CN105637389A - 采用两个倍率可调透镜的扩束器 - Google Patents

采用两个倍率可调透镜的扩束器 Download PDF

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Abstract

一种可变扩束器，包括具有可通过控制电路(230)调节的第一焦距(f1)得而第一透镜(210)和具有可通过所述控制电路(230)调节的第二焦距(f2)的第二透镜(220)，其中控制电路(230)调节第一焦距(f1)和第二焦距(f2)，以使得第一焦距和第二焦距的总和(f1+f2)等于第一透镜(210)和第二透镜(220)相隔的固定距离(L)。

Description

采用两个倍率可调透镜的扩束器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年8月22日提交的序列号为61/868,909的申请中的美国临时专利申请的优先权。美国临时专利申请61/868,909的公开内容以全文引用的方式并入本文。
技术领域
本发明通常涉及扩束器，更具体涉及能够电控其中的输出光束尺寸的可变扩束器。
背景技术
光线或激光扩束器是一种允许平行光线或激光由输入光束尺寸扩展为更大输出光束尺寸的装置。扩束器通常用于降低发散度。另外一种常见用途是扩大光束，然后利用另外的镜片聚焦，以减小光斑的尺寸。多个扩束器用于许多科学和工程应用中，利用它们的输出光束进行测量。它们的光束放大倍率，没有影响色彩和故意回避焦点，适用于从小至显微镜到大至天文测量的多种应用。
在很多应用中，需要调节光束尺寸或扩张比。现有的可变扩束器通常由旋转来实现要求的扩张比，而固定扩束器则设有滑动准直调节装置。但是，这些光束尺寸或扩张比的调节包含机械运动，其导致系统迟缓、庞大和笨重。
基于旋转的扩束器还由于透镜光轴相对于作为整体的系统光轴的有限对中性，容易受到不佳的对准误差影响。利用液体透镜能够降低该误差。
因此，需要一种紧凑的、无需旋转或滑动就能够实现更快、更便捷的扩束操作的可变扩束器。此外，传统的扩束器需要手动校准来降低光束的发散或会聚度。因此，还需要一种自动地执行此校准的设备。
发明内容
本发明的一实施例提供了可变扩束器，包括第一透镜，所述第一透镜具有可通过控制电路调节的第一焦距；第二透镜，所述第二透镜具有可通过所述控制电路调节的第二焦距，其中所述第一透镜和所述第二透镜相隔一固定距离，其中所述控制电路被配置为适应所述第一焦距和第二焦距，以使得第一焦距和第二焦距的总和等于所述固定距离。
本发明的另一实施例提供了一种可变扩束器，包括第一透镜，所述第一透镜具有可通过控制电路调节的第一焦距，所述第一透镜的光轴设置在第一垂直方向；可变扩束器，包括第一透镜，所述第一透镜具有可通过控制电路调节的第一焦距，所述第二透镜的光轴设置在第二垂直方向；第一反射镜；第二反射镜；第三反射镜；以及第四反射镜，其中第一反射镜被配置为引导从所述可变扩束器的输入端光束在第一垂直方向上穿过第一透镜；其中所述第二反射镜被配置为引导穿过了第一透镜的光束至第三反射镜；其中所述第三反射镜被配置为将来自第二反射镜的光束引导在第二垂直方向上穿过第二透镜；其中所述第四反射镜被配置为将穿过第二透镜的光束引导至所述可变扩束器的输出端；其中所述控制电路被设置为调节所述第一焦距和第二焦距，以使得第一焦距和第二焦距的总和等于从第一透镜到第二反射镜、从第二反射镜到第三反射镜、从第三反射镜到第二透镜的路径的总和。
本发明的另一实施例提供了一种可变扩束器的运作方法，所述可变扩束器包括第一透镜，所述第一透镜具有可通过控制电路调节的第一焦距；第二透镜，所述第二透镜具有可通过所述控制电路调节的第二焦距，其中所述第一透镜和所述第二透镜相隔一固定距离，所述方法包括利用所述控制电路调节第一焦距和第二焦距，以使得第一焦距和第二焦距的总和等于所述固定距离。
附图说明
图1表示扩束器的原理。
图2表示根据本发明的实施例的可变扩束器。
图3表示根据本发明的实施例的可变扩束器。
图4表示根据本发明的实施例，光束尺寸如何根据焦点位置而变化。
