CN103293649B - 透镜光学设备及基于透镜光学设备的光路传播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜光学设备及基于透镜光学设备的光路传播方法。固定在准直界面上的准直透镜接收激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面处进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面发生反射和折射，反射光束传播至与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面，固定在第一聚焦界面上的第一聚焦透镜将传播至的反射光束进行聚焦，传播至光检测器以进行检测；折射光束传播至与折射光束传播方向垂直的折射调节界面处发生透射，透射至第二全内反射界面发生全内反射，传播至第二聚焦界面；固定在第二聚焦界面上的第二聚焦透镜将传播至的反射光束进行聚焦，传播至光纤。应用本发明，可以提高光纤传播效率，降低透镜光学设备成本。

Description

透镜光学设备及基于透镜光学设备的光路传播方法

技术领域

本发明涉及光传播技术，尤其涉及一种透镜光学设备及基于透镜光学设备的光路传播方法。

背景技术

在光学设备中，透镜光学设备通过模块组合，可实现对光路的转向，并可对光路进行聚焦，广泛应用于激光系统中。在激光系统中，通常采用组合的大直径聚焦透镜组模块、广角镜组模块等对激光器输出的光路进行转向和聚焦，并通过设置探测光路，采集光路中的光信号，以监控激光器工作状态，从而对激光器输出光路的激光光强进行调节。但现有基于半导体的微制造技术中，各模块独立制造，实现内置转向、聚焦及探测的透镜光学设备制造成本昂贵；进一步地，基于半导体微制造技术实现的透镜光学设备，在将光路中的激光传播至外部的光纤时，还需要调节透镜光学设备中各模块的相对位置，以实现光路的转向和聚焦，安装调试复杂；而且，传播至光纤的光路，对聚焦光斑要求较高，而现有的透镜光学设备，只能实现对传播至光纤的光路的初略聚焦，聚焦效率较低，光路能量分散，使得光纤传播效率下降。

发明内容

本发明的实施例提供一种透镜光学设备，降低透镜光学设备成本、提高光纤传播效率。

本发明的实施例还提供一种基于透镜光学设备的光路传播方法，降低透镜光学设备成本、提高光纤传播效率。

为达到上述目的，本发明实施例提供的一种透镜光学设备，该透镜光学设备包括：多面体单元、准直透镜、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜，其中，多面体单元采用聚合物材料一体成型，至少包括：第一全内反射界面、折反射交界面、第二全内反射界面、折射调节界面、第一聚焦界面、第二聚焦界面以及准直界面，其中，

准直透镜固定在准直界面上，接收外部有源光学器件发射出的激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面；

第一全内反射界面与准直界面成预先设置的第一全内反射角度，将传播的激光束进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面；

折反射交界面与准直界面成预先设置的第二角度，将在透镜光学设备中传播的第一全内反射光束分别进行反射和折射，反射光束在透镜光学设备中传播至第一聚焦界面；折射光束通过透镜光学设备外的介质传播至折射调节界面；

第一聚焦透镜固定在与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面上，将传播至的反射光束进行聚焦，传播至外部光检测器；

折射调节界面与折射光束传播方向垂直，将折射光束透射至第二全内反射界面；

第二全内反射界面与准直界面成预先设置的第三全内反射角度，将传播至的折射光束进行全内反射，形成第二全内反射光束，传播至第二聚焦界面；

第二聚焦透镜固定在与第二全内反射光束传播方向垂直的第二聚焦界面上，将传播至的第二全内反射光束进行聚焦，传播至外部光纤。

较佳地，所述准直界面为水平面，准直界面与有源光学器件发射的激光束的中心光线传播方向相垂直，所述准直透镜与外部有源光学器件的发光点之间的距离设置为准直透镜的焦距。

较佳地，所述第一全内反射光束中心传播至折反射交界面的点与第一聚焦透镜的中心及外部光检测器的中心成一条直线，第一聚焦透镜与外部光检测器接收光点之间的距离设置为第一聚焦透镜的焦距。

