CN210864218U - 基于方块结构的扩束准直器及其光路调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于方块结构的扩束准直器及其光路调节装置。所说的基于定位方块的扩束准直器包括定位方块、点光源和透镜，定位方块的底面为平面，有至少一个定位侧面，上表面安装点光源；点光源位于透镜的焦平面上，透镜通过透镜架固定在定位方块上。所说的光路调节装置包括一个底板、一个侧面靠体、一个光靶或反射镜；光靶或反射镜有一个水平底面，一个与靶面或镜面垂直的定位侧面。将点光源固定在定位方块上设定的位置，利用光靶上的光斑或反射镜的反射光为参照，将透镜调节到需要的位置，用透镜架将透镜和定位方块固定。利用该结构和方法可以精确控制准直扩束光束的位置和角度，从而使得光路的对准变得简单，大大降低系统的复杂度。

Description

基于方块结构的扩束准直器及其光路调节装置

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及光学器件和调光系统，特别涉及一种基于方块结构的扩束准直器及其光路调节装置。

背景技术

在传统光学系统中，光学材料、结构之间存在各类公差，光束经过准直扩束后的位置，角度很难准确控制。在常规光学耦合系统中，尤其在一些长工作距离的系统中，需要利用一些高精度调节装置对光路进行精确的调节，极大的增加了光路系统的复杂性，提高了光路调节的难度。本实用新型提出了基于方块结构的扩束准直器及其光路调节装置，利用该结构可以精确控制准直扩束光束的位置和角度，从而使得光路的对准变得简单，大大降低系统的复杂度。

发明内容

在该定向扩束准直器中，可以是半导体激光器、光纤、波导等作为点光源输出，然后利用透镜，将光源进行扩束准直。该结构的总体思路是，利用点光源的位置来确定准直光束的位置，利用透镜和点光源的相对位置调节来实现准直光束的方向的精确控制。

图1a和图1b是透镜成像原理图。由经典透镜成像原理可知，当点光源位于透镜的焦平面时，经过透镜形成一束平行光。如图1a所示：当点光源位于光轴上的时候，该平行光与光轴相互平行，且平均分布在光轴两侧。如图1b所示：而当光轴位置发生移动，产生一个微小位移量△x，点光源经过透镜准直后，输出平行光会与光轴产生一个夹角θ，已知透镜焦距为 f，可知θ＝atan(△x/f)。而如果点光源偏离焦平面(即点光源与透镜的距离，大于或小于焦距)，经过透镜的光束将不是平行光(发散或收缩)。

在申请人的ZL201910669312.4号名称为“一种利用方块结构实现可重构的光学定位系统和方法”的发明专利申请中，提出一种利用方块结构定位的光学系统。在本实用新型中利用并延伸了上述申请中的方块定位结构。通过调节透镜相对点光源的位置，实现光路的调节。

本实用新型基于定位方块的扩束准直器(以下也会简称为扩束准直器)，包括定位方块、点光源和透镜，定位方块的底面为平面，所有侧面中至少一个为定位侧面，上表面安装点光源；透镜的光轴方向同时平行于定位方块的底面和其中一个定位侧面，点光源位于透镜的焦平面上，可以在光轴上(即焦点位置)，也可以根据特殊的光路需要与光轴错开；透镜通过透镜架固定在定位方块上。当点光源与光轴错开时，输出平行光与光轴产生一个夹角θ。本发明所说的定位方块的形状不限于六面体，可以是各种柱体；所说的定位方块的侧面指的是除底面和上表面之外的所有的面，而不是局限于位于光轴两侧的平面。

所说的点光源为光纤时，在定位方块的上表面设置定位槽，定位槽平行于定位方块的底面和定位侧面，光纤设置在定位槽中或将带光纤的陶瓷插芯或者毛细管设置在定位槽中并固定。

在同一个定位方块上可以设置多个点光源和对应的透镜结构。对应每个透镜有一个独立的透镜架或对应所有透镜有一个集成透镜架，在同一个定位方块上形成含有多个单体扩束准直器的阵列式扩束准直器。