图5表示衍射导致的光束半径作为从设备出口光阑的距离的函数。
图6表示根据一实施例优化的光束半径作为从设备出口光阑的距离的函数。
具体实施方式
根据本发明原理的示例性实施例描述应当结合附图理解，附图是整个文字描述的一部分。在此公开的本发明实施例的描述仅用于便于阐明本发明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。关系词，例如“较低”、“较高”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其衍生用语应当被解释为参考涉及的附图。这些关系词仅用于方便描述，除非有明确的表述，否则并不要求装置按照特定的方向制造或操作。词语，例如“附”、“贴”、“连接”、“耦合”、“相互连接”以及涉及类似关系，除非另有明确说明，在上述关系中，结构通过直接或间接干涉的结构，彼此相互固定或连接，并且两者都可动或刚性附着或联系。而且，通过参考实施例说明本发明的特征和优点。因此，本发明不应当受到描述了一些可能的非限制性的特征组合的实施例限制，其中所述特征可以单独存在或存在其他的特征组合中；本发明的范围由所附的权利要求定义。
本发明描述了最佳方式或目前预期的实践本发明的方式。这些描述不应当被理解为一种限制，而是以示例性目的提供仅通过引用附图表现本发明的示例，以引导一个本领域技术人员了解本发明的优势和结构。在附图的各种视图中，相同的标号指示相同或相似的部分。
扩束器是用于增加激光光束或其他光的光束的直径的光学透镜组件。通常有两种常见的扩束器类型，即开普勒(Kepler)扩束器和伽利略(Galileo)扩束器。图1(A)所示为具有两个正透镜110、120或透镜组的开普勒扩束器(Keplerbeamexpander)或者叫开普勒型扩束器(Keplerianbeamexpander)。光束尺寸为D1的平行光束进入透镜110，并且聚焦在距透镜110的距离为f1的焦点X上。所述点X还是透镜120的焦点，并且距透镜120的距离为f2。光束从透镜120处出现，其光束尺寸为D2。D2/D1的比例被称为扩束倍率M。其可以由M＝D2/D1＝f2/f1表示简单的几何关系。
图1(B)所示为伽利略扩束器或者伽利略型扩束器(Galileanbeamexpander)，其都具有负透镜130和正透镜140，或者具有透镜系统。在上述情况下，点X为虚焦点，即光线光束并非在物理上聚焦。
在开普勒型配置中，中间焦点产生均匀强度的高级参考波。因此，开普勒激光扩束器应用于需要利用空间滤波的针孔的中间焦点的干涉测量及其他应用。伽利略激光扩束器没有内部焦点，并且长度通常较短。它们在焦点上产生非常高级别的能量，通常用于材料加工应用。
开普勒型扩束器和伽利略型扩束器都提供被称为扩束倍率M的放大类型。在该倍率放大光束直径的尺寸后，光束的发散被同样倍率地缩小了。所述组合产生的光线光束或激光光束，不仅尺寸上更大并且高度准直。通常情况下，还为光束的全角扩展(fullangularspread)提供光束发散规格。尽管这些光束随距离的增长而变小，附属焦距选项(additionalfocusingoptions)能够用于提供更小的光点尺寸。
如上所述，现有的可变扩束器涉及机械运动，使得系统变得迟缓、庞大和笨重。一个较好的解决方案是采用不含机械性地移动光学部分的电调系统。需要光学元件实现该系统，该光学元件能够电调焦距并能够调节f1和f2的值，同时保持f1+f2＝L的关系，其中L为透镜之间的距离。在根据本发明的实施例扩束倍率M的调节过程中保持透镜间的距离，消除了现有系统所需的机械运动。
图2表示根据本发明实施例的另一可变扩束器。透镜210和透镜220为电调透镜，两者之间间隔距离L。透镜210和透镜220各自的焦距分别通过控制电路230电动调节。如图2(A)所示，透镜210受控制电路230控制以具有焦距f1，透镜220受控制电路230控制以具有焦距f1，以使得焦距的总和等于透镜间的间距，即f1+f2＝L。扩束倍率由公式M＝D2/D1＝f2/f1给定。