较佳地，所述透镜光学设备进一步包括：第一结构界面、第二结构界面、第三结构界面、第四结构界面、第五结构界面以及第六结构界面，其中，

第一结构界面连接第一聚焦界面和第一全内反射界面，第二结构界面连接第一全内反射界面和折反射交界面，第三结构界面连接折射调节界面和第二聚焦界面，第四结构界面连接第二聚焦界面和第五结构界面，第五结构界面连接至第二全内反射界面，第六结构界面连接第二全内反射界面和准直界面。

较佳地，所述第二结构界面、第三结构界面以及第四结构界面为水平面，第一结构界面、第五结构界面以及第六结构界面分别与第二结构界面相垂直。

较佳地，所述聚合物材料为聚醚酰亚胺或聚酰亚胺。

较佳地，所述第一全内反射角度满足：

${\mathrm{\φ}}_1>{\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \frac{n_0}{n_1}$

式中，

φ₁为第一全内反射角度；

θ_c为临界全反射入射角；

n₀为空气折射率；

n₁为第一全内反射界面折射率；

第二角度φ₂满足：

$\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)<\frac{n_0}{n_1}$

第三全内反射角度φ₃满足：

$180+{\mathrm{\&phi;}}_3-{\mathrm{\&phi;}}_2-\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)>\arcsin \frac{n_0}{n_1}.$

较佳地，所述第一全内反射角度、第二角度以及第三全内反射角度进一步满足：

$\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2<90.$

一种基于透镜光学设备的光路传播方法，该方法包括：

设置包括第一全内反射界面、折反射交界面、第二全内反射界面、折射调节界面、第一聚焦界面、第二聚焦界面以及准直界面的多面体单元，所述第一全内反射界面与准直界面成预先设置的第一全内反射角度，折反射交界面与准直界面成预先设置的第二角度，第二全内反射界面与准直界面成预先设置的第三全内反射角度；

固定在准直界面上的准直透镜接收外部有源光学器件发射出的激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面处进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面；

折反射交界面将第一全内反射光束分别进行反射和折射，反射光束传播至与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面，固定在第一聚焦界面上的第一聚焦透镜将传播至的反射光束进行聚焦，传播至外部光检测器以进行检测；

折射光束传播至与折射光束传播方向垂直的折射调节界面处发生透射，透射至第二全内反射界面发生全内反射，形成第二全内反射光束，传播至第二聚焦界面；

固定在与第二全内反射光束传播方向垂直的第二聚焦界面上的第二聚焦透镜将传播至的第二全内反射光束进行聚焦，传播至外部光纤。

其中，所述第一全内反射角度满足：

${\mathrm{\&phi;}}_1>{\mathrm{\&theta;}}_c=\arcsin \frac{n_0}{n_1}$

式中，

φ₁为第一全内反射角度；

θ_c为临界全反射入射角；

n₀为空气折射率；

n₁为第一全内反射界面折射率；

第二角度φ₂满足：

$\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)<\frac{n_0}{n_1};$

第三全内反射角度φ₃满足：

$180+{\mathrm{\&phi;}}_3-{\mathrm{\&phi;}}_2-\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)>\arcsin \frac{n_0}{n_1},$ 且

$\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2<90.$

由上述技术方案可见，本发明实施例提供的一种透镜光学设备及基于透镜光学设备的光路传播方法，由于透镜光学设备中的多面体单元采用相同的聚合物材料单片形成，从而可以大大减少成型模具，降低了制造成本和复杂度；进一步地，通过调节折反射交界面与第一全内反射界面的角度，可以缩小传播至光纤的激光束光斑直径，聚焦效率好，从而提升光学对准精度，使得光纤传播效率得到提升。

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，以下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，以下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而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明实施例透镜光学设备结构示意图。

图2为本发明实施例透镜光学设备另一结构示意图。

图3为本发明实施例透镜光学设备的传播光路示意图。

图4为本发明实施例基于透镜光学设备的光路传播方法流程示意图。

图5为本发明实施例基于透镜光学设备的光路传播方法具体流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

图1为本发明实施例透镜光学设备结构示意图。参见图1，该透镜光学设备包括：多面体单元110、准直透镜140、第一聚焦透镜141以及第二聚焦透镜142，其中，多面体单元110采用聚合物材料一体成型，至少包括：第一全内反射界面111、折反射交界面114、第二全内反射界面112、折射调节界面115、第一聚焦界面138、第二聚焦界面133以及准直界面137，其中，

