CN109752841A - 光纤扫描器及投影显示设备、内窥镜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤扫描器，包括：壳体，封装在壳体内的光纤、致动器和投影物镜，其中：光纤包括纤芯和内包层；所述光纤固定在致动器上，一端超出致动器形成光纤悬臂，所述光纤悬臂出光端的纤芯端面上设置有微结构阵列，所述微结构阵列构成超表面，且微结构阵列的排布使该超表面带有光焦度；投影物镜设置在光纤悬臂出光光路上，用于对所述超表面的焦面进行成像。相应的，本发明还提供了一种采用前述光纤扫描器的投影显示设备和内窥镜，由于在光纤扫描器的纤芯端面设置了超表面，形成光焦度，使得纤芯端面形成一个投影面积小于端面的虚像，投影物镜对所述虚像进行聚焦成像，形成小光斑，能有效提升投影设备的分辨率。

Description

光纤扫描器及投影显示设备、内窥镜设备

技术领域

本发明涉及图像显示领域，尤其涉及一种光纤扫描器及采用该光纤扫描器的投影显示设备及内窥镜设备。

背景技术

光纤扫描技术是一种利用致动器控制光纤摆动从而出射光线照亮一个面的技术，该技术主要用在光纤扫描显示(FSD，Fiber scanning display)设备和光纤扫描内窥镜(FSE，Fiber scanning endoscope)中，具有扫描器体积小、成本低、亮度高等优势。

在FSD和FSE中，影响最终成像质量的因素有很多，例如：致动器驱动频率、光纤摆幅、出光光斑大小等。其中，出光光斑大小决定了出射图案的像素点大小。在FSD显示的图像中，像素点尺寸越小，像素点互相之间则能排列得更密集，图像分辨率提升潜力就越大，因此，如何缩小出光光斑大小，是光纤扫描技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤扫描器及采用该光纤扫描器的投影显示设备及内窥镜设备，解决光纤扫描技术中如何缩小光斑的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种光纤扫描器，包括：壳体，封装在壳体内的光纤、致动器和投影物镜，其中：光纤包括纤芯和内包层；所述光纤固定在致动器上，一端超出致动器形成光纤悬臂，所述光纤悬臂出光端的纤芯端面上设置有微结构阵列，所述微结构阵列构成超表面，且微结构阵列的排布使该超表面带有光焦度；投影物镜设置在光纤悬臂出光光路上，用于对所述超表面的焦面进行成像。

进一步的，所述微结构阵列的排布使该超表面带有正光焦度或负光焦度。

进一步的，所述微结构阵列中若干微结构整齐排布并且互相之间平移后可重合。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

相应的，本发明还提供了一种投影显示设备，所述投影显示设备包括至少一组上述任一种光纤扫描器。

相应的，本发明还提供了一种内窥镜设备，所述投影显示设备包括至少一组上述任一种光纤扫描器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在光纤悬臂出光端的纤芯端面上设置微结构阵列，所述微结构阵列构成超表面，且微结构阵列的排布使该超表面带有光焦度，带有光焦度的超表面可以改变纤芯端面出光方向，纤芯端面的光焦度为正或负，纤芯端面出射光将会直接聚焦到其焦面处，当光焦度为负时，焦面反向聚焦在纤芯内部，当光焦度为正是，焦面正向聚焦在纤芯端面出光光路上，焦面截面尺寸小于纤芯端面，投影物镜再对聚焦后的等效发光面进行成像则能得到更小尺寸的成像后的像素点，能有效缩小光斑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例中光纤扫描器的结构示意图；

图2为现有技术中光纤扫描器光纤端面为平面的出光示意图；

图3为本发明实施例中光纤扫描器的纤芯端面为设置负光焦超表面时，某个瞬时时刻光纤出光后的聚焦成像过程示意图；

图4为本发明实施例中设置在纤芯端面上带有光焦度的超表面结构的一种微观放大示意图；

图5为本发明实施例中设置在纤芯端面上带有光焦度的超表面结构的另一种微观放大示意图。

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。

本发明实施例的光纤扫描器适用于各种扫描模式的光纤扫描器，比如删格式扫描、螺旋式扫描等。

下面结合附图详细描述本发明方案。

参见图1，为本发明实施例中光纤扫描器的结构示意图，本发明实施例的光纤扫描器，包括壳体1，封装在壳体1内的光纤2、致动器3和投影物镜5，光纤2固定在致动器3上，一端超出致动器3形成光纤悬臂21，另一端连接光源4，所述光源4优选为激光光源。在图1中，11为致动器固定支架。

在现有常规技术中，光纤端面为平面，如图2所示，光纤包括纤芯23和内包层22，图2中纤芯端面231为平面。在投影物镜5的作用下，纤芯端面 231在图2中可以看做一个面光源，即图2中纤芯端面作为等效发光面，投影物镜5对等效发光面进行聚焦成像。聚焦后像素点的尺寸与端面尺寸有直接的关系，可以将其等效为纤芯端面通过投影物镜后的成像，因此若能将纤芯端面尺寸减小，则出光光斑尺寸能够进一步缩小。但是实际实施过程中，纤芯端面不能无止境的做小，光纤端面过小会降低入射光的耦入效率，难以满足系统的能量需求。

