CN112269222B - 组合式多面体棱镜及光束分束装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种组合式多面体棱镜，其包括：N个光学元件，所述N个光学元件能够配合以形成所述组合式多面体棱镜；每个光学元件包括第一抵靠面、第二抵靠面、入射面和出射面；其中，所述第一抵靠面和第二抵靠面均位于所述入射面和出射面之间；通过所述N个光学元件中的相邻光学元件的第一抵靠面和第二抵靠面的接触与分离来使得所述N个光学元件被设定成相互抵靠以及相互完全分离，当所述N个光学元件被设定成相互抵靠时，入射光束经过每个光学元件的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点；当所述N个光学元件被设定成相互完全分离时，入射光束不通过光学元件而形成一个焦点。本公开还提供一种光束分束装置。

Description

组合式多面体棱镜及光束分束装置

技术领域

本公开涉及一种组合式多面体棱镜及光束分束装置，属于激光领域。

背景技术

在激光加工领域，不同场合对激光的光束和强度有不同的要求，例如，有的场合需要将激光束聚焦为一点，以使得该焦点的能量较高，有的场合需要将激光聚焦为多点，以满足不同的目的。

中国发明专利文件CN108845409A公开了一种基于多面体棱镜产生阵列多焦点的装置及方法，其能够通过一个多面体棱镜对激光进行分束，从而形成多个焦点。但是该装置无法形成一个焦点，不能应用于多个场合。

中国发明专利文件CN101126823A公开了一种三色光等腰梯形合色组合棱镜，该组合棱镜的组合方式并不具备对光线进行分束的功能。

因此，亟需开发出一种新的组合式多面体棱镜及光束分束装置来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种组合式多面体棱镜及光束分束装置。

根据本公开的一个方面，提供了一种组合式多面体棱镜，其包括：

N个光学元件，所述N个光学元件能够配合以形成所述组合式多面体棱镜，其中N为大于等于2的整数；

每个光学元件包括第一抵靠面、第二抵靠面、入射面和出射面；其中，所述第一抵靠面和第二抵靠面均位于所述入射面和出射面之间，所述第一抵靠面和第二抵靠面形成呈预定角度的顶角；

通过所述N个光学元件中的相邻光学元件的第一抵靠面和第二抵靠面的接触与分离来使得所述N个光学元件被设定成相互抵靠以及相互完全分离，

当所述N个光学元件被设定成相互抵靠时，入射光束经过每个光学元件的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点；当所述N个光学元件被设定成相互完全分离时，入射光束不通过光学元件而形成一个焦点。

根据本公开的至少一个实施方式的组合式多面体棱镜，还通过所述N个光学元件中的相邻光学元件的第一抵靠面和第二抵靠面的分离来使得所述N个光学元件被设定成相互部分分离，通过所述组合式多面体棱镜形成N+1个焦点，其中，部分入射光束经过每个光学元件的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点，并且部分入射光束不经过光学元件而形成一个焦点。

根据本公开的至少一个实施方式的组合式多面体棱镜，所述N个光学元件的顶角之和为360°。

根据本公开的至少一个实施方式的组合式多面体棱镜，所述入射面和出射面之间的夹角为1°～42°。

根据本公开的至少一个实施方式的组合式多面体棱镜，所述入射面与所述出射面之间所限定的光学元件的厚度沿接近所述顶角的方向逐渐减小。

根据本公开的另一个方面，提供了一种光束分束装置，其包括上述的组合式多面体棱镜，其中通过所述组合式多面体棱镜来使得入射光束形成一个或多个出射光束。

根据本公开的至少一个实施方式的光束分束装置，还包括驱动结构，所述驱动结构用于驱动所述N个光学元件沿与所述入射光束的方向相垂直的方向进行移动，以便使得所述N个光学元件相互接触或相互分离。

根据本公开的至少一个实施方式的光束分束装置，所述驱动结构包括：

固定部；

N个滑动部，所述N个滑动部可滑动地设置于所述固定部，所述N个光学元件分别固定至所述N个滑动部，以便由滑动部带动光学元件进行移动；以及

驱动部，用于驱动所述N个滑动部沿所述固定部移动，以便使得所述N个光学元件相互接触或相互分离。

根据本公开的至少一个实施方式的光束分束装置，所述固定部包括套筒和设置在所述套筒一端的外法兰，所述套筒的内部设置有包括凹透镜和凸透镜的组合透镜，所述组合透镜的光轴与所述套筒的轴线重合并且用于对所述出射光束进行聚焦；

