LBTEK 平板透镜——技术说明

一、概述

LBTEK平板透镜是一种基于入射光的偏振态实现对光束会聚或发散的衍射光学元件，出射光的偏振态旋向与入射光的偏振态旋向相反，通过控制入射光的偏振态，能够调控会聚光斑和发散光斑的能量分布。平板透镜为平片结构的衍射器件，其衍射角sinθ=λ/p，θ为衍射角，λ为设计波长，p为沿径向的周期，周期结构连续变化使得平板透镜具有无球差特性，经过有效孔径的所有光线在径向不同周期位置处发生衍射使得所有光线正好能会聚到相同位置。

与传统透镜相比，平板透镜可通过调控入射光的偏振态来实现会聚透镜和发散透镜的转换，且无物理凹凸，更易于集成，因此有更大的应用前景。

二、产品结构

LBTEK平板透镜基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物材料制成，呈现为典型的“上下玻璃衬底+中间LCP功能层”的三明治结构，裸片无机械外壳。光学元件上标识如下——

图1 平板透镜产品结构示意图

• 在光学元件侧边标注有箭头，箭头指向为规定的光入射方向；
• 按照规定的入射方向经过平板透镜，若入射光为左旋圆偏光，则出射光为先会聚再发散的右旋圆偏光；若入射光为右旋圆偏振光，则出射光为发散的左旋圆偏光。

三、偏振特性

平板透镜是一种基于入射光的偏振态实现光束会聚或发散的衍射光学元件，通过控制入射光的偏振态能够调控出射光束会聚光斑和发散光斑的能量分布，且出射光的偏振态旋向与入射光偏振态旋向相反。按照规定的入射方向入射：

• 当入射光为非偏振光或线偏振光时，平板透镜同时有+1级和-1级衍射光；+1级衍射光为会聚的右旋圆偏振光，-1级衍射光为发散的左旋圆偏振光。
• 当入射光为左旋圆偏振光时，则只有+1级衍射光，衍射光为右旋圆偏振光，光斑先会聚后发散。
• 当入射光为右旋圆偏振光时，则只有-1级衍射光，衍射光为左旋圆偏振光，光斑发散。
• 当入射光为椭圆偏振光时，则同时存在+1级和-1级衍射光，并且两级衍射光束光强比值与入射光椭偏度相关。

图2.1 按照规定方向左旋圆偏光入射，出射右旋圆偏光，光斑先会聚后发散

图2.2 实际光束会聚效果

图3.1 按照规定方向右旋圆偏光入射，出射左旋圆偏光，光斑发散

图3.2 实际光束发散效果

四、参数说明

1. 衍射效率\( \eta \)

• 平板透镜作为一个衍射器件，除了大部分能量集中的±1级光斑，还存在零级等其他衍射级次光斑，因此定义平板透镜的衍射效率为：

\( \eta=\frac{I_1+I_{-1}}{\sum I_{all}} \times 100 \% \)

图4 平板透镜衍射效率实际测量示意图

• 平板透镜衍射效率实际测试方法如下：当激光器的出射光为准直线偏光时，按照规定入射方向正入射条件下，旋转1/4波片，使1/4波片的快轴方向与入射光的偏振方向成45°（以入射光偏振方向为基准），得到右旋圆偏振光，此时透过PB透镜之后只有发散的左旋圆偏振光。当在较远处观察时，发散光光强会发散的很弱， 而零级仍为准直的偏振光。这时测①处的光强记为I0，测②处的光强记为I1，则衍射效率：

\( \eta>\frac{I_0-I_1}{I_0} \times 100\% \)

2. 透镜发散角\( \theta \) 及焦距\( F \)

图5 平板透镜发散角及焦距示意图

• 发散角\( \theta \) ：平板透镜作为衍射光学元件，其主要是通过衍射原理来实现光的会聚或发散，对于准直平行光入射条件下，平板透镜衍射角近似等于出射光的发散角。平板透镜的衍射角θ受入射光波长λ和平板透镜通光孔径边缘周期p的共同影响，满足 \( sin\theta=\frac{\lambda}{p} \) 。
• 焦距\( F \) ：平板透镜焦距主要是利用通光孔径、发散角和焦距之间的三角函数关系来计算，满足 \( F=\frac{D}{2\times\tan\theta} \) 。

3. 透射光偏转

• 透射光偏转这一参数主要用来表征光学元件平行度，透射光偏转角度越接近0 °，平行度越好；
• 对于未安装机械外壳的光学元件来说，影响平行度的主要因素为保护玻璃的贴合，透射光偏转角度一般控制在1 arcmin以内。

4. 损伤阈值 

基于LCP材料的短波强吸收特性，平板透镜的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。LBTEK 平板透镜的损伤阈值参考值为：

• 2 J/cm^2@532 nm，10ns，10Hz；
• 10 J/cm^2@1064 nm，10ns，10Hz。

LBTEK 平板透镜——应用案例

1. VR/AR显示

图1 VR/AR显示系统示意图

LBTEK平板透镜作为平片结构更易于集成，通过一组平板透镜生成多个焦平面，可以将显示在平板显示器上的图像分配到多个深度，从而可以创建三维场景，如图所示，在不同的帧上，现实显示面板被PBLs成像为具有不同深度的虚拟面板。该系统得益于PBLs的平片集成及快速响应，能够为观看者提供高分辨率的3D场景。

2. 光谱共聚焦传感器

图2 光谱共聚焦原理示意图

平板透镜发散角满足公式：\( \sin{\theta}=\frac{\lambda}{p} \) ，λ为波长，p为沿径向的周期，当沿径向的周期连续变化一定时，改变入射波长，不同波长的光将会聚在不同位置处，利用这一特性，平板透镜可以应用于光谱共聚焦传感器。如图所示，当一束白光经过平板透镜之后，不同波长的光将会聚在不同位置处形成不同焦点，每个波长的焦点对应一个距离值。在进行测量时，会有某一波长的焦点会聚在被测物体表面上，该波长由于满足共焦条件，可以从被测物体表面反射回来经过小孔进入光谱仪，而其他波长的光会被小孔挡住，只有很小一部分进入光谱仪。通过光谱仪得到光谱曲线，分析光谱能量值就可知道穿过小孔的光线波长，从而得出被测物体到平板透镜的距离。

LBTEK 平板透镜——定制能力

*注：边缘最小周期指平板透镜通光孔径最边缘的相位变化周期，其与工作波长共同决定了平板透镜在该工作波长下的最大发散角和最短焦距。

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