CN218567749U - 一种光纤扩束器 - Google Patents

Abstract

一种光纤扩束器，包括沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜的屈光力为正，所述第三透镜的屈光力为负。本实用新型具备物方远心度小，对光纤头位置不敏感；出瞳位置好控制，能很好连接光纤与后续光学系统；可实现球差、场曲和色差的矫正，保证全视场宽光谱的准直扩束的特点。

Description

一种光纤扩束器

技术领域

本实用新型涉及光学系统领域，特别是一种光纤扩束器。

背景技术

光纤作为导光媒介常用于成像、照明等光学系统与光源之间的连接，光纤有限的口径影响了其直接在对应光学系统上使用，需要借助一个光束扩束器连接光纤与后续光学系统。光纤扩束器本质上是一个具有正屈光力的透镜组，收集光纤端口处光能并以一定口径的光束输出，为后续系统提供特定要求的光能。

因此，光纤扩束器需通过透镜组合具备一定的像差矫正能力，如球差、场曲、色差等。同时要求光学系统有很小的远心度，以应对安装时光纤位置的偏离，并能够控制出瞳位置，方便后续系统接入。已公开专利文献:CN114879312A提到了一种光纤扩束组件，包括基板、弯月透镜和第一凸透镜等，通过在光纤导向槽的后侧设置弯月透镜，依靠靠近光纤的弯月透镜的汇聚能够忽略光纤左右偏心造成的散射。但是，采用这种结构，其缺乏物方远心度控制，光纤安装位置偏离的允许范围太小、出瞳位置不好控制，并且仅使用凸透镜进行扩束，其可以达到的球差、场曲和色差矫正能力有限，不能实现高质量的光束准直扩束。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有的光纤扩束器仅使用凸透镜进行扩束，其可以达到的球差、场曲和色差矫正能力有限的缺陷，提出一种光纤扩束器，其具备物方远心度小，对光纤头位置不敏感；出瞳位置好控制，能很好连接光纤与后续光学系统；可实现球差、场曲和色差的矫正，保证全视场宽光谱的准直扩束的特点。

本实用新型采用如下技术方案：

一种光纤扩束器，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜的屈光力为正，所述第三透镜的屈光力为负。

优选的，所述第一透镜的焦点距离f1、所述第二透镜的焦点距离f2、所述第三透镜的焦点距离f3和所述第四透镜的焦点距离f4满足如下条件：

0.1<|f1/f|<2.1；

0.5<|f2/f|<1.5；

0.2<|f3/f|<0.9；

0.4<|f4/f|<1.0；

0.2<|f2/f1|<4.2；

0.3<|f3/f2|<1.0；

0.9<|f4/f3|<1.9。

优选的，所述第一透镜的折射率N1、所述第二透镜的折射率N2、所述第三透镜的折射率N3和所述第四透镜的折射率N4满足以下条件：

N1≥1.3；

N2≤1.7；

N3≥1.4；

N4≤1.7。

优选的，所述第一透镜的阿贝数V1、所述第二透镜的阿贝数V2、所述第三透镜的阿贝数V3和所述第四透镜的阿贝数V4满足以下条件：

V1≤85；

V2≥45；

V3≤80；

V4≥50。

优选的，所述第一透镜在光轴上的厚度T1、所述第二透镜在光轴上的厚度T2、所述第三透镜在光轴上的厚度T3和所述第四透镜在光轴上的厚度T4满足以下条件：

0.2<T1/T2<0.7；

0.7<T2/T3<1.5；

0.4<T3/T4<1.1。

优选的，所述光纤扩束器的物方远心度小于等于0.1度。

优选的，所述第一透镜靠近光纤，且所述第一透镜与所述光纤之间的距离为0到35mm。

优选的，所述第四透镜的口径为15到100mm。

由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型中，设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，并且使第一透镜具有正屈光力、第二透镜具有正屈光力、第三透镜具有负屈光力、第四透镜具有正屈光力，则构成的光纤扩束器光学系统具有正屈光力，有很好的光学性能。