对于调节后点光源位于焦点的同规格的扩束准直器，放置于同一个底板上，并且靠于同一个侧面靠体的时，能够准确耦合。

本实用新型还提供了对上述基于定位方块的扩束准直器光路进行调节的调节装置：

所说的调节装置包括底板、侧面靠体、立式受光板；底板的上表面为水平面，侧面靠体与底板为一体结构或分体结构，分体结构的侧面靠体的底面与底板的上表面贴合，侧面靠体有一个平直的定位侧面；立式受光板有一个可平稳放置在底板上的底部，一个受光面，一个与受光面垂直可与侧面靠体贴合的定位侧面。

所说的立式受光板，是由接受通过透镜的光以反馈透镜位置是否准确，帮助调节光路的装置。受光板可以是光靶，其受光面为光靶面，光靶面与底板和定位侧面大致垂直。受光板还可以是的受光面可以是反射镜，其受光面为反射镜面，反射镜面与定位侧面垂直，与底板垂直或与垂直面有一设定的夹角θ。

当需要输出平行光与光轴产生一个夹角θ时，调节装置还可以包括楔形片，楔形片的夹角为θ。

利用上述调节装置进行调节的总思路是：将点光源固定在定位方块上设定的位置，将透镜调节到需要的位置，保持定位方块和透镜的相对位置，用透镜架将透镜和定位方块固定。

用光靶调节的具体方法：将已安装好点光源的定位方块放在底板上，定位方块的定位侧面与侧面靠体贴合，光靶置于底板上其定位侧面也与侧面靠体贴合。透镜置于点光源和光靶之间，经过透镜的光在光靶上产生光斑。如点光源在透镜焦点位置，同时光靶在准直距离内，经过透镜的光应为平行于定位方块的底面和定位侧面的平行光，前后移动光靶(即保持光靶贴合底板和侧面靠体进行前后移动)，光斑的大小和位置应保持不变。这样，通过前后移动光靶观察光斑变化即可以判断透镜位置是否准确。通过反复移动光靶并调节透镜在三维方向的位置，直到光斑在光靶上的大小和位置不变，则透镜的位置正好使点光源在其焦点位置。保持定位方块和透镜的相对位置，用透镜架将透镜和定位方块固定。

另一种方法是，预先在光靶上标出光斑正确的大小和位置，调节时不移动光靶，调节透镜的位置使光靶上的光斑重叠于标定位置。其他与前述方法相同。

用反射镜调节的方法是：与光靶调节不同的是，用反射镜代替光靶，如点光源在透镜焦距位置，同时反射镜在准直距离内且反射面平行于透镜焦面，则反射光逆向重合于出射光并经过透镜后回到点光源位置。调节透镜直到反射光与出射光逆向重合。保持定位方块和透镜的相对位置，用透镜架将透镜和定位方块固定。

在某些特殊应用中，需要输出平行光与光轴呈一定角度θ。将该θ角设为与水平方向的夹角，即平行光向上或向下倾斜。(1)在使用光靶调节时，光斑位置会有一个向上或向下的偏移量。按照设定的光束角度和光靶与透镜的距离计算出光斑的偏移量，在光靶上标定出光斑正确的位置和大小，调节透镜的位置使光靶上的光斑重叠于标定位置。或者，在定位方块与底板之间垫一楔形片，楔形片的角度与光束的偏移角度θ相同方向相反，这样就将光束方向校正为水平方向，可采用与前述水平光束相同的调节方式。(2)在使用反射镜调节时，将反射镜的反射面设置成与垂直方向倾斜，倾角与光束的偏移角度θ相同。这样，反射面校正为垂直于平行光的方向。则可用前述用反射镜的调节方法进行调节。将反射面倾斜有三种方法，第一种是直接将反射镜设置成具有固定角度的反射面，第二种是设置成镜面角度可调的反射镜，第三种是在反射镜和底板之间垫一楔形片。还有一种方法是，不改变反射镜，即反射面保持垂直，而是在在定位方块与底板之间反方向垫一角度为θ的楔形片，这样就将光束方向校正为水平方向，可采用与前述水平光束相同的调节方式。

本实用新型中光路调节方法的目标，是根据设计的光路要求找到透镜相对点光源的准确位置，然后将透镜固定在定位方块上。因此，本实用新型的光路调节方法，实际上也是本实用新型基于定位方块的扩束准直器的制造方法的一个关键步骤。