准直透镜140固定在准直界面137上，接收外部有源光学器件102发射出的激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面111；

本发明实施例中，准直界面137与固定外部有源光学器件102的界面相平行，即准直界面137与有源光学器件102发射的激光束的中心光线传播方向相垂直，使得有源光学器件102发射出的激光束能够垂直准直界面137射入。实际应用中，准直透镜140与外部有源光学器件102的发光点之间的距离设置为准直透镜140的焦距，使得有源光学器件102发出的发散激光束在到达准直透镜140后，变为平行激光束进行传播。

较佳地，聚合物材料的折射率大于透镜光学设备外介质的折射率。例如，设聚合物材料的折射率为n₁，透镜光学设备外介质的折射率为n₀，具有：n₁>n₀。也就是说，当激光束在高折射率n₁的稠密介质内，以大于或等于临界角的角度入射到该介质和低折射率n₀的稀疏介质的交界面时，例如，入射到空气折射率为n₀的空气交界面时，将发生全内反射，以避免光路的传播损失。

较佳地，高折射率对应的聚合物材料折射率范围为1.4～1.8。当透镜光学设备外介质为空气或惰性气体时，其折射率均可小于高折射率对应的聚合物材料的折射率。

经过准直透镜140进行准直处理的激光束为平行激光束。

第一全内反射界面111与准直界面137成预先设置的第一全内反射角度，将传播的激光束进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面114；

本发明实施例中，预先设置的第一全内反射角度可以确保经过准直透镜140准直处理的激光在传播至第一全内反射界面111时，能够发生全内反射。

较佳地，准直界面137为水平面，第一全内反射界面111与水平面夹角范围为20～45度，第一全内反射光束传播方向右下且与水平面夹角范围为1～20度。

折反射交界面114与准直界面137成预先设置的第二角度，将在透镜光学设备中传播的第一全内反射光束分别进行反射和折射，反射光束在透镜光学设备中传播至第一聚焦界面138；折射光束通过透镜光学设备外的介质传播至折射调节界面115；

本发明实施例中，第一全内反射光束中心传播至折反射交界面114的点与第一聚焦透镜141的中心及外部光检测器103的中心成一条直线。

预先设置的第二角度范围为20～80度，即折反射交界面114与水平面夹角范围为20～80度。

本发明实施例中，折反射交界面114与折射调节界面115形成空气腔分光器，对激光束产生部分垂直透射和部分反射，以实现光路转向和光路监测功能。

第一聚焦透镜141固定在与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面138上，将传播至的反射光束进行聚焦，传播至外部光检测器103；

本发明实施例中，第一聚焦透镜141与外部光检测器103接收光点之间的距离设置为第一聚焦透镜141的焦距。从折反射交界面114发射的激光束，经过第一聚焦透镜141的聚焦，可以缩小传播至外部光检测器103的激光束光斑，可以提升聚焦效率。

折射调节界面115与折射光束传播方向垂直，将折射光束透射至第二全内反射界面112；

第二全内反射界面112与准直界面137成预先设置的第三全内反射角度，将传播至的折射光束进行全内反射，形成第二全内反射光束，传播至第二聚焦界面133；

本发明实施例中，预先设置的第三全内反射角度为5～30度，即第二全内反射界面112与水平面的夹角范围5～30度。

第二聚焦透镜142固定在与第二全内反射光束传播方向垂直的第二聚焦界面133上，将传播至的第二全内反射光束进行聚焦，传播至外部光纤104。

本发明实施例中，第二聚焦透镜142与外部光纤104接收光点之间的距离设置为第二聚焦透镜142的焦距。第二全内反射光束的中心、第二聚焦透镜142的中心以及光纤104的中心位于同一条直线上。

实际应用中，透镜光学设备可以为单片透镜光学设备，单片透镜光学设备的尺寸，包括总长度、总宽度、总高度可根据实际需要确定，并在一定范围内可适当调整。具体的界面长度，例如第一全内反射界面111的界面长度，可根据实际需要适当向左设计加长或减小。