如图2(B)所示，当控制电路230将透镜210的焦距改变为f1'，将透镜220的焦距改变为f2'，同时保持焦距的总和等于透镜间的间距，即f1+f2＝L时，取得不同的扩束倍率M＝D2'/D1'＝f2'/f1'。因为焦距受电调节，并且透镜间的距离是固定的，能够迅速方便地调节扩束倍率M，而无需困扰现行系统的机械移动部分。
需要注意的是，尽管图2仅说明了透镜210和220都为正透镜(凸透镜)的情况，但其基本原理也同样适用于透镜中的一片为负透镜(凹透镜)的情况。如图1(B)所示，按照惯例，凹透镜130的焦距f1为负值。因此，关系f1+f2＝L同样适用。上述用于表示扩束倍率的公式变成了M＝D2/D1＝|f2/f1|。此外，伽利略扩束器通常还具有较短的长度L，因为等式f1+f2＝L中具有负的焦距值。
在一实施例中，电调透镜具有约为45mm到120mm的调节范围，使连续扩束倍率的范围约为0.38到2.67。根据应用的具体需要，也可以采取其他的调节范围。此外，在另一实施例中，将固定扩束器加入到可变扩束器的配置。例如，用2X(2倍)扩束器可以改变上述范围至0.76-5.36X。
有多种类型的电调透镜应用在本发明的某些实施例中。电调透镜包括但不限于液体透镜、变形透镜和液晶(LC)透镜。其他类型的电调透镜亦可。
LC透镜具有低成本、重量轻和不含移动元件的优点。所述透镜的电调焦距的主要机制来自由LC指向矢的方向(即是，分子轴的平均方向)致使的折射率的抛物线分布。入射光线光束随后偏转为会聚或离散光，其对入射光束表现出作为正透镜或负透镜的透镜效应。
电可变透镜通常由充满了光学液体、由弹性聚合膜密封的容器构成。整合入透镜的电磁执行器控制一个环，所述环对所述容器施加压力。透镜的偏转取决于液体的压力；因此，透镜的焦距可以由通入执行器线圈的电流来控制。
在液体透镜中，可以施加穿过疏水涂层的电场来控制透镜的形状，使其得疏水性降低——该工序被称为电润湿，其由电诱发表面张力的变化而产生。因此，水溶液开始润湿管子的侧壁，改变两液体间的凹凸透镜的曲率半径，进而改变透镜的焦距。
需要注意，并非两个的透镜都必须是同种类型的电调透镜。例如，一个透镜为LC透镜，其他的透镜为电可变透镜。其他组合亦可。当需要f1和f2的差值较大以达到特殊的扩束率时，使用不同类型的电调透镜尤其有用。
图3表示根据实施例的一种可变扩束器设备300。在实施例中，透镜302和305的光轴是垂直的。这种结构为某些类型的电可变透镜提供了最佳操作条件。当光束进入所述可变扩束器300时，反射镜301反射光束至垂直方向，向下至透镜302。当穿过透镜302后，所述光束被反射镜303反射向反射镜304。反射镜304反射所述光束至垂直方向，向上至透镜305。当穿过透镜305后，所述光束被反射镜306反射向输出方向。
如上所述，控制电路控制透镜302和305的焦距，以使得焦距的总和等于从透镜302到反射镜303、从反射镜303到反射镜304、从反射镜305到透镜305的路径的总和。
该配置还具有由于增加垂直方向上的光路，能够减少设备的水平尺寸的优点。
在一实施例中，所述设备在开普勒型配置使用两个电子焦点可调透镜(例如OPTOTUNEp/n:EL-30-LD)。基于聚合物的透镜的曲率半径能够由向电磁执行器施加电流而改变。执行器改变透镜内部的与焦距呈反比例关系的压力。
在一个实施例中，透镜水平地安装在紧公差孔中。由于聚合物透镜内充满的液体受重力作用扭曲，降低光的波面质量，因此该透镜采用水平安装。水平安装降低该影响，提供接近衍射极限的性能。在一实施例中，使用4个低漂移镜接口和4个银镜引导光束穿过各个透镜。
在一实施例中，各个透镜由记录透镜焦距作为施加电流的函数来表征。然后插入数据以提供焦距和在执行器设计运行范围内(例如0-300mA)的电流之间的连续关系。
在一实施例中，模拟可变扩束器设备以给出各个透镜用于在给定波长下的给定放大倍率所需电流之间的关系的数据。为了达到上述目标，各透镜的曲率半径被优化为一系列的放大倍率(例如，0.5X-2.4X，以0.01X递增)。在一实施例中，在所述设备的前面或后面增加一固定扩束器能够调节可实现的放大范围。在一实施例中，优选采取一系列不同的波长(例如，680nm-1600nm，以5nm递增)，以弥补色散的影响。使各个透镜的曲率半径转变成焦距，从而得到各透镜用于特定放大倍率和波长的适合的电流。在一实施例中，以查找表形式的控制软件使用此信息，在一定波长范围内提供平滑连续的放大倍率调节。
