[發明專利]一種單個橢球面擴束透鏡

有效

• 申請號: 201410419007.7
• 申請日: 2014-08-25
• 公開（公告）號: CN104237981B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 秦華;馮東太;劉波
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種單個橢球面擴束透鏡，該橢球面透鏡由前后兩個橢球面、垂軸圓環平面和圓柱側面所圍成，所述橢球面透鏡關于其中心軸旋轉對稱。只用一片橢球面透鏡就可以實現擴束功能，大大簡化了擴束系統的結構，也使輸出光束光斑的均勻性大大提高。該橢球面透鏡的擴束比為17.40，輸入光束的最大半徑為5 mm，輸出光束的最大半徑為87 mm。該橢球面擴束鏡的材料是SK2玻璃，折射率等于1.600。

技術領域

本發明涉及光學鏡頭,具體涉及到一種用于擴束的單個橢球面透鏡，目的是將光束半徑為r的平行光束輸入到單個橢球面透鏡輸出光束半徑大于R的平行出射光束，R>r，且不改變光束的平面波特性，屬于光學設計和應用領域。

背景技術

在與光有關的實驗中，常常需要光的擴束（縮束）。激光器出射光束很細，為了更多的應用也必須對出射光擴束和準直。最常用的擴束系統有折射式系統、反射式系統和折反混合系統。相比于折射系統，反射式擴束系統沒有色差，且容易實現大口徑高能量反射，在航天遙感等領域應用廣泛。折射式擴束系統結構比較簡單，但當變倍比較大時，要求有的大透鏡口徑，使得與口徑有關的球差、慧差等像差顯著增大，影響了光束的準直性和均勻性。因此折射式擴束系統只是被應用在變倍比要求較小擴束（縮束）系統中。本文也主要研究折射式擴束系統，但這種擴束系統由球面組成，它的球差與透鏡口徑無關，幾乎為0。

傳統的折射式擴束系統，至少有兩個單個透鏡構成，使兩個不同焦距單個透鏡的焦點重合，擴束比即為兩透鏡的焦距之比。為了提高變倍比，不僅需要增大透鏡口徑，還需要增加鏡片數量。但這兩種方法又會引起衍射散斑條紋，影響擴束（縮束）光斑的均勻性。鏡片數量的增加還增加了系統裝配調試的難度。根據橢球面特殊的光學折射特性和折射定律的矢量形式，本文提出了用單個橢球面透鏡作為擴束或縮束鏡，即只靠一片橢球面透鏡就可實現光的擴束縮束功能，并且當透鏡的口徑增大時，球差還幾乎保持為0，解決了影響系統調配困難和出射光斑不均勻的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題就是克服現有折射式擴束系統至少由兩片鏡片組成、裝配調試麻煩且出射光斑不均勻的問題。提出了一種用單個透鏡就可實現擴束功能的橢球面透鏡，即只靠一片橢球面透鏡就能完成光的擴束，免去了兩片鏡或多片鏡焦點對準的麻煩，提高了擴束光斑的均勻性。

本發明的橢球面透鏡結構如圖1所示，橢球面透鏡由橢球面（1）、橢球面（2）、垂軸圓環平面（3）和側面（4）所圍成，所述橢球面透鏡關于其中心軸旋轉對稱；光束半徑為r的平行入射光束，沿光軸入射到橢球面（1）上，經橢球面（1）第一次折射后照射到橢球面（2）上，再經橢球面（2）第二次折射后平行于光軸出射，出射光束半徑R，R>r，實現光的擴束；逆光路為縮束。

優選的，所述橢球面（1）應滿足下列公式的要求：

(1)

其中：，0≤h≤5.75 mm，此橢球面的最大球差為10^-15 mm數量級，在玻璃中焦距為12 mm。

優選的，所述橢球面（2）應滿足下列公式的要求：

(2)

其中：，0≤h≤95mm，此橢球面的最大球差為10^-14 mm數量級，在玻璃中焦距為209 mm。

優選的，所述橢球面透鏡的垂軸圓環平面（3）的內外半徑分別為5.75mm和95 mm，垂軸圓環平面的位置在x=6.86 mm處；所述橢球面透鏡的側面（4）為一圓柱側面被圓環平面（3）和橢球面（2）所截部分，其底面半徑為95 mm；所述橢球面透鏡的橢球面（1）頂點到橢平面（2）頂點的距離d=221 mm。