本发明涉及光束扩展系统技术领域，尤其涉及一种光学系统及其光学装置。
背景技术：
mems振镜由于其体积小、频率高、重量轻而被广泛地应用在激光投影、激光显示和激光雷达中，mems振镜尺寸很小，直径仅仅为1～2mm。当mems振镜应用在激光显示系统中时，mems振镜扫描的是会聚光束，即光束焦点在显示屏上。由于受到mems振镜的直径和机械转角的限制，以激光显示屏为图像源的近眼显示系统，在人眼入瞳位置仅仅能够获取直径为1～2mm的光斑，人眼稍微一转动，就无法看到图像信息，因此，mems振镜直接扫描在显示屏上产生的激光图像源很难在近眼显示系统中得到广泛应用。当mems振镜应用在激光雷达系统或激光测距系统中时，由于mems振镜尺寸不超过2mm，mems振镜扫描后得到的平行光束直径也不会超过2mm，这导致照射到目标测量物体上光斑很小，由于目标测量物体会发生漫反射，因此，激光雷达系统或激光测距系统收到的返回光信号非常弱，这将会导致采用mems振镜扫描的激光雷达系统或激光测距系统很难得到广泛地应用。
为了解决mems振镜自身尺寸的限制，使mems振镜在以激光显示为图像源的近眼显示系统、激光雷达系统或激光测距系统中发挥mems振镜的优势，必须要解决由于mems尺寸小而导致整个光学系统出射的光斑小的问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出一种光学系统及其光学装置，能够扩展出射光束的发散角。
本发明提出的具体技术方案为：提供一种光学装置，所述光学装置包括振镜和光束扩展器，所述光束扩展器包括第一透镜阵列，所述第一透镜阵列由多个第一透镜阵列排布而成，所述第一透镜为正透镜或负透镜，入射到所述振镜上的光束被所述振镜反射至所述第一透镜阵列上，反射至所述第一透镜阵列上的光束的光斑直径大于所述第一透镜的通光孔径，以使经过所述第一透镜阵列后出射的光束的发散角大于反射至所述第一透镜阵列上的光束的发散角。
进一步地，所述光束扩展器还包括由多个第二透镜阵列排布而成的第二透镜阵列，所述第二透镜为正透镜或负透镜，所述第一透镜阵列位于所述第二透镜阵列与所述振镜之间，所述第二透镜阵列位于所述第一透镜阵列的后焦平面处，所述第一透镜与所述第二透镜一一正对对应，且所述第一透镜与所述第二透镜相同。
进一步地，所述振镜为微振镜，所述第一透镜和所述第二透镜为微透镜。
进一步地，所述光学装置还包括光束转换器，所述光束扩展器位于所述振镜和所述光束转换器之间，所述光束转换器将由所述光束扩展器出射至其上的光线转换为平行光线。
进一步地，所述光束转换器包括第三透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第一透镜为正透镜时，所述第三透镜的前焦平面与所述第一透镜阵列的后焦平面重合；所述第一透镜为负透镜时，所述第三透镜的前焦平面与所述第一透镜阵列的前焦平面重合，或所述光束转换器包括波导，所述第一透镜阵列位于所述波导的图像源的位置。
进一步地，所述光学装置还包括光束转换器，所述光束扩展器位于所述振镜和所述光束转换器之间，所述光束转换器将由所述光束扩展器出射至其上的光线转换为平行光线。
进一步地，所述光束转换器包括第三透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第一透镜为正透镜时，所述第三透镜的前焦平面与所述第一透镜阵列的后焦平面重合；所述第一透镜为负透镜时，所述第三透镜的前焦平面与所述第一透镜阵列的前焦平面重合，或所述光束转换器包括波导，所述第二透镜阵列位于所述波导的图像源的位置。
进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜均为平凸透镜或均为平凹透镜。
进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜均为平凸透镜，所述第一透镜的凸起和所述第二透镜的凸起彼此相对。
本发明还提供了一种光学系统，包括：
如上所述的光学装置；