2、本实用新型中，具有正屈光力的第一透镜与光纤间距离很短，以保证汇聚效果，更好地收集来自光纤处的光能，具有正屈光力的第二透镜将来自第一透镜的发散光束汇聚至第三透镜，阻止光束在空间中发散过快，限制传输光束的体积；具有负屈光力的第三透镜将来自第二透镜的汇聚光束发散成大截面光束，并由具有正屈光力的第四透镜准直后发出，第四透镜具有较大的口径，以保证扩束后准直光束足够大。

3、本实用新型中，通过对第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦点距离、折射率、阿贝数以及厚度进行限定，使得光纤扩束器光学系统的球差、场曲、色差、像差敏感度和物方远心度得到进一步的优化，从而保证光纤扩束器的光学性能，使得该光纤扩束器具备物方远心度小，对光纤头位置不敏感；出瞳位置好控制，能很好连接光纤与后续光学系统；可实现球差、场曲和色差的矫正，保证全视场宽光谱的准直扩束的特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的光纤扩束器光学系统构成图；

图2为本实用新型实施例一的光纤扩束器球差图；

图3为本实用新型实施例一的光纤扩束器色差图；

图4为本实用新型实施例一的光纤扩束器场曲图；

图5为本实用新型实施例二的光纤扩束器光学系统构成图；

图6为本实用新型实施例二的光纤扩束器球差图；

图7为本实用新型实施例二的光纤扩束器色差图；

图8为本实用新型实施例二的光纤扩束器场曲图；

其中：

100、光纤，101、第一透镜，102、第二透镜，103、第三透镜，104、第四透镜，200、出射光瞳。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本实用新型的描述中，若采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”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实用新型，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型保护范围的限制。

在本说明书中所说的“透镜具有正屈光力(或负屈光力)”，是指该透镜以高斯光学理论计算出来的近轴屈光力为正(或为负)。

以下结合说明书附图，对本实用新型涉及的光纤扩束器，具备该光纤扩束器的照明系统以及搭载该光纤扩束器的其他光学装置进行描述。

参见图1，一种光纤扩束器，包括沿光轴方向依次设置的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104，第一透镜101、第二透镜102和第四透镜104的屈光力为正，第三透镜103的屈光力为负。采用这种设置，能使得本实用新型的光纤扩束器光学系统BE具有较强的正屈光力，从而保证该光纤扩束器BE具备好的准直扩束能力和高光学性能。

进一步的，为了使光纤扩束器光学系统BE具备物方远心特性，则第一透镜101的焦点距离f1、第二透镜102的焦点距离f2、第三透镜103的焦点距离f3和第四透镜104的焦点距离f4满足如下条件：

0.1<|f1/f|<2.1；

0.5<|f2/f|<1.5；

0.2<|f3/f|<0.9；

0.4<|f4/f|<1.0；

0.2<|f2/f1|<4.2；

0.3<|f3/f2|<1.0；

0.9<|f4/f3|<1.9。

第一透镜101是最靠近光纤100的透镜且具有正屈光力。设置成具有正屈光力的第一透镜101与光纤100间距离很短，以保证汇聚效果，更好地收集来自光纤100处的光能。具体的，第一透镜101与光纤100之间的距离为0到35mm。

第二透镜102、第三透镜103、第四透镜104依次在第一透镜101之后，分别具有正屈光力、负屈光力、正屈光力。则具有正屈光力的第二透镜102将来自第一透镜101的发散光束汇聚至第三透镜103，阻止光束在空间中发散过快，限制传输光束的体积。具有负屈光力的第三透镜103将来自第二透镜102的汇聚光束发散成大截面光束，并由所述具有正屈光力的第四透镜104准直后发出。第四透镜104具有较大的口径，以保证扩束后准直光束足够大。具体的，第四透镜104的口径为15到100mm。

本实用新型光纤扩束器光学性能的优化由进一步设定和参数限制得到。

进一步的，为了降低光学系统轴上球差，对光纤扩束器光学系统BE透镜折射率进行如下设定：第一透镜101的折射率N1、第二透镜102的折射率N2、第三透镜103的折射率N3和第四透镜104的折射率N4满足以下条件：

N1≥1.3；

N2≤1.7；

N3≥1.4；

N4≤1.7。

在上述基础上，可以对相关透镜的阿贝数进行如下设定，以减小光纤扩束器光学系统BE的场曲和色差：第一透镜101的阿贝数V1、第二透镜102的阿贝数V2、第三透镜103的阿贝数V3和第四透镜104的阿贝数V4满足以下条件：

