專利名稱：偏心光學(xué)系統(tǒng)和使用該偏心光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏心光學(xué)系統(tǒng)和使用該偏心光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)儀器。特別地，本發(fā)明涉及在焦平面上進(jìn)行聚焦時(shí)可適當(dāng)采用的偏心光學(xué)系統(tǒng)和使用該偏心光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
眾所周知，根據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域，與折射系統(tǒng)相比反射系統(tǒng)通常具有更優(yōu)良的性能。
反射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，由于不出現(xiàn)色差，如果反射光譜特性允許有反射材料和反射覆層，則可以覆蓋極寬的范圍，光路可以折疊，并且整個(gè)光學(xué)儀器可以容易地具有緊湊結(jié)構(gòu)，并且假設(shè)曲率相同，則光焦度增大了4倍，使得曲率可以變小，因此可以控制像差的出現(xiàn)等。
反射系統(tǒng)應(yīng)用于諸如天文學(xué)等領(lǐng)域，其中采用主反射鏡和輔反射鏡組合的諸如Cassegrain型和Gregorian型等反射系統(tǒng)已廣為人知。然而，由于這些反射鏡設(shè)置在同一軸線上，因此輔反射鏡部分被遮蔽，從而導(dǎo)致光損失。
為改善這一點(diǎn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種屬于偏心光學(xué)系統(tǒng)的反射系統(tǒng)，這些反射系統(tǒng)采用相互偏心和傾斜的多個(gè)反射面的組合。作為這種反射系統(tǒng)的一個(gè)示例，在專利文獻(xiàn)1至4中公開了具有多個(gè)反射鏡的系統(tǒng)。
另一方面，已設(shè)計(jì)了多種作為棱鏡型偏心光學(xué)系統(tǒng)的反射系統(tǒng)，在這些光學(xué)系統(tǒng)中多個(gè)反射面相互偏心并且傾斜(例如專利文獻(xiàn)5和6)。
采用這些偏心系統(tǒng)與光檢測(cè)器等組合作為光學(xué)儀器。
日本未審專利申請(qǐng)，首次公開No.Hei 7-146442(圖2)[專利文獻(xiàn)2]日本未審專利申請(qǐng)，首次公開No.2000-199852(圖1和4)[專利文獻(xiàn)3]美國專利No.4265510(圖1和3)[專利文獻(xiàn)4]美國專利No.4834517(圖2、4和6)[專利文獻(xiàn)5]日本未審專利申請(qǐng)，首次公開No.Hei 8-122670(3-5頁，圖3、4及6)[專利文獻(xiàn)6]日本未審專利申請(qǐng)，首次公開No.2000-321500(12-14頁，圖1至12)利用專利文獻(xiàn)1至4中所公開的技術(shù)，以組合的方式使用具有反射面的多個(gè)反射鏡。因此，為精確地定位各反射面，必須高精度地加工各反射鏡的周邊部分的相對(duì)位置以及反射面。此外，必須準(zhǔn)確地定位各反射鏡相對(duì)于其他反射鏡的位置。因此在裝配過程中，極其精確的定位技術(shù)或者定位機(jī)制對(duì)于調(diào)節(jié)各反射鏡的位置是非常必要的。因此，除光學(xué)元件的制造以外，還產(chǎn)生了裝配和調(diào)節(jié)方面的費(fèi)用。
此外，利用專利文獻(xiàn)5和6所公開的技術(shù)，棱鏡具有入射面、透射面的出射面、以及兩個(gè)或者更多個(gè)反射面，并被構(gòu)造成使輸入光在棱鏡內(nèi)反射，并且在其從棱鏡出射后形成圖像。此時(shí)，由于從/向反射面的反射，棱鏡內(nèi)的光路相交呈三角形。
在這種情況中，棱鏡內(nèi)的光路在光軸的交點(diǎn)和兩個(gè)反射點(diǎn)處相交呈三角形，使光路折疊，因此允許一定程度的小型化。在實(shí)踐中，例如，當(dāng)構(gòu)造具有大入射光瞳和長(zhǎng)焦距的光學(xué)儀器時(shí)，增加了光路自身的長(zhǎng)度并使后焦距變得更長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面是具有近似平行的輸入光束，并且包括一棱鏡，該棱鏡具有折射率為1或者更大的介質(zhì)，在該棱鏡上，在介質(zhì)的分界面處形成有至少4個(gè)光學(xué)作用面，其中，假設(shè)沿輸入光的光路將這些光學(xué)作用面稱為第1、第2、第3、第4，…以及第n(“n”為自然數(shù))面，第1至第4面中的至少一個(gè)面為分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路。
