CN108663817B

CN108663817B - 能够改变光束的传播方向的光学装置和包括该装置的系统

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Publication number: CN108663817B
Application number: CN201810259861.XA
Authority: CN
Inventors: 瑞吉斯·格拉塞尔
Original assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Current assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: GB2562832A; GB2562832A8; DE102018106632A1; US10983360B2; FR3064758A1; DE102018106632B4; CN108663817A; GB2562832B; GB201804240D0; FR3064758B1; US20180284461A1

Abstract

一种能够改变光束的传播方向的光学装置和包括该装置的系统。该光学装置允许对光束方向进行宽范围调节，所述光学装置(D)在光束(7)的传播方向(z)上包括：整体发散的透镜组(1)和整体会聚的透镜组(2)，该整体发散的透镜组(1)在光束(7)的传播方向(z)上包括固定透镜(1.1)和光学模块，该光学模块包括至少一个可移动光学元件(1.2)，该至少一个可移动光学元件(1.2)能够改变从整体发散的透镜组(1)发出的光束的传播方向(z)。

Description

能够改变光束的传播方向的光学装置和包括该装置的系统

技术领域

本发明涉及光束形成的领域，并且更具体地涉及一种能够改变光束的传播方向的光学装置和包括该装置的系统。

背景技术

通常在激光腔中产生诸如激光束之类的光束。大多数时候，这种光束必须通过光束形成单元以获得适合光束应用的特性。

通常，光束形成单元是准直器和扩束器(或放大器)。对于准直器而言，发散光束是由准直器形成的，以将该发散光束的能量集中到远处目标的点上。对于扩束器而言，经准直的光束由扩束器转变成具有不同发散角的另一经准直的光束。

对于准直器和扩束器两者而言，光束发射器与光束必须到达的目标之间的距离通常超过数百米。而且，目标通常非常小。因此，需要对光束进行精确控制以将光束在目标上保持几秒到几分钟的时间。

激光打标是扩束器的一种典型应用。激光打标的目的在于用光点标记物体，以将该物体指定为目标。因此，激光指向的精度对于确定正确的目标至关重要。

已经存在有几种用于控制光束方向的技术。

有一些技术使用主动镜(tip-tilt mirror)，光束可以在该主动镜上进行反射。我们也可能遇到使用棱镜窗(“楔形窗”)或对电磁场敏感的光学材料的技术。然而，这些技术使用了添加到扩束器外部的光机械部件。

文件WO 2009/062957提出了一种能够控制由激光源发射的激光束的方向的光学系统。该系统包括伽利略望远镜类型的扩束器，该扩束器在激光束的传播方向上包括整体发散的第一透镜组和整体会聚的第二透镜组。通过使其中一个透镜组，特别是整体发散的透镜组产生位移，可以改变激光束离开扩束器的方向。然而，合理调节激光束的方向需要其中一个透镜组的大位移。如果所讨论的透镜组的位移的可能性有限，则激光束方向的调节范围将因此非常有限。

发明内容

本发明旨在通过在不使光学元件产生大距离的位移的情况下使得能够得到大范围的调节，来克服该缺点。

为此，本发明涉及一种能够改变光束的传播方向的光学装置，该光学装置在光束的传播方向上包括：整体发散的透镜组和整体会聚的透镜组。

根据本发明，整体发散的透镜组在光束的传播方向上包括：

-固定透镜；以及

-光学模块，该光学模块包括至少一个可移动光学元件，该至少一个可移动光学元件能够改变从整体发散的透镜组发出的光束的传播方向

因此，由于该光学模块的可移动光学元件，可以修改离开光学装置的光束的方向。这对于带宽以及针对于改变光束方向的速度而言是有利的。然后可以在不需要支撑光源的支撑件的情况下，稳定激光束的方向以指向目标。

