CN113625458B - 双共焦反射式变倍扩束镜 - Google Patents

双共焦反射式变倍扩束镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双共焦反射式变倍扩束镜，双共焦反射式变倍扩束镜中，第二抛物面反射镜和第一抛物面反射镜共焦同轴，二者顶点距离为二者的焦距之差，二者构成第一反射扩束系统，无焦变倍系统设在第一反射镜的反射光路上以第二次扩束来自第一反射镜的入射光束，第三抛物面反射镜具有第三曲率半径，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜焦点重合，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜构成第二反射扩束系统，使得来自第二反射镜的入射光束沿光轴入射到第三抛物面反射镜，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第三次扩束。

Description

双共焦反射式变倍扩束镜
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种双共焦反射式变倍扩束镜。
背景技术
由于激光具有能量集中、方向性、单色性好的特点，目前被广泛应用在激光测距、空间光学等各个领域。但由于激光器出射的激光存在一定的发散角，不满足远距离传输对激光准直度的要求，且对于一些应用场景，如大气探测激光雷达、激光干涉仪等，出射光斑需远大于激光器光斑，所以需要对激光光束进行扩束准直。
目前广泛应用的扩束系统有两类，一是透射式激光扩束系统，通常由一个或多个透镜组构成，结构简单，可以设计成扩束比连续变化的变倍系统。但该系统只适用于小倍率扩束，当激光口径增大时，透镜口径也会增大，从而导致球差、慧差等像差增大。二是反射式激光扩束系统，目前应用较广的反射式扩束系统主要为格里高利系统、卡塞格林系统以及由离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统。格里高利反射式扩束系统由两个凹面反射镜组成，卡塞格林系统由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成。对于这两种扩束反射镜，轴对称式结构会造成其中心激光能量的损失，不适用于高峰值功率的激光扩束系统。而离轴结构会增加装调难度，对离轴角的精度要求很高，且主副镜之间的距离较大，装调时所需的镜筒很长。采用离轴抛物面镜的反射式扩束系统能够减小两反射镜之间的水平距离，通过引入非球面校正像差，但大倍率扩束时会增加抛物面离轴量，提高装调难度，增加成本。另外，对于所有的反射式扩束系统，由于其结构限制不能实现变倍扩束，所以不适用于需要对激光光束进行变倍扩束的应用场景。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种双共焦反射式变倍扩束镜，克服了现有的变倍扩束系统不能实现高变倍准直扩束的不足，加入了无焦变倍扩束模块，克服了抛物面反射镜不能实现变倍扩束的困难，通过两次反射扩束克服现有的离轴抛物面镜扩束系统在扩束倍率高时离轴量大的问题。在扩束倍数相同的情况下，比折射式扩束系统通光口径小，有效地控制了与口径相关的像差如球差和彗差；比反射式扩束系统适用范围广，扩束比可调节，可用于需要对激光光束进行变倍扩束的应用场景，并有效减小了抛物面镜的离轴量，减小了装调难度，能够实现从60倍到240倍的高变倍激光准直扩束。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种双共焦反射式变倍扩束镜包括，
第一抛物面反射镜，其具有第一曲率半径，
第二抛物面反射镜，其具有第二曲率半径，第二抛物面反射镜和第一抛物面反射镜共焦同轴，二者顶点距离为二者的焦距之差，二者构成第一反射扩束系统，使得入射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第一次扩束，
第一反射镜，其接收且反射第一次扩束后的入射光束，
无焦变倍系统，其设在所述第一反射镜的反射光路上以第二次扩束来自所述第一反射镜的入射光束，
第二反射镜，其接收且反射第二次扩束后的入射光束，
第三抛物面反射镜，其具有第三曲率半径，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜焦点重合，二者顶点距离为第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜的焦距之和，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜构成第二反射扩束系统，使得来自第二反射镜的入射光束沿光轴入射到第三抛物面反射镜，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第三次扩束，第二曲率半径大于第三曲率半径，第三曲率半径大于第一曲率半径。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述无焦变倍系统包括，
第一负透镜，其接收以及通过来自第一反射镜的入射光束，
第二负透镜，其平行于所述第一负透镜以接收和通过来自第一负透镜的入射光束，第二负透镜与所述第一负透镜之间的第一间距可调，