在所述外法兰远离所述套筒的一侧的表面上开设有N个导轨槽，所述N个滑动部分别沿着所述N个导轨槽进行移动。

根据本公开的至少一个实施方式的光束分束装置，所述滑动部形成有与所述导轨槽配合的导轨；

所述滑动部形成有用于夹持所述光学元件的夹持部；以便通过所述夹持部固定所述光学元件；

所述滑动部形成有从动面，所述驱动部上形成有驱动面，当所述驱动部运动时，所述驱动面挤压所述从动面，使得滑动部沿所述导轨槽的长度方向滑动。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本公开的一个实施方式的组合式多面体棱镜的结构示意图；

图2为本公开的光学元件的结构示意图；

图3为本公开的组合式多面体棱镜形成三个焦点时的状态图；

图4为本公开的组合式多面体棱镜形成四个焦点时的状态图；

图5为本公开的组合式多面体棱镜形成一个焦点时的状态图；

图6为本公开的光束分束装置的结构示意图

图7为本公开的固定部的结构示意图；

图8为本公开的弹簧的安装位置示意图；

图9为本公开的滑动部的结构示意图；

图10为本公开的驱动部的结构示意图；

图中附图标记为：

1 光学元件

11 第一抵靠面

12 第二抵靠面

13 入射面

14 出射面

21 固定部

22 滑动部

23 驱动部

24 固定环

25 弹簧

26 第一柱体

211 套筒

212 外法兰

221 导轨

222 夹持部

223 第二柱体

231 外圆筒

232 楔形板

2121 导轨槽

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。

这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

图1为本公开的一个实施方式的组合式多面体棱镜的结构示意图。

如图1所示的组合式多面体棱镜，其包括：N个光学元件1，所述N个光学元件1能够配合以形成所述组合式多面体棱镜，其中N为大于等于2的整数；每个光学元件1包括第一抵靠面11、第二抵靠面12、入射面13和出射面14；其中，所述第一抵靠面11和第二抵靠面12均位于所述入射面13和出射面14之间，所述第一抵靠面11和第二抵靠面12形成呈预定角度的顶角；通过所述N个光学元件1中的相邻光学元件1的第一抵靠面11和第二抵靠面12的接触与分离来使得所述N个光学元件1被设定成相互抵靠以及相互完全分离，当所述N个光学元件1被设定成相互抵靠时，入射光束经过每个光学元件1的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点；当所述N个光学元件1被设定成相互完全分离时，入射光束不通过光学元件1而形成一个焦点。

而且，除相互抵靠以及相互完全分离两种状态以外，在光学元件彼此分离的过程中，还存在中间状态，即相互部分分离状态，此时，所述组合式多面体棱镜还通过所述N个光学元件1中的相邻光学元件1的第一抵靠面11和第二抵靠面12的分离来使得所述N个光学元件1被设定成相互部分分离，通过所述组合式多面体棱镜形成N+1个焦点，其中，部分入射光束经过每个光学元件1的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点，并且部分入射光束(其余的入射光束)不经过光学元件1而形成一个焦点。

作为一种具体的实现形式，参考图1，所述光学元件1的数量为三个，此时，所述光学元件1的顶角为120度，以当所述光学元件1组合在一起时，能够使得组合式多面体棱镜形成为完整的结构。

相似地，当所述光学元件1的数量为四个时，对应的所述光学元件1的顶角为90°。

当然，在一个组合式多面体棱镜中，所述光学元件1的顶角可以不同，只需要满足这些光学元件1的顶角之和为360°即可。

作为一个特例，当所述光学元件1的数量为两个时，所述光学元件1的顶角为180°，即两个所述光学元件1的顶角均为平角，并由此使得所述光学元件形成为四边形形状。

当然，当所述光学元件1的数量为两个时，也可以通过下述方式实现，即其中的一个光学元件1的顶角为大于180°，并且小于360°的优角；另一个光学元件1的顶角为大于0°，并且小于180°的劣角；并且使得两个光学元件1的顶角之和为360°。

图2为本公开的光学元件的结构示意图。

结合图2A，形成光学元件1的顶角的第一抵靠面11和第二抵靠面12均平行于入射光束的方向，所述顶角即为所述第一抵靠面11和第二抵靠面12的二面角；所述二面角的棱线均位于所述入射光束的中心。

并且，参考图2B，所述入射面13与所述入射光束的方向垂直，所述出射面使得光束照射至光学元件时，满足折射条件；即光束不在光学元件的出射面发生全反射即可。作为一种优选，所述入射面13和出射面14之间的夹角为1°～42°，并且优选为2°。

本公开中，所述入射面13与所述出射面14之间所限定的光学元件1的厚度沿接近所述顶角的方向逐渐减小。

由此，本公开的组合式多面体棱镜在使用时，参考图3，当三个光学元件1组合在一起时，光束照射在上述三个光学元件1，通过所述光学元件1折射后，形成三个分光束；这三个分光束通过聚焦透镜聚焦后，形成三个焦点。

