的第一部分，以产生与入射光束126大致垂直的反射光束128。入射光束126的第二部分进入玻璃板122，从而产生折射光束130，折射光束130在从玻璃板122中出射时再次发生折射从而给出透射光束132，透射光束132大致平行于入射光束126。因为进入玻璃板的光束发生了折射，所以透射光束132的路径移动到入射光束126的路径的下方，这被称为“光束偏移”。光束偏移的大小正比于玻璃板122的厚度。

尽管分束器100、120已成功地应用于许多不同的器件中，但是它们具有许多缺点。例如，立方体分束器通常体积很大，因此很难插入到很小的光学器件中，而平板分束器通常必须使用非常薄的玻璃或丙烯酸平板122以减小光束偏移。然而，非常薄的平板122可能很脆弱，并且需要复杂的制造工艺。因此，期望有这样的分束器，其体积不大且不具有显著的光束偏移。

附图说明

图1A示出了立方体分束器的顶视图和立体图。

图1B示出了平板分束器的侧视图。

图2示出了根据本发明的实施方式配置的第一分束器的示意图。

图3示出了根据本发明的实施方式配置的第二分束器的侧视图。

图4A示出了从补偿板中出射的发散的光线。

图4B示出了从补偿板中出射的会聚的光线。

图4C示出了根据本发明的实施方式具有梯度补偿板的分束器，该梯度补偿板校正入射到分束板上的轴向光线。

图5示出了根据本发明的实施方式配置的第一圆形梯度补偿板的立体图。

图6示出了根据本发明的实施方式配置的第二圆形梯度补偿板的立体图。

图7示出了根据本发明的实施方式配置的基于缺陷的圆形梯度补偿板的顶视图。

图8示出了根据本发明的实施方式配置的基于缺陷的梯度补偿板的缺陷浓度与相应的折射率之间的一般关系。

图9示出了根据本发明的实施方式配置的基于纳米线的圆形梯度补偿板的立体图。

图10示出了根据本发明的实施方式配置的基于纳米线的梯度补偿板的纳米线浓度与相应的折射率之间的一般关系。

图11示出了根据本发明的实施方式配置的第五圆形梯度补偿板的立体图。

图12示出了根据本发明的实施方式配置的第六圆形径向梯度补偿板的立体图。

图13示出了根据本发明的实施方式具有防反射涂层的分束器。

具体实施方式

本发明的实施方式涉及分束器，这种分束器包括用于校正光束偏移的光学元件。图2示出了根据本发明的实施方式配置的第一分束器200的示意图。分束器200包括：补偿板202；平板分束器204；第一光波导206，用于部分地支持补偿板202；以及第二光波导208，用于部分地支持平板分束器204。光波导206、208可以是由金属、玻璃或其它合适的材料组成的中空波导，或者，光波导可以是由合适的固体电介质材料组成的。平板分束器204包括平板210以及涂敷了平板210的一个表面的部分反射层212。补偿板202和平板210定位成彼此之间约为90度。部分反射层212可以由银、铝或其它合适的材料组成，其中，根据要反射的光的量来选择镜面层212的厚度，或者部分反射层212可以是多层电介质。尽管平板202、210是从侧面示出的，但是平板202、210可以是圆形、椭圆形、方形、矩形或任何其它合适的形状，并且平板202、210可以是由玻璃、丙烯酸或其它合适的材料组成的。

在附图中，由带方向的箭头所标识的光线被用于表示光束穿过自由空间或光学系统时的方向。在光线214的方向上，沿着光波导206将光束引入到分束器200。该光束进入补偿板202，并且弯曲到由光线216所标识的方向上。该光束在从补偿板202中出来时再次弯曲到由光线218所标识的方向上。部分反射层212将从补偿板202中出来的光束分成第一光束和第二光束。光线220表示被反射的第一光束的路径且大致垂直于光线218，光线222表示第二光束穿过平板210的路径。在光线224的方向上，第二光束从平板210中出来。如图2所示，补偿板202引入由Δ₁(n₁，α₁，T₁)表示的第一光束偏移，其中n₁是补偿板的折射率，α₁是入射角，T₁是补偿板202的厚度。平板212也引入第二光束偏移Δ₂(n₂，α₂，T₂)，其中，n₂是补偿板的折射率，α₂是入射角，T₂是平板210的厚度。本发明的实施方式涉及配置分束器200，使得由补偿板202引入的第一光束偏移基本上抵消了由平板210引入的第二光束偏移(即Δ₂≈-Δ₁)。

图3示出了根据本发明的实施方式配置的第二分束器300的侧视图。如图3所示，分束器300几乎与第一分束器200一模一样，不同之处在于，补偿板202的一个表面涂有部分反射层302。如图2所示的光波导206已被光波导304替换，光波导304被配置成允许被部分反射层302反射掉的光束不受阻挡地离开。