此外，光学模块包括位移单元，该位移单元被配置成：根据表示光束在光学装置的输出处的设定传播方向的信号，使可移动光学元件产生位移。

根据第一实施例：

-固定透镜对应于固定会聚透镜，以及

-可移动光学元件包括发散透镜，该发散透镜能够在基本垂直于光束的传播方向的平面内产生位移。

根据特定特征，位移单元能够在垂直于光束的传播轴的平面内使发散透镜产生位移。

根据另一特定特征，发散透镜的聚散度与固定会聚透镜的聚散度之比的绝对值介于0.001至0.1的范围内。

根据第二实施例：

-固定透镜对应于固定发散透镜，以及

-可移动光学元件包括至少一个第一棱镜，该至少一个第一棱镜被配置成：围绕穿过该第一棱镜的两个相对面的中心的至少一个第一旋转轴进行旋转。

此外，第一棱镜被配置成围绕基本垂直于旋转轴的另一旋转轴进行旋转。

根据一变体，可移动光学元件还包括至少一个第二棱镜，该至少一个第二棱镜被配置成：围绕穿过该第二棱镜的两个相对面的中心的第二旋转轴进行旋转，该第一旋转轴和该第二旋转轴基本垂直于光束的传播方向。

此外，位移单元使得第一棱镜和/或第二棱镜能够围绕各自的旋转轴进行旋转。

在变体中，第一棱镜和/或第二棱镜是平行平面板。

而且，该平行平面板的厚度介于5mm至20mm的范围内。

此外，该平行平面板的折射率介于1.4至1.8的范围内。

此外，该平行平面板的倾斜角度介于10°至30°的范围内。

本发明还涉及一种用于调节光束的传播方向的系统。

该系统包括：

-光源，该光源能够沿着光轴发射光束，

-如上所述的光学装置，该光学装置沿光束的传播方向被布置在光源的下游。

根据变体实施例，光学装置对应于扩束器。

根据另一变体实施例，光学装置对应于准直器。

此外，该系统包括用户单元，该用户单元能够将表示光束在光学装置输出处的设定传播方向的信号传输至位移单元，所述位移单元根据由用户单元传输至该位移单元的信号，使发散透镜或棱镜或多个棱镜产生位移。

例如，用户单元对应于稳定单元，该稳定单元配置用于：基于命令根据光束在光学装置输入处的传播方向与对应于光束在光学装置输出处的设定传播方向的目标轴之间的差异，向位移单元发送表示光束在光学装置输出处的设定传播方向的信号。

附图说明

本发明及其特征和优势在阅读参考附图的说明书后将变得更清楚，附图中：

图1示出了在发散透镜的给定位置处的光学装置的第一实施例；

图2示出了根据第一实施例在发散透镜的另一位置处的光学装置；

图3示出了光学装置的第二实施例的透视图；

图4示出了根据第二实施例在棱镜的给定位置处的光学装置；

图5示出了根据第二实施例在棱镜的另一位置处的光学装置。

具体实施方式

下面的描述将参照上述附图。

本发明涉及一种能够改变光束7的传播方向的光学装置D。

因此，光学装置D使得在光学装置的输入处具有一个传播方向的光束能够在光学装置D的输出处具有对应于设定传播方向的另一传播方向。

光学装置D可以是具有长焦结构的光束扩束器或光束准直器。

光束7可以是定向光束；特别是激光束。光束7可以在传播方向z上离开光源3。

如图1和图4所示，光学装置D在从上游到下游的光束7的传播方向z上包括整体发散的透镜组1和整体会聚的透镜组2。

例如，整体会聚的透镜组2包括形成光学单元的一个或多个透镜。该光学单元等效于会聚透镜。

虽然是非限制性的，但是整体会聚透镜组2的聚散度在1δ到100δ的范围内。

整体发散的透镜组1在光束7的传播方向z上包括：

-固定透镜1.1，以及

-包括至少一个可移动光学元件1.2的光学模块，该至少一个可移动光学元件1.2能够改变从整体发散的透镜组1发出的光束的传播方向。

可移动光学元件被配置成根据光束在光学装置D的输出处的设定传播方向产生位移。光学元件的位移使得光学装置D的输出处的光束方向能够对应于设定传播方向。

光学模块可以进一步包括位移单元4、12，该位移单元4、12被配置成根据表示光束在光学装置D的输出处设定传播方向的信号使可移动光学元件1.2产生位移。

根据第一实施例(图1和图2)，固定透镜1.1对应于固定会聚透镜，而可移动的光学元件1.2包括发散透镜1.20，该发散透镜1.20可以在基本垂直于光束7的传播方向z的平面1.3内产生位移。两个透镜1.1和1.20形成等效于发散透镜的光学单元。