本發(fā)明的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第二方面是具有近似平行的輸入光束，并且包括一棱鏡，該棱鏡具有折射率為1或者更大的介質(zhì)，在該棱鏡上，在介質(zhì)的分界面處形成有5個(gè)光學(xué)作用面，其中，將這5個(gè)光學(xué)作用面定位成使得，假設(shè)沿輸入光的光路按順序?qū)⑦@些光學(xué)作用面稱為第1、第2、第3、第4和第5面，第1至第5面中的至少一個(gè)面為分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路，并且，在分路面所分成的各個(gè)光路中形成實(shí)像。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，假設(shè)沿輸入光的光路按順序?qū)⒃?個(gè)光學(xué)作用面稱為第1、第2、第3、第4和第5面，第1面可以是透射輸入光的透射面，第2面和第3面可以是反射在介質(zhì)內(nèi)部通過的光束的內(nèi)部反射面，第4面可以是將光路分成透射光和反射光兩個(gè)光路的分路面，第5面可以是使由第4面所反射的反射光透射的透射面，而這5個(gè)光操作面中的至少兩個(gè)面可以是回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，并且可以在棱鏡的外部形成至少一個(gè)實(shí)像。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，該第2面可以包括一具有正光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，該第3面可以包括一具有負(fù)光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，可以形成一光路，在該光路中，由分路面所反射的反射光的軸上的主光束與通過該棱鏡的至少兩個(gè)光束的軸上的主光束相交。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第二方面中，可以形成一光路，在該光路中，軸上的由第2面向第3面反射的主光束和軸上的由第4面向第5面反射的主光束各與軸上的通過第1面射向第2面的主光束相交。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，可以將棱鏡周邊方向上的第1至第5面設(shè)置為第1面和第2面之間、第2面和第3面之間、第3面和第4面之間、以及第4面和第5面之間的至少一個(gè)面設(shè)置有另一光學(xué)作用面。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，當(dāng)以垂直于輸入光的軸上的主光束的平面作為傾斜基準(zhǔn)面時(shí)，在第2面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ1，而在第3面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ2，可以滿足以下條件表達(dá)式30≤|θ2-θ1|≤80在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第二方面中，當(dāng)以垂直于輸入光的軸上的主光束的平面作為傾斜基準(zhǔn)面時(shí)，在第4面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ3，而在第5面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ4，滿足以下條件表達(dá)式|θ4-θ3|≤30在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，當(dāng)假設(shè)傍軸焦距為F時(shí)，可以滿足以下條件表達(dá)式60(mm)≤F≤500(mm)在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，當(dāng)假設(shè)傍軸焦距為F時(shí)，并假設(shè)入射光瞳直徑為D時(shí)，比率F/D滿足以下條件表達(dá)式2≤F/D≤15在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，可以設(shè)置一光學(xué)器件，該光學(xué)器件在于棱鏡外形成實(shí)像后使光束形成為一近似平行的光束，并且具有在所需的位置形成出射光瞳的正光焦度。
