CN104977720A - 一种扩束准直光学系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩束准直光学系统及其制备方法。所述的光学系统包括前组透射扩束准直组和后组反射扩束准直组；按光线入射方向，透射扩束准直组包括一块双凹负镜，一块双凸正镜和两块弯月正镜；两块弯月正镜的曲率弯向光入射方向；反射扩束准直组包括两个具有相同焦点位置的抛物面镜，依次为小口径抛物面镜和大口径抛物面镜，大口径抛物面镜的面形为离轴凹面。本发明提供的扩束准直系统，可为宽波段范围内的任意激光波长或白光激光器提供准直扩束，且不需要任何移动补偿部件。它结构紧凑，体积小，扩束倍率大、准直性能高，可用于全息成像、光学测试、激光雷达等领域。

Description

一种扩束准直光学系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种紧凑型的宽波段高倍率扩束准直光学系统及其制备方法。

背景技术

在光学检测、光谱定标、激光雷达、安防等许多应用场合，需要对光束进行整形实现光束的极小角度发射，从而实现光束的长距离传输或者最佳耦合。目前光学的系统扩束准直可分为两种类型，一种是针对单个波段的激光束应用开发，其对应的扩束准直系统有透射式、反射式和两者的结合形式；另外一种是针对多个波长下激光器应用，这种结构在保持光学元件参数不变情况下，改变目镜和物镜的间距来适应不同的波长。前一种类型，因仅适用单个波长，很容易满足大倍率或者变换倍率的要求；后一种类型，针对多个波长的激光器，其大倍率扩束不容易实现，需要改变目镜和物镜间距来适应，即通过设计专门的调整机构或者加隔圈的办法可满足不同激光波长下的间距要求，如文献《多波长透射式扩束器设计》（ J.红外与激光，vol37，No.7）采用复杂的透射式设计实现三个波长的的扩束准直。在调整物镜和目镜间距时，系统的间隔精度、平行度和同轴度等会带来误差，影响准直性能。且随着连续或者白光激光器的应用及其某些特殊应用场合，需要在宽波段范围对连续波长的激光光束适用的扩束准直光学系统，这种改变间距的办法就无法满足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种宽波段的高倍率扩束准直光学系统及其制备方法，该光学系统可适用于多个波长的激光器，而不用移动镜片从而调整透镜间距适应不同波长的扩束准直，具有高质量的准直性能外，且能够实现高光学透过率，为一种无调距机构的紧凑型宽波段高倍率扩束准直光学系统。

实现本发明目的的技术方案是提供一种扩束准直光学系统，它包括透射扩束准直组和反射扩束准直组；按光线入射方向，所述的透射扩束准直组包括由一块双凹负镜和一块双凸正镜组成的扩束分组，由第一块弯月正镜和第二块弯月正镜组成的准直分组，第一块和第二块弯月正镜的曲率均弯向光线入射方向；扩束分组的组合焦距为负值，准直分组的组合焦距为正值，透射扩束准直组的倍率为准直分组的焦距与扩束分组的焦距之比的绝对值；所述的反射扩束准直组包括两块具有相同焦点位置的抛物面镜，依次为小口径抛物面镜和大口径抛物面镜，大口径抛物面镜的面形为离轴凹面，反射扩束准直组的扩束准直倍率为大口径抛物面镜的顶点曲率半径与小口径抛物面镜的顶点曲率半径的比值。

本发明中，透射扩束准直组的倍率为2x～10x；反射扩束准直组的倍率为8x～30x。双凹负镜和第二块弯月正镜的材料为火石玻璃，双凸正镜和第一块弯月正镜的材料为冕牌玻璃。

本发明技术方案还包括一种制备如上所述的扩束准直光学系统的方法，包括如下步骤：

（1）依据待加工扩束准直光学系统的设计要求，按透射扩束准直组的扩束倍率在2x～10x之间，反射扩束准直组的倍率在8x～30x之间，分配透射扩束准直组与反射扩束准直组之间的扩束准直倍率；

（2）确定各光学元件的材料，利用光学模拟软件，对透镜扩束准直组内的扩束分组和准直分组分别进行色差校正，球差优化、焦距选取，再组合扩束分组和准直分组，进行综合象差校正；