附图说明

图1a和图1b是透镜成像原理图，其中图1a是点光源置于透镜焦点的成像原理图，图1b 是点光源置于透镜焦平面但与焦点错开的成像原理图；

图2是本实用新型中基于定位方块的扩束准直器示意图；

图3是本实用新型中同一个定位方块上设置有多个点光源的扩束准直器示意图；

图4是基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例1和2的示意图；

图5是基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例3的示意图；

图6是基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例4的示意图；

图7是基于反射镜的光路调节装置和调节方法实施例1的示意图；

图8是基于反射镜的光路调节装置和调节方法实施例2的示意图；

图9是基于反射镜的光路调节装置和调节方法实施例3的示意图；

图中：1.基于定位方块的扩束准直器(扩束准直器)、11.定位方块、12.点光源、13.透镜、14.透镜架、15.光纤盖板，2.底板、21.底板上表面，3.侧面靠体、31.侧面靠体的定位侧面， 4.光靶、41.光靶底部、42.光靶定位侧面、43.光靶面、44.光斑，5.反射镜、51.反射镜底部、 53.反射面、52.反射镜的定位侧面，6锲形片。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本实用新型的实施方式。

图1a和图1b是透镜成像原理图，其中图1a是点光源置于透镜焦点的成像原理图，图1b 是点光源置于透镜焦平面但与焦点错开的成像原理图，在以上的发明内容部分已作了说明。本实用新型的基于方块结构的扩束准直器，包含了点光源位于透镜焦点位置的情形，以及点光源在焦平面但偏离焦点的情形。对这两种扩束准直器，对应的光路调节方法有所区别。

以下首先说明本实用新型的扩束准直器；然后说明对扩束准直器光路的调节装置和调节方法。

一、基于定位方块的扩束准直器

实施例1

如图2所示，扩束准直器1包括定位方块11、点光源12、透镜13、透镜架14，定位方块11的底面为平面，其左侧面和/或右侧面为定位侧面，上表面安装点光源12；点光源位于透镜13的焦平面上，透镜通过透镜架14固定在定位方块上。

本实施例中利用光纤输出作为点光源11，使得光纤输出的光，位于定位方块上平面的中间位置，并且经过透镜13准直扩束后，准直光完全与定位方块11的定位侧面平行，也就是说准直扩束的光，完全平行于方块的水平面和底面，这样，当两个同样的方块放置于一个平面上，并且靠于同一个直线靠体的时候，从一根光纤输出的光，能够准确的耦合到另一个方块的光纤中去。在某些特殊的应用中，也可以设计成准直扩束的光向上或向下偏移一个特定的角度θ。

制作方法是：首先在一个方块基板上，将点光源固定在方块的上平面，点光源可以是但不仅限于光纤输出，半导体激光器芯片，波导等，以光纤为例，可以利用光刻的办法在方块的上平面固定位置刻蚀出一个细槽，用于放置光纤，每个方块上槽的位置可以确保非常一致，也可以用机械加工的办法，在方块上加工出一条大槽，将带光纤的陶瓷插芯或者毛细管，放置在槽上并固定，其上可加光纤盖板15。无论何种办法，只要确保光纤的相对位置有较高的精度，再经过透镜准直后，细微的位置差异相对于准直光束，完全可以忽悠，然后，只需要严格控制该准直光束的方向，使得光束完全平行于方块的侧边，就可以完成定向准直。定向准直的调节装置和方法，将在下面调节方法的实施例中具体说明。

实施例2

如图3所示，在同一个定位方块上可以设置多个点光源和对应的透镜结构。对应每个透镜有一个独立的透镜架，或对应所有透镜有一个集成透镜架。在同一个定位方块上形成多个单体扩束准直器，形成阵列式扩束准直器。每个单体扩束准直器的结构和制作方法与实施例 1相同。

二、光路调节装置和调节方法

鉴于，不同的调节装置有不同的光路调节方法，同样的调节装置也有不同的光路调节方法。因此以下以不同的调节装置和调节方法，给出不同的实施例。根据使用立式受光板的不同，可以分为：1、基于光靶的光路调节装置和调节方法，2、基于反射镜的调节装置和调节方法。在此基础上，对于预设的出射光是平行于透镜光轴还是与透镜光轴有一设定的夹角θ，光路调节装置和调节方法又有所不同。