在光线214的方向上，沿着光波导304，将光束引入到分束器300中，并且部分反射层302将该光束分成第一光束和第二光束。光线306表示被部分反射层302反射掉的第一光束的方向且大致垂直于光线214，光线308表示在进入平板202时发生弯曲的第二光束的方向。该第二光束在从补偿板202中出来时再次弯曲到由光线310所标识的方向上。平板分束器204按照与上文结合图2描述的相同方式对第二光束进行分束。补偿板202引入相同的第一光束偏移，该偏移大致抵消了由平板210引入的第二光束偏移。

在理想情况下，入射光束按45度入射角入射到补偿板202上。当平板202、210的厚度T₁、T₂大致完全一样并且折射率n₁、n₂和入射角α₁、α₂都大致相同时，在理想情况下，穿过平板202、210的光束在进出平板202、210时会经历相同的折射量。结果，第一光束偏移Δ₁的大小与第二光束偏移Δ₂的大小被预计是几乎一模一样的并且彼此抵消。光束224出射时与入射光束214的方向大致相同，基本上没有光束偏移。

然而，实际上，入射到分束板204上的光线可能不是傍轴的，或者，这些光线可能并不与分束器200的光轴相平行。图4A示出了从补偿板202中出射的发散的光线401-404。相对于分束器200的光轴406而言，光线401-404不是傍轴的。图4B示出了从补偿板202中出射的会聚的光线410-413。相对于分束器200的光轴406而言，光线410-413同样不是傍轴的。与傍轴的光线相比，偏离分束器200的光轴406的光线在穿过分束板204时穿行了更长的距离。结果，不与分束器200的光轴406相平行的光线在从分束板204中出射时，其发散或会聚的程度更加重了。为了补偿从补偿板202中出射的发散的光线，在某些实施方式中，补偿板202可以被配置成具有梯度折射率，从补偿板中心起的距离越大该处的折射率就越小。在其它实施方式中，补偿板202可以被配置成具有梯度折射率，从补偿板中心起的距离越大该处的折射率就越大，为的是补偿会聚的光线。换句话说，在梯度补偿板内穿行的光的速度可以由下式来表示：

$v\left(r\right)=\frac{c}{n_1\left(r\right)}$

其中，c是自由空间中的光速，n₁(r)是梯度折射率并且是从梯度补偿板中心起的径向距离r的函数。合适的径向梯度补偿板使离轴光线取向成平行光线，平行光线再以约45度的入射角入射到分束板204上。这一点对于中空金属波导和自由空间光学互连等应用中保持低发散性光束而言是很重要的，为的是使光学传播损耗达到最小。图4C示出了根据本发明的实施方式具有梯度补偿板416的分束器400，该梯度补偿板416校正入射到分束板204上的离轴光线。径向梯度补偿板416调节不同光线穿过梯度补偿板416的速度，使得平行的光线418从补偿板416中出射并具有均匀的波前。平行的出射光线418在分束板204上具有大致均匀的入射角。补偿板416可以分级用于补偿发散的光线，也可以分级用于补偿会聚的光线。注意到，补偿板中的梯度必须取向成使得从补偿板中出射的光线大致平行于光轴。

在本发明的某些实施方式中，径向梯度补偿板可以按许多不同的方式进行配置以补偿发散的光线。图5-10对应于许多不同的方式，补偿板可以按这些方式进行配置以补偿发散的光线。图5示出了根据本发明的实施方式配置的第一圆形梯度补偿板500的立体图。该梯度补偿板500包括五个分立的区域502-506，每个区域具有不同的相关联的折射率。图5也包括图508，轴510表示补偿板500的半径，轴512表示折射率n(r)的大小，曲线n(r)514表示与梯度补偿板500的中心516和外边缘之间的各个分立区域相关联的阶跃式折射率。曲线514表示穿过区域502的光线经历最大的延迟，而穿过区域506的光线经历最小的延迟。区域502-506可以是用公知的离子扩散技术形成的。与区域502-506相关联的折射率梯度是特定离子的不同浓度所导致的。在其它实施方式中，分立的同心区域的大小、宽度、个数等都可以改变。

图6示出了根据本发明的实施方式配置的第二圆形径向梯度补偿板600的立体图。梯度补偿板600包括一种平滑的梯度折射率，它是由平滑变化的阴影区域表示的。图6也包括图602，轴604表示补偿板600的半径，轴606表示折射率n(r)的大小，曲线n(r)608表示折射率从梯度补偿板600的中心610到外边缘以连续的方式不断减小。曲线608表示穿过梯度补偿板600的光线在中心610附近经历最大的延迟，朝着外边缘这种延迟逐渐地变小。这种平滑变化的折射率梯度是特定离子的平滑变化的浓度所导致的，这可以是用公知的离子扩散技术来形成的。注意到，曲线608表示折射率的非线性变化。在其它实施方式中，梯度补偿板600可以被配置成在中心610和外边缘之间呈接近线性的变化。