较佳地，单片透镜光学设备的总长度大于1mm，总高度大于0.5mm。

较佳地，第一全内反射界面111的界面长度为0.5～0.9mm；第二全内反射界面112的界面长度为0.2～2mm；折反射交界面114与折射调节界面115相交为楔形。

本发明实施例中，通过调节折反射交界面114与第一全内反射界面111的角度，可以缩小传播至光纤的激光束光斑直径。

进一步地，对于一体成型的透镜光学设备形成的第一全内反射界面111、折反射交界面114、第二全内反射界面112、折射调节界面115、第一聚焦界面138、第二聚焦界面133以及准直界面137，还可以通过设置其它结构界面进行连接。因而，该透镜光学设备进一步包括：第一结构界面130、第二结构界面131、第三结构界面132、第四结构界面134、第五结构界面135以及第六结构界面136，其中，

第一结构界面130连接第一聚焦界面138和第一全内反射界面111，第二结构界面131连接第一全内反射界面111和折反射交界面114，第三结构界面132连接折射调节界面115和第二聚焦界面133，第四结构界面134连接第二聚焦界面133和第五结构界面135，第五结构界面135连接至第二全内反射界面112，第六结构界面136连接第二全内反射界面112和准直界面137。

较佳地，第二结构界面131、第三结构界面132以及第四结构界面134为水平面，第一结构界面130、第五结构界面135以及第六结构界面136分别与第二结构界面131相垂直。

本发明实施例中，聚合物材料可以为聚醚酰亚胺或聚酰亚胺等高温树脂。通过聚合物注塑工艺形成透镜光学设备。由于透镜光学设备中的所有激光束传播元件采用相同的聚合物材料单片形成，从而可以大大减少成型模具，降低了制造成本和复杂度；同时，本发明实施例设置的透镜光学设备结构，只需调节与有源光学器件以及光纤的位置，安装调试简单；进一步地，过调节折反射交界面与第一全内反射界面的角度，可以缩小传播至光纤的激光束光斑直径，聚焦效率好，光路能量集中，使得光纤传播效率得到提升。

本发明实施例中，透镜光学设备为光模块100的一部分，透镜光学设备外部的有源光学器件102、光检测器103以及光纤104也为光模块100的一部分。实际应用中，还可以将有源光学器件102以及光检测器103固装在光模块的光学基底上。这样，光检测器103通过监测有源光学器件102输出激光束的波长和光强，根据监测到的激光光强调整有源光学器件102中对应驱动电路的电流或者温度，从而调整有源光学器件102输出激光束的波长和光强，并在将输出激光的光强调整到预先设置的阈值后，锁定该激光光强，使之达到所期望的激光光强以及波长锁定等目的。

较佳地，有源光学器件102可以是垂直腔面激光发射器（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。

图2为本发明实施例透镜光学设备另一结构示意图。参见图2，该透镜光学设备与图2不同的是，有源光学器件102以及光检测器103在光学基底101上固装的位置以及相互间距离不同，使得准直透镜140以及第一聚焦透镜141在透镜光学设备上安装的位置不同，从而导致透镜光学设备尺寸、各角度以及光路发生相应变化。

下面对本发明实施例的透镜光学设备各界面设置的角度以及传播光路进行详细描述。

图3为本发明实施例透镜光学设备的传播光路示意图。参见图3，以两条光线的传播路径为例，设第一全内反射界面111与水平面的夹角为φ₁，折反射交界面114与水平面的夹角为φ₂，第二全内反射界面112与水平面的夹角为φ₃。当有源光学器件102发射出的激光束经过准直透镜140的准直处理，变为平行光线，垂直准直界面137射向第一全内反射界面111内的A点时，平行光线与第一全内反射界面111形成的入射角为φ₁，亦即第一全内反射角度，满足条件：

${\mathrm{\&phi;}}_1>{\mathrm{\&theta;}}_c=\arcsin \frac{n_0}{n_1}---\left(1\right)$

