CN211043830U - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光学系统，包括：光学整形元件，其设计成将光束整形为在第一轴线和第二轴线上的光强均为平顶分布；光学聚焦元件，其在第一轴线上和在第二轴线上的放大倍率分别设计成：在指定区域处，光束在第一轴线上的第一光斑尺寸与第一衍射极限尺寸之间存在第一差值，第一差值使光束在第一轴线上的光强保持平顶分布，光束在第二轴线上的第二光斑尺寸与第二衍射极限尺寸之间存在第二差值，第二差值使光束在第二轴线上的光强为高斯分布。借助该光学系统，可通过“两级压缩”光束来获得所需的在不同轴线上的不同光强分布型式。这相比于直接利用光学整形元件的曲面设计获得所需光强分布在光学元件选择上灵活性更高、设计成本更低。

Description

光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于对光束进行整形的光学系统，该光学系统至少包括光学整形元件和光学聚焦元件。

背景技术

自七十年代以来，流式细胞技术是逐步发展成集计算机技术、激光技术、流体力学、细胞化学、细胞免疫学于一体的技术，该技术具有分析和筛选细胞的功能。流式细胞技术是一种在功能水平上对处于流体流中的单细胞或颗粒进行定量分析和筛选的检测手段。

目前，已知基于流式细胞技术开发出的各种流式细胞仪可用于鉴别各种类型的细胞及生物学流体。现有的流式细胞仪具有光学上透明的流通池，该流通池包含细胞样品入口，鞘液入口，以及细胞可以通过的(例如，管状、椭圆形、方形或其它合适的几何形状)通道，即流道。在该流道中，细胞样品由同心包围该细胞样品的鞘液集中到流道的中心流动。激光束聚焦在该流道的中心，在细胞通过该激光照射区域时，光子依赖于细胞大小、形状、折射率而发生不同角度的光散射。

另外细胞上不同的官能团被标记上不同的荧光标记物，不同的荧光标记物在激光辐射下产生不同波长的荧光，进而可以根据荧光的波长和强度可以判断通过激光束的细胞的种类。像这样，对于每个细胞，除了散射光之外，还可以用多个光检测器根据不同波长检测荧光，由此可以多方面地分析细胞。

高分辨、高灵敏和高通量的流式细胞仪对其光学系统的光束强度以及光强的空间分布形状提出了更高的要求。为了实现高灵敏度，使用具有高亮度、单色性、相干性等显著特点的激光光源就成为了一种合适的选择。

另外，为了实现高分辨率，应该尽量缩短细胞在同样流速条件下穿过激光束的时间，这就需要激光束在流道轴截面上的光强分布窄并且中心强度高，譬如高斯光强分布。更进一步，在高通量的情况下为使细胞在流通池流道横截面上都得到均匀的光照射，需要使得激光束在该横截面上的光强分布宽并且均匀，譬如平顶光强分布。

目前，如果使用传统的诸如鲍威尔透镜之类的光学整形元件，仅能得到光束的平顶光强分布，而无法获得光束在不同方向的轴线上的不同类型的光强分布。

为了实现这种不同类型的光强分布，已知可以对光学整形元件的曲面进行设计，以使得将来自激光二极管或混合光学器件的激光束成形为其光强分布为沿着一个轴为平顶分布，而沿另一个轴为高斯分布。但这种自由表面的设计需要涉及大量的计算，且设计成本较高。