另一方面，参考图4，当上述三个光学元件1逐渐分离，并使得三个光学元件1之间相隔一段距离后，会形成四个焦点；即，通过所述光学元件1的折射所形成的三个焦点，以及光束从光学元件1之间的区域通过所述光学元件1之后所形成的另一个焦点。

进一步地，参考图5，当上述三个光学元件1之间的距离增加到不会对光束产生折射后，光束通过聚焦透镜聚焦为一个焦点。

由此，本公开的组合式多面体棱镜能够将光束形成为不同的焦点，并由此解决了背景技术中所提及的技术问题。

本公开中，所述聚焦透镜可以为凸透镜和凹透镜的组合透镜(图中未示出)，其中，所述凸透镜和凹透镜之间可以相隔一定距离，并且所述凸透镜和凹透镜之间的距离是可调的；由此，能够使得聚焦之后的焦点在光束的传播方向上是可以移动的。

图6为本公开的光束分束装置的结构示意图。

本公开的另一方面提供一种光束分束装置，参考图6，其包括上述的组合式多面体棱镜，其中通过所述组合式多面体棱镜来基于入射光束形成一个或多个出射光束。

优选地，所述光束分束装置还包括驱动结构，所述驱动结构用于驱动所述N个光学元件1沿与所述入射光束的方向相垂直的方向进行移动，以便使得所述N个光学元件1相互接触或相互分离。

作为一个示例，所述光学元件驱动机构包括：固定部21，所述固定部21用于固定所述组合透镜；N个滑动部22，所述N个滑动部22可滑动地设置于所述固定部21，所述N个光学元件1分别固定于所述滑动部22，以便由滑动部22带动光学元件1进行移动；以及驱动部23，用于驱动所述滑动部22沿所述固定部21移动，以便使得所述N个光学元件1相互接触或相互分离。

图7为本公开的固定部的结构示意图。

优选地，参考图7，所述固定部21包括套筒211和设置于所述套筒211一端的外法兰212；本公开中，所述套筒211内固定有组合透镜(图中未示出)，并且所述组合透镜的光轴与所述套筒211的轴线重合，以对所述出射光束进行聚焦。

在所述外法兰212远离所述套筒211的表面开设有N个导轨槽2121，优选地，所述导轨槽2121可以为燕尾槽，本公开中，所述导轨槽2121沿所述外法兰212的径向开设，所述N个滑动部分别沿着所述N个导轨槽进行移动。

图9为本公开的滑动部的结构示意图。

参考图9，所述滑动部22形成有与所述导轨槽2121配合的导轨221，相应地，当所述导轨槽2121为燕尾槽时，所述导轨221为梯形导轨，并且使得所述梯形导轨可以在所述燕尾槽内滑动。

所述滑动部22形成有用于夹持所述光学元件1的夹持部222；优选地，在所述夹持部222形成有凹槽，所述光学元件1插入于所述凹槽内。

所述滑动部22形成有从动面；本公开中，所述从动面为圆锥面，所述圆锥面沿所述入射光束的入射方向，向所述外法兰212的外边缘倾斜设置。

图10为本公开的驱动部的结构示意图。

参考图10，所述驱动部23包括外圆筒231以及设置于所述外圆筒231的内壁面的楔形板232；本公开中，所述外法兰212的外圆柱面形成有外螺纹；所述外圆筒231的内壁面形成为内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹配合，以当所述驱动部23相对于所述固定部21发生转动时，能够使得所述驱动部23相对于所述固定部21产生轴向位移。

此时，所述楔形板232的中部形成为用于光束通过的通孔，并且所述楔形板232的通孔的壁面形成为驱动面，以当所述驱动部运动时，所述驱动面挤压所述从动面，使得滑动部沿所述导轨槽的长度方向滑动。

本公开中，所述驱动面为圆锥面，并且所述驱动面与所述滑动部22的圆锥面配合，以当所述驱动部23发生轴向位移时，能够通过楔形板232的圆锥面和滑动部22的圆锥面配合，驱动所述滑动部22沿所述导轨槽长度方向滑动。

也就是说，本公开的光束分束装置在使用时，所述固定部21被固定于其他部件，此时，可以转动驱动部23，使得驱动部23沿所述固定部21的轴线方向产生位移，以此，驱动所述滑动部22运动，并最终体现为光学元件1的运动。

另一方面，当所述驱动部23反转时，所述滑动部22并不会随所述驱动部23的运动而复位，也就是说，此时需要借助外力才能够使得滑动部22复位。

图8为本公开的弹簧的安装位置示意图。

本公开中，参考图8，所述光学元件驱动机构还包括固定环24和弹簧25，所述套筒211与所述外法兰212的连接处形成有台阶，所述固定环24设置于所述台阶；所述弹簧25设置于所述导轨槽内，并且所述弹簧25的一端顶设于所述固定环24，所述弹簧25的另一端顶设于所述滑动部22，所述弹簧25处于预压缩状态，以通过所述弹簧25的设置，实现所述滑动部22的复位。

