TW440709B - Mechanically simplified, high resolution, optical focusing and steering apparatus - Google Patents

Description

440709 五、發明說明（i ) 本發明係有關於將自由空間的光束聚焦而瞄準於一目 標者。 將自由空間的光束聚焦及瞄準於一目標上，對諸如光 纖構件的應用係非常重要。一般在保持一小的未扭曲光點 及在目標的角度容差中保持平均入射角等，通常須要為該 聚焦光束提供一長範圍的行程《要達到所有該等目的或以 一種無效率或不方便的方法來解決之企圊業已失敗過。 舉例而言，單透銳投射器不能提供足夠的自由度來彌 補一般製造上的誤差。例如，若該入射光束未被集中於初 始的目標上，則不管在一單透銳投射器中之透銳被如何地 調整，也不能使所有的光進入該目標。雙透鏡之投射器能 提供更多的自由度，但其角度不能獨自無干於位置而被調 整。揭示於第5077622號美國專利案之“可將一光束收束部 精確聚焦及疋位在一目標上的裝置”係於1991,12.31頒給 Lynch等人’其能達到高解析度的定位，但需要至少七個 分開的調整轴而難以裝在一小型的組裝體内〃最後，藉著 將該目標製成在輸入端較大而逐漸縮小至末端的尺寸，而 形成之漸縮式光織，則會減—少所須的解析度。除了較昂貴 外’其效率亦會較低，因為光會在逐縮中損失。事實上， 其束縮愈大則損失的光愈多》漸縮的光纖亦不能供保持偏 極化使用，因為其束縮會搅亂光的偏極化。 本發明係為一種可精確聚焦而瞄準於—非常小及/或 角度受限之目標的方法及裝置。該裝置包含一透鏡被二平 行窗所包圍。該等構件乃可不必使用固定架。即使它們必 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（210 X 297公爱） <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) )裝 i_!—訂·！11 線 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 4 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2 ) 須為某一特殊用途而訂製，該等窗皆可直接製作。其第_ 窗為一定向窗，可使光束定向來穿過透鏡朝向目標。其第 二窗為一平移窗，乃可修正該透鏡之任何調準失誤，而使 會聚光點平移橫過該目標》 該裝置的調整係斜傾該二窗及轴向移動該透鏡或目標 物（聚焦）而來完成。即使該等非可調的構件之校準係有瑕 疵的，亦可達到高效率及小光點的尺寸。該聚焦的光束係 可被分別平移及斜傾俾對該目標作最佳的調準。該裝置能 提供一長的運行範圍’而保持一小又不失真的光點。該裝 置可被製得小巧又堅固，以供使用於有限的空間内。同樣 地，標準的操縱器，例如撓曲板及螺栓等，可由該裝置的 前方被使用來斜傾該等窗，及使該透銳聚焦。相較於習知 的企圖解決方法，本發明僅須最少的調整即可達成精確的 校準。 在另一實施例中，該透銳亦可以斜傾》隨著該平移窗 來傾斜該透銳，乃可在彗形像差充分地扭曲該光點之前， 增加該聚焦光束能被平移的距離》此將可獲得更大的能力 來修正該透銳與目標的調準：誤差。 圖式之簡單說明 第1圖係該光學聚焦及操控裝置的簡圓。 第2圊係該光學聚焦及操控裝置之簡圚示出一定位窗 的斜傾。 第3圖係該光學聚焦及操控裝置之簡圊示出一平移窗 的斜傾。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格<210 * 297公* > I — — — — — — — — — — — — · I _ I 丨 i I I .11— — — — — · {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) j 4 Ο 7 Ο 9 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3 ) 第4圈係該光學聚焦及操控裝置之簡圓示出—透鏡及 該平移窗的斜傾》 該光學聚焦及操控裝置1〇乃可將一自由空間的光束精 確校準於一很小及/或角度受限的目標，例如一單—式光 纖上。