正透镜，其平行于所述第二负透镜以接收和通过来自第二负透镜的入射光束，正透镜与所述第二负透镜之间的第二间距可调，所述第一负透镜、所述第二负透镜和正透镜共轴。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述正透镜口径大于第一负透镜的口径以及第二负透镜的口径。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述第一负透镜焦距为-20mm，所述第二负透镜焦距为-30mm，所述正透镜焦距为60mm，所述正透镜、第一负透镜以及第二负透镜平行于所述第二抛物面反射镜或第一抛物面反射镜的光轴。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述第二曲率半径为300mm，第三曲率半径为150mm，第一曲率半径为60mm。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜或第三抛物面反射镜满足非球面公式：
Figure 15987DEST_PATH_IMAGE001
，其中，r为曲率半径，k=-1,c为曲率半径的导数。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述第一反射镜与第二反射镜对称安装，第一反射镜朝向第三抛物面反射镜且倾斜角为45°，第二反射镜朝向第三抛物面反射镜其倾斜角为45°。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，第一反射镜高度为光轴上方300mm，所述第二反射镜的高度为光轴下方150mm。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述第二反射镜的最小通光口径大于入射光束直径的30倍，最大通光口径不小于入射光束直径的120倍。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜中，所述第二反射镜的口径大于第一反射镜的口径。
在上述技术方案中，本发明提供的一种双共焦反射式变倍扩束镜，具有以下有益效果：本发明所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜通过折反射式高变倍扩束系统压缩激光发散角，对激光光束半径实现60-240倍的准直扩束。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是双共焦反射式变倍扩束镜一个实施例的结构示意图；
图2是双共焦反射式变倍扩束镜一个实施例的光束第一次扩束原理示意图；
图3是双共焦反射式变倍扩束镜一个实施例的光束第二次扩束原理示意图；
图4是双共焦反射式变倍扩束镜一个实施例的光束第三次扩束原理示意图；
图5是双共焦反射式变倍扩束镜一个实施例的扩束倍数为60倍时，双共焦反射式变倍扩束镜的光路结构示意图；
图6是双共焦反射式变倍扩束镜一个实施例的扩束倍数为240倍时，双共焦反射式变倍扩束镜的光路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图1至图6，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
在一个实施例中，如图1至图6所示，双共焦反射式变倍扩束镜包括，
第一抛物面反射镜1，其具有第一曲率半径，
第二抛物面反射镜2，其具有第二曲率半径，第二抛物面反射镜2和第一抛物面反射镜1共焦同轴，二者顶点距离为二者的焦距之差，二者构成第一反射扩束系统，使得入射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜1，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜2，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第一次扩束，
第一反射镜4，其接收且反射第一次扩束后的入射光束，
无焦变倍系统，其设在所述第一反射镜4的反射光路上以第二次扩束来自所述第一反射镜4的入射光束，
第二反射镜5，其接收且反射第二次扩束后的入射光束，
第三抛物面反射镜3，其具有第三曲率半径，第三抛物面反射镜3和第二抛物面反射镜2焦点重合，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜构成第二反射扩束系统，使得来自第二反射镜5的入射光束沿光轴入射到第三抛物面反射镜3，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜2，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第三次扩束，第二曲率半径大于第三曲率半径，第三曲率半径大于第一曲率半径。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述无焦变倍系统包括，
第一负透镜6，其接收以及通过来自第一反射镜4的入射光束，
第二负透镜7，其平行于所述第一负透镜6以接收和通过来自第一负透镜6的入射光束，第二负透镜7与所述第一负透镜6之间的第一间距可调，