在其它实施方式中，通过将气泡和/或孔(被称为“缺陷”)引入到补偿板中，就可以形成梯度补偿板。图7示出了根据本发明的实施方式配置的基于缺陷的第三圆形径向梯度补偿板700的顶视图。这些缺陷是由圆圈表示的，比如圆圈702。图7显示了缺陷的浓度从中心704向外逐渐增大，其中，“缺陷浓度”是指每单位面积的缺陷个数。在其它实施方式中，缺陷的大小、形状、排列方式和浓度变化方式都可以改变。

通常，在基于缺陷的梯度补偿板中，具有相对较高的缺陷浓度的那些区域与具有相对较低的缺陷浓度的那些区域相比，具有相对较低的折射率。图8示出了根据本发明的实施方式配置的基于缺陷的梯度补偿板的缺陷浓度与相应的折射率之间的一般关系。轴802表示缺陷浓度，轴804表示折射率的大小，轴806表示基于缺陷的圆形径向梯度补偿板的半径。空心圆圈(比如808)表示沿着从基于缺陷的梯度补偿板的中心向外延伸的假想的线条的15个区域处的缺陷浓度，实心圆圈(比如810)表示与这15个区域中的每一个区域相关联的折射率。这些假想的数据点显示出，与缺陷浓度相对较低的那些区域相比，缺陷浓度相对较高的那些区域具有相对较低的折射率。

在其它实施方式中，通过在基板的一个表面上放置纳米线，可以形成梯度补偿板。图9示出了根据本发明的实施方式配置的基于纳米线的第四圆形梯度补偿板900的立体图。纳米线(比如902)被设置在基板904的一个表面上，并且纳米线和基板904可以由玻璃、丙烯酸或任何其它合适的透明电介质材料组成。图9显示出纳米线的浓度从梯度补偿板的中心906向外边缘逐渐地增大，其中，术语“纳米线的浓度”是指每单位面积的纳米线的个数。本发明的实施方式包括纳米线的长度、形状、直径和浓度等方面的变化。

通常，在基于纳米线的梯度补偿板中，具有相对较高的纳米线浓度的那些区域与具有相对较低的纳米线浓度的那些区域相比，具有相对较高的折射率。图10示出了根据本发明的实施方式配置的基于纳米线的梯度补偿板的纳米线浓度与相应的折射率之间的一般关系。轴1002表示纳米线浓度，轴1004表示折射率的大小，轴1006表示基于纳米线的圆形径向梯度补偿板的半径。空心圆圈(比如1008)表示沿着从基于纳米线的梯度补偿板的中心向外延伸的假想的线条的15个区域处的缺陷浓度，实心圆圈(比如1010)表示与这15个区域中的每一个区域相关联的折射率。这些假想的数据点显示出，与纳米线浓度相对较低的那些区域相比，纳米线浓度相对较高的那些区域具有相对较高的折射率。

在其它实施方式中，径向梯度补偿板可以按许多不同的方式进行配置以补偿会聚的光线。这可以通过如下实现：配置补偿板，使其具有径向上不断增大的折射率。图11示出了根据本发明的实施方式配置的第五圆形梯度补偿板1100的立体图。该梯度补偿板1100包括五个分立的区域1102-1106，每个区域具有不同的相关联的折射率。图11也包括与每个分立区域相关联的折射率n(r)1110的大小的图1108。折射率n(r)1110表示穿过区域1102的光线经历最小的延迟，而穿过区域1106的光线经历最大的延迟。在其它实施方式中，分立的同心区域的大小、宽度和个数都可以改变。

图12示出了根据本发明的实施方式配置的第六圆形径向梯度补偿板1200的立体图。梯度补偿板1200包括一种平滑的梯度折射率，它是由平滑变化的阴影区域表示的。图12还包括折射率n(r)1204的图1202，该图表示了折射率如何从梯度补偿板1200的中心1206到外边缘以连续的方式不断增大的。曲线608表示穿过梯度补偿板1200的光线在中心1206附近经历最小的延迟，朝着外边缘这种延迟逐渐地变大。在其它实施方式中，梯度补偿板1200可以被配置成在中心1206和外边缘之间呈接近线性的变化。