該裝置10包含一透鏡20介於二平直的窗之間，如第 1圖所示。現成的光學構件乃可用來當作該等透鏡2〇與窗 ’而可儘量減低成本並簡化構件的更換。含有標準作動件 及固定件之簡單而堅固的機構亦可被使用，同樣地能減低 成本及簡化更換操作。最後的組裝體可被製成非常小巧， 而可在僅能接近一側的有限空間内組裝及調準。一般該最 終組裝體係為一殼«’而包含該透銳20，該二窗30，4〇， 斜傾機構，及一聚焦機構。最好是，該組裝體能由其前面 來接近該等機構》 該第一窗係為定向窗30’如第1圓所示。該定向窗3〇 會將欲穿過該透銳而朝向該目標（未示出）的光束整體地定 向。該定向窗30係藉在該光束中傾斜而來完成定向，如第 2圊所示並於後說明。該定向窗30典型係為依據所需的組 裝體尺寸，所需之角瞄準解析度及集中容差累積等，而來 設計之一低像差的窗。一對角度敏感的目標乃具有其接受 角度之範圍，在其中的會聚光東平均入射角必須能以最佳 結果來射入》該目標接受角度範園會決定該定位窗30所需 的角猫準解析度。該集中容差係為該目標對該會聚光束調 準中心的容限。 該定向窗30可達到的角度範圍及解析度，並非僅有賴 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（21〇 X 297公« > 6 • ί 111--_---;.11')裝----II 訂•ΙΓΙ7---1·線"y · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 (1) 五、發明說明（4 於該定向窗30的厚度及折射率。透銳20的焦距及斜傾機構 的範圍與解析度亦須被列入考慮。該定向窗30會平移光東 橫過該透銳20，而該透鏡20會將該平移轉換成一角度的變 化。第一計算公式可決定一具有厚度“t”及在設定波長之 折射率為“η”之定向窗30於一斜角“ α ’’之輸入光束的平移 “y，， cos(a) sin [a sm'[sin(a)| |sin(a) x sin a-sin'1 <sin(a)>| 1 n )\ +1} 一等效之焦距為“Γ的薄透鏡，可作小平移者，將會 改變該輸入平移“y”成一輸出角“U” ： ------------ --裝.！ ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -Μβ 該等公式可提供選擇構件的起點，但在決定該等構件 之前’以準確的射線掃瞄編碼來徹底地處理乃是需要的。 該定位窗30的範圍亦會受該透鏡20相較於入射光束的大小 ’該透鏡20對發散之像差反應（其可用來選擇能容許此種 位移的透銳20)，及該定向S 30能在該可用空間内斜傾之 量等所限制。該定向窗30之解析度係大部份由其斜傾機構 之角度解析度來決定。 若有一對角度敏感的目標（未示出）被設成一角度，或 假使該輸入光束、透銳20及目標等並非同轴於該目標的容 差範圍内，則傾斜該定位窗30乃可彌補該誤差，並將大部 份的光導接於該目標上。如第2圊所示，將該定位窗30傾 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS>A4规格（210 * 297公 i線· 經濟部智«.財產局員工消費合作社印製 7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 4 0 7 0 9 at B7 五、發明說明（5 ) 斜於輸入光束中，乃可（1)使光束集中於一稍微錯置的透 鏡20上，以減少光學像差，及/或（2)改變在目標處的平均 入射角而不必移動該會聚的光點。此傾斜該定位窗30的第 二個作用’係由於該會聚光束會繞其焦點枢轉。最好是， 該定向窗30的傾斜調整，係以一含有標準作動件之斜傾機 構（未示出），諸如連接於該定位窗30的撓曲板與螺栓或壓 電器（壓介電定位器）等’由該裝置的前方來完成。 