为此，在高分辨、高灵敏和高通量的流式细胞仪对其光学系统的光束强度以及光强的空间分布形状特殊要求的情况下，本领域中始终存在对提供设计简单、对透镜有较多选择灵活性的光学系统的需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统，包括：用于发出光束的光源；光学主轴线；光学整形元件，光学整形元件沿所述光学主轴线的方向布置成面向光源(即，沿光束传播方向看在光源之后)，并且设计成将光束整形为在第一轴线和第二轴线上的光强均为平顶分布，其中，第一轴线和第二轴线定向为分别垂直于光学主轴线并且还彼此垂直；光学聚焦元件，光学聚焦元件沿光学主轴线的方向布置成面向光学整形元件(即，沿光束传播方向看在光学整形元件之后)，以将经光学整形元件整形的光束会聚至指定区域；其中，光学聚焦元件在第一轴线上和在第二轴线上的放大倍率分别设计成：光学聚焦元件在第一轴线上具有第一衍射极限尺寸，且在第二轴线上具有第二衍射极限尺寸，其中，在指定区域处，光束在第一轴线上的第一光斑尺寸与第一衍射极限尺寸之间存在第一差值，第一差值使光束在第一轴线上的光强(分布)仍保持平顶分布，而光束在第二轴线上的第二光斑尺寸与第二衍射极限尺寸之间存在第二差值，第二差值使光束在第二轴线上的光强(分布)为高斯分布，其中，第一差值比第二差值大。

借助上述光学系统，可以通过“多级(例如，两级)压缩”光束来获得所需的在不同轴线上的不同光强分布型式。这相比于利用光学整形元件的曲面设计获得所需光强分布在光学元件选择上灵活性更高、设计成本更低。

优选的是，光学整形元件可以包括自由曲面透镜、鲍威尔透镜、柱面透镜、轮胎透镜、衍射光学元件或其组合。例如，光学整形元件可以构造成中空纤维，来自光源的光束能耦合到中空纤维中，以使光束的光强为平顶分布。而光学聚焦元件可以包括柱面透镜、自由曲面透镜、轮胎透镜或其组合。

可选地，光学聚焦元件设计成由不同类型的多个透镜构成的透镜组，以提供各种灵活的组合方式来使光束整形为符合光学性能要求。

在一个特别有利的实施例中，光学聚焦元件构造成轴对称透镜，其中，光学整形元件设计成将光束整形为：在进入光学聚焦元件之前，光束在第一轴线和第二轴线上的光强分布为不同宽度的平顶分布，其中第一轴线和第二轴线上的平顶宽度的比值大于或等于2：1。借助轴对称透镜，可以在放大倍率在第一和第二轴线上相同的情况下仍然获得第一轴线上为平顶分布、而第二轴线上为高斯分布，这是因为光学整形元件已经对光束进行了初步预压缩，即压缩成平顶宽度已经不同的平顶分布曲线。

优选地，在指定区域处，光束经光学聚焦元件可以会聚成微米级的光斑尺寸，以符合例如流式细胞仪中的检测精度要求。

此外，光学整形元件和光学聚焦元件能以彼此间为固定的间距集成在一起，以便于以模块化的方式来组装光学系统。

另外，光学系统还可以包括光学准直元件，光学准直元件布置在光源与光学整形元件之间，以向光学整形元件提供经准直的光束。

在一个实例中，光学聚焦元件的在第一轴线和所述第二轴线方向上的放大倍率可以分别设计成使得：在指定区域处，第一光斑尺寸大于或等于第一衍射极限尺寸的两倍，而第二光斑尺寸小于第二衍射极限尺寸的两倍。

由此，可以通过简单的设计来确保在第一轴线上获得可靠的光强平顶分布，而在第二轴线上应能获得光强高斯分布。但应注意到，在此“两倍”仅仅是一个示例性的数值，其可以明确区分出两种不同的光强分布型式。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本实用新型的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出根据本实用新型的光学系统的原理图，其中，该光学系统包括提供光学整形元件和光学聚焦元件；