（3）对反射扩束准直组的曲率、间距或离轴量进行优选；

（4）组合透射扩束准直组与反射扩散准直组，对象差和准直性能进行总体优化，得到扩束准直光学系统各元件的设计结果；对得到的结果进行判断，若不能满足扩束准直性能及加工工艺要求，则按步骤（1）的方法重新调整透射扩束准直组的扩束倍率，返回步骤（2）；反之，则按所得到的设计数据加工各元件，经组装、调试后得到一种扩束准直光学系统。

本发明提供的光学系统由透射扩束准直组和反射扩束准直组构成，其发明原理如下：

透射扩束准直组实现光的小倍率扩束，采用双凹镜-双凸和弯月镜-弯月镜构成。由于扩束比较小，象差主要为球差和色差。通过优化面形实现球差校正，通过选择合适的玻璃材料组合实现宽波段波长的色差校正。反射扩束组由两片离轴抛物面反射镜构成，采用椭圆同心结构，实现小角度大倍率的扩束。经透射扩束准直组输出的光，入射到小口径离轴抛物面镜后，反射到大口径的离轴抛物面镜实现更大比率的扩束。

本发明扩束准直光学系统的透射扩束准直组采用四片透镜构成，一般实现小于10倍以下的扩束准直。前两片构成镜扩束分组，第一片镜为双凹型式，采用色散相对高、折射率相对高的材料；第二片镜为双凸型式，采用低折射率和低色散性能的材料，它们的组合焦距为负；后两片构成准直分组，两片均为弯月正镜型式，其曲率都弯向光束入射方向，两个镜片的选用与前面两片的选用相反，即第一片弯月正镜选用低折射率和低色散性能的材料，第二片弯月正镜选用色散相对高、折射率相对高的材料。初始焦距和材料的选择按如下公式（1）、（2）和（3）确定：

  ；

其中，为透镜扩束准直组的扩束准直倍率，为扩束分组的焦距， 为准直分组的焦距，和分别为扩束分组中双凹负镜的焦距及其材料阿贝数，和分别为扩束分组中双凸正镜镜的焦距及其材料阿贝数。同样，准直分组内的镜片的材料选择也按公式（1）、（2）和（3）得到。

本发明中后射扩束准直组采用同焦点位置的两个抛物面镜，可实现10x以上扩束准直。通过抛物面镜使光路离轴折返，可缩小光学系统结构长度。两个抛物面镜的其中一个焦点在相同位置，形成椭圆的同心结构，可校正除场曲外的其他几种象差，如球差，慧差，象散等。小口径抛物面镜和大口径抛物面镜具有相同的焦点位置，即两面的椭圆为同心结构。其顶点曲率比值为该组的扩束准直比，即公式（4）：

         （4）；

其中，为小口径抛物面镜的顶点曲率半径，为大口径抛物面镜的顶点曲率半径。当前透射扩束准直和后反射扩束准直组组合后，形成的扩束准直倍率比为公式（5）：

   （5）；

由此可形成超过30倍以上的扩束准直倍率，甚至可达到200倍以上的扩束准直比。两者结合后可通过相互补偿来校正剩余的象差，如前透射组的剩余高级球差可在反射组中校正，而反射组中的剩余场曲可在透射组中进行补偿。由于采用的离轴折返光路，可以缩小系统体积，且在离轴空间能够放置透射扩束准直组，使透射扩束准直组不需要占用多余的空间，从而使系统更加紧凑。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的扩束准直系统，不需要设置元件调整机构或者象差补偿部件就可以实现宽波段光束的大倍率扩束准直。本发明提出的实现方法除能应用在可见近红外波段，在其余波段，如紫外、中波、长波红外波段也同样适用。

2、本发明提供的宽波段高倍率的紧凑型扩束准直系统，可为宽波段范围内的任意激光波长或者白光激光器提供扩束准直，而不需要任何移动补偿部件，结构紧凑，体积小，扩束倍率大、准直性能高，可用于全息成像、光学测试、激光雷达等方面。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统结构示意图；

图2为本发明实施例制备宽波段高倍率扩束准直光学系统的具体步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统在632.8nm处的波前图；

图4为本发明实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统在1064nm处的波前图；

图5为本发明实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统的出射光束经200mm理想透镜成像后的MTF曲线图；

图6为本发明另一个实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统结构示意图。

图中，1、双凹负透镜；2、双凸正透镜；3、第一块弯月透镜；4、第二块弯月透镜；5、小口径抛物面镜；6、大口径抛物面镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1：

本实施例待加工扩束准直光学系统的设计要求：入射光束为1.5mm，发散角度为22mrad，实现33x的扩束准直，经扩束准直后出射光发散角不大于0.7mrad，能够适用的波长范围为488nm～1064m。

