CN117687177A - 透射式柱面光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种透射式柱面光学系统，涉及光学系统技术领域，本发明包括光源1，光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5；所述光源1用于提供光线；所述光阑2位于光线的入射光路上；所述光源1发出的入射光线依次通过光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5，最终在像面形成一线光斑；本发明透射式柱面光学系统具有180mm的大通光口径；透射式柱面光学系统在X方向上的光焦度为0，在Y方向上的相对孔径为1，F数为1，相对孔径较大，F数较小；透射式柱面光学系统均未使用复杂的光学面型，易于加工和装调。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种透射式柱面光学系统。
背景技术
柱面镜是一种在X轴和Y轴上具有不同曲率半径的光学元件，其只在单一轴向(X轴或Y轴)上具有放大倍率。柱面光学系统主要用于改变像的尺寸大小，例如在不改变像宽度的情况下改变像的高度。当一束平行光入射柱面镜时，光线会被柱面镜聚焦成一线光斑。因此，基于柱面镜的成像特性，其常被应用在线性探测器照明系统，条形码扫描系统及激光柱面波干涉仪等系统中。
现有的透射式柱面光学系统主要针对小口径展开设计，而大口径的应用需求受到限制。同时，随着光学元件口径的增加，系统的加工装调难度也随之提高。因此，如果可以提供一种可以实现大口径且易于加工装调的透射式柱面光学系统将非常有意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种透射式柱面光学系统，具有大口径设计特点且易于加工装调。
一种透射式柱面光学系统，包括：光源1，光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5；
所述光源1用于提供光线；
所述光阑2位于光线的入射光路上；
所述光源1发出的入射光线依次通过光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5最终在像面形成一线光斑；
所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5均没有旋转角度；
所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5均为弯月柱面透射镜；
以光阑2的中心点作为原点O构建一个三维坐标系XYZ，其中第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5沿Z轴正向依次排布；将第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5靠近光阑的一侧表面设为前表面，远离光阑的一侧表面设为后表面；第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5的前表面和后表面的曲面顶点均通过Z轴；过原点O垂直于Z轴建立竖直方向的Y轴，空间向上为Y轴正向，过原点O垂直于Z轴建立水平方向的X轴，以Z轴正向为界，左侧为X轴正向；
所述第一柱面透射镜3的前表面顶点沿Z轴方向与光阑2的中心点的距离为5mm；第二柱面透射镜4的前表面顶点沿Z轴方向与第一柱面透射镜3的后表面顶点的距离为2.780mm；第三柱面透射镜5的前表面顶点沿Z轴方向与第二柱面透射镜4的后表面顶点的距离为2.952mm；像面沿Z轴方向与第三柱面透射镜5的后表面顶点的距离为127.269mm；
所述第一柱面透射镜3的中心厚度为25.711mm；第二柱面透射镜4的中心厚度为27.133mm；第三柱面透射镜5的中心厚度为29.076mm；
第一柱面透射镜3、第二柱面透射镜4以及第三柱面透射镜5的前表面和后表面的数学表达式为：
其中，z为曲面在Z轴上的矢高，y为曲面在Y轴上的矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数；
表1：
第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4以及第三柱面透射镜5的曲率c以及二次曲面系数k如表1所示。
所述透射式柱面光学系统的通光口径D为180mm；
所述透射式柱面光学系统在X方向上的光焦度为0；
所述透射式柱面光学系统在Y方向上的焦距f为180mm；