图2示意性地示出根据本实用新型的光学系统的一个实施例的原理图，其中，该光学整形元件采用超环面透镜(又称为轮胎镜)，而光学聚焦元件采用双透镜；

图3A-3B分别示意性地示出根据图2的一个实施例的在第一轴线和第二轴线上的光强分布曲线图；

图4示意性地示出根据本实用新型的光学系统的另一个实施例的原理图，其中，该光学整形元件采用中空纤维，而光学聚焦元件采用对称轴互相垂直的非柱面透镜组；

图5A-5B示意性地示出根据图4的另一个实施例的在第一轴线和第二轴线上的光强分布曲线图；以及

图6示意性地示出根据本实用新型的光学系统的又一个实施例的原理图，其中，该光学整形元件采用衍射光学元件，而光学聚焦元件采用非柱面透镜。

应注意参考的附图并非都按比例绘制，而是可扩大来说明本实用新型的各方面，且在这方面，附图不应被解释为限制性的。

附图标记列表：

1 光源；

6 光学整形元件；

7 光学聚焦元件；

5 成像平面；

100 光学系统。

具体实施方式

在本实用新型中，光学系统可以用于流式细胞仪，但也可以用于生物领域的其它细胞学或非细胞学的应用中，甚至还可以用于包括空气颗粒物检测、液体中颗粒物检测、激光加工(微加工)、数字全息术、夜视和远距离物体的测距在内的诸多其它应用。

此外，本实用新型语境下的术语“光学系统”可以包含与光源和/或被测对象相对应的部分，也可以根据实际使用场合而将光源和/或被测对象的至少一部分排除在外。

根据本实用新型的光学系统100包括各种用于改变(来自光源的)光束的光束性质的光学器件，例如但不限于用于对光束进行整形、对光束进行聚焦等作用的光学器件。但值得注意的是，在本实用新型中，概念“整形”并不一定是指仅由光学整形元件完成的对光束的整形，而是可以由光学系统中的其它元件、诸如光学聚焦元件来共同完成对光束的整形。换言之，术语“整形”所包含的含义是广泛的，只要是改变了光束性质、尤其是其光强分布或变化，均可以称之为“整形”。

在本实用新型中，可以理解到，光学系统可以包括光源1(例如，当将光学系统应用于流式细胞仪的场合时，光源也可以由流式细胞仪来提供)。但也可以理解到，光源可以为独立提供的、而并非集成到光学系统中、例如流式细胞仪中。另外有利地，根据本实用新型的光源可以为激光光源(例如，激光二极管)，因为其通常具有高亮度、单色性、相干性等显著特点。但光源也可以是非单一波长的复合光源。各种类型的光源均在本实用新型的保护范围之内。

此外，根据本实用新型的光学系统具有一光学主轴线，来自光源的光束可以沿该光学主轴线依次传播经过后续的各个光学器件。因此，该光学主轴线一般延伸经过后续的各个光学器件的光学中心、例如光学整形元件、光学聚焦元件等。但可以理解到，由于光学准直元件可以为反射镜(偏轴或者不偏轴)，因而光学主轴线通常是指被反射镜改向后延伸经过后续的各个光学器件的光学中心的一根轴线。

如图1中所示，光束从光源1照射出、进入本实用新型的光学系统100中。沿光学系统的光学主轴方向布置在光源1之后的光学器件可以为用于光束整形的光学整形元件6。由图1可知，光学整形元件6可以与光源1直接相邻。但应理解到，在光学整形元件6与光源1之间还布置有其它光学器件、例如光学准直元件。

可以理解到，用于准直光束的光学准直元件可以包括实现该功能的任何光学器件，例如正、负色差透镜或者各类反射镜(例如，球面镜、非球面镜、自由形式镜或不同类型镜的组合)。经准直的光束的直径可扩大，但也可以不扩大。在本实用新型中，光学准直元件可以提供无色散的准直光束，但也可以提供有色散的准直光束。

在本实用新型中，光束(无论其是否经光学准直元件而准直)借助光学整形元件6可以被整形为：在第一轴线和第二轴线上的光强均为平顶分布。在此，第一轴线和第二轴线定向为分别垂直于光学主轴线，并且第一轴线和第二轴线之间还彼此垂直。换言之，第一轴线、第二轴线和光学主轴线彼此相互均是垂直的(例如，可以为笛卡尔坐标系下的x轴、y轴和z轴)。此外，应注意到术语“第一”和“第二”并不以重要性或者先后顺序为区分，而仅仅是用于说明两根轴线是彼此不同且独立的轴线。