在此情況中，可以在光接收面上設(shè)置一聚光器件，該聚光器件在形成出射光瞳后使光束成像。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，在5個(gè)光學(xué)作用面中，至少一個(gè)面為分路面，在該分路面中將光路分成透射光和反射光的兩個(gè)光路，并且在該分路面上分路的各個(gè)光路中形成實(shí)像。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第二方面中，假設(shè)沿輸入光的光路將該5個(gè)光學(xué)作用面稱為第1、第2、第3、第4以及第5面，可以將分路面設(shè)為第4面，并且由第4面反射向軸上的第5面的主光束可以形成與以下主光束相交的光路穿過第1面朝向軸上的第2面的主光束，以及由第2面反射向軸上的第3面的主光束。
其中輸入光為近似平行光束的本發(fā)明的光學(xué)儀器包括具有偏心光學(xué)系統(tǒng)的聚光單元，以及光偏轉(zhuǎn)器件，其對(duì)于在該偏心光學(xué)系統(tǒng)中形成出射光瞳的光束，在該出射光瞳的位置附近對(duì)該光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，并且將其導(dǎo)向一個(gè)光接收面；位置檢測(cè)器件，其對(duì)導(dǎo)向一個(gè)光接收面的光束的光接收位置進(jìn)行檢測(cè)并且輸出檢測(cè)信號(hào)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其可移動(dòng)地支撐聚光單元；以及位置控制器件，其響應(yīng)于來自位置檢測(cè)器件的檢測(cè)輸出、或者光偏轉(zhuǎn)器件的偏轉(zhuǎn)量、或者二者，來控制移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量。
該移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以具有萬向臺(tái)(gimbal stage)。
偏心光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光闌可以與聚光單元的外部集成為一體。
可以將位置檢測(cè)器件設(shè)置在一個(gè)光接收面中，和另一個(gè)光接收面中，并且該位置控制器件可以響應(yīng)于來自位置檢測(cè)器件的一個(gè)檢測(cè)輸出而提供移動(dòng)機(jī)構(gòu)的粗略移動(dòng)，并且響應(yīng)于來自位置檢測(cè)器件的另一檢測(cè)輸出而提供移動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密移動(dòng)。
可以對(duì)位置檢測(cè)器件配備調(diào)制光檢測(cè)器，其構(gòu)成光信號(hào)在空中傳播的光接收部件。
本發(fā)明的用于空間光通信的光學(xué)儀器的第一方面包括一偏心設(shè)置的光學(xué)作用面。
本發(fā)明的用于空間光通信的光學(xué)儀器的第二方面包括具有折射率為1或者更大的介質(zhì)的棱鏡，在該棱鏡上在該介質(zhì)的分界面上偏心地形成有至少四個(gè)光學(xué)作用面。
在光學(xué)儀器的該第二方面中，可以按照一定位置關(guān)系來設(shè)置該至少4個(gè)光學(xué)作用面，使得假設(shè)沿輸入光的光路將這些光學(xué)作用面稱為第1、第2、第3、第4，…，第n(“n”為自然數(shù))面，則由第3面反射向軸上的第4面的主光束與通過第1面透射向軸上的第2面的主光束相交。
在光學(xué)儀器的該第一方面中，多個(gè)光學(xué)作用面中的至少一個(gè)面可以是分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路。
在光學(xué)儀器的該第一方面中，偏心設(shè)置的光學(xué)作用面可以包括回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
本發(fā)明的用于空間光通信的光學(xué)儀器的第一方面包括一位于權(quán)利要求22所述的光學(xué)儀器的圖像位置上的光檢測(cè)器。
本發(fā)明的用于空間光通信的光學(xué)儀器的第二方面包括一位于權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)的圖像位置上的光檢測(cè)器。


圖1A和圖1B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例、作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的棱鏡的形狀以及光路的示例的剖面圖。
圖2是顯示在同一個(gè)實(shí)施例中當(dāng)改變?nèi)肷湟晥?chǎng)角時(shí)的光路的剖面圖。
圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例、作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的棱鏡的變型例的形狀和光路的剖面圖。
圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的概要剖面圖。
圖5A和圖5B是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的光路的一個(gè)示例的光路圖。
圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)儀器的概要結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。在所有附圖中，即使在實(shí)施例不同的情況下，相同或者等效的元件也采用相同的標(biāo)記，并省略相同的說明。
以下說明本發(fā)明的第一實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
圖1A和圖1B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例、作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的棱鏡的形狀以及光路的示例的剖面圖。圖2是顯示在同一個(gè)實(shí)施例中當(dāng)入射視場(chǎng)角改變時(shí)的光路的剖面圖。
以下對(duì)根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例作為光學(xué)儀器的棱鏡1進(jìn)行說明。
棱鏡1接收到近似平行的入射光束并且在外部形成圖像，并且該棱鏡1由具有折射率為1或者更大的介質(zhì)形成。可以采用玻璃或者合成樹脂等作為該介質(zhì)。
設(shè)置5個(gè)光學(xué)作用面，即透射面3、反射面4(內(nèi)反射面)，反射面5(內(nèi)反射面)，分路面6，以及透射面7。如果忽略各光學(xué)作用面的曲率，則棱鏡1為具有五邊形截面的近似柱體。
圖1A顯示了一個(gè)截面，包括當(dāng)近似平行的入射光束51(輸入光)從該圖的左側(cè)入射到棱鏡1的透射面3時(shí)軸上的主光束。當(dāng)光路具有0°、±0.5°的入射角時(shí)，將各光束表示為主光束和兩個(gè)次光束。標(biāo)記2表示開口光闌。
如圖1A所示，圍繞棱鏡1的周邊按逆時(shí)針方向依次設(shè)置5個(gè)光學(xué)作用面，即透射面3、分路面6，反射面4，透射面7，以及反射面5。因此，在入射光束按該順序到達(dá)透射面3、反射面4、反射面5、分路面6、和透射面7后，在像面8上形成圖像，因此形成單一光路。按光路上的透射面3、反射面4、反射面5、分路面6和透射面7的這一順序，以下將這些面稱為第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在周邊上第1面與第2面不相鄰，并且第3面、第5面以及第4面介于這兩個(gè)面之間的區(qū)域之中。此外，在周邊上第3面與第4面不相鄰，而第1面、第2面、和第5面介于這兩個(gè)面之間的區(qū)域中。另外，在周邊上第4面與第5面不相鄰，并且第1面、第3面以及第2面介于這兩個(gè)面之間的區(qū)域中。
因此，由于在第1面和第2面之間在棱鏡1之內(nèi)存在從第3面到第4面的光路，以及從第4面到第5面的光路，因此，位置關(guān)系是軸上從第1面射向第2面的主光束與軸上這兩個(gè)光路的主光束相交。同樣，由于在第4面和第5面之間在棱鏡1之中存在從第1面到第2面的光路，以及從第2面到第3面的光路，因此，位置關(guān)系是，軸上從第4面射向第5面的主光束與軸上這兩個(gè)光路的主光束相交。
即，在這些光路中，在棱鏡1中介于第1面和第4面之間的光路被折疊成三角形，而出射到棱鏡1外部的從第4面到第5面的光路與從第1面到第2面的光路和從第2面到第3面的光路相交，并在像面8上形成圖像。也就是說，在第1面和第4面之間的光路中形成第一三角形折疊，并且在第2面和第4面之間的光路中形成第二三角形折疊。
因此，通過在棱鏡1中包含從第4面到第5面的光路，將光路折疊成單個(gè)三角形，并且與傳統(tǒng)棱鏡相比，即使在焦距較長(zhǎng)并且光路也較長(zhǎng)的光學(xué)儀器中，也可以形成更加緊湊更加小型的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
在本實(shí)施例中，由于軸上的主光束50位于相同平面(附圖中的紙面)，即使在入射視場(chǎng)角改變的情況下，光路也按照上述方式相交。另一方面，當(dāng)入射光束51在與紙面垂直的平面內(nèi)具有入射視場(chǎng)角時(shí)，則會(huì)在一三維光路上進(jìn)行傳播。在此情況下，如果上述的相交截面替換為以下的位置關(guān)系使光路扭曲，使得當(dāng)光路在紙面的方向上進(jìn)行投影時(shí)，光路發(fā)生交叉，則可以明確以與上述相同的方式在棱鏡1的厚度范圍內(nèi)沿與紙面垂直的方向?qū)饴愤M(jìn)行了緊湊的折疊。