所述透射式柱面光学系统在Y方向上的相对孔径D/f为1，F数为相对孔径D/f的倒数，即F数为1。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种透射式柱面光学系统，本发明提供的透射式柱面光学系统具有大口径设计特点，该系统在X方向上的光焦度为0，Y方向上的焦距f为180mm，该系统可以在像面位置具有良好的线光斑成像效果。该系统在Y方向上的相对孔径为1，F数为1，相对孔径较大，F数较小，可以使更多的光进入系统，使得该系统具有更高的输入能量。该系统由第一柱面透射镜、第二柱面透射镜和第三柱面透射镜组成，各个柱面透射镜均未使用复杂的光学面型，且前表面和后表面的曲面顶点均通过Z轴并没有旋转角度，有利于系统的加工和装调。
附图说明
图1为本发明实施例中透射式柱面光学系统的光学结构示意图；
图中，1-光源，2-光阑，3-第一柱面透射镜，4-第二柱面透射镜，5-第三柱面透射镜；
图2为本发明实施例中透射式柱面光学系统在YOZ平面内的光学结构示意图；
图3为本发明实施例中透射式柱面光学系统在XOZ平面内的光学结构示意图
图4为本发明实施例中透射式柱面光学系统出射光的能量分布图；
图5为本发明实施例中透射式柱面光学系统的光线像差图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种透射式柱面光学系统，如图1所示，包括：光源1，光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5；
所述光源1用于提供光线；
所述光阑2位于光线的入射光路上；
所述光源1发出的入射光线依次通过光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5最终在像面形成一线光斑；
所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5均没有旋转角度；
所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5均为弯月柱面透射镜；
所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5的材料均为N-BK7；
以光阑2的中心点作为原点O构建一个三维坐标系XYZ，如图2所示，为透射式柱面光学系统在YOZ平面内的光学结构示意图。如图3所示，为透射式柱面光学系统在XOZ平面内的光学结构示意图；其中第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5沿Z轴正向依次排布；将第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5靠近光阑的一侧表面设为前表面，远离光阑的一侧表面设为后表面。第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5的前表面和后表面的曲面顶点均通过Z轴；过原点O垂直于Z轴建立竖直方向的Y轴，空间向上为Y轴正向，过原点O垂直于Z轴建立水平方向的X轴，以Z轴正向为界，左侧为X轴正向；
所述第一柱面透射镜3的前表面顶点沿Z轴方向与光阑2的中心点的距离为5mm；第二柱面透射镜4的前表面顶点沿Z轴方向与第一柱面透射镜3的后表面顶点的距离为2.780mm；第三柱面透射镜5的前表面顶点沿Z轴方向与第二柱面透射镜4的后表面顶点的距离为2.952mm；像面沿Z轴方向与第三柱面透射镜5的后表面顶点的距离为127.269mm；
所述第一柱面透射镜3的中心厚度为25.711mm；第二柱面透射镜4的中心厚度为27.133mm；第三柱面透射镜5的中心厚度为29.076mm。
第一柱面透射镜3、第二柱面透射镜4以及第三柱面透射镜5的前表面和后表面的数学表达式为：
其中，z为曲面在Z轴上的矢高，y为曲面在Y轴上的矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数。
所述透射式柱面光学系统的通光口径D为180mm。
对于本实施例的透射式柱面光学系统，球差是系统需要校正的主要像差。由于系统球差与通光口径大小呈正相关，因此需要将二次曲面系数设为变量，提高系统设计自由度，从而更好的校正系统球差。引入二次曲面系数会增加光学元件的面型复杂度，进而提高系统的加工装调的成本以及难度，因此仅选择将第二柱面透射镜4前表面和后表面的二次曲面系数设为变量。第一柱面透射镜3、第二柱面透射镜4以及第三柱面透射镜5的曲面曲率c以及二次曲面系数k的值如表1所示。
表1：
透射式柱面光学系统的工作波长为532nm，该工作波长不限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
所述透射式柱面光学系统在X方向上的光焦度为0。
所述透射式柱面光学系统在Y方向上的焦距f为180mm。
所述透射式柱面光学系统在Y方向上的相对孔径D/f为1，F数为相对孔径D/f的倒数，即F数为1。
