CN113687519B - 共焦抛物面反射扩束镜 - Google Patents

共焦抛物面反射扩束镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共焦抛物面反射扩束镜，共焦抛物面反射扩束镜中，第一抛物面反射镜具有第一曲率半径，第二抛物面反射镜具有第二曲率半径，第二抛物面反射镜和第一抛物面反射镜共焦同轴，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°后与入射光束方向相反以第一次扩束，第一双平面反射镜接收且反射第一次扩束后的入射光束，并将光轴旋转90°，第二双平面反射镜接收且反射来自第一双平面反射镜的反射光束，并将其光轴旋转90°，使得反射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜，第一抛物面反射镜将光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向相反以第二次扩束。

Description

共焦抛物面反射扩束镜
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种共焦抛物面反射扩束镜。
背景技术
由于激光器发出的典型激光束直径很小并存在一定的发散角，在激光测距、光源扩束等领域中，对激光具有远距离传输要求且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，一是适用于小倍率扩束的透射式激光扩束系统，当激光口径增大时，透镜口径也随之增大，从而导致球差、慧差等与透镜口径有关的像差增大。二是没有色差的反射式扩束系统，能够实现大倍率扩束。如常用的离轴格里高利反射式扩束系统和由离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统。但离轴格里高利系统的主副镜之间水平距离较远，装调所需的镜筒很长，两离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统在高倍数扩束时又需要很大的离轴量，成本高，体积大。
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共焦抛物面反射扩束镜，克服了透射式激光扩束系统存在的与透镜口径有关的像差问题，通过两次反射扩束实现了反射式扩束系统的小型化，在相同的扩束倍数情况下，大幅度减小了反射式扩束镜的体积，降低了成本，能够实现激光的25倍准直扩束。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种共焦抛物面反射扩束镜包括，
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，第二曲率半径大于第一曲率半径，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和，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°后与入射光束方向相反以第一次扩束，
第一双平面反射镜，其接收且反射第一次扩束后的入射光束，并将光轴旋转90°，
第二双平面反射镜，其接收且反射来自第一双平面反射镜的反射光束，并将其光轴旋转90°，使得反射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜，
第一抛物面反射镜将光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向相反以第二次扩束。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，所述第一双平面反射镜包括，
第一平面反射镜，其接收来自第一次反射扩束的入射光束，
第二平面反射镜，其接收来自第一平面反射镜的光束，并将光束反射，第一平面反射镜与第二平面反射镜夹角为45°使光束与第一次反射扩束的入射光束方向垂直。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，第一平面反射镜与竖直方向的夹角为30°。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，所述第二双平面反射镜包括，
第三平面反射镜，其接收来自第一双平面反射镜的入射光束，
第四平面反射镜，其接收来自第三平面反射镜的光束，并将光束反射，使光束与第一次反射扩束的入射光束方向相反，并垂直入射到第一抛物面反射镜上。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，所述第三平面反射镜与第四平面反射镜夹角为45°。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，所述第四平面反射镜与竖直方向夹角为30°。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，第二曲率半径为150mm，第一曲率半径为30mm。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，第一抛物面反射镜或第二抛物面反射镜满足非球面公式：
Figure BDA0003259327300000031
其中，r为曲率半径，k＝-1，c为曲率半径的导数。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，所述第一抛物面反射镜的中心轴线与第二抛物面反射镜的中心轴线共线，且第一双平面反射镜和第二双平面反射镜相对于第一抛物面反射镜的中心轴线对称或第二抛物面反射镜的中心轴线对称。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜中，所述第一平面反射镜和第四平面反射镜相对于第一抛物面反射镜的中心轴线对称或第二抛物面反射镜的中心轴线对称，所述第二平面反射镜和第三平面反射镜相对于第一抛物面反射镜的中心轴线对称或第二抛物面反射镜的中心轴线对称。
在上述技术方案中，本发明提供的一种共焦抛物面反射扩束镜，具有以下有益效果：本发明所述的一种共焦抛物面反射扩束镜通过两个双平面反射镜改变出射光的方向，能够重复利用共焦抛物面反射镜进行两次扩束，大幅度减小了单次反射所需的抛物面反射镜的离轴量，减小了体积，节约了加工成本。双平面反射镜主要作用是通过正反两面反射光束，当双平面反射镜作为一个刚体转动时，只要入射光线方向不变，出射光线的方向就不会改变。
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是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的结构示意图；
图2是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的光束第一次扩束原理示意图；
图3是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的第一双平面反射镜的工作原理示意图；
图4是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的第二双平面反射镜的工作原理示意图；