以下，為簡(jiǎn)化說明，說明集中于二維光路，并且僅在必要的情況下對(duì)三維光路進(jìn)行說明。通常可以將二維光路的解釋擴(kuò)展到涵蓋三維光路而不會(huì)產(chǎn)生問題。
在本實(shí)施例中，對(duì)5個(gè)光學(xué)作用面中的至少兩個(gè)采用了非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的自由形態(tài)曲面。
因此，首先，對(duì)用于表示偏心光學(xué)系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的坐標(biāo)系和自由形態(tài)曲面公式進(jìn)行說明。
如圖1A所示，將坐標(biāo)系定義為在從物體到開口光闌2和棱鏡1的光束，到達(dá)棱鏡1的透射面3的中心(與開口光闌2的中心相垂直)的軌跡上的入射光軸，透射面3構(gòu)成了光軸上主光束50的光闌面。因此，在光束的軌跡上，以開口光闌2的中心作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的偏心光學(xué)面的原點(diǎn)(已將附圖中所示的坐標(biāo)軸的原點(diǎn)位置進(jìn)行了偏移，以避免與光路重疊)，并且以沿入射光軸的方向作為Z軸，以從物體指向與偏心光學(xué)系統(tǒng)的開口光闌2相對(duì)的面的方向作為Z軸的正方向，并且將紙面作為Y-Z平面，從紙的前面指向紙的后面的方向作為X軸的正方面，X軸和Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。
如果將以X軸、Y軸和Z軸為中心的傾斜角分別假設(shè)為α、β和γ，則將傾斜角α和β的正角定義為分別相對(duì)于X軸和Y軸上的正方向的逆時(shí)針方向，而傾斜角γ的正角定義為相對(duì)于Z軸上的正方向的順時(shí)針方向。
如果將每個(gè)光學(xué)作用面表示在一個(gè)坐標(biāo)系之內(nèi)，以光學(xué)作用面和軸上的主光束50相交的點(diǎn)為原點(diǎn)，從物體向像面連續(xù)地追蹤軸上的主光束50，并且將X軸保持在垂直于紙面的方向上，將Y軸和Z軸表示在旋轉(zhuǎn)局部坐標(biāo)系中，以使Z軸與軸上的主光束50相符。
使面的中心軸的角α、β和γ旋轉(zhuǎn)的方法是首先使各面的中心軸和其XYZ直角坐標(biāo)系繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角α，然后使旋轉(zhuǎn)后的面的中心軸繞新坐標(biāo)系的Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角β，使旋轉(zhuǎn)一次后的坐標(biāo)系再繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角，然后使旋轉(zhuǎn)兩次后的各面的中心軸繞新坐標(biāo)系的Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角γ。
在本實(shí)施例中所采用的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面的形狀是例如由以下的公式(a)所定義的自由形態(tài)曲面公式來表示。公式(a)的Z軸即自由形態(tài)曲面的軸。
Z=(r2/R)/[1+{1-(1+k)(r/R)2}]+Σj=166CjXmYn···(a)]]>公式(a)的第一表達(dá)式是針對(duì)一球面的表達(dá)式，而第二表達(dá)式是針對(duì)自由形態(tài)曲面的表達(dá)式。在球面表達(dá)式中，R為傍軸曲率的峰值半徑，k為圓錐常數(shù)，并且r=(X2+Y2).]]>以下為自由形態(tài)曲面的表達(dá)式。
公式[2]
Σj=166CjXmYn]]>=C1]]>+C2X+C3Y]]>+C4X2+C5XY+C6Y2]]>+C7X3+C8X2Y+C9XY2+C10Y3]]>+C11X4+C12X3Y+C13X2Y2+C14XY3+C15Y4]]>+C16X5+C17X4Y+C18X3Y2+C19X2Y3+C20XY4]]>+C21Y5]]>+C22X6+C23X5Y+C24X4Y2+C25X3Y3+C26X2Y4]]>+C27XY5+C28Y6]]>+C29X7+C30X6Y+C31X5Y2+C32X4Y3+C33X3Y4]]>+C34X2Y5+C35XY6+C36Y7]]>……其中Cj為系數(shù)，j為1或者更大的整數(shù)。