在本实用新型中，术语“平顶分布”在实际设计时可以是指光强分布的平顶区域的强度相对极差(即、该区域的光强最大值与光强最小值之间的差值占该区域的平均光强的百分比)小于约10％，同时平顶区域的光强和相对于在轴线上的光束总光强的占比大于约30％，但也不限于符合这两个条件的光强分布型式。

例如，光学整形元件6可以实施成衍射光学元件、透镜阵列、鲍威尔透镜、圆柱透镜对或自由曲面透镜，它们通常需要良好准直的光束。这种现有技术中的光学整形元件6有一些易于获得且成本较低。

在一个示例中，鲍威尔透镜可以使光束在第一轴线和第二轴线上分别产生符合要求的光强平顶分布。在另一个示例中，光学整形元件6可以构造成中空纤维，来自所述光源1的所述光束能耦合到中空纤维中，以使光束的光强为平顶分布。

在现有技术中已知的多种方法中，利用仅单个光学整形元件将光束(“一步到位”地)整形成使其光强在第一轴线上为平顶分布、同时在第二轴线上为高斯分布(即，正态分布)。与此不同的是，根据本实用新型的光学系统100的光学整形元件6仅构造成常见的镜、诸如鲍威尔透镜，而无须对光学整形元件6的曲面进行复杂计算。

此外，为了最终实现使光强在第一轴线上为平顶分布、同时在第二轴线上为高斯分布，根据本实用新型的光学系统100还包括沿光学主轴线方向布置在光学整形元件6之后的光学聚焦元件7(即，光学整形元件6位于光学聚焦元件7和光源之间，光学准直元件可选地在光学聚焦元件7和光源之间)。光学聚焦元件7用于将经光学整形元件6整形(或者在本实用新型中也可称为是“初步整形”)的光束会聚至指定区域。指定区域与光学聚焦元件7间隔开一固定的距离，且在该指定区域处设有成像平面。

根据本实用新型的光学聚焦元件7的放大倍率可以在不同的轴线上设计成不同的，以使得可以将经初步整形好的平顶分布再通过光学聚焦元件7整形或聚焦成在一根轴线上仍为平顶分布，而在另一根轴线改变为高斯分布。换言之，在某些实施例中，在第一轴线和第二轴线上的不同的光强分布型式是通过至少组合光学聚焦元件7和光学整形元件6来分阶段实现的，即并不是通过光学整形元件6“一步到位”的。

特别有利的是，光学聚焦元件7在前述第一轴线上和在第二轴线上的放大倍率分别设计成：光学聚焦元件7在第一轴线上具有第一衍射极限尺寸，且在第二轴线上具有第二衍射极限尺寸。在放置有成像平面的指定区域处，光束在第一轴线上的第一光斑尺寸与第一衍射极限尺寸之间存在第一差值，该第一差值能使光束在所述第一轴线上的光强仍保持平顶分布，而光束在第二轴线上的第二光斑尺寸与第二衍射极限尺寸之间存在第二差值，该第二差值能使光束在第二轴线上的光强为高斯分布。第一差值通常应比第二差值大。

衍射极限是指一个理想点物经光学透镜成像，由于物理上衍射现象的限制，不可能在透镜的焦点处得到一个理想像点，而是得到一个夫琅禾费衍射像。这个衍射像的尺寸即称为衍射极限尺寸。由于根据本实用新型的光学聚焦元件7的放大倍率可以在两根不同的轴线上作不同设计，因此，可以在第一轴线和第二轴线上分别获得各自的第一衍射极限(具有第一衍射极限尺寸)和第二衍射极限(具有第二衍射极限尺寸)。应注意到，在此术语“不同”主要是强调二者的(设计)独立性，而不一定要求其数值完全不相等。

假设经聚焦的光斑为圆形光斑，则衍射极限尺寸的近似计算公式如下：光斑半径

其中2ω₀(即，光斑直径或者称光斑尺寸)是以1/e为阈值的光强分布宽度(单位例如可以是微米，但不限于此)，λ是单色光的波长，NA代表光学聚焦元件(例如，聚焦透镜)的数值孔径