在其它实施方式中，梯度补偿板可以被配置使其缺陷浓度从中心起径向地逐渐减小或者使其纳米线的浓度从中心起径向地逐渐增大。

本发明的分束器实施方式包括：配置补偿板202和分束板，使其具有防反射涂层，从而减少幻像的形成。图13示出了根据本发明的实施方式具有防反射涂层的分束器1300。梯度补偿板416被夹在第一防反射涂层1302和第二防反射层1304之间，分束板204具有位于部分反射层212相反一面的防反射涂层1306。梯度补偿板416可以按上述进行径向分级。在某些实施方式中，防反射涂层1302、1304和1306可以是由氟化镁(“MgF4”)或其它合适的材料组成，其折射率与梯度补偿板416和分束板204相比相对较低。防反射涂层1302、1304和1306也可以是由玻璃或丙烯酸组成的，并且可以包括随机分布的缺陷(比如孔或气泡)，这些缺陷产生了比径向梯度补偿板416和分束板204相对更低的折射率。

为了解释，上面的描述使用了特定的术语，以对本发明作透彻的理解。然而，对于本领域技术人员而言，很明显，特定的细节不是实现本发明所必需的。上文关于本发明特定实施方式的描述是用于解释说明。并不打算穷尽或限定本发明至所揭示的那些精确的形式。很明显，考虑到上面的揭示，许多修改和变化都是可能的。上文所示出和描述的实施方式是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用，由此能使本领域的其它技术人员最佳地利用本发明和各种实施方式，在适合于特定的预期用途时可以做出各种修改。本发明的范围旨在由权利要求书及其等价方案来限定。

Claims (16)

1.一种分束器，包括：

补偿板，所述补偿板具有两个大约平行且相反的平面，其中所述补偿板使得穿过该补偿板的入射光束获得了第一光束偏移；

第一光波导，配置成支持所述补偿板并使其定位；

平板，所述平板具有两个大约平行且相反的平面，并且部分反射层涂敷了这两个平面中的至少一个，其中所述部分反射层将具有第一光束偏移的穿过所述平板的入射光束分成反射光束和透射光束，其中所述透射光束具有第二光束偏移；以及

第二光波导，配置成支持所述平板并使其定位，

其中所述第一光波导和所述第二光波导中的至少一个使所述补偿板和所述平板定位，以便所述第二光束偏移基本上抵消了第一光束偏移，使得透射光束大致平行于入射光束并且与入射光束对准。

2.如权利要求1所述的分束器，其特征在于，

所述平板的厚度基本上等于所述补偿板的厚度。

3.如权利要求1所述的分束器，其特征在于，

所述平板的厚度不同于所述补偿板的厚度。

4.如权利要求1所述的分束器，其特征在于，

第二光波导和第一光波导还包括下列之一：

中空金属波导；以及

固体电介质材料。

5.如权利要求1所述的分束器，其特征在于，

第二光波导和第一光波导中的至少一个被配置成使所述平板定位成基本上垂直于所述补偿板且相对于所述分束器的光轴成45度。

6.如权利要求1所述的分束器，其特征在于，

所述平板还包括玻璃或丙烯酸。

7.如权利要求1所述的分束器，其特征在于，

所述补偿板还包括梯度折射率。

8.如权利要求7所述的分束器，其特征在于，

所述梯度折射率从所述补偿板的中心起径向地不断增大。

9.如权利要求7所述的分束器，其特征在于，

所述梯度折射率从所述补偿板的中心起径向地不断减小。

10.如权利要求7所述的分束器，其特征在于，

所述梯度折射率还包括下列之一：

从所述补偿板的中心起向外以不断增大的浓度排列的缺陷；以及

从所述补偿板的中心起向外以不断减小的浓度排列的缺陷。

11.如权利要求10所述的分束器，其特征在于，

所述缺陷还包括下列之一：

至少部分程度地延伸至所述补偿板内的孔；以及

嵌入到所述补偿板中的气泡。

12.如权利要求7所述的分束器，其特征在于，

所述梯度折射率还包括下列之一：

从所述补偿板的一个平面大致垂直延伸排列的纳米线，纳米线的浓度朝着所述补偿板的中心不断增大；以及

从所述补偿板的一个平面大致垂直延伸排列的纳米线，纳米线的浓度朝着所述补偿板的中心不断减小。

13.如权利要求1所述的分束器，还包括：

防反射层，所述防反射层被放置在所述补偿板的两个相反的表面上以及所述平板的和所述部分反射层相反的表面上。

14.如权利要求13所述的分束器，其特征在于，

所述防反射层还包括折射率与所述补偿板相比相对较低的防反射材料。

15.如权利要求13所述的分束器，其特征在于，

所述防反射层还包括具有随机分布的气泡或孔的玻璃或丙烯酸层。

16.如权利要求1所述的分束器，还包括：

第二部分反射层，被放置在所述补偿板的表面上，使得所述分束器可以分离出第二反射光束。

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