一種擴束準直光學系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種緊湊型的寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 在光學檢測、光譜定標、激光雷達、安防等許多應用場合，需要對光束進行整形實 現(xiàn)光束的極小角度發(fā)射，從而實現(xiàn)光束的長距離傳輸或者最佳耦合。目前光學的系統(tǒng)擴束 準直可分為兩種類型，一種是針對單個波段的激光束應用開發(fā)，其對應的擴束準直系統(tǒng)有 透射式、反射式和兩者的結合形式；另外一種是針對多個波長下激光器應用，這種結構在保 持光學元件參數(shù)不變情況下，改變目鏡和物鏡的間距來適應不同的波長。前一種類型，因僅 適用單個波長，很容易滿足大倍率或者變換倍率的要求；后一種類型，針對多個波長的激光 器，其大倍率擴束不容易實現(xiàn)，需要改變目鏡和物鏡間距來適應，即通過設計專門的調(diào)整機 構或者加隔圈的辦法可滿足不同激光波長下的間距要求，如文獻《多波長透射式擴束器設 計》（J.紅外與激光，v 〇137，No. 7)采用復雜的透射式設計實現(xiàn)三個波長的的擴束準直。在 調(diào)整物鏡和目鏡間距時，系統(tǒng)的間隔精度、平行度和同軸度等會帶來誤差，影響準直性能。 且隨著連續(xù)或者白光激光器的應用及其某些特殊應用場合，需要在寬波段范圍對連續(xù)波長 的激光光束適用的擴束準直光學系統(tǒng)，這種改變間距的辦法就無法滿足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實用新型針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種寬波段的高倍率擴束準直光學系 統(tǒng)，該光學系統(tǒng)可適用于多個波長的激光器，而不用移動鏡片從而調(diào)整透鏡間距適應不同 波長的擴束準直，具有高質量的準直性能外，且能夠實現(xiàn)高光學透過率，為一種無調(diào)距機構 的緊湊型寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)。
[0004] 實現(xiàn)本實用新型目的的技術方案是提供一種擴束準直光學系統(tǒng)，它包括透射擴束 準直組和反射擴束準直組；按光線入射方向，所述的透射擴束準直組包括由一塊雙凹負鏡 和一塊雙凸正鏡組成的擴束分組，由第一塊彎月正鏡和第二塊彎月正鏡組成的準直分組， 第一塊和第二塊彎月正鏡的曲率均彎向光線入射方向；擴束分組的組合焦距為負值，準直 分組的組合焦距為正值，透射擴束準直組的倍率為準直分組的焦距與擴束分組的焦距之比 的絕對值；所述的反射擴束準直組包括兩塊具有相同焦點位置的拋物面鏡，依次為小口徑 拋物面鏡和大口徑拋物面鏡，大口徑拋物面鏡的面形為離軸凹面，反射擴束準直組的擴束 準直倍率為大口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑與小口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑的比值。
[0005] 本實用新型中，透射擴束準直組的倍率為2x~IOx ;反射擴束準直組的倍率為 8x ~30xd
[0006] 本實用新型提供的光學系統(tǒng)由透射擴束準直組和反射擴束準直組構成，其原理如 下：
[0007] 透射擴束準直組實現(xiàn)光的小倍率擴束，采用雙凹鏡-雙凸和彎月鏡-彎月鏡構成。 由于擴束比較小，象差主要為球差和色差。通過優(yōu)化面形實現(xiàn)球差校正，通過選擇合適的玻 璃材料組合實現(xiàn)寬波段波長的色差校正。反射擴束組由兩片離軸拋物面反射鏡構成，采用 橢圓同心結構，實現(xiàn)小角度大倍率的擴束。經(jīng)透射擴束準直組輸出的光，入射到小口徑離軸 拋物面鏡后，反射到大口徑的離軸拋物面鏡實現(xiàn)更大比率的擴束。
[0008] 本實用新型擴束準直光學系統(tǒng)的透射擴束準直組采用四片透鏡構成，一般實現(xiàn)小 于10倍以下的擴束準直。前兩片構成鏡擴束分組，第一片鏡為雙凹型式，采用色散相對高、 折射率相對高的材料；第二片鏡為雙凸型式，采用低折射率和低色散性能的材料，它們的組 合焦距為負；后兩片構成準直分組，兩片均為彎月正鏡型式，其曲率都彎向光束入射方向， 兩個鏡片的選用與前面兩片的選用相反，即第一片彎月正鏡選用低折射率和低色散性能的 材料，第二片彎月正鏡選用色散相對高、折射率相對高的材料。初始焦距和材料的選擇按如 下公式（1)、（2)和（3)確定：