更优选地，所述弹簧25的另一端顶在所述滑动部22的导轨，此时，当所述驱动部23和固定部21相互靠近时，驱动所述滑动部22沿所述外法兰212的径向向内运动，将光学元件1组合为一个组合式多面体棱镜；另一方面，当所述驱动部23和固定部21相互远离时，在所述弹簧25的弹力下，所述滑动部22沿所述外法兰212的径向向外运动，实现光学元件1之间的分离。

本公开中，为防止弹簧25脱离所述导轨槽，所述驱动结构还包括第一柱体26；此时，所述固定环24相对于所述导轨槽的部分沿所述外法兰212的径向开设有盲孔，所述盲孔的开口朝向所述导轨槽，并且所述第一柱体26的一端设置于所述盲孔内，另一端位于所述定位槽内，所述弹簧25套设于所述第一柱体26。

相似地，所述滑动部22的导轨形成有第二柱体223，所述第二柱体223和第一柱体26的轴心线可以重合设置，所述弹簧25的另一端套设于所述第二柱体223，从而使得所述弹簧25被稳定地夹持在所述滑动部22和固定环24之间。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种组合式多面体棱镜，其特征在于，包括：

N个光学元件，所述N个光学元件能够配合以形成所述组合式多面体棱镜，其中N为大于等于2的整数；

每个光学元件包括第一抵靠面、第二抵靠面、入射面和出射面；其中，所述第一抵靠面和第二抵靠面均位于所述入射面和出射面之间，所述第一抵靠面和第二抵靠面形成呈预定角度的顶角；

通过所述N个光学元件中的相邻光学元件的第一抵靠面和第二抵靠面的接触与分离来使得所述N个光学元件被设定成相互抵靠以及相互完全分离，

当所述N个光学元件被设定成相互抵靠时，入射光束经过每个光学元件的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点；当所述N个光学元件被设定成相互完全分离时，入射光束不通过光学元件而形成一个焦点。

2.如权利要求1所述的组合式多面体棱镜，其特征在于，还通过所述N个光学元件中的相邻光学元件的第一抵靠面和第二抵靠面的分离来使得所述N个光学元件被设定成相互部分分离，通过所述组合式多面体棱镜形成N+1个焦点，其中，部分入射光束经过每个光学元件的入射面及出射面后形成各自独立的N个焦点，并且部分入射光束不经过光学元件而形成一个焦点。

3.如权利要求1所述的组合式多面体棱镜，其特征在于，所述N个光学元件的顶角之和为360°。

4.如权利要求1所述的组合式多面体棱镜，其特征在于，所述入射面和出射面之间的夹角为1°～42°。

5.如权利要求1所述的组合式多面体棱镜，其特征在于，所述入射面与所述出射面之间所限定的光学元件的厚度沿接近所述顶角的方向逐渐减小。

6.一种光束分束装置，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的组合式多面体棱镜，其中通过所述组合式多面体棱镜来使得入射光束形成一个或多个出射光束。

7.如权利要求6所述的光束分束装置，其特征在于，还包括驱动结构，所述驱动结构用于驱动所述N个光学元件沿与所述入射光束的方向相垂直的方向进行移动，以便使得所述N个光学元件相互接触或相互分离。

8.如权利要求7所述的光束分束装置，其特征在于，所述驱动结构包括：

固定部；

N个滑动部，所述N个滑动部可滑动地设置于所述固定部，所述N个光学元件分别固定至所述N个滑动部，以便由滑动部带动光学元件进行移动；以及

驱动部，用于驱动所述N个滑动部沿所述固定部移动，以便使得所述N个光学元件相互接触或相互分离。

9.如权利要求8所述的光束分束装置，其特征在于，

所述固定部包括套筒和设置在所述套筒一端的外法兰，所述套筒的内部设置有包括凹透镜和凸透镜的组合透镜，所述组合透镜的光轴与所述套筒的轴线重合并且用于对所述出射光束进行聚焦；

在所述外法兰远离所述套筒的一侧的表面上开设有N个导轨槽，所述N个滑动部分别沿着所述N个导轨槽进行移动。

10.根据权利要求9所述的光束分束装置，其特征在于，所述滑动部形成有与所述导轨槽配合的导轨；

所述滑动部形成有用于夹持所述光学元件的夹持部；以便通过所述夹持部固定所述光学元件；

所述滑动部形成有从动面，所述驱动部上形成有驱动面，当所述驱动部运动时，所述驱动面挤压所述从动面，使得滑动部沿所述导轨槽的长度方向滑动。

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