CN108803061A - 一种折叠光路的光学放大模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学放大领域，提出一种折叠光路的光学放大模组，包括共光路依次设置的成像透镜、相位延迟片和圆偏光透反选择器，本发明在使用时，线性偏振的光学图像依次通过上述三个器件，在相位延迟片对经过的光学图像进行偏振转化及圆偏光透反选择器对圆偏光的透反选择下，光学图像两次经过成像透镜，因此被两次放大，本发明的光学放大模组的实际系统长度小于等效系统长度，系统只需采用三个器件便可在短距离条件下实现光学放大；总体而言，本发明的调节难度低，光路复杂程度低，不存在过多的不确定性。

Description

一种折叠光路的光学放大模组

技术领域

本发明涉及光学放大领域，尤其涉及一种折叠光路的光学放大模组。

背景技术

现有的具有矫像差功能的短距离光学放大模组如图1所示，其由图像源、第一相位延迟片、第二相位延迟片、具有弯曲面的一个部分透射部分反射镜、一个反射型偏振片构成。假设图中反射型偏振片为反射水平方向偏振光且透射垂直方向线偏振光，假设图像源发出垂直方向线偏振的光学图像，并经过第一相位延迟片变为第一圆偏振的光学图像，第一圆偏振的光学图像经过部分透射部分反射镜被第一次放大，然后经过第二相位延迟片变为水平方向线偏振的光学图像，则水平方向线偏振的光学图像被反射型偏振片反射回来，再次经过第二相位延迟片，变为第二圆偏振的光学图像，然后光线经过部分透射部分反射镜的半反半透面放大式反射回来一部分，反射回来的第二圆偏振的光学图像第三次经过第二相位延迟片，变为垂直方向线偏振光(如竖直线偏光)，穿过反射型偏振片到达人眼，整个过程部分透射部分反射镜对光学图像进行了两次放大，在两次反射过程中扩大了其视场角。这种结构较为复杂，相位延迟片较多，使得两个相位延迟片之间快轴的角度配合的精确性下降，增大了系统的不确定性以及误差。

发明内容

本发明实施例提供一种折叠光路的光学放大模组，减小光路的复杂度，降低系统的调节难度及不确定性。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种折叠光路的光学放大模组，其设置于图像源的出射光路上，包括共光路依次设置的成像透镜、相位延迟片和圆偏光透反选择器，其中，所述成像透镜的光焦度为正，靠近图像源的光学面为镀膜光学面，所述成像透镜透射并放大部分或全部由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像；所述相位延迟片布置于透过成像透镜后具有第一线性偏振方向的光学图像的光路上，所述相位延迟片用于将该光学图像的偏振方向由第一线性偏振方向转换为第一圆偏振方向后传输至圆偏光透反选择器；所述圆偏光透反选择器用于反射第一圆偏振方向的光学图像至相位延迟片，所述相位延迟片还用于将被反射的具有第一圆偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二线性偏振方向并传输至成像透镜；所述成像透镜放大并反射部分或全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片，所述相位延迟片还用于将被反射的具有第二线性偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二圆偏振方向并传输至圆偏光透反选择器，所述圆偏光透反选择器还用于透射具有第二圆偏振方向的光学图像。

本发明的光学放大光路如下：

当第一线性偏振方向的光学图像透射过成像透镜时，被具有放大功能的成像透镜第一次放大；

随后第一线性偏振方向的光学图像经过相位延迟片后偏振方向转化为第一圆偏振方向，然后被圆偏光透反选择器反射回来再一次经过相位延迟片被转换为具有第二线性偏振方向的光学图像；

第二线性偏振方向的光学图像照射至成像透镜上被部分或全部反射，反射部分被成像透镜第二次放大后通过相位延迟片转换为具有第二圆偏振方向的光学图像；

具有第二圆偏振方向的光学图像透过圆偏光透反选择器后出射。

进一步地，第一线性偏振方向与第二线性偏振方向正交，第一圆偏振方向与第二圆偏振方向反向。

进一步地，相位延迟片选自1/4波片，其快轴方向与第一线性偏振方向呈45°。

在实际使用中，需要精确调节的只有相位延迟片快轴与第一线性偏振方向的角度差值；当该角度差值精确调节为45°时，相位延迟片可将第一线性偏振方向转化为偏振方向为正圆形的第一圆偏振方向；若该角度差值在45°左右时，第一圆偏振方向为椭圆形，最终从圆偏光透反选择器出射的光学图像将含有杂散光。在保证相位延迟片快轴与第一线性偏振方向的角度差值为45°时，在相位延迟片的作用下，第一线性偏振方向便可与第二线性偏振方向正交，同时第一圆偏振方向与第二圆偏振方向相反。