图4表示扩束器如何放大和缩小光束的尺寸。可以如图(A)-(E)所示，焦点X的位置致使结果光束尺寸收缩或扩大。
需要注意的是，通过执行器的电流产生的热量导致聚合物内的液体的体积膨胀。这导致焦距缩短，降低系统的性能。在一实施例中，测量执行器的电阻。执行器的电阻测量能够代表透镜内部的温度。在一实施例中，使用该电阻测量信息，用调节来消除由热累计带来的故障。在另一实施例中，直接利用安装在执行器内的热敏电阻来测量温度。
如上述任一实施例中描述的设备设置在高功率钛宝石激光器和双光子显微镜之间。该设备能够如上所述，执行光束扩束/收缩。在一实施例中，该设备还能够改变物镜的焦平面。由此该设备能够选择性地扫描z(A-Scan)上的样本。
正常运作下，根据一个实施例的扩束器提供准直光至物镜的后出光口。由改变第二液体透镜的焦距，进入物镜的后出光口的光能够准直、发散或会聚。通过该机构，能够改变物镜的焦平面。以这种方法利用第二液体透镜将会导致物镜的后出光口装量不足或溢出。可以利用第一透镜改变设备的总放大率来修正上述问题，以提供准直的、发散或会聚的光，精确填充物镜的后出光口。
需要注意的是，为了修正非准直的入射光束，第一焦距和第二焦距的总和等于第一透镜和第二透镜之间的固定距离这一条件，在可变扩束器中需要修正。在一实施例中，当矫正发散的光束时，焦距的总和会略小于透镜之间的距离。在另一实施例中，当矫正会聚的光束时，焦距的总和会略小于透镜之间的距离。
此外，当建立系统模型以提供放大倍率和焦距之间的关系时，衍射的影响也被考虑在内。图5表示光束半径(y轴)与距离设备的出口孔的(x轴)的函数关系。因为衍射的缘故，输出光束在远距离内不会完全准直，会随着光束的传播而发散。根据一实施例，透镜的焦距经过调节，产生了调节光束束腰位置的效果。
例如，设备被优化为0.5X，光束束腰被置于设备的出口孔。衍射造成了随光束传播的发散，因此在远场的光束半径比在近场的光束半径大得多。为了说明衍射，对上述条件进行调节。例如，透镜1到透镜2的距离＝166.87mm，f1+f2＝120.985+53.96＝174.945mm。
在实际中，光束需要在扩展范围内更接近于0.5X。为此，在一实施例中，系统优选地将光束束腰置于在要求的工作距离的中间。
系统能够补偿将光束束腰至于特殊点的影响，该特殊点在要求的工作距离内给出了伪准直(pseudo-collimated)光束。这会导致焦距的总和略小于透镜之间的距离。
如图6所示，光束束腰位于1m标记处，在所需的范围内，光束直径更接近0.5X。在这个例子中，条件修改为：f1+f2＝106.762+65.747＝172.489mm。
尽管本发明描述相当详尽，其中的一些特性与一些所述实施例有关，但其目的并不在于将本发明限制在任何此类特性、实施方式或具体实施例，而是解释所附的权利要求，从而鉴于现有技术提供对该权利要求尽可能的解释，以有效地预期本发明的保护范围。此外，上述根据实施例由发明者预见，能够实现。而现阶段无法预见的不涉及本质的修改，依然可视为本发明的等同物。

Claims (19)

1.一种可变扩束器，包括：
第一透镜(210)，所述第一透镜(210)具有能够通过控制电路(230)调节的第一焦距；
第二透镜(220)，所述第二透镜(220)具有能够通过控制电路(230)调节的第二焦距；
其中所述第一透镜(210)和所述第二透镜(220)相隔一固定距离；并且
其中所述控制电路配置为调节所述第一焦距和第二焦距，以使得所述第一焦距和第二焦距的总和等于所述固定距离。
2.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜为凸透镜。
3.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜中的一者为凹透镜，其余为凸透镜。