参见附图1，它是本实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统结构示意图；它包括透射扩束准直组和反射扩束准直组；所述的透射扩束准直组，按光线入射方向，包括由一块双凹负镜1和一块双凸正镜2组成的扩束分组，由第一块弯月正镜3和第二块弯月正镜4组成的准直分组；扩束分组的组合焦距为负，两块弯月正镜的曲率弯向光线入射方向，准直分组的组合焦距为正，透射扩束准直组的倍率为准直分组的焦距与扩束分组的焦距之比的绝对值；反射扩束准直组包括两块具有相同焦点位置的抛物面镜，依次为小口径抛物面镜5和大口径抛物面镜6，大口径抛物面镜的面形为离轴凹面，小口径抛物面镜的面形为离轴凸面，后组的扩束准直倍率为大口径抛物面镜6的顶点曲率半径与小口径抛物面镜5的顶点曲率半径的比值。

参见附图2，它为本实施例制备宽波段高倍率扩束准直光学系统的具体步骤流程图，步骤如下：

1、依据待加工扩束准直光学系统的设计要求，如体积、波长范围、扩束准直倍率或输入、输出角度等，分配透射扩束准直组与反射扩束准直组之间的扩束准直倍率，使前透射扩束准直组的扩束倍率在2x～10x之间，使后反射扩束准直组的倍率在8x以上，达到所需要的扩束准直倍率；

2、初始焦距和材料的选择按如下公式（1）、（2）和（3）确定：

  ；

其中，为透镜扩束准直组的扩束准直倍率，为扩束分组的焦距， 为准直分组的焦距，和分别为扩束分组中双凹负镜的焦距及其材料阿贝数，和分别为扩束分组中双凸正镜镜的焦距及其材料阿贝数。同样，准直分组内的镜片的材料选择也按公式（1）、（2）和（3）得到。

利用光学模拟软件Zemax或Code V对透镜扩束准直组内的前两镜组成的扩束分组与后两镜组成的准直分组分别进行色差校正，球差优化、焦距选取，然后组合扩束分组和准直分组进行综合象差校正；

3、对后反射扩束准直组的曲率、间距或离轴量进行优选；两块抛物面镜的顶点曲率比值为该组的扩束准直比，即公式（4）：

         （4）；

其中，为小口径抛物面镜的顶点曲率半径，为大口径抛物面镜的顶点曲率半径。

4、组合透射扩束准直组与反射扩散准直组，当前透射扩束准直和后反射扩束准直组组合后，形成的扩束准直倍率比为公式（5）：

   （5）；

对系统的象差和准直性能总体优化，得到系统的各项参数。

判断所得到的结果是否满足要求，若由于反射镜加工难度大或体积尺寸限制不能达到预期要求，则按步骤1的方法调整两组倍率，返回步骤2再重新进行设计，以平衡系统横向和纵向尺寸；反之，执行步骤5；

5、在能够满足扩束准直性能和加工工艺要求等情况下，进行系统的加工、组装与测试，得到一种扩束准直光学系统。

按上述的实施步骤，得到的具体参数如表1 所示。

表1

。

 本发明的实施例中，透射扩束准直组置于反射扩束准直组的离轴倾斜反射留下空间位置，使整个系统体积更加紧凑，整个光学系统长度为85mm，宽度为65mm。

本实施例中前透射扩束准直组中的透镜，负镜1在前，正双凸镜2在后，镜1和2构成负镜组。负镜1采用高色散高折射率的火石玻璃ZF2，正双凸镜2采用低折射率低色散的冕牌玻璃K9。镜3和镜4构成正镜组，都采用正弯月形式，曲率弯向光入射方向，两镜分别采用K9和ZF2。

本实施例中后组的反射镜5采用凸抛物面面形，离轴量为6mm，抛物镜4采样凹抛物面面形，离轴量为40mm，两个抛面镜的焦点位置重合。

根据当前工艺，本发明所给扩束准直光学系统在488nm～1064nm波段可以透过90%以上，发散角度为22mrad的入射光束，经准直扩束后得到出射光束的发散角小于0.7mrad，扩束倍率在33x。

参见附图3，给出了本实施例在632.8nm处中心视场和边缘发散视场的波前图，其中， (a)图为PV值，（b）图为RMS值；由图可以看到，在0视场时PV值为0.093波长，RMS值为0.02波长，在边缘视场时PV值为0.086波长，RMS值为0.020波长。