如图1中的双向箭头6所示，整体发散的透镜组1的发散透镜1.20可以在垂直于光束的传播方向z的平面1.3内产生位移。图1示出了x、y、z坐标系。在该坐标系中，光束7的传播方向沿着z轴。垂直于光束7的传播方向的平面1.3位于平行于x轴和y轴的平面内。

发散透镜1.20的位移通过位移单元4来实现。该位移单元4能够在垂直于光束7的传播方向z的平面1.3内使发散透镜1.20产生位移。

作为示例，位移单元4包括支撑发散透镜1.20的板。由电动系统移动该板，使得该板在x和y的两个方向上产生位移。

因此，如图2所示，当发散透镜1.20在垂直于光束7的传播方向的平面内产生位移时，离开光学装置D的光束方向会发生改变。图2示出了根据发散透镜1.20的第一位置的光学装置D之后的光束5.0，以及根据发散光束1.20的第二位置的发散透镜1.20的位移8(在图2中由箭头8指示的方向上)之后的光学装置D之后的光束5.1。

发散透镜1.20具有较高的聚散度。

虽然是非限制性的，但是发散透镜1.20的聚散度与会聚透镜1.1的聚散度之比的绝对值介于0.001至0.1的范围内。

因此，会聚透镜1.1的聚散度使得可以增加发散透镜的聚散度的绝对值来减少对位移的需求。

在变体实施例中，会聚透镜1.1可以替换为整体会聚的透镜组。发散透镜1.20也可以替换为整体发散的透镜组。

根据第二实施例(图3至图5)，固定透镜1.1相当于固定发散透镜。此外，可移动光学元件1.2包括至少一个棱镜C1，该至少一个棱镜C1被配置成：围绕穿过棱镜C1的两个相对面的中心的至少一个旋转轴A1进行旋转。

旋转轴A1基本垂直于光束7的传播方向z。

棱镜C1可以被配置成围绕另一旋转轴进行旋转，该另一旋转轴基本垂直于旋转轴A1并且在光束7的传播方向z上。

根据一变体，可移动光学元件1.2还包括至少一个棱镜C2，该至少一个棱镜C2被配置成：围绕穿过棱镜C2的两个相对面的中心的旋转轴A2进行旋转。

旋转轴A2基本垂直于光束7的传播方向z。

优选地，旋转轴A1基本垂直于旋转轴A2。

优选地，棱镜C1和C2是立方体形状。

棱镜可以由切割玻璃构成。

棱镜C1和/或棱镜C2可以是平行平面板。该平行平面板的厚度可以介于5mm至20mm的范围内，它们的折射率介于1.4至1.8的范围内。

平行平面板可以绕其旋转轴A1和A2进行旋转，以使得该平行平面板的最大倾斜角度的绝对值介于10°至30°的范围内。优选地，最大倾斜角度的绝对值可以在20°至30°的范围内。根据变体，倾斜角度对应于平行平面板的表面与垂直于光束传播方向z(在光学装置D的输入处)的平面之间的角度。根据另一变体，倾斜角度对应于平行平面板的表面与光束传播方向z(在光学装置D的输入处)之间的角度。

图4和图5示出了x、y、z坐标系。在这些附图中，旋转轴A1平行于y轴，而旋转轴A2平行于x轴。在光学装置D的输入处的光束的传播方向z平行于z轴。

此外，位移单元12使得棱镜C1和/或棱镜C2能够围绕各自的旋转轴A1、A2进行旋转。

作为示例，位移单元12分别包括用于每个棱镜C1、C2的板。每个板通过电动系统旋转每个棱镜C1和C2进行移动。图3中的箭头13表示通过位移单元12的板驱动棱镜C1和C2来执行旋转。