为此，本发明实施例提出在所述光纤悬臂出光端的纤芯端面上设置微结构阵列，所述微结构阵列构成超表面，且微结构阵列的排布使该超表面带有光焦度；带有光焦度的超表面可以改变纤芯端面出光方向，纤芯端面的光焦度为正或负，则纤芯端面将其焦面反向聚焦在纤芯内部或正向聚焦在纤芯端面出光光路上，焦面的截面尺寸小于纤芯端面，投影物镜再对焦面进行成像则能得到更小尺寸的成像后的像素点，能有效缩小光斑。

参见图3，为本发明实施例中光纤扫描器的纤芯端面为设置负光焦度超表面时，某个瞬时时刻光纤出光后的聚焦成像过程示意图；图3中实线为光线大致的走向示意，在纤芯端面处被散焦，其在纤芯内部反向聚焦为一个虚像，虚线为反向聚焦的大致走向示意，反向聚焦的虚像成像于焦面，该面形成的聚焦虚像6可以作为投影物镜的实物，该虚像6的尺寸，小于纤芯端面的尺寸。在本发明实施例中，投影物镜设置在距离虚像6一个物距距离，即虚像6处于投影物镜的物距位置上，投影物镜对虚像6进行聚焦成像，形成一个像素点，因此聚焦后像素点的尺寸与等虚像6截面面积有直接的关系，本发明实施例中，由于纤芯端面内凹形成负光焦度，使得虚像6截面面积小于纤芯端面为平面时的等效发光面截面，因此，可有效减小投射在投射面上的像素点尺寸。

图4、5列举了两种超表面层结构的微观放大图，在图4、5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：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)。

超表面上的微结构对不同状态的偏振光具有不同的响应(包括折射率和吸收系数)，因此其对偏振态的相位调制也具有差异性。可通过调节其旋转方位角来控制偏振光的相位延迟量。因此，改变平面上微结构的旋转角度的空间分布，可以用来控制圆偏振光在平面上所经历的相位的分布。当该相位分布相当于透镜所引入的相位分布(平方相位)时，该平面可以带有光焦度，原理参考文献：Dianmin Lin,Pengyu Fan,Erez Hasman,MarkL.Brongersma,“Dielectric gradient metasurface optical elements,”Science,345(6194):298-302(2014).。

在一种实施例中，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，如图4所示，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。

在另一种实施例中，超表面层由多层同心的圆环状结构构成，如图5，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；

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5，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。

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：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)，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。

上述本发明实施例的光纤扫描器，在工作过程中，如图1，光源4出射的光经过光纤的传播，从光纤悬臂21的纤芯端面出射后经过投影物镜5聚焦成像，期间光纤受致动器3驱动，光纤悬臂21以相交的两个方向摆动，摆动期间投影物镜5对所有摆动姿态的光纤悬臂末端纤芯端面进行聚焦成像，在投射面上一定积分时间内形成一副照射图案。由于本发明实施例在光纤端面设置了带光焦度的超表面，缩小了光斑，进而缩小了单个像素点尺寸，相同面积的照射图案则能容下更多的像素，能有效提高光纤扫描器扫描图案的分辨率。

本发明还公开了一种投影设备，采用上述实施例中的光纤扫描器，能有效提高投影设备的分辨率，实现高清投影。

本发明实施例中的光纤扫描器，除了用于投影显示设备，还可以用于内窥镜，出光光斑越小，则每一个照射点的光能密度越大，其亮度也越大，更便于图像采样。

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。

Claims (8)

1.一种光纤扫描器，其特征在于，包括：壳体，封装在壳体内的光纤、致动器和投影物镜，其中：

光纤包括纤芯和内包层；

所述光纤固定在致动器上，一端超出致动器形成光纤悬臂，所述光纤悬臂出光端的纤芯端面上设置有微结构阵列，所述微结构阵列构成超表面，且微结构阵列的排布使该超表面带有光焦度；

投影物镜设置在光纤悬臂出光光路上，用于对所述超表面的焦面进行成像。

2.如权利要求1所述的光纤扫描器，其特征在于，所述微结构阵列的排布使该超表面带有正光焦度或负光焦度。

3.如权利要求2所述的光纤扫描器，其特征在于，所述微结构阵列中若干微结构整齐排布并且互相之间平移后可重合。

4.如权利要求3所述的光纤扫描器，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。

5.如权利要求2所述的光纤扫描器，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。

6.如权利要求5所述的光纤扫描器，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。

7.一种投影显示设备，其特征在于，所述投影显示设备包括至少一组如权利要求1至6任一项所述的光纤扫描器。

8.一种内窥镜设备，其特征在于，所述内窥镜设备包括至少一组如权利要求1至6任一项所述的光纤扫描器。