基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例1

参照图4。本实施例用于需将透镜调节到使点光源位于透镜焦点位置的情形。

本实施例的扩束准直器光路调节装置包括底板2，侧面靠体3，光靶4；底板的上表面21 为水平面，侧面靠体3有一个平直的定位侧面31；光靶4有一个可平稳放置在底板上的底部 41，一个靶面43，一个与靶面43垂直可与侧面靠体贴合的定位侧面42。

本实施例的扩束准直器光路的调节方法：a.将已安装好点光源12的定位方块11放在底板2的上表面21上，定位方块11的定位侧面与侧面靠体的这定位侧面31贴合；光靶4置于底板2的上表面21上其定位侧面42与侧面靠体的定位侧面31贴合，透镜13置于点光源12和光靶4之间；b.光经过透镜在光靶上产生光斑44，反复前后移动光靶4，以光靶上光斑位置和大小变化为参照调节透镜3的位置，直到光斑44的大小和位置不再变化；c.保持定位方块11和透镜13的相对位置，用透镜架14将透镜和定位方块固定。

该方法的原理是：光路调节的目标是使透镜的光轴同时平行于定位方块底面和定位侧面，并使点光源的位置在透镜的焦点上。故此取得的准直光平行于透镜光轴。由于定位方块与底板及侧面靠体的相对位置，由准直光也同时平行于底板和侧面靠体。再由于光靶与底板和靠体的相对位置，水平移动光靶时靶面上的光斑位置应保持不变，光斑大小亦基本不变(因为是高斯光，光斑大小会稍有变化)。所以该光路调节方法就是在水平方向(Z方向)移动光靶，观察光斑位置和大小的变化，同时调整透镜的位置(XYZ三个方向)。直到光靶上光斑的位置和大小稳定，此时透镜就处在正确的位置。

基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例2

根据前一实施例所阐述的原理，准直后光束在光靶上的光斑大小和位置是确定的。本实施例的调节装置与前一实施例相同。光路调节方法与前一实施例的区别仅在于根据设计参数预先在光靶面上标定光斑的位置和大小，高速透镜的位置，直到实际的光斑与标定的位置重叠。具体如下：

仍参照图4。本实施例的扩束准直器光路的调节方法：a.将已安装好点光源12的定位方块11放在底板2的上表面21上，定位方块11的定位侧面与侧面靠体的这定位侧面31贴合；光靶4置于底板2的上表面21上其定位侧面42与侧面靠体的定位侧面31贴合，透镜13置于点光源12和光靶4之间；根据设计参数，在光靶面43上标定光斑的准确位置和大小；b. 光经过透镜在光靶上产生光斑44，调节透镜3的位置，直到光斑44的大小和位置与光靶面上的标定重叠；c.保持定位方块11和透镜13的相对位置，用透镜架14将透镜和定位方块固定。

基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例3

本实施例适用于出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ的设计。

本实施例的光路调节装置与实施例1相同。

如图5所示。设计的出射光与透镜光轴之间有一夹角θ，根据几何光学可得：如透镜13 的与光靶面的间的距离为X，光斑的位置会向垂直方向偏移△y，△y＝X(tanθ)。据此可以设定光靶面距透镜13的距离，并根据△y的值标定光斑的位置。将光靶放在距透镜X的位置，其余按实施例2的方法完成水光路调节。

基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例4

本实施例适用于出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ的设计。

如图6，并参照图4。其光路调节装置与实施例1的调节装置的区别在于，本实施例的调节装置增加了一个楔形片6，其夹角等于出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ。

光路的调节方法是：将楔形片垫在定位方块和底板之间，方向与出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ方向相反。这样，扩束准直器的出射光就校正为与底板平行。其余步骤完全按照实施例1或实施例2的方法进行光路调节。

基于反射镜的光路调节装置和调节方法实施例1

参照图7。本实施例用于需将透镜调节到使点光源位于透镜焦点位置的情形。

本实施例的扩束准直器光路调节装置包括底板2，侧面靠体3，反射镜5；底板的上表面 21为水平面，侧面靠体3有一个平直的定位侧面31；反射镜5有一个可平稳放置在底板上的底部51，一个垂直于底部和定位侧面的反射面53，一个与反射面53垂直可与侧面靠体贴合的定位侧面52。