D是聚焦透镜的通光直径，f则是聚焦透镜的像方焦距。由于光学聚焦元件在光学主轴线上的焦距在第一轴线和第二轴线方向上是不一样的(即，存在第一焦距和第二焦距)，所以就有了两个不同的数值孔径。

简答来说，从几何光学上，透镜聚焦时，焦点无穷小。但由于光有衍射效应，从物理上讲，焦点的光斑尺寸会等于衍射极限尺寸，光斑尺寸(直径)应为2ω₀。

进一步，可以理解到，在会聚焦点处(根据本实用新型的光学聚焦元件7包括在第一轴线上的第一焦点和在第二轴线上的第二焦点)，尽管由于衍射极限的存在而不会实际聚焦成理论的一个点，但光束的能量在此次仍然是高度集中的。在前述光斑尺寸范围内可以有大于等于1/e的光强(即，以1/e为阈值的光强分布宽度)。无论如何，光束在焦点处的光强分布必然为能量分布集中的高斯分布，而不是平顶分布。

随着成像平面从(第一/第二)焦点向光学聚焦元件7靠近，在成像平面上出现的光斑尺寸会不断变大，同时光强集中度也逐步下降。在此，(第一/第二)光斑尺寸将与(第一/第二)衍射极限尺寸之间存在差值(即，在第一轴线上的第一差值和在第二轴线上的第二差值)。此类差值一般大于或等于零。由于第一差值大于第二差值，第一差值必然大于零。

在本实用新型中，为了使光强在第一轴线上为平顶分布、同时在第二轴线上为高斯分布，需要使第二差值尽可能小、例如接近于零(但无须一定为零)。这是因为当第二差值为零时，必然获得光强的高斯分布，随着第二差值从零逐步变大，高斯分布的极差会变小，直至在某个差值的情况下，再也不会出现高斯分布，而是平顶分布。因此，第一差值的数值本身可以较大，且数值的可变化范围也可以较大。

实际上，光斑尺寸越大(也就是焦点与成像平面之间的距离越远)，在特定直径(例如，在衍射极限尺寸的范围)内的光强百分比越低。因此，除了以上通过(第一/第二)光斑尺寸与(第一/第二)衍射极限尺寸之间的(第一/第二)差值来进行定义外，也可以考虑用在成像平面处的光斑中的特定尺寸(直径)下所包含的光强百分比来表征光强的分布型式，即是高斯分布还是平顶分布。

例如，可以将光学聚焦元件7在前述第一轴线上和在第二轴线上的放大倍率分别设计成：在指定区域处的成像平面上，第二轴线上的第二光斑在第二衍射极限尺寸范围内的光强大于或等于一个预定数值，例如10％、30％或类似数值，以从平顶分布变化为高斯分布，而第一轴线上的第一光斑在第一衍射极限尺寸范围内的光强则小于一个预定数值，例如10％。

此外，还应理解到，在对光学聚焦元件7进行设计时，可以期望在指定区域处的成像平面上的第二光斑(即，在第二轴线上)尺寸小于等于第二衍射极限尺寸，这是因为设计是基于几何光学进行的，该第二光斑尺寸即为目标光斑尺寸。而在实际模拟或者实验过程中，由于物理上存在衍射极限，因此可以使得如此设计的第二光斑尺寸最终十分接近于第二衍射极限尺寸(但不可能小于第二衍射极限尺寸)，这是因为须遵循物理光学来进行模拟或实验。如前所述，所谓的“十分接近”第二衍射极限尺寸的第二光斑尺寸不是必须的，仅仅是优选的。

在一个示例中，光学聚焦元件7的在第一轴线和第二轴线方向上的放大倍率分别设计成使得：在指定区域处，第一光斑尺寸大于或等于第一衍射极限尺寸的两倍，而第二光斑尺寸小于所述第二衍射极限尺寸的两倍。