进一步地，所述圆偏光透反选择器为表面附有超表面层的可透射平板，所述超表面层为金属或介电材料。

进一步地，所述超表面层由多个微结构构成，多个所述微结构整齐排布并且互相之间平移后可重合。

进一步地，所述微结构为平面手性体，微结构两个端点的直线距离小于380nm。

此种由平面手性体的微结构构成的超表面层具有对圆偏光进行选择性透射或反射的光学性质(原理见参考文献[2])，并且微结构的尺寸达到两个端点距离小于380nm，即小于可见光波长范围的最小值才可对圆偏光进行透射/反射。

进一步地，所述超表面层由多层同心的圆环状结构构成；每层圆环状结构由多个微结构构成以形成圆环状，任意两个所述的微结构之间均平移后可重合，所述微结构为平面手性体，微结构两个端点的直线距离小于380nm。

进一步地，相邻的圆环状结构中的微结构互相之间具有角度差，所述角度差与相邻两个圆环状结构半径的平方差成正比。

根据公式：

其中，E_in为入射光场，E_out为出射光场，J₊为左旋圆偏光的琼斯矩阵，J_-为右旋圆偏光的琼斯矩阵，R(-Ψ)为空间坐标系旋转矩阵，Ψ为旋转角，W(-π)为半波片的琼斯矩阵；由上式可以看出，当输入光为圆偏振光时，经过一个半波片，出射光变为一束旋转方向相反的圆偏振光，并且引入一个和半波片快轴的空间方位角有关的相位，该相位也叫做几何相位或Pancharatnam-Berry Phase；通过改变空间方位角来调控引入相位多少的方法叫做几何相位调控。超表面层上的微结构等效于微型的半波片(原理见参考文献[1])，它们的旋转角度为半波片的快轴的空间方位角。当平面上不同位置上的微结构旋转角度不同时，经过平面上不同位置的圆偏振光所引入的相位也不同。因此，可以通过改变平面上微结构的旋转角度的空间分布，来控制圆偏振光在平面上所经历的相位的分布，当该相位分布和透镜所引入的相位分布(平方相位)相同时，该平面可以带有光焦度；

本发明中，在相邻两个圆环状结构中，当分别位于两个圆环状结构中的微结构的角度差值与对应的两个圆环状结构半径的平方差成正比时，能够使所述超表面层引入的相位分布等效于一个成像透镜能够引入的相位分布(原理见参考文献[3])，因此相当于引入了光焦度；相当于在系统中添加了一个成像透镜，增加了光学系统中的调节自由度，以用于提高成像质量。因此，圆偏光透反选择器不仅即起到了对圆偏光选择性透射/反射的作用，又起到了等效于成像透镜的光焦度调节作用。

进一步地，所述成像透镜包括一个具有曲率的光学面，所述具有曲率的光学面上覆有部分透射部分反射膜，具有曲率的所述光学面的弯曲方向远离相位延迟片，所述成像透镜透射并放大部分由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像，同时放大并反射部分具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片。这种采用曲面放大最为常见，其成本也较低。

进一步地，所述成像透镜包括一个具有曲率的光学面，所述具有曲率的光学面上覆有反射式偏振膜，具有曲率的所述光学面的弯曲方向远离相位延迟片，所述成像透镜透射并放大全部由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像，同时放大并反射全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片。采用反射式偏振膜时，可透射全部图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像并反射全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片，使本发明的光学放大模组在工作过程中不会损耗光的能量，提高能量利用率。