[0010] 其中，:編V為透鏡擴束準直組的擴束準直倍率，Il為擴束分組的焦距，Il為準直 分組的焦距，_和Pi分別為擴束分組中雙凹負鏡的焦距及其材料阿貝數(shù)，_和*%分別為 擴束分組中雙凸正鏡鏡的焦距及其材料阿貝數(shù)。同樣，準直分組內(nèi)的鏡片的材料選擇也按 公式（1)、（2)和（3)得到。
[0011] 本實用新型中后射擴束準直組采用同焦點位置的兩個拋物面鏡，可實現(xiàn)IOx以上 擴束準直。通過拋物面鏡使光路離軸折返，可縮小光學系統(tǒng)結構長度。兩個拋物面鏡的其 中一個焦點在相同位置，形成橢圓的同心結構，可校正除場曲外的其他幾種象差，如球差， 慧差，象散等。小口徑拋物面鏡和大口徑拋物面鏡具有相同的焦點位置，即兩面的橢圓為同 心結構。其頂點曲率比值為該組的擴束準直比_k，即公式（4):
[0013] 其中，為小口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑，i|為大口徑拋物面鏡的頂點曲率半 徑。當前透射擴束準直和后反射擴束準直組組合后，形成的擴束準直倍率比為公式（5):
[0015] 由此可形成超過30倍以上的擴束準直倍率，甚至可達到200倍以上的擴束準直 比。兩者結合后可通過相互補償來校正剩余的象差，如前透射組的剩余高級球差可在反射 組中校正，而反射組中的剩余場曲可在透射組中進行補償。由于采用的離軸折返光路，可以 縮小系統(tǒng)體積，且在離軸空間能夠放置透射擴束準直組，使透射擴束準直組不需要占用多 余的空間，從而使系統(tǒng)更加緊湊。
[0016] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果在于：
[0017] 1、本實用新型提供的擴束準直系統(tǒng)，不需要設置元件調(diào)整機構或者象差補償部件 就可以實現(xiàn)寬波段光束的大倍率擴束準直。本實用新型提出的實現(xiàn)方法除能應用在可見近 紅外波段，在其余波段，如紫外、中波、長波紅外波段也同樣適用。
[0018] 2、本實用新型提供的寬波段高倍率的緊湊型擴束準直系統(tǒng)，可為寬波段范圍內(nèi)的 任意激光波長或者白光激光器提供擴束準直，而不需要任何移動補償部件，結構緊湊，體積 小，擴束倍率大、準直性能高，可用于全息成像、光學測試、激光雷達等方面。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本實用新型實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)結構 示意圖；
[0020] 圖2為本實用新型實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)在 632. 8nm處的波前圖；
[0021] 圖3為本實用新型實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)在 1064nm處的波前圖；
[0022] 圖4為本實用新型實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)的出 射光束經(jīng)200mm理想透鏡成像后的MTF曲線圖；
[0023] 圖5為本實用新型另一個實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系 統(tǒng)結構示意圖；
[0024] 圖中，1、雙凹負透鏡；2、雙凸正透鏡；3、第一塊彎月透鏡；4、第二塊彎月透鏡；5、 小口徑拋物面鏡；6、大口徑拋物面鏡。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和實施例對本實用新型技術方案作進一步的闡述。
[0026] 實施例1 :
[0027] 本實施例待加工擴束準直光學系統(tǒng)的設計要求：入射光束為I. 5mm，發(fā)散角度為 22mrad，實現(xiàn)33x的擴束準直，經(jīng)擴束準直后出射光發(fā)散角不大于0. 7mrad，能夠適用的波 長范圍為488nm~1064m。
[0028] 參見附圖1，它是本實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統(tǒng)結構 示意圖；它包括透射擴束準直組和反射擴束準直組；所述的透射擴束準直組，按光線入射 方向，包括由一塊雙凹負鏡1和一塊雙凸正鏡2組成的擴束分組，由第一塊彎月正鏡3和第 二塊彎月正鏡4組成的準直分組；擴束分組的組合焦距為負，兩塊彎月正鏡的曲率彎向光 線入射方向，準直分組的組合焦距為正，透射擴束準直組的倍率為準直分組的焦距與擴束 分組的焦距之比的絕對值；反射擴束準直組包括兩塊具有相同焦