在优选的实施例中，根据本实用新型的光学聚焦元件包括柱面透镜、自由曲面透镜、轮胎透镜或其组合。此外，光学聚焦元件可以设计成由不同类型的多个透镜构成的透镜组。

在指定区域处的成像平面上，光束经光学聚焦元件可以会聚成微米级的光斑尺寸，但也可以是符合实际需要的其它光斑尺寸。

在设计完成后，优选的是，光学整形元件6和光学聚焦元件7以彼此间为固定的间距集成在一起。这种模块化的构造可便于组装，易于制造，降低成本。

下面参照附图2-6来对本实用新型的光学系统100的各光学器件作进一步示例性阐释。

图2示出根据本实用新型的光学系统100的一个实施例的原理图，其中，该光学系统100包括用于对光束进行整形的光学整形元件6和将光束会聚到指定区域5的光学聚焦元件7。在此，光学整形元件6采用超环面透镜(即，轮胎镜)，而光学聚焦元件7采用双透镜。

图3A-3B示出借助图2中所示的示例性光学系统100、尤其是其光学整形元件6和光学聚焦元件7模拟所得的在第一轴线和第二轴线上的光强分布曲线。图3A是在光学整形元件6之后、光学聚焦元件7之前的光强分布曲线，二者均为平顶分布，区别仅仅是经过超环面透镜(即，轮胎镜)后的光强平顶分布的宽度有所差异，而图3B是在经过光学聚焦元件7聚焦之后、在指定区域处的成像平面上的光强分布曲线，其中第一轴线上保持为平顶分布，而第二轴线则变为高斯分布。

图4示出根据本实用新型的光学系统100的另一个实施例的原理图，其中，该光学系统100包括用于对光束进行整形的光学整形元件6和将光束会聚到指定区域5的光学聚焦元件7。在此，该光学整形元件6采用中空纤维，而光学聚焦元件7采用对称轴互相垂直的非柱面透镜组。

图5A-5B示出借助图4中所示的示例性光学系统100、尤其是其光学整形元件6和光学聚焦元件7模拟所得的在第一轴线和第二轴线上的光强分布曲线。图5A是在光学整形元件6之后、光学聚焦元件7之前的光强分布曲线，二者均为平顶分布且光强平顶分布的宽度的差异不明显，而图5B是在经过光学聚焦元件7聚焦之后、在指定区域处的成像平面上的光强分布曲线，其中第一轴线上保持为平顶分布，而第二轴线则变为高斯分布。

最后，图6示出根据本实用新型的光学系统100的又一个实施例的原理图，其中，该光学整形元件6采用衍射光学元件，而光学聚焦元件7采用非柱面镜。

在一个实例中(例如，可参照图4)，光源1的波长例如可以为400nm,聚焦透镜组由两个非柱面透镜构成。第二个非柱面透镜在由沿光学主轴线和第二轴线构成的平面内的像方数值孔径NA＝0.1，则相应的衍射极限约为3.2um。第一个非柱面透镜在由沿光学主轴线和第一轴线构成的平面内的像方数值孔径NA＝0.2，则相应的衍射极限约为1.6um。该聚焦透镜组在第一轴线和第二轴线上的放大倍率的比值则为2：1。通过设计透镜面型参数、至光纤的距离以及至指定区域的距离，可以使得在指定区域的第二轴线上的以1/e为阈值的光强分布宽度(即，第二光斑尺寸)接近相应的衍射极限3.2um,而在指定区域的第一轴线上的以1/e为阈值的光强分布宽度(即，第一光斑尺寸)为10um，远大于相应的数值衍射极限1.6um。由此，可以使光束在指定区域内的第二轴线上的光强变为高斯分布，而该光束在第一轴线上的光强仍保持平顶分布。

此外，当光学聚焦元件7构造成轴对称透镜(球面透镜、非球面透镜或其组合)时，光学整形元件6优选设计成将光束整形为：在入射到光学聚焦元件7之前(在此也可以近似不考虑光学整形元件6和光学聚焦元件7之间的各个位置之间的差异)，光束在第一轴线和第二轴线上的光强分布为不同宽度的平顶分布，其中第一轴线和第二轴线上的平顶宽度的比值大于或等于2：1。这是因为在经过光学整形元件6的初步整形后，可以已经使得光束在两根轴线上的光强分布不同(集中度不同)，因而，即便采用构造成轴对称透镜的光学聚焦元件7(即，在第一和第二轴线上的放大倍率相同)，最终也可以使光束在指定区域内的第二轴线上的光强变为高斯分布，而该光束在第一轴线上的光强仍保持平顶分布。