进一步地，所述成像透镜具有曲率的光学面的对侧面为平整光学面，所述相位延迟片贴覆在所述平整光学面上。可以节省本发明的结构体积，使相位延迟片无需再独占一个空间位置，并且在相位延迟片的快轴设定好角度后再贴覆在平整光学面上可使相位延迟片的快轴方向不易改变，使相位延迟片对光学图像的偏振方向改变功能更为稳定。

通过使用本发明，可以产生以下有益效果：在本发明的光学放大模组中光学图像被成像透镜两次放大，光学图像完成两次反射，扩大了视场角，本发明的光学放大模组的实际系统长度小于等效系统长度，系统只需采用三个器件便可在短距离条件下实现光学放大，缩短了放大模组的尺寸和体积；总体而言，本发明的调节难度低，光路复杂程度低，不存在过多的不确定性，非常适于用在光纤扫描显示系统中以做放大光路。

附图说明

图1为现有的一种折叠光路的光学放大模组的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种折叠光路的光学放大模组的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的圆偏光透反选择器上的一种超表面层结构微观放大示意图；

图4为本发明实施例提供的圆偏光透反选择器上的另一种超表面层结构微观放大示意图。

附图标记：1-圆偏光透反选择器；2-相位延迟片；3-成像透镜；4-图像源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图2所示，一种折叠光路的光学放大模组，其设置于图像源4的出射光路上，包括共光路依次设置的成像透镜3、相位延迟片2和圆偏光透反选择器1；所述成像透镜3的光焦度为正，靠近图像源4的光学面为镀膜光学面，成像透镜3透射并放大部分或全部由图像源4出射的具有第一线性偏振方向的光学图像；相位延迟片2布置于透过成像透镜3后具有第一线性偏振方向的光学图像的光路上，相位延迟片2将该光学图像的偏振方向由第一线性偏振方向转换为第一圆偏振方向后传输至圆偏光透反选择器1；圆偏光透反选择器1反射第一圆偏振方向的光学图像至相位延迟片2，相位延迟片2将被反射的具有第一圆偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二线性偏振方向并传输至成像透镜3；成像透镜3反射部分或全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片2，剩余部分具有第二线性偏振方向的光学图像透射过成像透镜3，成像透镜3同时放大具有第一线性偏振方向的光学图像及具有第二线性偏振方向的光学图像，相位延迟片2还用于将具有第二线性偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二圆偏振方向并传输至圆偏光透反选择器1，圆偏光透反选择器1还用于透射具有第二圆偏振方向的光学图像。

本发明的光学放大过程如下：

当第一线性偏振方向的光学图像透射过成像透镜3时，被具有放大功能的成像透镜3第一次放大；

随后第一线性偏振方向的光学图像经过相位延迟片2后偏振方向转化为第一圆偏振方向，然后被圆偏光透反选择器1反射回来再一次经过相位延迟片2被转换为具有第二线性偏振方向的光学图像；

第二线性偏振方向的光学图像照射至成像透镜3上被部分透射部分反射，反射部分被成像透镜3第二次放大后通过相位延迟片2转换为具有第二圆偏振方向的光学图像；

具有第二圆偏振方向的光学图像透过圆偏光透反选择器1后出射；

总体而言，光学图像被反射两次，扩大了视场角，实现了光学放大。

具体的，第一线性偏振方向与第二线性偏振方向正交，第一圆偏振方向与第二圆偏振方向反向，相位延迟片2选自1/4波片，其快轴方向与第一线性偏振方向呈45°。

圆偏光透反选择器1为表面附有超表面层的可透射平板，该平板可以是透镜或玻璃等，超表面层为金属或介电材料；超表面层由多个微结构构成，多个微结构整齐排布并且互相之间可平移后重合，优选地，微结构为平面手性体，微结构两个端点的直线距离小于可见光波段的最小波长380nm；

在本实施例中，图像源4出射光学图像的第一线性偏振方向设定为垂直方向线偏振光，调整相位延迟片2快轴与第一线性偏振方向的夹角使第一圆偏振方向为左旋圆偏振光，相位延迟片选自1/4波片，其快轴方向与第一线性偏振方向呈45°；同时，圆偏光透反选择器1的透反性质为反射左旋圆偏振光并透射右旋圆偏振光，该性质在圆偏光透反选择器1的制作完成时便被确定，附于其上的超表面层结构的微观放大图如图3、4所示，在图3、4中这种由类似于正“Z”字型平面手性体构成的超表面结构的透反性质为反射左旋圆偏振光并透射右旋圆偏振光(原理见参考文献[2])；