控制器，用于控制所述光学装置进行工作。
本发明提供的光学装置包括第一透镜阵列，光束入射到所述振镜上后被反射至所述第一透镜阵列上，由于反射到所述第一透镜阵列上的光束的光斑直径大于第一透镜的通光孔径，因此，经过所述第一透镜阵列后的出射光束的发散角大于反射到所述第一透镜阵列上的光束的发散角，从而对振镜的出射光束的发散角进行扩展，解决了由于振镜尺寸限制而导致整个光学装置出射的光斑小的问题。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1为实施例一中光学装置的结构示意图；
图2为第一透镜阵列的排布方式示意图；
图3为实施例一中光学装置的另一结构示意图；
图4为实施例二中光学装置的结构示意图；
图5为实施例二中观察面上的光强分布示意图；
图6为实施例三中光学装置的结构示意图；
图7为实施例三中光学装置的另一结构示意图；
图8为实施例四中光学装置的结构示意图；
图9为实施例四中观察面上的光强分布示意图；
图10为实施例四中光学装置的另一结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
实施例一
参照图1，本实施例提供的光学装置包括振镜1和光束扩展器2。光束扩展器2包括第一透镜阵列21。第一透镜阵列21由多个第一透镜阵列排布而成，第一透镜为正透镜。光束l1入射到振镜1上后被其反射至第一透镜阵列21上，入射到第一透镜阵列21上的光束l2的光斑直径大于第一透镜的通光孔径，这样，经过第一透镜阵列21后出射的光束l3的发散角大于入射到第一透镜阵列21上的光束l2的发散角。因此，通过将入射到第一透镜阵列21上的光束的直径设置为大于第一透镜的通光孔径，使得光束经过第一透镜阵列21的传输规律不再受到几何光学中的拉格朗日光学不变量的限制，从而对振镜1的出射光束的发散角进行扩展，解决了由于振镜1尺寸限制而导致整个光学装置出射的光斑小的问题。其中，本实施例中的振镜为微振镜，例如，mems振镜，微振镜尺寸一般都比较小，通过本实施例的光学装置便可以解决整个光学装置出射的光斑小的问题。
具体的，为了便于对出射光束的光强分布进行观察，第一透镜阵列21呈正方形阵列或正六边形阵列。优选的，第一透镜为微透镜。第一透镜可以为凸透镜或平凸镜，为了能够减小第一透镜阵列21的厚度，本实施例中以第一透镜为平凸镜为例，如图1所示，第一透镜阵列21中每一个第一透镜的凸起方向相同，其中，第一透镜的凸起方向可以朝向振镜1或背离振镜1。当然，在其他实施例中，第一透镜的凸起方向也可以不同，只要能够使得经过第一透镜阵列21后出射的光束l3的发散角大于入射到第一透镜阵列21上的光束l2的发散角即可。
参照图2，本实施例中的振镜1为二维mems振镜，第一透镜阵列21呈正六边形排布。入射到振镜1上的光束为平行光束l1a或会聚光束l1b，光束经过振镜1反射后入射到第一透镜阵列21的光束l2也对应的为平行光束l2a或会聚光束l2b。入射到第一透镜阵列21的光束l2的光斑直径d与第一透镜的通光孔径r之间的关系为：r≤d≤2r。当然，在其他实施例中，入射到振镜1上的光束l1也可以为发散光束，由于振镜1的尺寸很小且第一透镜的尺寸在μm量级，发散光束或会聚光束经过振镜1反射后入射到第一透镜阵列21上的发散角非常小，因此，可以近似当成平行光。
光束l2经过第一透镜阵列21被第一透镜分割后会聚到第一透镜阵列21的后焦平面上，在第一透镜阵列21的后焦平面上形成多个光斑，这里，第一透镜阵列21的后焦平面指的是位于第一透镜阵列21背离振镜1的一侧且与第一透镜阵列21的距离为第一透镜的焦距f1的平面。以第一透镜阵列21呈正六边形排布为例，光束l2经过第一透镜阵列21后在第一透镜阵列21的后焦平面上形成7个聚焦光点(如图3所示)。当观察面4与第一透镜阵列21的距离远大于2f1时，在观察面4上即可以看到发散角得到扩展的光束l3的光强分布图。