式中，

θ_c为临界全反射入射角；

n₀为空气折射率；

n₁为第一全内反射界面111折射率。

设入射到第一全内反射界面111的两条平行光线在第一全内反射界面111的距离为d，由于发生全内反射，射向准直界面137的光束（两条平行光线）之间的距离d₀与第一全内反射光束之间的距离d₁相等。

d₀=d₁

d₀=dsin（90-φ₁）    （2）

经过第一全内反射界面111的全内反射后，第一全内反射光线与水平面夹角φ_h为：

φ_h=90-2φ₁    （3）

当第一全内反射光线在透镜光学设备内传播至折反射交界面114的B点，发生折射和反射，分别形成折射光线（光束）以及反射光线，其中，通过A点做水平线与折反射交界面114交于C点，则在三角形ABC中，第一全内反射光线与第二全内反射界面112形成的夹角φ₁₁₂满足：

φ₁₁₂+φ_h=φ₂    （4）

根据式（3），可得：

φ₁₁₂=φ₂+2φ₁-90    （5）

根据式（5），可得到第一全内反射光线入射折反射交界面114的入射角φ_112r为：

φ_112r=90-φ₁₁₂=180-φ₂-2φ₁    （6）

由于需要发生发射和折射，因而，入射角φ_112r需要满足：

$\sin {\mathrm{\&phi;}}_{112r}=\sin (180-{\mathrm{\&phi;}}_2-2{\mathrm{\&phi;}}_1)=\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)<\frac{n_0}{n_1}---\left(7\right)$

过折反射交界面114的D点做水平线与反射光线交于E点，在三角形BDE内，反射光线与水平面的夹角φ_1h满足：

φ_1h+φ₁₁₂+φ₂=180

则：

φ_1h=270-2φ₁-2φ₂    （8）

反射光线之间的距离与第一全内反射光束之间的距离d₁相等。

反射光线传播至第一聚焦透镜141，第一反射光线传播方向与第一聚焦透镜141的光轴平行，因而，第一聚焦透镜141与水平面的夹角φ_2h满足：

φ_2h+φ_1h=90

则：

φ_2h=2φ₁+2φ₂-180（9）

折射光线的折射角φ_1z满足：

$\frac{\sin {\mathrm{\&phi;}}_{1z}}{\sin {\mathrm{\&phi;}}_{112r}}=\frac{n_1}{n_0}---\left(10a\right)$

即：

${\mathrm{\&phi;}}_{1z}=\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)---\left(10b\right)$

折射光线与直线ED的延长线交于点H，则在三角形BDH中，折射光线与水平面的夹角φ_3h为：

φ_3h=90-(180-φ₂-φ_1z)=φ₂+φ_1z-90    （11）

两平行折射光线之间的距离d₂为：

$d_2=\frac{d\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_1)}{\sin {\mathrm{\&phi;}}_2}\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_{1z})---\left(12\right)$

折射光线传播至第二全内反射界面112的点F，发生全反射，则入射角φ_2r满足：

φ_2r=90-(φ_3h-φ₃)=90-(φ₂+φ_1z-90-φ₃)=180+φ₃-φ₂-φ_1z    （13）

发生全反射满足的条件为：

${\mathrm{\&phi;}}_{2r}=180+{\mathrm{\&phi;}}_3-{\mathrm{\&phi;}}_2-\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)>\arcsin \frac{n_0}{n_1}---\left(14\right)$

由于发生全内反射，全反射后输出的光线之间的距离d₃与两平行折射光线之间的距离d₂相等，即：

$d_3=\frac{d\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_1)}{\sin {\mathrm{\&phi;}}_2}\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_{1z})---\left(15\right)$

这样，通过设置相应的参数（φ₃,φ₂,φ₁），可以使得d₃>d₀，即：

$\frac{\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_1)\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_{1z})}{\sin {\mathrm{\&phi;}}_2}>\sin (90-{\mathrm{\&phi;}}_1)$

经过化简，得到：

$\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2<90---\left(16\right)$

因而，只要满足式（16），可以有效缩小传播至光纤的激光束光斑直径，使得激光光束经过多次转向后，能够达到缩小激光束光斑直径的效果，提高了聚焦效率，从而提升光学对准精度。