圆偏光透反选择器1反射第一圆偏振方向的光学图像至相位延迟片2，相位延迟片2再将其接收到的具有第一圆偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二线性偏振方向并传输至成像透镜3；

成像透镜3反射一部分接收到的第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片2，剩余部分第二线性偏振方向的光学图像透射过成像透镜3；成像透镜3在第一线性偏振方向的光学图像及第二线性偏振方向的光学图像通过其自身的时候对两者进行光学放大。优选地，成像透镜包括一个具有曲率的光学面，成像透镜3附在具有曲率的光学面上，具有曲率的所述光学面的弯曲方向远离相位延迟片2；相位延迟片2将具有第二线性偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二圆偏振方向并传输至圆偏光透反选择器1，圆偏光透反选择器1此时则透射具有第二圆偏振方向的光学图像，本实施例中的第二圆偏振方向指的是右旋圆偏振方向；至此，本实施例实现了在一个固定结构的光学系统中对光学图像进行了二次放大，其放大的主要作用器件在于成像透镜3、相位延迟片2和圆偏光透反选择器1，实现放大功能的实际系统长度小于等效系统长度，即实现了利用折叠光路进行光学放大。

实施例2：

在基于实施例1中的结构下，在本实施例中，如图4所示，超表面层由多层同心的圆环状结构构成；每层圆环状结构由多个微结构构成从而形成圆环状，任意两个所述的微结构之间均可平移后重合，每个微结构为平面手性体，微结构两个端点的直线距离小于380nm，此结构的超表面层便可以实现对圆偏光进行透反选择，同样，这种由类似于正“Z”字型平面手性体构成的超表面结构的透反性质为反射左旋圆偏振光并透射右旋圆偏振光(原理见参考文献[2])；

此外，相邻的圆环状结构中的微结构互相之间具有角度差，参照图4，该角度差指相邻圆环中“Z”字型微结构的中间竖线的角度差，与相邻两个圆环状结构半径的平方差成正比；微结构以此种分布排列方式为经过的圆偏振光引入相位分布，其等效于一个透镜，即使本发明中的超表面层带有光焦度；本实施例实现了在利用折叠光路放大光学图像的同时，无需再添加器件便可引入光焦度，增加了本光学系统的调节自由度。

实施例3：

在基于实施例1及实施例2的情况下，圆偏光透反选择器1的透反性质可制作为反射右旋圆偏振光并透射左旋圆偏振光，此时只需相应地调节相位延迟片2快轴角度或第一线性偏振方向使得第一圆偏振方向为左旋圆偏振光即可，此种适应性调节方式比较简单，在此不做赘述。关于圆偏光透反选择器1的透反性质在制作完成后便被确定。

实施例4：

在基于实施例1中的结构下，唯一不同的是图像源4、成像透镜3、相位延迟片2和圆偏光透反选择器1共光轴设置，比起共光路设置可使整个系统的调节难度降低，其他器件配置方式均不变。同时也可在实现相同效果的前提下，最大程度缩小本发明折叠光路的尺寸。

实施例5：

在基于实施例1～4任意一种结构下，成像透镜3包括一个具有曲率的光学面，具有曲率的光学面上覆有部分透射部分反射膜，具有曲率的所述光学面的弯曲方向远离相位延迟片2，成像透镜3透射并放大部分由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像，同时放大并反射部分具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片2。在上述两个过程中，一部分光会被损耗，此种方案的优点在于不必调节成像透镜沿光轴的旋转角度便可正常进行透射及反射工作。优选地，成像透镜3具有曲率的光学面的对侧面为平整光学面，相位延迟片2贴覆在所述平整光学面上。可以节省本发明的结构体积，使相位延迟片2无需再独占一个空间位置，并且在相位延迟片2的快轴设定好角度后再贴覆在平整光学面上可使相位延迟片2的快轴方向不易改变，使相位延迟片2对光学图像的偏振方向改变功能更为稳定。