4.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一焦距和第二焦距能够在大约从45mm至120mm的范围内调节。
5.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中所述可变扩束器具有大约从0.38至2.67的连续的扩束倍率。
6.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜为液晶透镜。
7.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜为电调透镜。
8.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜为液体透镜。
9.根据权利要求1所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜为不同类型的电可调透镜。
10.根据权利要求1所述的可变扩束器，还包括查询表，所述查询表包含电可调透镜的焦距和控制电路施加到透镜的电流之间的对应关系。
11.根据权利要求10所述的可变扩束器，其中所述对应关系是基于施加的电流所产生的热而调节。
12.根据权利要求11所述的可变扩束器，其中根据电可调透镜执行器的电阻测量推导得到所产生的热。
13.根据权利要求11所述的可变扩束器，其中利用安装在电可调透镜的执行器上的热敏电阻来测量所产生的热。
14.一种可变扩束器，包括：
第一透镜(302)，所述第一透镜(302)具有能够通过控制电路(230)调节的第一焦距，所述第一透镜的光轴设置在第一垂直方向；
第二透镜(305)，所述第一透镜(305)具有能够通过控制电路(230)调节的第二焦距，所述第二透镜的光轴设置在第二垂直方向；
第一反射镜(301)；
第二反射镜(303)；
第三反射镜(304)；以及
第四反射镜(306)，
其中所述第一反射镜(301)被配置为将来自所述可变扩束器的输入端的光束引导在第一垂直方向上穿过第一透镜(302)；
其中所述第二反射镜(303)被配置为将穿过了第一透镜(302)的光束引导至第三反射镜(304)；其中所述第三反射镜(304)被配置为将来自第二反射镜(303)的光束引导在第二垂直方向上穿过第二透镜(305)；
其中所述第四反射镜(306)被配置为将穿过第二透镜(305)的光束引导至所述可变扩束器的输出端；并且
其中所述控制电路(230)被设置为调节所述第一焦距和第二焦距，以使得所述第一焦距和第二焦距的总和等于从第一透镜到第二反射镜、从第二反射镜到第三反射镜、从第三反射镜到第二透镜的路径的总和。
15.根据权利要求14所述的可变扩束器，其中第一透镜和第二透镜为填充了液体的聚合物透镜。
16.一种可变扩束器的运作方法，所述可变扩束器包括第一透镜，所述第一透镜具有能够通过控制电路调节的第一焦距；第二透镜，所述第二透镜具有能够通过所述控制电路调节的第二焦距；其中所述第一透镜和所述第二透镜相隔一固定距离，所述方法包括：
通过所述控制电路调节所述第一焦距和第二焦距，以使得所述第一焦距和第二焦距的总和等于所述固定距离。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
改变所述第一透镜的焦距，从而改变物镜的焦平面；以及
调节所述第二透镜的焦距来改变光束尺寸，以充满物镜孔径的要求部分。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
通过进一步调节第一焦距和第二焦距的总和，使其与固定距离相差一数值，矫正发散的或会聚的入射光束；
其中根据入射光束的分散度或会聚度来决定所述数值。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
通过进一步调节第一焦距和第二焦距的总和，使其与固定距离相差一个数值，矫正孔径的衍射效应；
其中根据要求的光束束腰的位置来决定所述数值。
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