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      一種列陣型角擴(kuò)束器的制作方法

      文檔序號:2677813閱讀:216來源:國知局
      專利名稱:一種列陣型角擴(kuò)束器的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種光學(xué)元器件,具體涉及一種列陣型角擴(kuò)束器。
      背景技術(shù)
      角擴(kuò)束器的功能是將某一方向入射的平面光變換成另一方向的出射平面光,且入射光、出射光與光軸的夾角滿足固定的放大倍數(shù)。
      通常情況下,角擴(kuò)束器是由焦點(diǎn)重合的一正一負(fù)兩個透鏡或透鏡組構(gòu)成(如圖1所示),當(dāng)一束平面光以角度θ入射于左邊的正透鏡上時,它被聚焦于正透鏡的焦平面上,匯聚點(diǎn)至光軸的距離為f1×θ,由于正透鏡的焦點(diǎn)與負(fù)透鏡的焦點(diǎn)重合,因此,該匯聚光束經(jīng)負(fù)透鏡折射后,仍將成為一平面光,且其方向?yàn)閒1×θ/f2=M×θ。
      對于現(xiàn)有的角擴(kuò)束器,要想得到大的角放大倍數(shù)M,就必須增大前后兩透鏡的焦距比,然而,對于普通的透鏡,由于研磨加工工藝方法的限制,透鏡表面曲率半徑是不可能很小的,一般都大于5毫米(或這一量級),因此,后一透鏡的焦距不可能很小。另一方面,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)所要求的光束孔徑d較大時,要保證通光,至少要求透鏡曲率半徑大于光束孔徑的一半,進(jìn)一步考慮到折射面像差的因素,一般要求折射表面曲率半徑遠(yuǎn)大于光束孔徑(例如通常要求r2>10×d),這樣,對于大孔徑光束,負(fù)透鏡的焦距f2就相當(dāng)大了,這時,只有靠增大前一透鏡的焦距f1來增大角放大倍數(shù)M,而這樣正負(fù)透鏡之間的距離(T=f1-f2)必然增大,導(dǎo)致整個系統(tǒng)尺寸增大。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的在于提供一種微透鏡列陣型角擴(kuò)束器,該角擴(kuò)束器可以在擁有大的角放大倍數(shù)和大的通光孔徑的同時,具有薄的厚度。
      本發(fā)明的一種列陣型角擴(kuò)束器,由光軸相互重合的正微透鏡和負(fù)微透鏡構(gòu)成,其特征在于該角擴(kuò)束器由n個相同的角擴(kuò)束器組件構(gòu)成面列陣,n≥2,各組件由正微透鏡和負(fù)微透鏡構(gòu)成,正、負(fù)透鏡的焦距及它其間隔應(yīng)滿足每一個由正微透鏡和對應(yīng)負(fù)微透鏡構(gòu)成的透鏡組的整體光焦度為零;列陣中任一微透鏡的中心與相鄰微透鏡的中心之間的距離相等。
      當(dāng)一束大孔徑的平面光入射到本發(fā)明的角擴(kuò)束器上時,其前表面的微正透鏡列陣將其分割成一系列小孔徑的平面光束。這些小孔徑的光束經(jīng)過微正透鏡聚焦后,入射到后表面的微負(fù)透鏡上,經(jīng)微負(fù)透鏡發(fā)散后又成為孔徑更小的平面光束。由于這些從各個微負(fù)透鏡出射的小孔徑光束具有相同的方向,因此它們又合成為一束孔徑大的平面光束,只不過它的方向與入射平面光束的方向是不同的,并且出射角與入射角滿足一定的倍數(shù)關(guān)系,這樣就實(shí)現(xiàn)了將一個方向的大孔徑平面光變換為另一個方向的大孔徑平面光束,即該器件完成了大孔徑平面光束的角度變換。微透鏡列陣型角擴(kuò)束器的厚度由微正透鏡和對應(yīng)的微負(fù)透鏡之間的厚度決定,由于單個微透鏡的尺寸很小,所以即使角放大倍數(shù)很大,也不會導(dǎo)致其厚度很大,同時,不論入射光束的孔徑有多大,理論上只要增加微透鏡的個數(shù),擴(kuò)大列陣的面積,就可以容納全部的入射光,并且角放大倍數(shù)不變,器件整體的厚度不變。因此,在提供同樣角放大倍數(shù)及同樣的入射光孔徑條件下,該器件的厚度遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的角擴(kuò)束器。


      圖1為角擴(kuò)束器功能示意圖;(a)平面波正入射;(b)平面波斜入射;圖中f1是正透鏡的焦距,f2是負(fù)透鏡的焦距,T是正負(fù)透鏡的間隔,F(xiàn)是透鏡的焦點(diǎn)。
      圖2為一種單片式微透鏡列陣型角擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖中1是正透鏡折射面,2是負(fù)透鏡折射面,ab是入射的大孔徑平面光束,a′b′是出射的小孔徑平面光束,空心圓表示正透鏡(左表面)的焦點(diǎn)F1,實(shí)心圓點(diǎn)表示負(fù)透鏡(右表面)的焦點(diǎn)F2。
      圖3為微透鏡列陣型角擴(kuò)束器的空間結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為微透鏡列陣型角擴(kuò)束器中各個微透鏡中心的分布形式示意圖;圖5為一種雙片式微透鏡列陣型角擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)示意圖;
      圖6為本發(fā)明的一個實(shí)例示意圖。
      具體實(shí)施例方式