图5是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的第二次反射扩束工作原理示意图；
图6是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的光路结构示意图。
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，共焦抛物面反射扩束镜包括，
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，第二曲率半径大于第一曲率半径，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和，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°后与入射光束方向相反以第一次扩束，
第一双平面反射镜，其接收且反射第一次扩束后的入射光束，并将光轴旋转90°，
第二双平面反射镜，其接收且反射来自第一双平面反射镜的反射光束，并将其光轴旋转90°，使得反射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜1，
第一抛物面反射镜1将光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜2，光轴旋转90°后与入射光束方向相反以第二次扩束。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，所述第一双平面反射镜包括，
第一平面反射镜3，其接收来自第一次反射扩束的入射光束，
第二平面反射镜4，其接收来自第一平面反射镜3的光束，并将光束反射，第一平面反射镜3与第二平面反射镜4夹角为45°使光束与第一次反射扩束的入射光束方向垂直。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，第一平面反射镜3与竖直方向的夹角为30°。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，所述第二双平面反射镜包括，
第三平面反射镜5，其接收来自第一双平面反射镜的入射光束，
第四平面反射镜6，其接收来自第三平面反射镜5的光束，并将光束反射，使光束与第一次反射扩束的入射光束方向相反，并垂直入射到第一抛物面反射镜1上。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，所述第三平面反射镜5与第四平面反射镜6夹角为45°。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，所述第四平面反射镜6与竖直方向夹角为30°。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，第二曲率半径为150mm，第一曲率半径为30mm。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，第一抛物面反射镜1或第二抛物面反射镜2满足非球面公式：
Figure BDA0003259327300000061
其中，r为曲率半径，k＝-1，c为曲率半径的导数。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，所述第一抛物面反射镜1的中心轴线与第二抛物面反射镜2的中心轴线共线，且第一双平面反射镜和第二双平面反射镜相对于第一抛物面反射镜1的中心轴线对称或第二抛物面反射镜2的中心轴线对称。
所述的一种共焦抛物面反射扩束镜的优选实施例中，所述第一平面反射镜3和第四平面反射镜6相对于第一抛物面反射镜1的中心轴线对称或第二抛物面反射镜2的中心轴线对称，所述第二平面反射镜4和第三平面反射镜5相对于第一抛物面反射镜1的中心轴线对称或第二抛物面反射镜2的中心轴线对称。
在一个实施例中，本发明的共焦抛物面反射扩束镜结构如图1所示，在图1中，曲率半径为30mm的第一抛物面反射镜1，曲率半径为150mm的第二抛物面反射镜2，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和，第一平面反射镜3与竖直方向夹角为30°，第一平面反射镜3与第二平面反射镜4夹角为45°，第四平面反射镜6与竖直方向夹角为30°，第三平面反射镜5与第四平面反射镜6夹角为45°。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°，与入射激光方向相反，实现第一次反射扩束，出射光束半径为r1。第一双平面反射镜接收第一次反射扩束的光线，并改变其方向使出射光沿竖直方向出射，第二双平面反射镜接收来自第一双平面反射镜的入射光，并将光束反射，使光束与第一次反射扩束的入射光束方向相反，并垂直入射到第一抛物面反射镜1上。光束由第一抛物面反射镜1反射后入射到第二抛物面反射镜2实现第二次扩束，出射光束半径r2，出射光束与入射光束方向相反，r2＞r1＞r0。
在一个实施例中，所述第一为抛物面反射镜，满足非球面公式：
Figure BDA0003259327300000071
曲率半径R1为30mm，k＝-1，
Figure BDA0003259327300000072
所述第二为抛物面反射镜，满足非球面公式：
Figure BDA0003259327300000081
曲率半径R2为150mm，k＝-1，
Figure BDA0003259327300000082
激光光束第一次扩束原理图如图2所示，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，d12数值上等于所述第一抛物面反射镜1与所述第二抛物面反射镜2焦距之和。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r1/r0＝R2/R1＝5，顶点距离为
Figure BDA0003259327300000083
所述第一平面反射镜3与第二平面反射镜4组成第一双平面反射镜，其中α为第一平面反射镜3与竖直方向的夹角，β为第一平面反射镜3与第二平面反射镜4的夹角，β＝45°。当双平面反射镜作为一个刚体进行旋转时，只要不遮挡入射光束与出射光束，α角可在一定范围内随意改变，不会影响出射光束的方向。第一双平面反射镜的作用为接收第一次反射扩束的入射光束，将其光轴旋转90°，原理如图3所示，
所述第三平面反射镜5与第四平面反射镜6组成第二双平面反射镜，其中γ为第四平面反射镜6与竖直方向的夹角，β为第三平面反射镜5与第四平面反射镜6的夹角，β＝45°。当双平面反射镜作为一个刚体进行旋转时，只要不遮挡入射光束与出射光束，γ角可在一定范围内随意改变，不会影响出射光束的方向。第二双平面反射镜的作用为接收第一双平面反射镜的反射光束，将其光轴旋转90°，原理如图4所示，所述第一抛物面反射镜1接收来自第二双平面反射镜的入射光束，入射光束高度h2在数值上等于第一抛物面反射镜1的曲率半径，光束经第一抛物面反射镜1反射扩束后入射到第二抛物面反射镜2表面进行反射，出射光束方向与激光器出射激光的方向相反。
图6是共焦抛物面反射扩束镜一个实施例的扩束倍数为25倍，第一平面反射镜3与竖直方向夹角30°时，共焦抛物面反射扩束镜的光路结构示意图。
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 (7)

