CN1487328A - 一种列阵型角扩束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列阵型角扩束器，该角扩束器由n个相同的角扩束器组件构成面列阵，n≥2，各组件由正微透镜和负微透镜构成，正、负透镜的焦距及其间隔应满足每一个透镜组的整体光焦度为零；列阵中任一微透镜的中心与相邻微透镜的中心之间的距离相等。该角扩束器的厚度由微正透镜和对应的微负透镜之间的厚度决定，由于单个微透镜的尺寸很小，所以即使角放大倍数很大，也不会导致其厚度很大，同时，不论入射光束的孔径有多大，理论上只要增加微透镜的个数，扩大列阵的面积，就可以容纳全部的入射光，并且角放大倍数不变，器件整体的厚度不变。因此，在提供同样角放大倍数及同样的入射光孔径条件下，其厚度远小于现有的角扩束器。

Description

一种列阵型角扩束器

技术领域

本发明涉及一种光学元器件，具体涉及一种列阵型角扩束器。

背景技术

角扩束器的功能是将某一方向入射的平面光变换成另一方向的出射平面光，且入射光、出射光与光轴的夹角满足固定的放大倍数。

通常情况下，角扩束器是由焦点重合的一正一负两个透镜或透镜组构成(如图1所示)，当一束平面光以角度θ入射于左边的正透镜上时，它被聚焦于正透镜的焦平面上，汇聚点至光轴的距离为f1×θ，由于正透镜的焦点与负透镜的焦点重合，因此，该汇聚光束经负透镜折射后，仍将成为一平面光，且其方向为f1×θ/f2＝M×θ。

对于现有的角扩束器，要想得到大的角放大倍数M，就必须增大前后两透镜的焦距比，然而，对于普通的透镜，由于研磨加工工艺方法的限制，透镜表面曲率半径是不可能很小的，一般都大于5毫米(或这一量级)，因此，后一透镜的焦距不可能很小。另一方面，当光学系统所要求的光束孔径d较大时，要保证通光，至少要求透镜曲率半径大于光束孔径的一半，进一步考虑到折射面像差的因素，一般要求折射表面曲率半径远大于光束孔径(例如通常要求r2＞10×d)，这样，对于大孔径光束，负透镜的焦距f2就相当大了，这时，只有靠增大前一透镜的焦距f1来增大角放大倍数M，而这样正负透镜之间的距离(T＝f1-f2)必然增大，导致整个系统尺寸增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微透镜列阵型角扩束器，该角扩束器可以在拥有大的角放大倍数和大的通光孔径的同时，具有薄的厚度。

本发明的一种列阵型角扩束器，由光轴相互重合的正微透镜和负微透镜构成，其特征在于：该角扩束器由n个相同的角扩束器组件构成面列阵，n≥2，各组件由正微透镜和负微透镜构成，正、负透镜的焦距及它其间隔应满足每一个由正微透镜和对应负微透镜构成的透镜组的整体光焦度为零；列阵中任一微透镜的中心与相邻微透镜的中心之间的距离相等。

当一束大孔径的平面光入射到本发明的角扩束器上时，其前表面的微正透镜列阵将其分割成一系列小孔径的平面光束。这些小孔径的光束经过微正透镜聚焦后，入射到后表面的微负透镜上，经微负透镜发散后又成为孔径更小的平面光束。由于这些从各个微负透镜出射的小孔径光束具有相同的方向，因此它们又合成为一束孔径大的平面光束，只不过它的方向与入射平面光束的方向是不同的，并且出射角与入射角满足一定的倍数关系，这样就实现了将一个方向的大孔径平面光变换为另一个方向的大孔径平面光束，即该器件完成了大孔径平面光束的角度变换。微透镜列阵型角扩束器的厚度由微正透镜和对应的微负透镜之间的厚度决定，由于单个微透镜的尺寸很小，所以即使角放大倍数很大，也不会导致其厚度很大，同时，不论入射光束的孔径有多大，理论上只要增加微透镜的个数，扩大列阵的面积，就可以容纳全部的入射光，并且角放大倍数不变，器件整体的厚度不变。因此，在提供同样角放大倍数及同样的入射光孔径条件下，该器件的厚度远小于现有的角扩束器。