正透镜8，其平行于所述第二负透镜7以接收和通过来自第二负透镜7的入射光束，正透镜8与所述第二负透镜7之间的第二间距可调，所述第一负透镜6、所述第二负透镜7和正透镜8共轴。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述正透镜8口径大于第一负透镜6的口径以及第二负透镜7的口径。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述第一负透镜6焦距为-20mm，所述第二负透镜7焦距为-30mm，所述正透镜8焦距为60mm，所述正透镜8、第一负透镜6以及第二负透镜7平行于所述第二抛物面反射镜2或第一抛物面反射镜1的光轴。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述第二曲率半径为300mm，第三曲率半径为150mm，第一曲率半径为60mm。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，第一抛物面反射镜1、第二抛物面反射镜2或第三抛物面反射镜3满足非球面公式：
Figure 307291DEST_PATH_IMAGE001
，其中，r为曲率半径，k=-1,c为曲率半径的导数。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述第一反射镜4与第二反射镜5对称安装，第一反射镜4朝向第三抛物面反射镜3且倾斜角为45°，第二反射镜5朝向第三抛物面反射镜3其倾斜角为45°。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，第一反射镜4高度为光轴上方300mm，所述第二反射镜5的高度为光轴下方150mm。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述第二反射镜的最小通光口径大于入射光束直径的30倍，最大通光口径不小于入射光束直径的120倍。
所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜的优选实施例中，所述第二反射镜5的口径大于第一反射镜4的口径。
在一个实施例中，第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜的顶点距离为二者曲率半径之差的一半。
在一个实施例中，二者构成第一反射扩束系统，第一反射镜4和第二反射镜5构成反射系统，第一反射镜4与第二反射镜5中间为由三片透镜组成的无焦变倍扩束系统，第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜构成第二反射扩束系统，所述第二抛物面反射镜被第一反射扩束系统和第二反射扩束系统共用。一束激光以平行于光轴的方向入射，由第一反射扩束系统进行一次扩束，出射后的激光光轴被第一反射镜4反射，然后由无焦变倍扩束系统进行二次扩束，扩束后的激光光轴被第二反射镜5反射旋转九十度，再由第二反射扩束系统进行三次扩束，出射激光方向与入射方向相同。
在一个实施例中，双共焦反射式变倍扩束包括三个抛物面反射镜、两个反射镜和三个透镜，三个抛物面反射镜共焦放置，三个透镜分别是第一负透镜6、第二负透镜7、正透镜8，曲率半径最小的第一抛物面反射镜1与曲率半径最大的第二抛物面反射镜2构成第一反射扩束系统，曲率半径为中间值的第三抛物面反射镜3与曲率半径最大的第二抛物面反射镜2构成第二反射扩束系统，第一反射扩束系统和第二反射扩束系统共用曲率半径最大的第二抛物面反射镜2。透镜组位于两个反射镜中间，第二反射镜5的口径大于第一反射镜4，正透镜8口径大于第一负透镜6和第二负透镜7。
在一个实施例中，如图1所示， 第一抛物面反射镜1与第二抛物面反射镜2共焦同轴，顶点距离为两抛物面反射镜焦距之差，第一反射镜4与第二反射镜5对称安装，倾斜角均为45°，第一负透镜6、第二负透镜7与正透镜8共轴，对称轴方向与第一抛物面反射镜1、第二抛物面反射镜2、第三 抛物面反射镜对称轴平行。一束光束半径为r0的激光沿光轴入射到第一抛物面反射镜1，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜2，光轴旋转90°，与入射激光方向平行，实现一次扩束，出射光束半径为r1。光束被第一反射镜4反射后，进入由三片“负-负-正”透镜构成的无焦变倍系统中实现二次扩束，出射光束半径为r2,调整三片透镜之间的间距可实现变倍扩束。光束被第二反射镜5反射后，入射到第三抛物面反射镜3，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜2，实现第三次扩束，出射光束半径r3，出射光束与入射光束平行。r3>r2>r1>r0,实现光的三次扩束。
在一个实施例中，第一抛物面反射镜1满足非球面公式：
Figure 761275DEST_PATH_IMAGE002
，第一曲率半径R1为60mm，k=-1,
Figure 632279DEST_PATH_IMAGE003
。
所述第二抛物面反射镜2满足非球面公式：
Figure 222529DEST_PATH_IMAGE002
，第二曲率半径R2为300mm，k=-1,
Figure 153576DEST_PATH_IMAGE004
。
在一个实施例中，激光光束第一次扩束原理如图2所示，所述第一抛物面反射镜1与所述第二抛物面反射镜2焦点重合，所述第一抛物面反射镜1与所述第二抛物面反射镜2顶点之间的距离为d12。平行于光轴的入射激光光束半径为r0，与光轴之间的距离h1为第一抛物面反射镜1的曲率半径R1,激光经过两次反射后，光束半径为r1，扩束倍数
Figure 94856DEST_PATH_IMAGE005
，顶点距离为
Figure 628606DEST_PATH_IMAGE006
。所述第一反射镜4倾斜角度为45°，高度为光轴上方300mm；所述第二反射镜5倾斜角度为45°，高度为光轴下方150mm。所述第一负透镜6焦距为-20mm，所述第二负透镜7焦距为-30mm，所述正透镜8焦距为60mm。