本发明实施例中，采用聚醚酰亚胺等高温聚合物材料一体成型透镜光学设备的多面体单元，并设置多面体单元具有两个全内反射界面以及一个折反射界面，利用光学全内反射实现光学转向，并分离得到反射光束和折射光束，用以实现光路转向和光路监测等功能，结构简单，既能有效降低透镜光学设备成本，又能实现光学功能；通过调节第一全内反射界面以及折反射交界面与水平面的角度，可以有效聚焦和缩小光斑直径，从而实现光学耦合，使得聚焦后的光束能精确对准光纤，提高了光纤传播效率；而且，通过设置空气腔分光器，实现激光束监测光路，无需额外材料和光学元件，进一步降低了成本，简化了器件设计。

图4为本发明实施例基于透镜光学设备的光路传播方法流程示意图。参见图4，该流程包括：

步骤401，设置包括第一全内反射界面、折反射交界面、第二全内反射界面、折射调节界面、第一聚焦界面、第二聚焦界面以及准直界面的多面体单元，所述第一全内反射界面与准直界面成预先设置的第一全内反射角度，折反射交界面与准直界面成预先设置的第二角度，第二全内反射界面与准直界面成预先设置的第三全内反射角度；

本步骤中，第一全内反射角度φ₁满足：

${\mathrm{\&phi;}}_1>{\mathrm{\&theta;}}_c=\arcsin \frac{n_0}{n_1}$

式中，

θ_c为临界全反射入射角；

n₀为空气折射率；

n₁为第一全内反射界面折射率。

第二角度φ₂满足：

$\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)<\frac{n_0}{n_1}$

第三全内反射角度φ₃满足：

$180+{\mathrm{\&phi;}}_3-{\mathrm{\&phi;}}_2-\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)>\arcsin \frac{n_0}{n_1}$

较佳地，φ₁=20°～45°,φ₂=20°～80°,φ₃=5°～30°。

步骤402，固定在准直界面上的准直透镜接收外部有源光学器件发射出的激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面处进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面；

本步骤中，全内反射，又称全反射（TIR，Total Internal Reflection）。是指当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θc（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。

本发明实施例中，准直界面与有源光学器件发射的激光束的中心光线传播方向相垂直。

步骤403，折反射交界面将第一全内反射光束分别进行反射和折射，反射光束传播至与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面，固定在第一聚焦界面上的第一聚焦透镜将传播至的反射光束进行聚焦，传播至外部光检测器以进行检测；

本步骤中，第一全内反射光束中心传播至折反射交界面的点与第一聚焦透镜的中心及外部光检测器的中心成一条直线。这样，可以保证在反射光束传播至第一聚焦透镜时，第一聚焦透镜能够对反射光束进行聚焦，从而便于光检测器进行光信号强度检测，以调整激光器发射的激光束。

步骤404，折射光束传播至与折射光束传播方向垂直的折射调节界面处发生透射，透射至第二全内反射界面发生全内反射，形成第二全内反射光束，传播至第二聚焦界面；

步骤405，固定在与第二全内反射光束传播方向垂直的第二聚焦界面上的第二聚焦透镜将传播至的第二全内反射光束进行聚焦，传播至外部光纤。

本步骤中，第二全内反射光束的中心、第二聚焦透镜的中心以及光纤的中心位于同一条直线上。

本发明实施例中，还可以通过调节折反射交界面与第一全内反射界面的角度，可以缩小传播至光纤的激光束光斑直径，即满足：

$\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2<90.$

图5为本发明实施例基于透镜光学设备的光路传播方法具体流程示意图。参见图5，该流程包括：

步骤501，利用表面安装工艺，将有源光学器件和光学检测器固装在光学基底上；

本步骤中，有源光学器件为VCSEL。利用表面安装工艺中的环氧树脂、焊料或其他粘合剂，将VCSEL以及光学检测器等相应元件固装到光学基底的表面。

步骤502，紧固光学基底，并利用透镜光学设备中结构表面上的对准接口，将光学基底与透镜光学设备对准；

本步骤中，可以在结构表面上设置对准接口，以定位光学基底上的VCSEL以及光学检测器。这样，使得VCSEL输出的激光束可以垂直射入准直透镜，并使第一聚焦透镜聚焦输出的激光束，可以进入光学检测器。