实施例6：

在基于实施例1～4任意一种结构下，成像透镜3包括一个具有曲率的光学面，具有曲率的光学面上覆有反射式偏振膜，具有曲率的光学面的弯曲方向远离相位延迟片2，成像透镜3透射并放大全部由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像，同时放大并反射全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片2。在使用本实施例的结构时，需要调节反射式偏振膜的透光轴和阻光轴，使其能够透射全部第一线性偏振方向的光学图像并反射全部第二线性偏振方向的光学图像，虽然需要多做一些调节工作，但其能够使本发明不会损耗光能，解决了实施例5中比较负面的技术问题。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

参考文献

[1]林荃芬,“平面手性微结构的光学性质,”哈尔滨,哈尔滨工业大学,2007。

[2]Zhijie Ma,Yi Li,Yang Li,Yandong Gong,Stefan A.Maier,and MinghuiHong,“All-dielectric planar chiral metasurface with gradient geometricphase,”Opt.Express,26(5):6067-6078(2018).

[3]Dianmin Lin,Pengyu Fan,Erez Hasman,Mark L.Brongersma,“Dielectricgradient metasurface optical elements,”Science,345(6194):298-302(2014).

Claims (11)

1.一种折叠光路的光学放大模组，其设置于图像源的出射光路上，其特征在于：包括共光路依次设置的成像透镜、相位延迟片和圆偏光透反选择器，其中，

所述成像透镜的光焦度为正，靠近图像源的光学面为镀膜光学面，所述成像透镜透射并放大部分或全部由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像；

所述相位延迟片布置于透过成像透镜后具有第一线性偏振方向的光学图像的光路上，所述相位延迟片用于将该光学图像的偏振方向由第一线性偏振方向转换为第一圆偏振方向后传输至圆偏光透反选择器；

所述圆偏光透反选择器用于反射第一圆偏振方向的光学图像至相位延迟片，所述相位延迟片还用于将被反射的具有第一圆偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二线性偏振方向并传输至成像透镜；

所述成像透镜放大并反射部分或全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片，所述相位延迟片还用于将被反射的具有第二线性偏振方向的光学图像的偏振方向转换为第二圆偏振方向并传输至圆偏光透反选择器，所述圆偏光透反选择器还用于透射具有第二圆偏振方向的光学图像。

2.根据权利要求1所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：第一线性偏振方向与第二线性偏振方向正交，第一圆偏振方向与第二圆偏振方向反向。

3.根据权利要求1所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：相位延迟片选自1/4波片，其快轴方向与第一线性偏振方向呈45°。

4.根据权利要求1所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述圆偏光透反选择器为表面附有超表面层的可透射平板，所述超表面层为金属或介电材料。

5.根据权利要求4所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述超表面层由多个微结构构成，多个所述微结构整齐排布并且互相之间平移后可重合。

6.根据权利要求5所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述微结构为平面手性体，微结构两个端点的直线距离小于380nm。

7.根据权利要求4所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述超表面层由多层同心的圆环状结构构成；

每层圆环状结构由多个微结构构成以形成圆环状，任意两个所述的微结构之间均平移后可重合，所述微结构为平面手性体，微结构两个端点的直线距离小于380nm。

8.根据权利要求7所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：相邻的圆环状结构中的微结构互相之间具有角度差，所述角度差与相邻两个圆环状结构半径的平方差成正比。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述成像透镜包括一个具有曲率的光学面，所述具有曲率的光学面上覆有部分透射部分反射膜，具有曲率的所述光学面的弯曲方向远离相位延迟片，所述成像透镜透射并放大部分由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像，同时放大并反射部分具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片。

10.根据权利要求1～8任意一项所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述成像透镜包括一个具有曲率的光学面，所述具有曲率的光学面上覆有反射式偏振膜，具有曲率的所述光学面的弯曲方向远离相位延迟片，所述成像透镜透射并放大全部由图像源出射的具有第一线性偏振方向的光学图像，同时放大并反射全部具有第二线性偏振方向的光学图像至相位延迟片。

11.根据权利要求1～8任意一项所述的一种折叠光路的光学放大模组，其特征在于：所述成像透镜具有曲率的光学面的对侧面为平整光学面，所述相位延迟片贴覆在所述平整光学面上。