[实用新型]一种扩束准直光学系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种紧凑型的宽波段高倍率扩束准直光学系统。

背景技术

在光学检测、光谱定标、激光雷达、安防等许多应用场合，需要对光束进行整形实现光束的极小角度发射，从而实现光束的长距离传输或者最佳耦合。目前光学的系统扩束准直可分为两种类型，一种是针对单个波段的激光束应用开发，其对应的扩束准直系统有透射式、反射式和两者的结合形式；另外一种是针对多个波长下激光器应用，这种结构在保持光学元件参数不变情况下，改变目镜和物镜的间距来适应不同的波长。前一种类型，因仅适用单个波长，很容易满足大倍率或者变换倍率的要求；后一种类型，针对多个波长的激光器，其大倍率扩束不容易实现，需要改变目镜和物镜间距来适应，即通过设计专门的调整机构或者加隔圈的办法可满足不同激光波长下的间距要求，如文献《多波长透射式扩束器设计》（J.红外与激光，vol37，No.7）采用复杂的透射式设计实现三个波长的的扩束准直。在调整物镜和目镜间距时，系统的间隔精度、平行度和同轴度等会带来误差，影响准直性能。且随着连续或者白光激光器的应用及其某些特殊应用场合，需要在宽波段范围对连续波长的激光光束适用的扩束准直光学系统，这种改变间距的办法就无法满足。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种宽波段的高倍率扩束准直光学系统，该光学系统可适用于多个波长的激光器，而不用移动镜片从而调整透镜间距适应不同波长的扩束准直，具有高质量的准直性能外，且能够实现高光学透过率，为一种无调距机构的紧凑型宽波段高倍率扩束准直光学系统。

实现本实用新型目的的技术方案是提供一种扩束准直光学系统，它包括透射扩束准直组和反射扩束准直组；按光线入射方向，所述的透射扩束准直组包括由一块双凹负镜和一块双凸正镜组成的扩束分组，由第一块弯月正镜和第二块弯月正镜组成的准直分组，第一块和第二块弯月正镜的曲率均弯向光线入射方向；扩束分组的组合焦距为负值，准直分组的组合焦距为正值，透射扩束准直组的倍率为准直分组的焦距与扩束分组的焦距之比的绝对值；所述的反射扩束准直组包括两块具有相同焦点位置的抛物面镜，依次为小口径抛物面镜和大口径抛物面镜，大口径抛物面镜的面形为离轴凹面，反射扩束准直组的扩束准直倍率为大口径抛物面镜的顶点曲率半径与小口径抛物面镜的顶点曲率半径的比值。

本实用新型中，透射扩束准直组的倍率为2x～10x；反射扩束准直组的倍率为8x～30x。

本实用新型提供的光学系统由透射扩束准直组和反射扩束准直组构成，其原理如下：

透射扩束准直组实现光的小倍率扩束，采用双凹镜-双凸和弯月镜-弯月镜构成。由于扩束比较小，象差主要为球差和色差。通过优化面形实现球差校正，通过选择合适的玻璃材料组合实现宽波段波长的色差校正。反射扩束组由两片离轴抛物面反射镜构成，采用椭圆同心结构，实现小角度大倍率的扩束。经透射扩束准直组输出的光，入射到小口径离轴抛物面镜后，反射到大口径的离轴抛物面镜实现更大比率的扩束。

本实用新型扩束准直光学系统的透射扩束准直组采用四片透镜构成，一般实现小于10倍以下的扩束准直。前两片构成镜扩束分组，第一片镜为双凹型式，采用色散相对高、折射率相对高的材料；第二片镜为双凸型式，采用低折射率和低色散性能的材料，它们的组合焦距为负；后两片构成准直分组，两片均为弯月正镜型式，其曲率都弯向光束入射方向，两个镜片的选用与前面两片的选用相反，即第一片弯月正镜选用低折射率和低色散性能的材料，第二片弯月正镜选用色散相对高、折射率相对高的材料。初始焦距和材料的选择按如下公式（1）、（2）和（3）确定：

；

其中，为透镜扩束准直组的扩束准直倍率，为扩束分组的焦距，为准直分组的焦距，和分别为扩束分组中双凹负镜的焦距及其材料阿贝数，和分别为扩束分组中双凸正镜镜的焦距及其材料阿贝数。同样，准直分组内的镜片的材料选择也按公式（1）、（2）和（3）得到。

本实用新型中后射扩束准直组采用同焦点位置的两个抛物面镜，可实现10x以上扩束准直。通过抛物面镜使光路离轴折返，可缩小光学系统结构长度。两个抛物面镜的其中一个焦点在相同位置，形成椭圆的同心结构，可校正除场曲外的其他几种象差，如球差，慧差，象散等。小口径抛物面镜和大口径抛物面镜具有相同的焦点位置，即两面的椭圆为同心结构。其顶点曲率比值为该组的扩束准直比，即公式（4）：

（4）；

其中，为小口径抛物面镜的顶点曲率半径，为大口径抛物面镜的顶点曲率半径。当前透射扩束准直和后反射扩束准直组组合后，形成的扩束准直倍率比为公式（5）：

（5）；