参照图3，本实施例中的第一透镜也可以为负透镜，当第一透镜为负透镜时，其可以为凹透镜和平凹镜。以第一透镜为平凹镜为例，第一透镜阵列21中每一个第一透镜的凹陷方向相同，其中，第一透镜的凹陷方向可以朝向振镜1或背离振镜1。当然，在其他实施例中，第一透镜的凹陷方向也可以不同，只要能够使得经过第一透镜阵列21后出射的光束l3的发散角大于入射到第一透镜阵列21上的光束l2的发散角即可。经过第一透镜阵列21后出射的光束l3入射到观察面4上，在观察面4上即可以看到发散角得到扩展的光束l3的光强分布图。
本实施例还提供了一种光学系统，其包括控制器和上述光学装置。控制器用于控制上述光学装置进行工作。例如，通过控制器可以调节振镜1入射到第一透镜阵列21上的光束方向及光斑的大小，同时，控制器可以根据实际需要调节观察面4与第一透镜阵列21之间的距离以在观察面4上获得不同大小的光斑尺寸。
实施例二
参照图4，本实施例与实施例一的不同之处在于，光学装置还包括光束转换器3，光束扩展器2位于振镜1与光束转换器3之间，光束转换器3将由光束扩展器2出射至其上的光线转换为平行光线。光束转换器3包括第三透镜，第三透镜为正透镜，例如，第三透镜为凸透镜或平凸镜。以第一透镜为平凸镜为例，第三透镜的前焦平面与第一透镜阵列21的后焦平面重合。这里，第三透镜的前焦平面指的是位于光束转换器3朝向光束扩展器2的一侧且与光束转换器3的距离为f2的平面，f2为第三透镜的焦距。第三透镜的前焦平面与第一透镜阵列21的后焦平面重合即为第一透镜阵列21与第三透镜之间的距离为f1+f2。
参照图5，由于第三透镜的前焦平面与第一微透镜阵列21的后焦平面重合，光束l2被第一透镜阵列21分割后经过第三透镜后的光束l4平行出射并在观察面4上进行显示。其中，当观察面4位于第三透镜的后焦平面时，观察面4上的光束l4的光场的复振幅分布正好是第三透镜的前焦平面上的光束l3的光场的复振幅分布的傅里叶变换。这里，第三透镜的后焦平面指的是位于第三透镜背离光束扩展器2的一侧且与第三透镜的距离为f2的平面。利用菲涅尔衍射积分和傅里叶变换公式计算得到观察面4上的光强分布如图4所示，其中，计算公式如下：
其中，e1(x1,y1)是第一透镜阵列21输出的光场复振幅分布，λ是波长，k是波矢。图4的计算条件为：入射到第一透镜阵列21上的光束的直径为32μm，单个微透镜的通光孔径为14μm，λ＝520nm，观察面4上的光强分布为i＝|e3(x3,y3)|2。
本实施例中通过设置第三透镜并使得第三透镜的前焦平面与第一透镜阵列21的后焦平面重合，这样，通过光束转换器3后的光束平行出射，出射光束的光斑大小不会改变，从而当观察面4与第一透镜阵列21的距离较远时，在观察面4上能够获得汇聚的光束。
当然，本实施例中的第一透镜也可以为负透镜。当第一透镜为负透镜时，第三透镜的前焦平面与第一透镜阵列21的前焦平面重合即第一透镜阵列21与第三透镜之间的距离为f2-f1，通过光束转换器3后的光束平行出射。
在其他实施方式中，光束转换器3也可以包括波导，其中，第一透镜阵列21位于波导的图像源的位置，通过波导也可以实现将由光束扩展器2出射至其上的光线转换为平行光线。
实施例三
参照图6，本实施例与实施例一的不同之处在于，光束扩展器2还包括第二透镜阵列22。第二透镜阵列22由第二透镜阵列排布而成，第二透镜为正透镜。第一透镜阵列21位于第二透镜阵列22与振镜1之间，其中，第二透镜阵列22位于第一透镜阵列21的后焦平面上。
第二透镜阵列22呈正方形阵列或者正六边形阵列。第二透镜为微透镜且为凸透镜或平凸镜。本实施例中，第二透镜阵列22在形状和结构可以和第一透镜阵列21一样，也可以和第一透镜阵列21不一样。优选的，第二透镜阵列22中的第二透镜与第一透镜阵列21中的第一透镜一一正对对应，且第一透镜与第二透镜相同。第一透镜阵列21和第二透镜阵列22可以是相互分离的两个结构，也可以是一个整体结构。为了能够减小光束扩展器2的整体厚度，本实施例中第二透镜阵列22中的第二透镜为平凸镜，如图5所示，第一透镜的凸起方向与第二透镜的凸起方向相反且彼此相对。