在变体实施例中，发散透镜1.1可以替换为整体发散的透镜组。

即使该光学装置D具有非常小的机械运动，但是根据本发明的光学装置D提供了宽范围的光束方向的调节，。因此，本发明可以获得非常小的装置和非常紧凑的系统。

此外，该光学装置D可以分类调节光源3的光束方向。光源3不必移位就可以调节光束的方向。例如，这避免了在使用高功率激光器的同时使用笨重的位移系统。

光学装置D可以用在系统9中以调节光束的传播方向z。

所述系统包括能够沿着光轴10发射光束7的光源3。

光学装置D布置在光束7的传播方向上的光源3的下游。

根据优选实施例，系统9还包括用户单元11，该用户单元11能够将表示光束在光学装置D的输出处的设定传播方向的信号传输至位移单元4。然后，位移单元4根据由用户单元11传输至该位移单元4的信号使发散棱镜1.20或棱镜或多个棱镜C1和/或棱镜C2产生位移。

作为示例，用户单元11对应于控制单元，该控制单元包括用于探测目标的单元或用于探测系统的移动的单元。

用户单元11可以对应于稳定单元，该稳定单元被配置用于：基于命令根据光束7在光学装置D的输入处的传播方向与对应于光束在光学装置D的输出处的设定传播方向的目标轴之间的差异，向位移单元12发送表示光束在光学装置D的输出处的设定传播方向的命令信号。因此，由于该光学装置D，可以利用该系统将激光束精确地指向目标，该系统可以是便携式的而不需要依靠诸如三脚架之类的支撑件。

本说明书给出了参照附图和/或技术特征的各种实施例的细节。本领域技术人员应该理解的是，除非明确提及相反的内容或这些技术特征不兼容，否则各种实施例的各种技术特征可以彼此结合以获得其他实施例。此外，除非另有说明，否则实施例的技术特征可以与本实施例的其他技术特征分离。在本说明书中，出于说明的目的提供了许多具体细节，并且不以任何方式进行限制，以便准确地描述本发明。然而，本领域技术人员应该理解的是，本发明可以在缺少这些具体细节中的一个或多个或者缺少变体的情况下执行。在其他情况下，某些方面没有被详细描述，以避免模糊或者增加本说明书的范围，并且本领域技术人员应该理解的是，可以使用非常多变的手段并且本发明不受限于所描述的示例。

对于本领域技术人员显而易见的是，本发明允许许多其它特定形式的实施例同时保持在所要求保护的本发明的应用领域内。因此，本实施例必须被认为是说明性的，但是可以在所附权利要求的限定范围内进行修改，并且本发明不必受限于上面给出的细节。

Claims

1.一种能够改变光束（7）的传播方向的光学装置，所述光学装置在所述光束（7）的传播方向（z）上依次包括：整体发散的透镜组（1）和整体会聚的透镜组（2），

所述光学装置（D）的特征在于，所述整体发散的透镜组（1）在所述光束（7）的传播方向（z）上包括：

固定透镜（1.1）；以及

光学模块，所述光学模块包括至少一个可移动光学元件（1.2），所述至少一个可移动光学元件（1.2）能够改变从所述整体发散的透镜组（1）发出的所述光束的传播方向，

其特征在于，所述光学模块包括位移单元，所述位移单元被配置成：根据表示所述光束在所述光学装置（D）的输出处的设定传播方向的信号，使所述可移动光学元件（1.2）产生位移。

2.根据权利要求1所述的光学装置，

其特征在于：

所述固定透镜（1.1）对应于固定会聚透镜，以及

所述可移动光学元件（1.2）包括发散透镜（1.20），所述发散透镜（1.20）能够在垂直于所述光束（7）的传播方向（z）的平面（1.3）内产生位移。

3.根据权利要求2所述的光学装置，

其特征在于，所述位移单元包括第一位移单元（4），该第一位移单元（4）能够使所述发散透镜（1.20）在垂直于所述光束（7）的传播方向（z）的平面（1.3）内产生位移。