一束平行光入射至本实施例的透射式柱面光学系统，能够在像面位置形成一线光斑，所述线光斑的能量分布如图4所示。透射式柱面光学系统的光线像差图如图5所示，该图可以看出本实施例的透射式柱面光学系统在像面位置具有良好的线聚焦效果，满足柱面光学系统的成像要求。
本实施例提供的透射式柱面光学系统具有180mm的大通光口径，在X方向上的光焦度为0，在Y方向上的焦距f为180mm，因此该系统可以在像面位置形成一线光斑，满足柱面光学系统的成像要求；系统在Y方向上的相对孔径为1，F数为1，相对孔径较大，F数较小，可以使更多的光进入系统，使得该系统具有更高的输入能量。该系统由第一柱面透射镜3、第二柱面透射镜4和第三柱面透射镜5组成，各个柱面透射镜均未使用复杂的光学面型，且前表面和后表面的曲面顶点均通过Z轴并没有旋转角度，有利于系统的加工和装调。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种透射式柱面光学系统，其特征在于，包括：光源1，光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5；
所述光源1用于提供光线；
所述光阑2位于光线的入射光路上；
所述光源1发出的入射光线依次通过光阑2，第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5最终在像面形成一线光斑。
2.根据权利要求1所述的一种透射式柱面光学系统，其特征在于，所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5均没有旋转角度。
3.根据权利要求1所述的一种透射式柱面光学系统，其特征在于，所述第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5均为弯月柱面透射镜。
4.根据权利要求1所述的一种透射式柱面光学系统，其特征在于，以光阑2的中心点作为原点O构建一个三维坐标系XYZ，其中第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5沿Z轴正向依次排布；将第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5靠近光阑的一侧表面设为前表面，远离光阑的一侧表面设为后表面；第一柱面透射镜3，第二柱面透射镜4，以及第三柱面透射镜5的前表面和后表面的曲面顶点均通过Z轴；过原点O垂直于Z轴建立竖直方向的Y轴，空间向上为Y轴正向，过原点O垂直于Z轴建立水平方向的X轴，以Z轴正向为界，左侧为X轴正向。
5.根据权利要求1所述的一种透射式柱面光学系统，其特征在于，第一柱面透射镜3、第二柱面透射镜4以及第三柱面透射镜5的前表面和后表面的数学表达式为：
其中，z为曲面在Z轴上的矢高，y为曲面在Y轴上的矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数；
所述第一柱面透射镜3的前表面的曲率c为0.005845201527935；第一柱面透射镜3的后表面的曲率c为0.002281220151660；第二柱面透射镜4的前表面的曲率c为0.006697125192040；第二柱面透射镜4的后表面的曲率c为0.003001316677626；第三柱面透射镜5的前表面的曲率c为0.006958235280201；第三柱面透射镜5的后表面的曲率c为0.003662754112723；
所述第二柱面透射镜4的前表面的二次曲面系数k为-0.401109550798303；第二柱面透射镜4的后表面的二次曲面系数k为2.323238067369939。
6.根据权利要求1所述的一种透射式柱面光学系统，其特征在于，所述第一柱面透射镜3的前表面顶点沿Z轴方向与光阑2的中心点的距离为5mm；第二柱面透射镜4的前表面顶点沿Z轴方向与第一柱面透射镜3的后表面顶点的距离为2.780mm；第三柱面透射镜5的前表面顶点沿Z轴方向与第二柱面透射镜4的后表面顶点的距离为2.952mm；像面沿Z轴方向与第三柱面透射镜5的后表面顶点的距离为127.269mm；
所述第一柱面透射镜3的中心厚度为25.711mm；第二柱面透射镜4的中心厚度为27.133mm；第三柱面透射镜5的中心厚度为29.076mm。
7.根据权利要求1所述的一种透射式柱面光学系统，其特征在于，所述透射式柱面光学系统的通光口径D为180mm；
所述透射式柱面光学系统在X方向上的光焦度为0；
所述透射式柱面光学系统在Y方向上的焦距f为180mm；
所述透射式柱面光学系统在Y方向上的相对孔径D/f为1，F数为相对孔径D/f的倒数，即F数为1。
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