由于第二透镜阵列22位于第一透镜阵列21的后焦平面上，光束l2被第一透镜阵列21中的第一透镜分割后入射到第二透镜阵列22中的第二透镜时经过第二透镜的光心，出射的光束l5方向不变，但是，经第二透镜阵列22出射后的光束l5是多个聚焦光点的光场的叠加，并且第二透镜阵列22对第一透镜阵列21分割后的光场分布做进一步的相位调制，因此，通过第二透镜阵列22可以使得出射光束l5的光强分布均匀性更好。
本实施例中的光学装置可以应用于激光雷达或激光测距系统中。其中，观察面为待测物体，利用第一透镜阵列21和第二透镜阵列22将振镜1反射的细小光束扩展为具有大发散角的光束后照射到待测物体上，从而极大地提高了振镜在激光雷达或测距系统的应用潜力。
参照图7，本实施例中的第二透镜也可以为负透镜，当第二透镜为负透镜时，其可以为凹透镜和平凹镜。以第一透镜和第二透镜均为平凹镜为例，第二透镜阵列22中的第二透镜与第一透镜阵列21中的第一透镜一一正对对应，且第一透镜与第二透镜相同。如图7所示，第一透镜的凹陷方向与第二透镜的凹陷方向相反且彼此相对。经过第二透镜阵列22后出射的光束l5入射到观察面4上，在观察面4上即可以看到发散角得到扩展的光束l5的光强分布图。
实施例四
参照图8，本实施例与实施例三的不同之处在于，光学装置还包括光束转换器3，第二透镜阵列22位于第一透镜阵列21与光束转换器3之间。光束转换器3包括第三透镜，第三透镜为正透镜，例如，第三透镜为凸透镜或平凸镜。当第一透镜和第二透镜为正透镜时，第二透镜阵列22位于第三透镜的前焦平面处。第三透镜的前焦平面指的是位于光束转换器3朝向光束扩展器2的一侧且与光束转换器3的距离为f2的平面，f2为第三透镜的焦距。
参照图9，由于第二透镜阵列22位于第三透镜的前焦平面处，光束l2被第一透镜阵列21分割后经过第一透镜阵列21得到光束l3，第二透镜阵列22不改变光束l3的方向，光束l3经过第二透镜阵列22后得到光束l5，光束l5经过第三透镜后得到平行光束l6并在观察面上进行显示。其中，当观察面位于第三透镜的后焦平面时，观察面上的光束l6的光场的复振幅分布正好是第三透镜的前焦平面上的光束l5的光场的复振幅分布的傅里叶变换且观察面上的光束l6的光场分布是多个光点傅里叶变换后光场的叠加，即光束l2被第一透镜阵列21分割后多个聚焦光点的夫琅和费衍射场的叠加。利用菲涅尔衍射积分和傅里叶变换公式计算得到观察面上的光强分布如图7所示，其中，计算公式如下：
其中，
参照图10，在本实施例中，本实施例中的第一透镜和第二透镜也可以为负透镜，以第一透镜和第二透镜均为平凹镜为例，第二透镜阵列22中的第二透镜与第一透镜阵列21中的第一透镜一一正对对应，且第一透镜与第二透镜相同。如图7所示，第一透镜的凹陷方向与第二透镜的凹陷方向相反且彼此相对。此时，第三透镜的前焦平面与第一透镜阵列21的前焦平面重合即第一透镜阵列21与第三透镜之间的距离为f2-f1，光束l2被第一透镜阵列21分割后经过第一透镜阵列21得到光束l3，第二透镜阵列22不改变光束l3的方向，光束l3经过第二透镜阵列22后得到光束l5，光束l5经过第三透镜后得到平行光束l6并在观察面上进行显示。
在其他实施方式中，光束转换器3也可以包括波导，其中，第二透镜阵列22位于波导的图像源的位置，通过波导也可以实现将由光束扩展器2出射至其上的光束转换为平行光束。
本实施例中的光学装置包括光束转换器3，当观察面4与第一透镜阵列21的距离较远时，在观察面4上能够获得汇聚的光束。
本实施例中的光学装置可以应用于近眼显示系统中，其中，观察面4的位置为人眼的入瞳位置，由于光束扩展器2出射的光束具有大的发散角，经光束转换器3后形成平行光束，入射到观察面4上的光斑的大小等于或大于人眼的入瞳尺寸，所以，即使人眼转动也不会丢失看到的图像信息。
本实施例中的光学装置也可以应用于激光共聚焦系统中，其中观察面为物镜的入瞳，利用光束扩展器2的扩展功能大大简化激光共聚焦系统中光束扩束光学结构，另外，本实施例中的振镜为二维mems振镜，从而进一步简化了激光共聚焦系统的扫描装置。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。