通常自由形態(tài)曲面對(duì)于X-Z平面或者Y-Z平面中的任一平面都不對(duì)稱。但是，在本實(shí)施例中，通過將所有的奇數(shù)項(xiàng)表達(dá)式設(shè)為0，可以形成其中存在平行于Y-Z平面的單對(duì)稱面的自由形態(tài)曲面。例如，在定義公式(a)中，可以通過將以下各項(xiàng)C2、C5、C7、C9、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35等的系數(shù)設(shè)為0。
以下對(duì)各光學(xué)作用面進(jìn)行更加詳細(xì)的說明。
透射面3(第1面)為用于折射入射光束51的光學(xué)作用面，并且由于其相對(duì)于軸上的主光束50而關(guān)于X軸偏心設(shè)置或者傾斜，所以透射面3用于在X軸方向上折射軸上的主光束50。
為簡(jiǎn)化制造，透射面3可以為例如一平面。然而，為簡(jiǎn)化像差補(bǔ)償，優(yōu)選地入射光束51為一會(huì)聚光束，減小其它光學(xué)作用面的光焦度，并且光焦度為正數(shù)。
當(dāng)光焦度為正數(shù)時(shí)，優(yōu)選地，在傾斜方向上非對(duì)稱的Y-Z平面為對(duì)稱的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面的自由形態(tài)曲面，以減少偏心像差。
反射面4(第2面)為具有第一正光焦度的偏心光學(xué)系統(tǒng)的面，并且相對(duì)于由透射面3所折射的軸上的主光束50而偏心地設(shè)置，使得可以在第3面一側(cè)上折疊光路。如圖1A所示，該偏心量由軸上的主光束50與反射面4的相交點(diǎn)處的切平面和包括開口光闌2的平面之間形成的傾斜角θ1所表示。
反射面4可以通過對(duì)加工到所需曲率的介質(zhì)的邊界面涂敷適當(dāng)?shù)姆瓷淠じ矊觼碇圃臁Ｈ绻赡?，從?面入射至反射面4上的光束可以被完全反射，并且省略反射膜覆層。
由于反射面4是在具有折射率為1或者更大的介質(zhì)內(nèi)反射光束的內(nèi)反射面，因此即使在具有較小曲率的情況下也可以提供大的光焦度。
另一方面，由于反射面4為折射-反射面，因此出現(xiàn)由偏心所引起的像差，即偏心像差。為對(duì)該偏心像差進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)選地將該反射面4制作為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
反射面5(第3面)關(guān)于會(huì)聚光的軸上的主光束50偏心地或傾斜地設(shè)置，使得由反射面4所反射的會(huì)聚光可以在第4面上反射并折疊。反射面5的加工可以采用與反射面4相同的方式。
如圖1A所示，將反射面5的偏心或傾斜量表示成在軸上的主光束50與反射面5相交點(diǎn)處的切平面和包括開口光闌2的平面之間所形成的傾斜角θ2。傾斜角θ1和θ2之間的關(guān)系滿足以下公式。
30°≤|θ2-θ1|≤80° (1)為便于制造，該反射面5的形狀可以為平面反射面。然而，為減少其它光學(xué)作用面的光焦度，理想地該反射面5具有正的光焦度。例如，可以使光焦度分布于反射面4和反射面5之間，并且可以連續(xù)地減少在各個(gè)面所出現(xiàn)的像差并且可以會(huì)聚輸入光。
另選地，可以設(shè)置負(fù)光焦度，以對(duì)透射面3和反射面4上所發(fā)生的球差和彗差進(jìn)行補(bǔ)償。如果設(shè)置負(fù)光焦度，則可以改善離軸光束的Petzavl和，并且當(dāng)輸入光的張角較大時(shí)，可以獲得令人滿意的成像性能。
當(dāng)設(shè)置光焦度時(shí)，理想地，可以采用回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面來對(duì)偏心像差進(jìn)行補(bǔ)償。
如圖1B所示，分路面6(第4面)為光操作面，將由反射面5反射的光束分成在內(nèi)部反射并指向透射面7的反射光和透射到棱鏡1的外部并在像面9上成像的透射光，并且分路面6關(guān)于入射光束軸上的主光束50而被偏心地或者傾斜地設(shè)置。如圖1A所示，該偏心或者傾斜的量由軸上的主光束50與分路面6相交點(diǎn)處的切平面和包括開口光闌2的平面之間所形成的傾斜角θ3表示。
可以通過對(duì)介質(zhì)的邊界面進(jìn)行諸如涂敷反射覆層或者半反鏡(half-mirror)覆層等的表面處理以控制內(nèi)部入射光的反射系數(shù)，來制造分路面6。
此外，當(dāng)不必顯著地提高反射系數(shù)時(shí)，可以通過由于介質(zhì)的反射系數(shù)和空氣的反射系數(shù)之差而發(fā)生的反射來對(duì)光路進(jìn)行分路，并且可以省略諸如涂敷反射覆層或者半反鏡覆層等的表面處理。在此情況下，所提供的優(yōu)點(diǎn)在于，不出現(xiàn)與表面處理相關(guān)的問題，并且可以減少制造成本。
