CN104199131B - 一种用于扩束或者缩束的单个非球面透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于缩束（扩束）的单个非球面透镜，该非球面透镜由前后两个非球面、侧面和圆环平面所围成，所述非球面透镜关于其中心轴旋转对称。只用一片非球面透镜作为扩束系统，大大简化了扩束系统的结构，提高了输出光束光斑的均匀性。该非球面透镜的缩束（扩束）比为14.16，输入（输出）光束的最大半径为80 mm。该非球面扩束镜的材料是SK2玻璃，折射率等于1.601681，可用在大于720 nm的红光波段。

Description

一种用于扩束或者缩束的单个非球面透镜

技术领域

本发明涉及光学镜头,具体涉及到一种用于扩束或缩束的单个非球面透镜，目的是将宽平行光束输入到单个非球面透镜后输出窄平行光束，或者将窄平行光束输入到单个非球面透镜后输出宽平行光束，且不改变光束的平面波特性，属于光学设计和应用领域。

背景技术

在工程光学或者在物理实验中经常遇到扩束或缩束问题。最常用的扩束系统有折射式系统、反射式系统和折反混合系统。本发明主要研究折射式扩束系统。传统的折射式扩束系统，至少有两个单个透镜构成，使两个不同焦距单个透镜的焦点重合，且两个透镜的像差最小化，扩束比即为两透镜的焦距之比。为了提高变倍比，就要增加镜片的数量，但是镜片数量增加容易引起衍射散斑条纹，影响扩束光斑的均匀性。镜片数量的增加还增加了系统装配调试的难度。根据非球面特殊的光学折射特性和折射定律的矢量形式，并使用全面学习策略的粒子群算法，本发明设计出了用单个非球面透镜作为扩束或缩束镜，使扩束系统成为只有一片镜的系统，解决了影响系统调配困难和出射光斑不均匀的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服上述现有技术的不足而提出的一种用单个非球面透镜作为扩束或缩束系统，即该系统只有一片非球面透镜，免去了两片镜或多片镜焦点对准的麻烦，提高了扩束光斑的均匀性。

本发明的非球面透镜结构如图1所示，非球面透镜由非球面（1）、非球面（2）、侧面（3）和垂轴圆环平面（4）所围成，所述非球面透镜关于其中心轴旋转对称；平行于光轴的光束入射到非球面（1）上，经第一次折射后照射到非球面（2）上，再经非球面（2）第二次折射后平行于光轴出射，达到缩束目的；逆光路为扩束。

优选的，所述非球面（1）和非球面（2）应满足下面公式（1）的要求：

(1)

其中：，为非球面方程的系数，C为非球面的顶点曲率，D为非球面顶点x坐标，这些参数应取表1中的值

优选的，所述非球面透镜的侧面（3）为一圆柱侧面被非球面（1）与圆环平面（4）所截部分，其底面半径为81.50 mm；所述非球面透镜的圆环平面（4）的内外半径分别为5.77mm和81.50 mm；所述非球面透镜的非球面（1）顶点到圆环平面（4）的距离d=165 mm。

优选的，所述非球面透镜的材料为SK2玻璃，其折射率为1.601681。

优选的，扩束时平行于光轴入射到非球面（2）上的最大光束半径为5.65 mm；缩束时，平行于光轴入射到非球面（1）上的最大光束半径为80mm。

本光学系统的优点是：1 ．同现有技术相比，本发明提供的扩束镜系统只有一片透镜，免去了多片透镜装配调试的麻烦。2 ．可使出射光束扩大或缩小14.16倍，并且基本不改变光束的平面波特性。

附图说明

图1为本发明的非球面扩束镜实施例的结构示意图；

图2为本发明的非球面扩束镜实施例的三维结构示意图；

图3为本发明的非球面扩束镜实施例的光束缩束过程模拟的二维图示；

图4为本发明的非球面扩束镜实施例的光线轨迹三维示意图（入射光线在一个平面内时）；

图5为本发明的非球面扩束镜实施例的光线轨迹三维示意图（入射光线不在同一平面内时）；

图6为本发明的非球面扩束镜实施例在x=220 mm处垂轴平面上的光强分布示意图。

附图标记如下：

附图1中的d为非球面透镜的非球面（1）顶点到圆环平面（4）的距离。

具体实施方式

根据图 1 所示的非球面透镜的结构，设计了一扩束或缩束倍率为14.16倍的非球面透镜，透镜长度（非球面（1）的顶点到圆环平面（4）的距离）为165mm，高度为81.50 mm。该透镜前后两个面都是非球面，若非球面（1）(大非球面)作为入射面，对于平行光轴入射光束，第一次折射后直接照射在非球面（2）上，再次折射出平行出射光束，该透镜起缩束作用；若非球面（2）（小非球面）作为入射面，则该透镜起扩束作用；平行于光轴入射的平面波经该非球面透镜出射后不改变其平面波的特性。

透镜侧面为一圆柱侧面被非球面（1）与垂轴圆环平面（4）所截部分，该圆柱的底面半径为81.50 mm；所述非球面透镜的圆环平面（4）的内外半径分别为5.77mm和81.50 mm。

光线只经过透镜的两个非球面，透镜侧面和圆环平面只是起连接两个非球面作用。两个非球面都由说明书发明内容中公式（1）决定，式（1）中的非球面系数如表2所示。非球面透镜的材料是SK2玻璃，折射率等于1.601681

当被用作扩束镜时，平行入射光束的最大半径为5.65 mm；当被用作缩束镜时，平行入射光束的最大半径为80 mm。

Claims (3)

1.一种用于扩束或者缩束的单个非球面透镜，其特征在于：非球面透镜由第一非球面(1)、第二非球面(2)、侧面(3)和垂轴圆环平面(4)所围成，所述非球面透镜关于其中心轴旋转对称；平行于光轴的光束入射到第一非球面(1)上，第一次折射后照射到第二非球面(2)上，再经第二非球面(2)第二次折射后平行于光轴出射，达到缩束目的；逆光路为扩束；

所述第一非球面(1)和第二非球面(2)应满足如下公式的要求：

其中：a₂,a₄,a₆,a₈为非球面方程的系数，C为非球面的顶点曲率，D为非球面顶点x坐标，这些参数应取表1中的值

所述非球面透镜的材料为SK2玻璃，其折射率为1.601681；

所述非球面透镜扩束或缩束倍率为14.16倍。

2.如权利要求1所述的一种用于扩束或者缩束的单个非球面透镜，其特征在于：所述非球面透镜的侧面(3)为一圆柱侧面被第一非球面(1)与圆环平面(4)所截部分，其底面半径为81.50mm；所述非球面透镜的垂轴圆环平面(4)的内外半径分别为5.77mm和81.50mm；所述非球面透镜的第一非球面(1)顶点到圆环平面(4)的距离d＝165mm。

3.如权利要求1所述的一种用于扩束或者缩束的单个非球面透镜，其特征在于：扩束时平行于光轴入射到第二非球面(2)上的最大光束半径为5.65mm；缩束时，平行于光轴入射到第一非球面(1)上的最大光束半径为80mm。