激光光束第二次扩束原理如图3所示， 所述第一负透镜6与所述第二负透镜7间距为d1，所述第二负透镜7与所述正透镜8间距为d2。调整d1,d2的大小即可改变第二次扩束的倍数。当d1=10mm，d2=45mm时，第二次扩束倍数为6，当d1=190mm，d2=33.75mm时，第二次扩束倍数为24。扩束倍数范围
Figure 824095DEST_PATH_IMAGE007
在6-24倍之间。
所述第二反射镜5为平面镜，其通光口径大小由第一次扩束和第二次扩束倍数共同决定，其最小通光口径应大于入射激光光束直径的30倍，最大通光口径不小于入射激光光束直径的120倍。
所述第三抛物面反射镜3满足非球面公式：
Figure 440890DEST_PATH_IMAGE008
，第三曲率半径R3为150mm，k=-1,
Figure 89040DEST_PATH_IMAGE009
。
激光光束第三次扩束原理如图4所示，第二抛物面反射镜2与所述第三抛物面反射镜3焦点重合，所述第二抛物面反射镜2与所述第三抛物面反射镜3顶点之间的距离为d23。平行于光轴的入射激光光束半径为r2，与光轴之间的距离h2为第三抛物面反射镜3的曲率半径R3,激光经过两次反射后，光束半径为r3，扩束倍数
Figure 822553DEST_PATH_IMAGE010
，顶点距离为
Figure 138128DEST_PATH_IMAGE011
。附图5为扩束倍数为60倍时，双共焦反射式变倍扩束镜的光路结构图。附图6为扩束倍数为240倍时，双共焦反射式变倍扩束镜的光路结构图。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，其包括，
第一抛物面反射镜，其具有第一曲率半径，
第二抛物面反射镜，其具有第二曲率半径，第二抛物面反射镜和第一抛物面反射镜共焦同轴，二者顶点距离为二者的焦距之差，二者构成第一反射扩束系统，使得入射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第一次扩束，
第一反射镜，其接收且反射第一次扩束后的入射光束，
无焦变倍系统，其设在所述第一反射镜的反射光路上以第二次扩束来自所述第一反射镜的入射光束，
第二反射镜，其接收且反射第二次扩束后的入射光束，
第三抛物面反射镜，其具有第三曲率半径，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜焦点重合，第三抛物面反射镜和第二抛物面反射镜构成第二反射扩束系统，使得来自第二反射镜的入射光束沿光轴入射到第三抛物面反射镜，光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向平行以实现第三次扩束，第二曲率半径大于第三曲率半径，第三曲率半径大于第一曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，优选的，所述无焦变倍系统包括，
第一负透镜，其接收以及通过来自第一反射镜的入射光束，
第二负透镜，其平行于所述第一负透镜以接收和通过来自第一负透镜的入射光束，第二负透镜与所述第一负透镜之间的第一间距可调，
正透镜，其平行于所述第二负透镜以接收和通过来自第二负透镜的入射光束，正透镜与所述第二负透镜之间的第二间距可调，所述第一负透镜、所述第二负透镜和正透镜共轴。
3.根据权利要求2所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，所述正透镜口径大于第一负透镜的口径以及第二负透镜的口径。
4.根据权利要求2所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，所述第一负透镜焦距为-20mm，所述第二负透镜焦距为-30mm，所述正透镜焦距为60mm，所述正透镜、第一负透镜以及第二负透镜平行于所述第二抛物面反射镜或第一抛物面反射镜的光轴。
5.根据权利要求4所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，所述第二曲率半径为300mm，第三曲率半径为150mm，第一曲率半径为60mm。
6.根据权利要求1所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜或第三抛物面反射镜满足非球面公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，r为曲率半径，k=-1,c为曲率半径的导数。
7.根据权利要求1所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，所述第一反射镜与第二反射镜对称安装，第一反射镜朝向第三抛物面反射镜且倾斜角为-45°，第二反射镜朝向第三抛物面反射镜其倾斜角为45°。
8.根据权利要求7所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，第一反射镜高度为光轴上方300mm，所述第二反射镜的高度为光轴下方150mm。
9.根据权利要求1所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，所述第二反射镜的最小通光口径大于入射光束直径的30倍，最大通光口径不小于入射光束直径的120倍。
10.根据权利要求1所述的一种双共焦反射式变倍扩束镜，其特征在于，所述第二反射镜的口径大于第一反射镜的口径。
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