V1≤85；

V2≥45；

V3≤80；

V4≥50。

为了进一步降低光纤扩束器光学系统BE轴上球差、场曲和色差，对光纤扩束器光学系统BE透镜的厚度进行如下条件设定：第一透镜101在光轴上的厚度T1、第二透镜102在光轴上的厚度T2、第三透镜103在光轴上的厚度T3和第四透镜104在光轴上的厚度T4满足以下条件：

0.2<T1/T2<0.7；

0.7<T2/T3<1.5；

0.4<T3/T4<1.1。

为了进一步详尽实用新型的技术内容，以下将举实施例对光纤扩束器光学系统BE进行详述。

实施例一

参见图1，本实施例的一种光纤扩束器，包括依次设置的光纤100、具有正屈光力的第一透镜101、具有正屈光力的第二透镜102、具有负屈光力的第三透镜103和具有正屈光力的第四透镜104，光纤扩束器光学系统出瞳为200。

本实施例的光纤扩束器中：设定物方视场大小为3mm，数值孔径NA为0.3。第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104的各个参数具体如下：

第一透镜101的焦距f1为97.32，折射率N1为1.50，阿贝数V1为50.00，厚度T1为4.50。

第二透镜102的焦距f2为83.60，折射率N2为1.40，阿贝数V2为90.00，厚度T2为6.93。

第三透镜103的焦距f3为-34.79，折射率N3为1.60，阿贝数V3为29.40，厚度T3为6.75。

第四透镜104的焦距f4为48.31，折射率N4为1.52，阿贝数V4为75.30，厚度T4为9.18。

则本实施例的光纤扩束器的光学参数如表1、表2所示：

表1

		曲率半径	厚度/间隔	折射率	阿贝数	焦距
							光纤端面	第一面	无限	0.00	1.00
	第二面	无限	4.90
							第一透镜	第一面	-11.14	4.50	1.50	50.00	97.32
	第二面	-10.31	29.34
							第二透镜	第一面	19.64	6.93	1.40	90.00	83.60
	第二面	43.38	3.43
							第三透镜	第一面	158.04	6.75	1.60	29.40	-34.79
	第二面	18.37	19.22
							第四透镜	第一面	19.69	9.18	1.52	75.30	48.31
	第二面	-28.42

表2

出瞳距离(mm)	20	25	30
				物方远心度(°)	0.097	0.016	0.065

由上述可知：

第一透镜101焦点距离f1为97.32mm，具有正屈光力；第二透镜102焦点距离f2为83.60mm，具有正屈光力；第三透镜103焦点距离f3为-34.79mm，具有负屈光力；第四透镜104焦点距离f4为48.31mm，具有正屈光力；光纤扩束器光学系统BE01的焦点距离f为72.88mm，具有较强的正屈光力，从而保证本实用新型的光纤扩束器光学系统BE01能够具备好的准直扩束能力和高光学性能。

本实施例中，光纤扩束器的|f1/f|为1.34；|f2/f|为1.15；|f3/f|为0.48；|f4/f|为0.66；|f2/f1|为0.86；|f3/f2|为0.42；|f4/f3|为1.39。此设定使光纤扩束器光学系统BE01具备小的物方远心度。

本实施例中，光纤扩束器光学系统BE01的N1为1.50；N2为1.40；N3为1.60；N4为1.52。采用此设定可以降低光学系统的轴上球差。

本实施例中，光纤扩束器光学系统BE01的V1为50.00；V2为90.00；V3为29.40；V4为75.30。采用此设定可以降低光学系统的场曲和色差。

本实施例中，光纤扩束器光学系统BE01的T1/T2为0.65；T2/T3为1.03；T3/T4为0.74。采用此设定可以进一步降低光学系统的轴上球差、场曲和色差。