本实施例的扩束准直器光路的调节方法：a.将已安装好点光源12的定位方块11放在底板2的上表面21上，定位方块11的定位侧面与侧面靠体的这定位侧面31贴合；反射镜5置于底板2的上表面21上其定位侧面52与侧面靠体的定位侧面31贴合，透镜13置于点光源12和光靶4之间；b.光经过透镜到达反射镜5的反射面53，调节透镜的位置，直到反射光与出射光逆向重合；c.保持定位方块11和透镜13的相对位置，用透镜架14将透镜和定位方块固定。

其原理是：参照以上基于光靶的光路调节装置和调节方法实施例1的原理分析，如点光源在透镜焦距位置，同时反射镜在准直距离内且反射面平行于透镜焦面，则反射光逆向重合于出射光并经过透镜后回到点光源位置。

基于反射镜的光路调节装置和调节方法实施例2

本实施例适用于出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ的设计。

如图8所示。本实施例的光路调节装置与上一实施例的区别是，本实施例的反射面与底板不垂直而是有一个倾斜角，其倾斜的角度等于出射光与透镜光轴设定的夹角θ。这样就将校正为出射光与反射面垂直。

由于通过倾斜的反射面，已经将设计的出射光校正为与反射面垂直。故本实施例的光路调节方法的步骤与上一实施例相同。

基于反射镜的光路调节装置和调节方法实施例3

本实施例适用于出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ的设计。

如图9，并参照图7。其光路调节装置与本部分实施例1(图7)的调节装置的区别在于，本实施例的调节装置增加了一个楔形片6，其夹角等于出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ。

光路的调节方法是：将楔形片垫在定位方块和底板之间，方向与出射光与透镜光轴有一设定的夹角θ方向相反。这样，扩束准直器的出射光就校正为与底板平行。其余步骤完全按照实施例1的方法进行光路调节。

本实用新型经过以上各种不同调节装置和调节方法对光路调节后，光纤输出的光经过透镜准直，完全平行于方块的侧边。然后将透镜和固定在方块上，就完成了该定向准直扩束系统的制作。

Claims (10)

1.一种基于定位方块的扩束准直器，其特征是：包括定位方块、点光源和透镜；定位方块的底面为平面，有至少一个定位侧面，上表面安装点光源；透镜的光轴方向同时平行于定位方块的底面和其中一个定位侧面；点光源位于透镜的焦平面上，透镜通过透镜架固定在定位方块上。

2.一种如权利要求1的基于定位方块的扩束准直器，其特征在于：所说的点光源位于透镜的焦点位置。

3.一种如权利要求1的基于定位方块的扩束准直器，其特征在于：所说的点光源向上或向下偏离焦点位置，使输出平行光与光轴产生一个夹角θ。

4.一种如权利要求1的基于定位方块的扩束准直器，其特征在于：所说的点光源的器件件为光纤，在定位方块的上表面设置定位槽，定位槽平行于定位方块的底面和定位侧面，光纤设置在定位槽中或者将带光纤的陶瓷插芯或者毛细管设置在定位槽中并固定。

5.一种如权利要求1的基于定位方块的扩束准直器，其特征在于，在同一个定位方块上设置有多个点光源和对应的透镜结构，对应每个透镜有一个独立的透镜架或对应所有透镜有一个集成透镜架，在同一个定位方块上形成包含多个单体扩束准直器的阵列式扩束准直器。

6.一种用于调节如权利要求1的扩束准直器的光路调节装置，其特征在于：包括底板，侧面靠体，立式受光板；底板的上表面为水平面，侧面靠体有一个平直的定位侧面；立式受光板有一个可平稳放置在底板上的底部，一个受光面，一个与受光面垂直可与侧面靠体贴合的定位侧面。

7.一种如权利要求6的光路调节装置，其特征在于：所说的立式受光板为光靶，其受光面为光靶面，光靶面与底板和定位侧面大致垂直。

8.一种如权利要求6的光路调节装置，其特征在于：所说的立式受光板为反射镜，其受光面为反射镜面，反射镜面与定位侧面垂直，与底板垂直或与垂直面有一设定的夹角θ。

9.一种如权利要求6的光路调节装置，其特征在于：还包括一个楔形片，楔形片的夹角为设定的角度θ。

10.一种如权利要求6所说的调节装置，其特征在于：所说的侧面靠体与底板为分体结构，侧面靠体的底面可与底板贴合。

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