步骤503，对准光纤与透镜光学设备中的第二聚焦透镜；

本步骤中，可以使用自对准光纤端口连接器将光纤与透镜光学设备对准。关于对准光学基底与透镜光学设备以及光纤与透镜光学设备属于已知技术，在此略去详述。

步骤504，有源光学器件发射散射光束；

步骤505，散射光束输出至准直透镜，经过准直透镜的准直处理，形成在透镜光学设备内传播的准直光束；

步骤506，准直光束传播至第一全内反射界面，发生全内反射，形成第一全内反射光束，传播至空气腔分光器的折反射交界面；

本步骤中，准直光束在透镜光学设备介质内传播，传播至第一全内反射界面，发生全内反射，从而改变传播方向（转向），即通过由全内反射产生的角度以形成全反射光束（第一全内反射光束）。

本发明实施例中，全反射光束与水平面夹角不超过20度。然后，全反射光束传播到空气腔分光器的折反射交界面，发生正常界面反射和透射。

步骤507，第一全内反射光束在折反射交界面处，生成发生界面反射的部分反射光束和发生折射的部分折射光束；

本步骤中，部分反射光束即为前述的反射光束，部分折射光束即为前述的折射光束。

步骤508，部分反射光束传播至第一聚焦透镜，被第一聚焦透镜聚焦，形成聚焦光束，输入至光学检测器；

本步骤中，部分反射光束在第一聚焦透镜处进行聚焦，生成聚焦光束，传播至光学检测器，被光学检测器检测到并传递光强信号，从而调整有源光学器件输出激光的波长和光强。

步骤509，部分折射光束在空气中传播，并垂直入射折射调节界面，进入透镜光学设备内传播；

步骤510，传播的部分折射光束在第二全内反射界面处发生全内反射，形成第二全内反射光束；

本步骤中，在与第二全内反射界面处发生全内反射形成的第二全内反射光束传播方向为水平方向，即与光学基底保持水平，并且相对于经过准直透镜准直处理的激光束，光束直径缩小，使得后续的聚焦过程更精确。

步骤511，第二全内反射光束在第二聚焦透镜处进行聚焦，形成聚焦光束，输入至光纤进行传播。

所应说明的是，本发明的实施例不限于图2和图3中示出的透镜光学设备形成的光路，而是包括实施了本发明原理的可选构造，包括通过使用从倾斜、平行或楔形的空气/聚合物界面的反射来分出和监测所发送信号光束的全内反射光学转向和装置。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种透镜光学设备，其特征在于，该透镜光学设备包括：多面体单元、准直透镜、第一聚焦透镜以及第二聚焦透镜，其中，多面体单元采用聚合物材料一体成型，至少包括：第一全内反射界面、折反射交界面、第二全内反射界面、折射调节界面、第一聚焦界面、第二聚焦界面以及准直界面，其中，

准直透镜固定在准直界面上，接收外部有源光学器件发射出的激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面；

第一全内反射界面与准直界面成预先设置的第一全内反射角度，将传播的激光束进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面；

折反射交界面与准直界面成预先设置的第二角度，将在透镜光学设备中传播的第一全内反射光束分别进行反射和折射，反射光束在透镜光学设备中传播至第一聚焦界面；折射光束通过透镜光学设备外的介质传播至折射调节界面；

第一聚焦透镜固定在与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面上，将传播至的反射光束进行聚焦，传播至外部光检测器；

折射调节界面与折射光束传播方向垂直，将折射光束透射至第二全内反射界面；

第二全内反射界面与准直界面成预先设置的第三全内反射角度，将传播至的折射光束进行全内反射，形成第二全内反射光束，传播至第二聚焦界面；

第二聚焦透镜固定在与第二全内反射光束传播方向垂直的第二聚焦界面上，将传播至的第二全内反射光束进行聚焦，传播至外部光纤；

所述第一全内反射角度满足：

${\mathrm{\&phi;}}_1>{\mathrm{\&theta;}}_c\arcsin \frac{n_0}{n_1}$

式中，

φ₁为第一全内反射角度；

θ_c为临界全反射入射角；

n₀为空气折射率；

n₁为第一全内反射界面折射率；

第二角度φ₂满足：

$\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)<\frac{n_0}{n_1}$

第三全内反射角度φ₃满足：

$180+{\mathrm{\&phi;}}_3-{\mathrm{\&phi;}}_2-\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)>\arcsin \frac{n_0}{n_1}.$