附图说明

图1为角扩束器功能示意图；(a)平面波正入射；(b)平面波斜入射；图中：f1是正透镜的焦距，f2是负透镜的焦距，T是正负透镜的间隔，F是透镜的焦点。

图2为一种单片式微透镜列阵型角扩束器的结构示意图；图中：1是正透镜折射面，2是负透镜折射面，ab是入射的大孔径平面光束，a′b′是出射的小孔径平面光束，空心圆表示正透镜(左表面)的焦点F1，实心圆点表示负透镜(右表面)的焦点F2。

图3为微透镜列阵型角扩束器的空间结构示意图；

图4为微透镜列阵型角扩束器中各个微透镜中心的分布形式示意图；

图5为一种双片式微透镜列阵型角扩束器的结构示意图；

图6为本发明的一个实例示意图。

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明将一个微正透镜1与一个微负透镜2结合，构成一个角扩束器组件；再将大量相同的角扩束器组件排列成一个面阵列(图2)，从而形成一种新的光学器件。该器件中微透镜的特殊性是，由单个正微透镜和对应的负微透镜所构成的微透镜组的整体光焦度为零。该器件的优点是可以同时拥有大的角放大倍数、大的通光孔径和薄的厚度。

此器件在结构尺寸上有如下特征：

1)每一个正微透镜都有一个对应的负微透镜，且它们的光轴相互重合(光轴指的是微透镜表面中心点的法线)。

2)每一个由正微透镜和负微透镜构成的整体光焦度为零。光焦度的计算方法是：

                     ＝1/f1-1/f2+T/f1/f2

因为整体光焦度为零，所以T＝f1-f2，也就是正微透镜的焦点与负微透镜的焦点重合。图2中空心圆表示正微透镜(左表面)的焦点F1，实心圆点表示负微透镜(右表面)的焦点F2，它们的中心重合，表示焦点重合。

3)在满足以上两个条件的情况下，正微透镜和负微透镜可以制作在同一薄片材料的前后两面上，这时，单个折射面就是一个透镜；也可以制作在两块薄片材料上，每一块材料的前后两面都制作成折射面，这两个折射面共同组成一个透镜，然后，让两块微透镜列阵相对而置，形成一个整体。

图2中，正透镜是一凸折射面，负透镜是一凹折射面。这种形式的优点是紧凑、结构尺寸不易受外界影响而变化，因而性能稳定。

图3中，正负透镜分别做在两块薄板上，这种形式的好处是增加了折射面数，有利于像差校正，提高成像质量。

4)正微透镜和负微透镜的表面可以是球面或非球面。非球面面形的设计应使得在特定的角放大倍数和通光孔径下，当入射光为平面波时，出射光的波阵面与平面波的偏差尽可能小。

5)列阵的分布形式，在满足任一微透镜的中心与相邻微透镜的中心之间的距离相等的条件下，可以为正三角形(图5a)或正方形(图5b)

图6是一个由两个折射面组成的微望远镜的实例，其中，凸面半径＝0.400mm，凹面半径＝0.162mm，厚度＝0.70mm，孔径＝.40mm，材料折射率n＝1.5。图中，ab为正入射平面光束，cd斜入射平面光束，a’b’为正出射平面光束，c’d’斜出射平面光束。

本发明作为一种新的通用光学元件，可以在许多类别的光学仪器中应用。

在任何一种具体光学仪器中应用的原则是：列阵角扩束器的入射光束必须是平面波。

Claims (3)

1、一种微透镜列阵型角扩束器，由光轴相互重合的正微透镜和负微透镜构成，其特征在于：该角扩束器由n个相同的角扩束器组件构成面列阵，n≥2，各组件由正微透镜(1)和负微透镜(2)构成，正、负透镜的焦距及其间隔应满足每一个由正微透镜和对应负微透镜构成的透镜组的整体光焦度为零；列阵中任一微透镜的中心与相邻微透镜的中心之间的距离相等。

2、根据权利要求1所述的角扩束器，其特征在于：所述正透镜(1)和负透镜(2)均由单个折射面构成。

3、根据权利要求1所述的角扩束器，其特征在于：所述正透镜(1)和负透镜(2)均由双个折射面构成。

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