      如圖2、圖3所示,本發(fā)明將一個微正透鏡1與一個微負(fù)透鏡2結(jié)合,構(gòu)成一個角擴(kuò)束器組件;再將大量相同的角擴(kuò)束器組件排列成一個面陣列(圖2),從而形成一種新的光學(xué)器件。該器件中微透鏡的特殊性是,由單個正微透鏡和對應(yīng)的負(fù)微透鏡所構(gòu)成的微透鏡組的整體光焦度為零。該器件的優(yōu)點(diǎn)是可以同時擁有大的角放大倍數(shù)、大的通光孔徑和薄的厚度。
      此器件在結(jié)構(gòu)尺寸上有如下特征1)每一個正微透鏡都有一個對應(yīng)的負(fù)微透鏡,且它們的光軸相互重合(光軸指的是微透鏡表面中心點(diǎn)的法線)。
      2)每一個由正微透鏡和負(fù)微透鏡構(gòu)成的整體光焦度為零。光焦度的計算方法是=1/f1-1/f2+T/f1/f2因?yàn)檎w光焦度為零,所以T=f1-f2,也就是正微透鏡的焦點(diǎn)與負(fù)微透鏡的焦點(diǎn)重合。圖2中空心圓表示正微透鏡(左表面)的焦點(diǎn)F1,實(shí)心圓點(diǎn)表示負(fù)微透鏡(右表面)的焦點(diǎn)F2,它們的中心重合,表示焦點(diǎn)重合。
      3)在滿足以上兩個條件的情況下,正微透鏡和負(fù)微透鏡可以制作在同一薄片材料的前后兩面上,這時,單個折射面就是一個透鏡;也可以制作在兩塊薄片材料上,每一塊材料的前后兩面都制作成折射面,這兩個折射面共同組成一個透鏡,然后,讓兩塊微透鏡列陣相對而置,形成一個整體。
      圖2中,正透鏡是一凸折射面,負(fù)透鏡是一凹折射面。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是緊湊、結(jié)構(gòu)尺寸不易受外界影響而變化,因而性能穩(wěn)定。
      圖3中,正負(fù)透鏡分別做在兩塊薄板上,這種形式的好處是增加了折射面數(shù),有利于像差校正,提高成像質(zhì)量。
      4)正微透鏡和負(fù)微透鏡的表面可以是球面或非球面。非球面面形的設(shè)計應(yīng)使得在特定的角放大倍數(shù)和通光孔徑下,當(dāng)入射光為平面波時,出射光的波陣面與平面波的偏差盡可能小。
      5)列陣的分布形式,在滿足任一微透鏡的中心與相鄰微透鏡的中心之間的距離相等的條件下,可以為正三角形(圖5a)或正方形(圖5b)
      圖6是一個由兩個折射面組成的微望遠(yuǎn)鏡的實(shí)例,其中,凸面半徑=0.400mm,凹面半徑=0.162mm,厚度=0.70mm,孔徑=.40mm,材料折射率n=1.5。圖中,ab為正入射平面光束,cd斜入射平面光束,a’b’為正出射平面光束,c’d’斜出射平面光束。
      本發(fā)明作為一種新的通用光學(xué)元件,可以在許多類別的光學(xué)儀器中應(yīng)用。
      在任何一種具體光學(xué)儀器中應(yīng)用的原則是列陣角擴(kuò)束器的入射光束必須是平面波。
      權(quán)利要求
      1.一種微透鏡列陣型角擴(kuò)束器,由光軸相互重合的正微透鏡和負(fù)微透鏡構(gòu)成,其特征在于該角擴(kuò)束器由n個相同的角擴(kuò)束器組件構(gòu)成面列陣,n≥2,各組件由正微透鏡(1)和負(fù)微透鏡(2)構(gòu)成,正、負(fù)透鏡的焦距及其間隔應(yīng)滿足每一個由正微透鏡和對應(yīng)負(fù)微透鏡構(gòu)成的透鏡組的整體光焦度為零;列陣中任一微透鏡的中心與相鄰微透鏡的中心之間的距離相等。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角擴(kuò)束器,其特征在于所述正透鏡(1)和負(fù)透鏡(2)均由單個折射面構(gòu)成。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角擴(kuò)束器,其特征在于所述正透鏡(1)和負(fù)透鏡(2)均由雙個折射面構(gòu)成。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種列陣型角擴(kuò)束器,該角擴(kuò)束器由n個相同的角擴(kuò)束器組件構(gòu)成面列陣,n≥2,各組件由正微透鏡和負(fù)微透鏡構(gòu)成,正、負(fù)透鏡的焦距及其間隔應(yīng)滿足每一個透鏡組的整體光焦度為零;列陣中任一微透鏡的中心與相鄰微透鏡的中心之間的距離相等。該角擴(kuò)束器的厚度由微正透鏡和對應(yīng)的微負(fù)透鏡之間的厚度決定,由于單個微透鏡的尺寸很小,所以即使角放大倍數(shù)很大,也不會導(dǎo)致其厚度很大,同時,不論入射光束的孔徑有多大,理論上只要增加微透鏡的個數(shù),擴(kuò)大列陣的面積,就可以容納全部的入射光,并且角放大倍數(shù)不變,器件整體的厚度不變。因此,在提供同樣角放大倍數(shù)及同樣的入射光孔徑條件下,其厚度遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的角擴(kuò)束器。
      文檔編號G02B27/09GK1487328SQ03128299
      公開日2004年4月7日 申請日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月8日
      發(fā)明者趙斌, 趙 斌 申請人:華中科技大學(xué)
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