表2为该实施例的光纤扩束器光学系统BE01出瞳距离与物方远心度关系表，光纤扩束器光学系统BE01物方远心度控制在0.1度以内，使光学系统对光纤安装位置不敏感，具备较好的安装容差；物方远心度较小可以使准直后轴外点光束主光线与系统光轴有较好平行度，出瞳位置容易控制，方便衔接后续光学系统，且该光纤扩束器光学系统BE01物方远心度对出瞳距离变化不敏感,具体的，出瞳距离改变5mm左右，物方远心度改变在0.08度以内，该光纤扩束器光学系统BE01与其他系统的匹配能力可以得到保证。

图2、图3和图4为该本实施例的光纤扩束器光学系统BE01的球差、场曲和色差图，其呈现的像差，表现了光学系统各个波长和各个视场的光学特性。

具体的，图2为本实施例的球差图，其横坐标为球差量，单位为毫米，纵坐标为归一化视场，单位为1。如图2所示，实线表示F线，虚线表示d线，单点划线表示C线，该光纤扩束器光学系统BE01的球差控制在±0.3毫米以内，使得光纤扩束器光学系统BE01的轴上点准直能力得到保证。

图3为本实施例的场曲图，其横坐标为物面移动量，单位毫米，纵坐标为视场高，单位为毫米。如图3所示，实线表示子午场曲，虚线表示弧矢场曲。从场曲的分布可以看出，该光纤扩束器光学系统BE01的场曲控制在±0.08毫米以内，使光纤扩束器光学系统BE01实现全视场的准直扩束。

图4为本实施例的色差图，其横坐标为色差量，单位为微米，纵坐标为归一化视场，单位为1。如图4所示，实线表示F线，虚线表示d线，单点划线表示C线，该光纤扩束器光学系统BE01的垂轴色差控制在±3微米以内，使得光纤扩束器光学系统BE01能同时实现多波长的像差矫正，适应宽光谱光源。

实施例二

参见图5，本实施例的一种光纤扩束器，包括依次设置的光纤100、具有正屈光力的第一透镜101、具有正屈光力的第二透镜102、具有负屈光力的第三透镜103和具有正屈光力的第四透镜104，光纤扩束器的出瞳为200。

本实施例的光纤扩束器中：设定物方视场大小为3mm，数值孔径NA为0.3。第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104的各个参数具体如下：

第一透镜101的焦距f1为106.27，折射率N1为1.45，阿贝数V1为57.00，厚度T1为3.51。

第二透镜102的焦距f2为53.21，折射率N2为1.57，阿贝数V2为78.00，厚度T2为6.88。

第三透镜103的焦距f3为-33.23，折射率N3为1.55，阿贝数V3为30.90，厚度T3为6.65。

第四透镜104的焦距f4为53.86，折射率N4为1.46，阿贝数V4为85.00，厚度T4为9.52。

该光纤扩束器光学系统BE02的光学参数如表3、表4所示：

表3

		曲率半径	厚度/间隔	折射率	阿贝数	焦距
							光纤端面	第一面	无限	0.00	1.00
	第二面	无限	4.88
							第一透镜	第一面	-51.54	3.51	1.45	57.00	106.27
	第二面	-25.10	27.74
							第二透镜	第一面	289.76	6.88	1.57	78.00	53.21
	第二面	-33.88	2.75
							第三透镜	第一面	-104.31	6.65	1.55	30.90	-33.23
	第二面	22.54	19.49
							第四透镜	第一面	197.42	9.52	1.46	85.00	53.86
	第二面	-28.19

表4

出瞳距离(mm)	25	30	35
				物方远心度(°)	0.072	0.008	0.088

由上述可知：

第一透镜101焦点距离f1为106.27mm，具有正屈光力；第二透镜102焦点距离f2为53.21mm，具有正屈光力；第三透镜103焦点距离f3为-33.23mm，具有负屈光力；第四透镜104焦点距离f4为53.86mm，具有正屈光力；光纤扩束器光学系统BE02的焦点距离f为75.10mm，具有较强的正屈光力。保证光纤扩束器光学系统BE02能够具备好的准直扩束能力和高光学性能。

本实施例的光纤扩束器光学系统BE02的|f1/f|为1.42；|f2/f|为0.71；|f3/f|为0.44；|f4/f|为0.72；|f2/f1|为0.50；|f3/f2|为0.62；|f4/f3|为1.62。采用此设定使光纤扩束器光学系统BE02具备小的物方远心度。

