[发明专利]一种单个椭球面扩束透镜

说明书

本发明公开了一种单个椭球面扩束透镜，该椭球面透镜由前后两个椭球面、垂轴圆环平面和圆柱侧面所围成，所述椭球面透镜关于其中心轴旋转对称。只用一片椭球面透镜就可以实现扩束功能，大大简化了扩束系统的结构，也使输出光束光斑的均匀性大大提高。该椭球面透镜的扩束比为17.40，输入光束的最大半径为5 mm，输出光束的最大半径为87 mm。该椭球面扩束镜的材料是SK2玻璃，折射率等于1.600。

技术领域

本发明涉及光学镜头,具体涉及到一种用于扩束的单个椭球面透镜，目的是将光束半径为r的平行光束输入到单个椭球面透镜输出光束半径大于R的平行出射光束，R>r，且不改变光束的平面波特性，属于光学设计和应用领域。

背景技术

在与光有关的实验中，常常需要光的扩束（缩束）。激光器出射光束很细，为了更多的应用也必须对出射光扩束和准直。最常用的扩束系统有折射式系统、反射式系统和折反混合系统。相比于折射系统，反射式扩束系统没有色差，且容易实现大口径高能量反射，在航天遥感等领域应用广泛。折射式扩束系统结构比较简单，但当变倍比较大时，要求有的大透镜口径，使得与口径有关的球差、慧差等像差显著增大，影响了光束的准直性和均匀性。因此折射式扩束系统只是被应用在变倍比要求较小扩束（缩束）系统中。本文也主要研究折射式扩束系统，但这种扩束系统由球面组成，它的球差与透镜口径无关，几乎为0。

传统的折射式扩束系统，至少有两个单个透镜构成，使两个不同焦距单个透镜的焦点重合，扩束比即为两透镜的焦距之比。为了提高变倍比，不仅需要增大透镜口径，还需要增加镜片数量。但这两种方法又会引起衍射散斑条纹，影响扩束（缩束）光斑的均匀性。镜片数量的增加还增加了系统装配调试的难度。根据椭球面特殊的光学折射特性和折射定律的矢量形式，本文提出了用单个椭球面透镜作为扩束或缩束镜，即只靠一片椭球面透镜就可实现光的扩束缩束功能，并且当透镜的口径增大时，球差还几乎保持为0，解决了影响系统调配困难和出射光斑不均匀的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服现有折射式扩束系统至少由两片镜片组成、装配调试麻烦且出射光斑不均匀的问题。提出了一种用单个透镜就可实现扩束功能的椭球面透镜，即只靠一片椭球面透镜就能完成光的扩束，免去了两片镜或多片镜焦点对准的麻烦，提高了扩束光斑的均匀性。

本发明的椭球面透镜结构如图1所示，椭球面透镜由椭球面（1）、椭球面（2）、垂轴圆环平面（3）和侧面（4）所围成，所述椭球面透镜关于其中心轴旋转对称；光束半径为r的平行入射光束，沿光轴入射到椭球面（1）上，经椭球面（1）第一次折射后照射到椭球面（2）上，再经椭球面（2）第二次折射后平行于光轴出射，出射光束半径R，R>r，实现光的扩束；逆光路为缩束。

优选的，所述椭球面（1）应满足下列公式的要求：

(1)

其中：，0≤h≤5.75 mm，此椭球面的最大球差为10^-15 mm数量级，在玻璃中焦距为12 mm。

优选的，所述椭球面（2）应满足下列公式的要求：

(2)

其中：，0≤h≤95mm，此椭球面的最大球差为10^-14 mm数量级，在玻璃中焦距为209 mm。

优选的，所述椭球面透镜的垂轴圆环平面（3）的内外半径分别为5.75mm和95 mm，垂轴圆环平面的位置在x=6.86 mm处；所述椭球面透镜的侧面（4）为一圆柱侧面被圆环平面（3）和椭球面（2）所截部分，其底面半径为95 mm；所述椭球面透镜的椭球面（1）顶点到椭平面（2）顶点的距离d=221 mm。