該透銳20會使光束聚焦於該目標上。該透銳2〇為一高 品質的透銳，若有一窗被放在該會聚光束中，其像差不會 劇烈地提高。許多無架透銳可在短焦距内具有較低的像差 者乃被設計供作期微銳的用途，而本來具有一窗（即在顯 微鏡滑槽上的蓋片）設於該透銳與影像平面之間。在第1圖 所示的實施例中，該透銳20係為由成型塑膠或玻璃所製成 的非球狀透銳。該透銳20亦可為多球狀的或歪像的（例如 ’ 一種具有圓筒狀或環形表面，而由成型塑膝或玻璃或吹 製玻璃所製成的透銳）。該透鏡20的尺寸乃視其用途及組 裝體之大小而定。 假使該透銳20的光轴裘目標的光轴係合理地共線（例 如，一 5mm焦距的透鏡被置於中心0.025mm之内），則其 只須要一焦點調整來補償焦距誤差或目標設置的誤差。假 使該目標係可固定地被設在該光束收束部的可容忍範圍内 ’則乃可不須要焦點調整，即使該透銳20的焦距與製造者 的說明書中有所不同，及/或效率較低於巔峰狀態。為了 聚焦該光束，該透銳20可以移動，該整個裝置10可以移動 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） ,----------------1 — — — wi <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 A7 ---------B7__ 五、發明說明（6 ) ，及/或該目標亦可以移動。假使該目標不與可高度重複 的光束耦合件分開及更換許多次，或者該透鏡20之聚焦機 構甚為堅固而使移除及更換該目標的應力不會造成調準的 失誤，則該目標乃可移動。最好是，該聚焦機構係可由該 裝置10的前方作動，而不必由側方接近。該聚焦機構包括 連接於透銳20的標準作動件，諸如撓曲板與螺栓或壓電器 等。 該平移窗40係被設在該會聚光束中，位於該透鏡2〇與 目標（未示出）之間，如第1圖所示。該平移窗40 —般係能 幫助避免或修正該會聚光東之聚焦光點與目楳之間的調準 誤差’其乃具有有限的尺寸。最好是，假使該透鏡20係被 設計使投影穿過一窗’則該平移窗40將會形成如該透鏡2〇 被設計使投影穿過之該窗一樣的光徑差異。假使該透鏡2〇 係被設計使投影穿過一窗（例如一顯微鏡蓋片，或在一二 極體雷射之般«中的窗），並使用於所設計之波長，若該 平移窗40之特性類似於該設計的窗，則會造成最小的像差 。但是，假使該設計波長不同於實際使用的波長，則該平 移窗40應該選擇配合所用之·波長者。 將該平移窗40傾斜於該會聚光束中，如第3圊所示， 將會使該會聚光束的聚焦點平移橫越該目標，而不會搜亂 入射角。此將可令該聚焦光點被“移動”，而使其在該目標 的集中容差範圍内，且在該目標的光轴上》此聚焦光點的 中心調整乃可修正透銳20與目標的不良調準》 但是，該平移窗40過分的傾斜將會由於彗形像差造成 本紙張尺度適用中國困家標準<CNS)A4蚬格<210 * 297公« > ----------裝------ 訂·！ •線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Ο 7 Ο 9 Α7 '^—«_-__Β7_______ 五、發明說明（7 ) 該聚焦光點的散開。較小的傾斜可形成更多的平移，並產 生較少的像差，假使該平移窗40較薄或係由更高指數的玻 璃所製成。該平移窗40的厚度會受該組裝體大小及偏極化 的相關事項所限制。假使偏極化事項，例如在偏極臨界用 途中’包括將一自由空間光束耦接於一單一式保存偏極的 光織中，該平移窗40則必須由一同向性材料所製成。許多 泛知的高指數材料例如藍寶石係為雙折射的，而會使其偏 極化變差’除非它們的結晶軸係非常精確地定向。此外， 某些被命名的同向性材料，例如ΒΚ7玻璃，在受到過分的 機械應力，例如被成型、切割、研磨，或固裝時，或者假 使其各片體係由不均勻的低等級塊狀材料切割而來時，乃 可能變成脆弱的。在高偏極化臨界用途中，所有的平移窗 40之玻璃應為ΑΑ級或者更佳者，且若該平移窗4〇更厚於 2,5mm ’則須要額外的退火。在圓中所示之該平移窗4〇係 為2mm厚’乃設計來供使用於偏極化臨界的用途。