分路面6的形狀相對(duì)于棱鏡1的外部可以為凸形或者凹形，或者必要時(shí)為平面形狀。
當(dāng)向棱鏡1的外部凸出時(shí)，通常通過一個(gè)面所獲得的光焦度在反射一側(cè)較大，并因此可以提供比透射光的光路更短的焦距。在此情況下，例如，可以在介質(zhì)內(nèi)將來自分路面6的反射光形成一圖像，并可以在透射面7的附近形成圖像。
當(dāng)對(duì)成凸形或者凹形的分路面6設(shè)置光焦度時(shí)，理想地，采用回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面以對(duì)偏心像差進(jìn)行補(bǔ)償。
當(dāng)分路面6為平面時(shí)，反射光和透射光的成像性能可以近似相等。此外，如果采用平面且分路面6的制造涉及研磨，則當(dāng)制造本身是采用鑄造工藝時(shí)，將鑄模制作成平面，因此簡(jiǎn)化了制造并降低了成本。
透射面7(第5面)為光學(xué)作用面，其中來自分路面6的反射光透過介質(zhì)并且出射到棱鏡1的外部。將分路面6設(shè)置成近似平行的或者呈一小角度偏心或者傾斜。在實(shí)踐中，偏心或者傾斜的量由軸上的主光束50與透射面7相交點(diǎn)處的切平面與包括開口光闌2的平面之間形成的傾斜角θ4表示(參見圖1A)，并且θ3與θ4之間的關(guān)系滿足以下公式。
|θ4-θ3|≤20° (2)
由于透射面7的形狀在合適位置處將由分路面6所反射的光束在像面8上進(jìn)行成像，因此透射面7可以采用具有正光焦度或負(fù)光焦度的曲面或者采用平面。
當(dāng)采用具有光焦度的面時(shí)，理想地，反射面4為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，以對(duì)偏心像差進(jìn)行補(bǔ)償。
此外，和分路面6一樣，當(dāng)采用平面時(shí)，制造得到簡(jiǎn)化，并且降低了成本。
通過設(shè)置這5個(gè)光學(xué)作用面，棱鏡1可以將入射光束51在像面8和9上成像。在此情況中，為確保與光路長(zhǎng)度相比而言的緊湊結(jié)構(gòu)，理想地采用以下結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)設(shè)置各光學(xué)作用面的光焦度，使得偏心光學(xué)系統(tǒng)的傍軸焦距F(單位為mm)滿足以下公式。
60(mm)≤F≤500(mm) (3)此外，為了確保該偏心光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)光路長(zhǎng)度而言是均衡的，以入射光瞳直徑為D(單位為mm)，理想地可以采用其中比率F/D滿足以下公式的配置。入射光瞳直徑D為開口光闌2的直徑。
2≤F/D≤15 (4)以下順著偏心光學(xué)系統(tǒng)的光路對(duì)棱鏡1的效果進(jìn)行說明。
由開口光闌2將入射光束51限制為入射光瞳的直徑D，并且入射在透射面3上。
由于將透射面3相對(duì)于軸上的主光束50設(shè)置成關(guān)于X軸偏心或者傾斜，從而使入射光束51折射并且指向入射光軸之外。
然后光束進(jìn)入介質(zhì)之中，到達(dá)反射面4，并且被內(nèi)部反射。由于反射面4具有正光焦度，并且關(guān)于X軸偏心，因此，光束被不斷會(huì)聚，并且向附圖中透射面3的順時(shí)針方向(X軸的正方向)相鄰設(shè)置的反射面5傳播。由于反射面5與透射面3相鄰，因此透過透射面3的光束不會(huì)由反射面5產(chǎn)生漸暈。
反射面4所反射的光束被反射面5內(nèi)部反射，連續(xù)地受到根據(jù)反射面5的曲率確定的光學(xué)效應(yīng)的作用，并且向附圖中透射面3的順時(shí)針方向(X軸的正方向)相鄰設(shè)置的分路面6傳播。由于此光束與從透射面3至反射面4的軸上主光束的光束相交，因此，該光束在棱鏡1內(nèi)被折成三角形。這里，由于分路面6與透射面3相鄰，因此透過透射面3的光束不會(huì)由分路面6產(chǎn)生漸暈。
通過將表示該光路中反射面4和反射面5之間的傾斜程度的傾斜角|θ2-θ1|設(shè)置在如公式(1)所表示的范圍之內(nèi)，可以獲得滿意的成像性能。
當(dāng)通過向反射面4提供非對(duì)稱光焦度來補(bǔ)償由于將軸上的主光束50施加到作為凹透鏡的反射面4所產(chǎn)生的彗差時(shí)，上述范圍表示可以對(duì)離軸光束的彗差進(jìn)行滿意補(bǔ)償?shù)姆秶．?dāng)傾斜角|θ2-θ1|超過80°時(shí)，向反射面4提供的光焦度的不對(duì)稱性變得太大，并使離軸光束的彗差的補(bǔ)償變得困難。