参见附图4，给出了本实施例在1064nm处中心视场和边缘发散视场的波前图，其中， (a)图为PV值，（b）图为RMS值；由图可以看到，在0视场时PV值为0.078波长，RMS值为0.14波长，在边缘视场时PV值为0.091波长，RMS值为0.015波长。

参见附图5，它为采用200mm理想透镜对本实施例提供的扩束准直系统聚焦成像后的调制传递函数(MTF)曲线。由图5可知，在22mrad发散角入射下经本发明的光学系统扩束准直，再经理想透镜成像，得到的MTF下接近衍射极限，能够说明本发明的扩束准直光学系统具有良好的扩束准性能。

实施例2

参见附图6，本实施例提供的一种用于宽波段高倍率扩束准直光学系统结构示意图；本实施例采用与实施例1相同的透射扩散准直组，反射扩束准直组中采用了小口径的凹面抛物面镜。

本实施例中的小口径凹抛物面镜5，其顶点曲率与实施例1中的凸抛物镜的顶点曲率数值大小一样，符号相反，即把表1中元件5的曲率半径改为中-20.1。由于使用小凹抛物面镜会形成中间实焦点，从而使系统整体长度变长，而当使用实施例1中的小口径凸面抛物面镜时形成的是虚焦点，长度会变短。本实施例中的小口径凹抛物面镜在使用时，离轴方向与实施例1中的小口径凸抛物面镜也相反，即离轴量为-6mm。

本实施例中，入射到小型凹反射镜的光束后，会首先汇聚成一点，此点即为抛物面镜5和抛物面镜6的共同焦点。汇聚后的光束发散入射到大口径的抛物面上实现准直。

本实施例涉及的扩束准直系统的性能指标与实施例1一致。

本发明的扩束准直系统不需要设置元件调整机构或者象差补偿部件就可以实现宽波段光束的大倍率扩束准直。本发明提出的实现方法除能应用在可见近红外波段，在其余波段，如紫外、中波、长波红外波段也同样适用。

Claims (4)

1.一种扩束准直光学系统，其特征在于：它包括透射扩束准直组和反射扩束准直组；按光线入射方向，所述的透射扩束准直组包括由一块双凹负镜（1）和一块双凸正镜（2）组成的扩束分组，由第一块弯月正镜（3）和第二块弯月正镜（4）组成的准直分组，第一块和第二块弯月正镜的曲率均弯向光线入射方向；扩束分组的组合焦距为负值，准直分组的组合焦距为正值，透射扩束准直组的倍率为准直分组的焦距与扩束分组的焦距之比的绝对值；所述的反射扩束准直组包括两块具有相同焦点位置的抛物面镜，依次为小口径抛物面镜（5）和大口径抛物面镜（6），大口径抛物面镜的面形为离轴凹面，反射扩束准直组的扩束准直倍率为大口径抛物面镜（6）的顶点曲率半径与小口径抛物面镜（5）的顶点曲率半径的比值。

2.根据权利要求1所述的一种扩束准直光学系统，其特征在于：透射扩束准直组的倍率为2x～10x；反射扩束准直组的倍率为8x～30x。

3.根据权利要求1所述的一种扩束准直光学系统，其特征在于：双凹负镜（1）和第二块弯月正镜（4）的材料为火石玻璃，双凸正镜（2）和第一块弯月正镜（3）的材料为冕牌玻璃。

4.一种制备如权利要求1所述的扩束准直光学系统的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）依据待加工扩束准直光学系统的设计要求，按透射扩束准直组的扩束倍率在2x～10x之间，反射扩束准直组的倍率在8x～30x之间，分配透射扩束准直组与反射扩束准直组之间的扩束准直倍率；

（2）确定各光学元件的材料，利用光学模拟软件，对透镜扩束准直组的扩束分组和准直分组分别进行色差校正，球差优化、焦距选取，再组合扩束分组和准直分组，进行综合象差校正；

（3）对反射扩束准直组的曲率、间距或离轴量进行优选；

（4）组合透射扩束准直组与反射扩散准直组，对象差和准直性能进行总体优化，得到扩束准直光学系统各元件的设计结果；对得到的结果进行判断，若不能满足扩束准直性能及加工工艺要求，则按步骤（1）的方法重新调整透射扩束准直组的扩束倍率，返回步骤（2）；反之，则按所得到的设计数据加工各元件，经组装、调试后得到一种扩束准直光学系统。