2.根据权利要求1所述的透镜光学设备，其特征在于，所述准直界面为水平面，准直界面与有源光学器件发射的激光束的中心光线传播方向相垂直，所述准直透镜与外部有源光学器件的发光点之间的距离设置为准直透镜的焦距。

3.根据权利要求2所述的透镜光学设备，其特征在于，所述第一全内反射光束中心传播至折反射交界面的点与第一聚焦透镜的中心及外部光检测器的中心成一条直线，第一聚焦透镜与外部光检测器接收光点之间的距离设置为第一聚焦透镜的焦距。

4.根据权利要求1至3任一项所述的透镜光学设备，其特征在于，所述透镜光学设备进一步包括：第一结构界面、第二结构界面、第三结构界面、第四结构界面、第五结构界面以及第六结构界面，其中，

第一结构界面连接第一聚焦界面和第一全内反射界面，第二结构界面连接第一全内反射界面和折反射交界面，第三结构界面连接折射调节界面和第二聚焦界面，第四结构界面连接第二聚焦界面和第五结构界面，第五结构界面连接至第二全内反射界面，第六结构界面连接第二全内反射界面和准直界面。

5.根据权利要求4所述的透镜光学设备，其特征在于，所述第二结构界面、第三结构界面以及第四结构界面为水平面，第一结构界面、第五结构界面以及第六结构界面分别与第二结构界面相垂直。

6.根据权利要求5所述的透镜光学设备，其特征在于，所述聚合物材料为聚醚酰亚胺或聚酰亚胺。

7.根据权利要求1所述的透镜光学设备，其特征在于，所述第一全内反射角度、第二角度以及第三全内反射角度进一步满足：

$\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2<90.$

8.一种基于透镜光学设备的光路传播方法，该方法包括：

设置包括第一全内反射界面、折反射交界面、第二全内反射界面、折射调节界面、第一聚焦界面、第二聚焦界面以及准直界面的多面体单元，所述第一全内反射界面与准直界面成预先设置的第一全内反射角度，折反射交界面与准直界面成预先设置的第二角度，第二全内反射界面与准直界面成预先设置的第三全内反射角度；

固定在准直界面上的准直透镜接收外部有源光学器件发射出的激光束，进行准直处理，传播至第一全内反射界面处进行全内反射，形成第一全内反射光束，传播至折反射交界面；

折反射交界面将第一全内反射光束分别进行反射和折射，反射光束传播至与反射光束传播方向垂直的第一聚焦界面，固定在第一聚焦界面上的第一聚焦透镜将传播至的反射光束进行聚焦，传播至外部光检测器以进行检测；

折射光束传播至与折射光束传播方向垂直的折射调节界面处发生透射，透射至第二全内反射界面发生全内反射，形成第二全内反射光束，传播至第二聚焦界面；

固定在与第二全内反射光束传播方向垂直的第二聚焦界面上的第二聚焦透镜将传播至的第二全内反射光束进行聚焦，传播至外部光纤；

所述第一全内反射角度满足：

${\mathrm{\&phi;}}_1>{\mathrm{\&theta;}}_c=\arcsin \frac{n_0}{n_1}$

式中，

φ₁为第一全内反射角度；

θ_c为临界全反射入射角；

n₀为空气折射率；

n₁为第一全内反射界面折射率；

第二角度φ₂满足：

$\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)<\frac{n_0}{n_1};$

第三全内反射角度φ₃满足：

$180+{\mathrm{\&phi;}}_3-{\mathrm{\&phi;}}_2-\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)>\arcsin \frac{n_0}{n_1}.$

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一全内反射角度、第二角度以及第三全内反射角度进一步满足：

$\arcsin \left(\frac{n_1}{n_0}\sin ({\mathrm{\&phi;}}_2+2{\mathrm{\&phi;}}_1)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2<90.$