4.根据权利要求2所述的光学装置，

其特征在于，所述发散透镜（1.20）的聚散度与所述固定会聚透镜的聚散度之比的绝对值介于0.001至0.1的范围内。

5.根据权利要求1所述的光学装置，

其特征在于：

所述固定透镜（1.1）对应于固定发散透镜，以及

所述可移动光学元件（1.2）包括至少一个第一棱镜（C1），所述至少一个第一棱镜（C1）被配置成：围绕穿过该第一棱镜（C1）的两个相对面的中心的至少一个第一旋转轴（A1）进行旋转。

6.根据权利要求5所述的光学装置，

其特征在于，所述第一棱镜（C1）被配置成：围绕垂直于所述第一旋转轴（A1）的另一旋转轴进行旋转。

7.根据权利要求5所述的光学装置，

其特征在于，所述可移动光学元件（1.2）还包括至少一个第二棱镜（C2），所述至少一个第二棱镜（C2）被配置成：围绕穿过该第二棱镜（C2）的两个相对面的中心的第二旋转轴（A2）进行旋转，所述第一旋转轴（A1）和所述第二旋转轴（A2）垂直于所述光束（7）的传播方向（z）。

8.根据权利要求7所述的光学装置，

其特征在于，所述位移单元包括第二位移单元（12），该第二位移单元（12）能够使所述第一棱镜（C1）和/或所述第二棱镜（C2）围绕各自的旋转轴（A1，A2）进行旋转。

9.根据权利要求7所述的光学装置，

其特征在于，所述第一棱镜（C1）和/或所述第二棱镜（C2）是平行平面板。

10.根据权利要求9所述的光学装置，

其特征在于，所述平行平面板的厚度介于5mm至20mm的范围内。

11.根据权利要求9所述的光学装置，

其特征在于，所述平行平面板的折射率介于1.4至1.8的范围内。

12.根据权利要求9所述的光学装置，

其特征在于，所述平行平面板能够进行旋转，以使得所述平行平面板的倾斜角度的最大绝对值介于10°至30°的范围内。

13.一种用于调节光束（7）的传播方向的系统，

其特征在于，所述系统包括：

光源（3），能够沿着光轴（10）发射光束（7），

根据权利要求1至12中任一项的光学装置（D），所述光学装置（D）沿所述光束（7）的传播方向（z）被布置所述光源（3）的下游。

14.根据权利要求13所述的系统，

其特征在于，所述光学装置（D）对应于扩束器。

15.根据权利要求13所述的系统，

其特征在于，所述光学装置（D）对应于准直器。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的系统，

其特征在于，所述系统还包括用户单元（11），所述用户单元（11）能够将表示所述光束（7）在所述光学装置（D）的输出处的设定传播方向的信号传输至所述位移单元，所述位移单元包括第一位移单元（4）和第二位移单元（12），其中，当所述可移动光学元件（1.2）包括发散透镜（1.20）时，所述第一位移单元（4）根据由所述用户单元（11）传输至所述位移单元的所述信号，使所述发散透镜（1.20）产生位移；当所述可移动光学元件（1.2）包括第一棱镜（C1）和/或第二棱镜（C2），所述第二位移单元（12）根据由所述用户单元（11）传输至所述位移单元的所述信号，使所述第一棱镜（C1）和/或所述第二棱镜（C2）进行旋转。

17.根据权利要求16所述的系统，

其特征在于，所述用户单元（11）对应于稳定单元，所述稳定单元被配置用于：基于命令根据所述光束（7）在所述光学装置（D）的输入处的传播方向与对应于所述光束在所述光学装置（D）的输出处的设定传播方向的目标轴之间的差异，向所述位移单元发送表示所述光束在所述光学装置（D）的输出处的设定传播方向的信号。