1.一种共焦抛物面反射扩束镜，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，第二曲率半径大于第一曲率半径，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和，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°后与入射光束方向相反以第一次扩束，
第一双平面反射镜，其接收且反射第一次扩束后的入射光束，并将光轴旋转90°，
第二双平面反射镜，其接收且反射来自第一双平面反射镜的反射光束，并将其光轴旋转90°，使得反射光束沿光轴入射到第一抛物面反射镜，
第一抛物面反射镜将光轴旋转90°后入射到第二抛物面反射镜，光轴旋转90°后与入射光束方向相反以第二次扩束,
所述第一双平面反射镜包括，
第一平面反射镜，其接收来自第一次反射扩束的入射光束，
第二平面反射镜，其接收来自第一平面反射镜的光束，并将光束反射，第一平面反射镜与第二平面反射镜夹角为45°使光束与第一次反射扩束的入射光束方向垂直,
所述第二双平面反射镜包括，
第三平面反射镜，其接收来自第一双平面反射镜的入射光束，
第四平面反射镜，其接收来自第三平面反射镜的光束，并将光束反射，使光束与第一次反射扩束的入射光束方向相反，并垂直入射到第一抛物面反射镜上。
2.根据权利要求1所述的一种共焦抛物面反射扩束镜，其特征在于，第一平面反射镜与竖直方向的夹角为30°。
3.根据权利要求1所述的一种共焦抛物面反射扩束镜，其特征在于，所述第三平面反射镜与第四平面反射镜夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种共焦抛物面反射扩束镜，其特征在于，所述第四平面反射镜与竖直方向夹角为30°。
5.根据权利要求1所述的一种共焦抛物面反射扩束镜，其特征在于，第二曲率半径为150mm，第一曲率半径为30mm。
6.根据权利要求1所述的一种共焦抛物面反射扩束镜，其特征在于，所述第一抛物面反射镜的中心轴线与第二抛物面反射镜的中心轴线共线，且第一双平面反射镜和第二双平面反射镜相对于第一抛物面反射镜的中心轴线对称或第二抛物面反射镜的中心轴线对称。
7.根据权利要求6所述的一种共焦抛物面反射扩束镜，其特征在于，所述第一平面反射镜和第四平面反射镜相对于第一抛物面反射镜的中心轴线对称或第二抛物面反射镜的中心轴线对称，所述第二平面反射镜和第三平面反射镜相对于第一抛物面反射镜的中心轴线对称或第二抛物面反射镜的中心轴线对称。
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多波段高功率激光扩束系统设计;王恒坤,王兵,庄昕宇;《强激光与粒子束》;20110731;第23卷(第7期);全文 *

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