本实施例的光纤扩束器光学系统BE02的N1为1.45；N2为1.57；N3为1.55；N4为1.46。采用此设定可以降低光学系统的轴上球差。

本实施例的光纤扩束器光学系统BE02的V1为57.00；V2为78.00；V3为30.90；V4为85.00。采用此设定可以降低光学系统的场曲和色差。

本实施例的光纤扩束器光学系统BE02的T1/T2为0.51；T2/T3为1.03；T3/T4为0.70。采用此设定可以进一步降低光学系统的轴上球差、场曲和色差。

表4为该本实施例的光纤扩束器光学系统BE02出瞳距离与物方远心度关系表，光纤扩束器光学系统BE02物方远心度控制在0.1度以内，使光学系统对光纤安装位置不敏感，具备较好的安装容差；物方远心度较小可以使准直后轴外点光束主光线与系统光轴有较好平行度，出瞳位置容易控制，方便衔接后续光学系统，且该光纤扩束器光学系统BE02物方远心度对出瞳距离变化不敏感,具体的，出瞳距离改变5mm左右，物方远心度改变在0.08度以内，该光纤扩束器光学系统BE02与其他系统的匹配能力可以得到保证。

图6、图7和图8为该本实施例的光纤扩束器光学系统BE02的球差、场曲和色差图，其呈现的像差，表现了光学系统各个波长和各个视场的光学特性。

具体的，图6为本实用新型实施例二的球差图，其横坐标为球差量，单位为毫米，纵坐标为归一化视场，单位为1。如图6所示，实线表示F线，虚线表示d线，单点划线表示C线，该光纤扩束器光学系统BE02的球差控制在±0.3毫米以内，使得光纤扩束器光学系统BE02的轴上点准直能力得到保证。

图7为本实用新型实施例二的场曲图，其横坐标为物面移动量，单位毫米，纵坐标为视场高，单位为毫米。如图7所示，实线表示子午场曲，虚线表示弧矢场曲。从场曲的分布可以看出，该光纤扩束器光学系统BE02的场曲控制在±0.08毫米以内，使光纤扩束器光学系统BE02实现全视场的准直扩束。

图8为本实用新型实施例二的色差图，其横坐标为色差量，单位为微米，纵坐标为归一化视场，单位为1。如图8所示，实线表示F线，虚线表示d线，单点划线表示C线，该光纤扩束器光学系统BE02的垂轴色差控制在±5微米以内，使得光纤扩束器光学系统BE02能同时实现多波长的像差矫正，适应宽光谱光源。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种光纤扩束器，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜的屈光力为正，所述第三透镜的屈光力为负。

2.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述第一透镜的焦点距离f1、所述第二透镜的焦点距离f2、所述第三透镜的焦点距离f3和所述第四透镜的焦点距离f4满足如下条件：

0.1<|f1/f|<2.1；

0.5<|f2/f|<1.5；

0.2<|f3/f|<0.9；

0.4<|f4/f|<1.0；

0.2<|f2/f1|<4.2；

0.3<|f3/f2|<1.0；

0.9<|f4/f3|<1.9。

3.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述第一透镜的折射率N1、所述第二透镜的折射率N2、所述第三透镜的折射率N3和所述第四透镜的折射率N4满足以下条件：

N1≥1.3；

N2≤1.7；

N3≥1.4；

N4≤1.7。

4.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述第一透镜的阿贝数V1、所述第二透镜的阿贝数V2、所述第三透镜的阿贝数V3和所述第四透镜的阿贝数V4满足以下条件：

V1≤85；

V2≥45；

V3≤80；

V4≥50。

5.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述第一透镜在光轴上的厚度T1、所述第二透镜在光轴上的厚度T2、所述第三透镜在光轴上的厚度T3和所述第四透镜在光轴上的厚度T4满足以下条件：

0.2<T1/T2<0.7；

0.7<T2/T3<1.5；

0.4<T3/T4<1.1。

6.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述光纤扩束器的物方远心度小于等于0.1度。

7.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述第一透镜靠近光纤，且所述第一透镜与所述光纤之间的距离为0到35mm。

8.如权利要求1所述的一种光纤扩束器，其特征在于：所述第四透镜的口径为15到100mm。

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