可以理解到，两级压缩光束使得整个光学系统100中的光学器件的选择和设计的灵活度显著提高，同时可以获得各种形状不同的高斯分布和平顶分布曲线。

尽管在各附图中参照了用于流式细胞仪的光学系统的实例来描述了本实用新型的各种实施例，但应当理解到，本实用新型的范围内的实施例可应用至具有相似结构和/或功能的其它应用场合上，例如用于其它生物学、化学、物理等研究的光学系统。

前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及装置和方法的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。

对于本领域的技术人员来说显然可对由所附权利要求所表达的术语的宽泛上位含义所指示的全部范围内做出各种改型，尤其是在结构、材料、元素、部件、形状、尺寸和部件的布置方面，包括这些方面在此处所描述的原理范围内的结合。在这些各种改型未偏离所附权利要求的精神和范围的程度内，意味着它们也包含于此。

Claims (10)

1.一种光学系统，包括：

用于发出光束的光源；

光学主轴线；

光学整形元件，所述光学整形元件沿所述光学主轴线的方向布置成面向所述光源，并且设计成将所述光束整形为在第一轴线和第二轴线上的光强均为平顶分布，其中，所述第一轴线和所述第二轴线定向为分别垂直于所述光学主轴线并且还彼此垂直；

其特征在于，所述光学系统还包括：

光学聚焦元件，所述光学聚焦元件沿所述光学主轴线的方向布置成面向所述光学整形元件，以将经所述光学整形元件整形的光束会聚至指定区域；

其中，所述光学聚焦元件构造成在所述第一轴线上和在所述第二轴线上的放大倍率分别为：所述光学聚焦元件在所述第一轴线上具有第一衍射极限尺寸，且在所述第二轴线上具有第二衍射极限尺寸，其中，在所述指定区域处，所述光束在所述第一轴线上的第一光斑尺寸与所述第一衍射极限尺寸之间存在第一差值，所述第一差值构造成使所述光束在所述第一轴线上的光强仍保持平顶分布，而所述光束在所述第二轴线上的第二光斑尺寸与所述第二衍射极限尺寸之间存在第二差值，所述第二差值构造成使所述光束在所述第二轴线上的光强为高斯分布，其中，所述第一差值比所述第二差值大。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学整形元件包括自由曲面透镜、鲍威尔透镜、柱面透镜、轮胎透镜、衍射光学元件或其组合。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学聚焦元件包括柱面透镜、自由曲面透镜、轮胎透镜或其组合。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学聚焦元件设计成由不同类型的多个透镜构成的透镜组。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学聚焦元件构造成轴对称镜，其中，所述光学整形元件设计成将所述光束整形为：在入射到所述光学聚焦元件之前，所述光束在所述第一轴线和所述第二轴线上的光强分布为不同宽度的平顶分布，其中所述第一轴线和所述第二轴线上的平顶宽度的比值大于或等于2：1。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学整形元件构造成中空纤维，来自所述光源的所述光束能耦合到所述中空纤维中，以使所述光束的光强为平顶分布。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在所述指定区域处，所述光束经所述光学聚焦元件会聚成微米级的光斑尺寸。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学整形元件和所述光学聚焦元件以彼此间为固定的间距集成在一起。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光学准直元件，所述光学准直元件布置在所述光源与所述光学整形元件之间，以向所述光学整形元件提供经准直的光束。

10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学聚焦元件的在所述第一轴线和所述第二轴线方向上的放大倍率分别构造成使得：在所述指定区域处，所述第一光斑尺寸大于或等于所述第一衍射极限尺寸的两倍，而所述第二光斑尺寸小于所述第二衍射极限尺寸的两倍。

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