當該透 鏡20具有一非常短的背面焦距時，該平移窗4〇之可容許厚 度亦會受限制。 最好是’該平移窗40：Ci頃斜調整係以類似於該定向窗 30的方式來完成。因此，調整該平移窗4〇之斜角，亦係使 用一含有標準作動件，諸如連接於該平移窗4〇之撓曲板與 螺栓或壓電器等之斜傾機構，由該裝置1〇的前方來完成。 為了補償及修正在該透銳2〇與目標上之甚至更寬鬆的 機械裝設容差，該透銳20亦可具有一斜傾機構，如第4圊 所不。隨著該平移窗40來斜傾該透鏡2〇，將會增加該聚焦 本紙張尺度適用中S國家標準（diS)A4規格（210 * 297公SI) -- •------1 J--.J' )裝--------訂---------線^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7 五、發明說明（8 ) 光點可被平移的範圍，而不會因彗形像差而散開。以下係 為一圖表示出一 1mm光束及如圊式中所示之5mm焦距的非 球狀透銳20之電腦化光學模型的結果。 6 5 4 3 2 1 0·0·0·0·0·0· f …----- . ； 15' 1 · ' - 1 1 K .,.- - , . r 一 -· . .* ' '.\. y-· :：. . v * . ·-- ' ♦—僅有平移窗傾斜 .t： V …二'二... r .、，，·.，、. Γ …. ；- Q ' -.:. .. .·： …平移窗傾斜且 r 透鏡聚焦 ..•’ -，： .., 一· f> · · 1 -·< , ·， —-A__平移窗傾斜*透 [ .；0 . ,； ：.ν ί； ' · · 鏡聚焦，且透 ,. 1 - » ·« _ · 1 ，:ί‘ 〆 $ Ά , ’二二 銳傾斜 一、.1 Γ L^- L·^ ‘ ft·.e __ > -» - - k - 一 ^--— · — - Ο 0.02 0.04 0.06 0.08 已修正之平移 由該圊表可見，當該平移窗40與透鏡20兩者皆可斜傾時， 最少量的像差會產生最大量的平移。在斜傾該平移窗40時 使透鏡20聚焦，會克服許多的像差，但若亦斜傾該透鏡20 則會產生最佳的結果。 最好是，該透鏡20的傾斜調整係以一含有作動件之斜 傾機搆，如前述使用於該定向窗30與平移窗40者，來完成 之。該透鏡20的斜傾機構乃可被結合於該平移窗40的斜傾 機構。 最好是該目標（未示出）係獨立於前述之可調整構件， 而被固定地裝設，因此假使其被移除及更換亦可使該組裝 體的其餘部份設有調準失誤的風險。此對由僅具很少或沒 有光學專業知識之終端使用者來移除及更換光織與其它目 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4规格（210 * 297公 — — — — — — — — — — — — — - I I I I I I I ·1)111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 44〇7〇9 λ： -------- 五、發明說明（9 ) 標物乃是較理想的》在某些用途中，乃可能須要可調配地 裝設該目標物以提供一較大的調整程度。對目標物特別要 緊的是，在其壽命時間内儘量不要接受太多的移除更換循 環，以免相較於該組裝體之其餘部份會縮短使用壽命，及 可能在（原始）構件與（置換）構件間造成光學反應上的差異 。例如，取代移動該透銳20或裝置10來調整光束的焦點， 該目標亦可被移動來調整焦點。 該裝置10亦可在有必要時被修正以供特殊用途◊透過 該等窗之選擇及斜傾機構的設置，在範圍與解析度間之不 同的組配將可被完成。例如，一較厚的平移窗4〇將可對較 小的斜傾提供較大的平移，但可能較不均勻假使該玻璃的 品質並非被良好地控制，而將會比一相同斜傾機構之較薄 的窗提供較差的解析度。（單獨）斜傾該平移窗4〇所造成之 聚焦光點的平移，亦會依循前述之定向窗3〇所用的公式（1) 。就一特定的平移窗40而言，其厚度“t”與折射率“n”皆為 常數’可變的僅有該斜傾角度α »假使該平移窗4〇與透鏡 20兩者皆被斜傾，以一可靠的編碼來射線掃描成型乃是需 要的。 圖式中所示的裝置10係被設計供使用於將一自由空間 -的光束耦合於一單一式保持偏極的光纖中。該裝置1〇亦能 以無限的組配與一平行的光東被使用於其它用途中，諸如 依據該聚焦光點的空間分析來作光束與光學系統的診斷， 經由空間濾器來聚焦光束，及將光束射入整合的光學系統 或半導體雷射放大器中•假使該目標物並非對角度敏感的 本紙張尺度適用中囲國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉

1.Ι1—·ι-·')裝--------訂-----妹 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12 A： B7 五、發明說明（10) 雖本發明已配合較佳實施例之細節被揭露如上，但廣 可瞭解該等揭露係用來說明而非作為限制，而有許多修正 仍可被專業人士所易實施，惟仍包含於所附申請專二範 的精神與範疇中。 元件標號對照 1〇…光學聚焦及操控裝置 20…透銳 30…定向窗 40…平移窗 — II------------— — — — — — ·!111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS>A4蚬格（210 * 297公釐） 13

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44 07 0 9 六、申請專利範圍 1. _種可將自由空間的光束調準於一小目標的裝置，包 含： 一定向窗設在該光東的路徑中，該光束具有一平 均入射角於該目標上，且該定向窗可藉改變該光束在 該目標上的平均入射角，而將該光束定向於該目標上 一透銳可在該光束通過定向窗之後將其聚焦，而 使該光束會聚成該目標上之一光點；及 一平移窗設在該會聚光束的路徑中，該平移窗會 使該光點平移橫越該目標，而不會擾亂其平均入射角 2.如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該定向窗會斜傾俾 將該光束定向於該目標上。 3·如申請專㈣圍第！項之裝置，其中該平均窗會斜傾俾 使該光點平移橫越該目標。 4. 如申請專利範圍第】項之裝置，其中該透鏡為一非球狀 透鏡。 5. 如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該透鏡會與該平移 窗一起斜傾，俾使該光點平移橫越該目標。 6. 如申請專利範圍第1之裝置，更包含作動件連接於該 等定向窗、透鏡及平移窗等，該等作動件在作動時， 乃會使該定向窗、透鏡及平移窗等斜傾。 7. -種可將自由空間之光束調準於一小目標的方法；包 含： 本紙張尺度適用中困國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公藿）

   n ϋ «I (請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· ----線γ 14 六、申請專利範圍 在該光束的路徑中設置一定向窗； 藉該定向窗以一所需的平均入射角將該光束定向 於該目標上； 將一透鏡設置在該定向窗之後的光束路徑中： 將該光束聚焦成一在該目標上的會聚光東； 將一平移窗設置在該會聚光束的路徑中；及 將該會聚光束平移橫越該目標，而不擾亂該光束 的平均入射角。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中之定向步驟乃包含 使該定向窗斜傾的步驟。 9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中之平移步驟乃包含 使該平移窗斜傾的步驟。 Π).如申請專利範圍第9項之方法，其中之平移步驟更包含 使該透銳斜傾的步驟。 — — — — — — — — — — — — — 1111111 ^ *lrlnl — <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製