此外，當(dāng)超出下限，即，傾斜角|θ2-θ1|小于30°時(shí)，則反射面4和反射面5之間的對(duì)稱性被極大地破壞，并且像差到了無法補(bǔ)償?shù)某潭取?br> 為更好地減小像差以及實(shí)現(xiàn)令人滿意的成像性能，理想地，傾斜角|θ2-θ1|的范圍處于公式(1)的值域之內(nèi)。例如，以下公式(5)為較理想的情況。
35°≤|θ2-θ1|≤70° (5)此外，公式(6)為更加理想的情況。
40°≤|θ2-θ1|≤60° (6)如圖1A所示，由分路面6進(jìn)行內(nèi)部反射的光束連續(xù)地受到根據(jù)分路面6的曲率確定的光學(xué)效應(yīng)的作用，并且與從透射面3到反射面4的光束軸上的主光束以及從反射面4到反射面5的光束軸上的主光束相交，并且向反射面5和反射面4之間的透射面7傳播。即，該光束由反射面4、反射面5以及分路面6折成三角形，并在介質(zhì)中傳播。
到達(dá)透射面7的光束連續(xù)地受到根據(jù)透射面7的曲率和傾斜角確定的光學(xué)效應(yīng)的作用，并出射到棱鏡1的外部，并且在對(duì)應(yīng)于此光路中的偏心光學(xué)系統(tǒng)的焦距的像面8上成像。
在此光路中，將表示分路面6和透射面7之間的平行程度的傾斜角|θ4-θ3|設(shè)在公式(2)的范圍之內(nèi)。通過設(shè)置該角度，使得這兩個(gè)面近似地平行或者使傾斜角很小，可以減少焦平面中的像面的破壞，可以提供令人滿意的成像性能，并且可以使該偏心光學(xué)系統(tǒng)小型化。
即，當(dāng)傾斜角|θ4-θ3|超過30°時(shí)，從分路面6到透射面7的光束在透射面7中發(fā)生顯著的折射，從而導(dǎo)致明顯的離軸像差以及像面的破壞。因此，成像性能劣化，特別是當(dāng)將光檢測(cè)器布置在像面8上時(shí)，由于必須在遠(yuǎn)離棱鏡1的方向上傾斜地設(shè)置光檢測(cè)器，因此不能獲得緊湊的裝置。然而，在公式(2)的條件下可以避免此問題。
為減少像面的像差和破壞，理想地應(yīng)該減小傾斜角|θ4-θ3|的公式(2)中的上限值。例如，|θ4-θ3|≤20° (7)是更加理想的。
另一方面，如圖1B所示，由分路面6所透射的光束連續(xù)地受到根據(jù)分路面6的曲率確定的光學(xué)效應(yīng)的作用，并且出射到棱鏡1的外部，并且在對(duì)應(yīng)于該光路上偏心光學(xué)系統(tǒng)中的焦距的像面8上形成圖像。
根據(jù)棱鏡1，在像面8上形成圖像的光路在折射率為1或者更大的介質(zhì)中被反射三次，并且以緊湊的方式被折疊。因此，即使當(dāng)光路很長(zhǎng)時(shí)，也可以提供緊湊的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
在此情況中，如果具有5個(gè)光學(xué)作用面的偏心光學(xué)系統(tǒng)的傍軸焦距F介于公式(3)的范圍之內(nèi)，則由于傍軸焦距F為500mm或更小，所以棱鏡1自身的尺寸可以是能夠充分加工高精度回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的尺寸。另外，由于傍軸焦距F為60mm或更大，所以不會(huì)發(fā)生光路的長(zhǎng)度變得太短從而抑制光路折疊效果的情況。因此，光路的折疊效果不會(huì)受到抑制，并且可以在合理的范圍內(nèi)制造光路比較長(zhǎng)的偏心光學(xué)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)小型化。
因此，可以在要求相對(duì)較長(zhǎng)光路的光學(xué)儀器(例如望遠(yuǎn)鏡的透鏡組以及用于空間光通信的光學(xué)儀器等)中采用上述情況，并且具有能夠小而輕且低成本的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選地，與光路長(zhǎng)度相比，為確保更好的平衡、小型化以及低成本，減小了公式(3)的范圍。例如，
80(mm)≤F≤400(mm)(8)較理想，并且100(mm)≤ F≤300(mm) (9)更理想。
另外，如果傍軸焦距F和入射光瞳直徑D的比率F/D的范圍介于公式(4)的范圍之內(nèi)，則比率F/D為15或者更小。因此，光路過長(zhǎng)，使棱鏡1變大，或者可以形成一偏心光學(xué)系統(tǒng)使得后焦距不會(huì)變得過長(zhǎng)。此外，由于比率F/D是2或者更大，因此與焦距相比光束直徑變大，并且由于NA較大，因此可以實(shí)現(xiàn)一偏心光學(xué)系統(tǒng)，在該偏心光學(xué)系統(tǒng)中，球差和彗差不會(huì)變得過大使得不能再對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)償。因此，與棱鏡1的光路長(zhǎng)度相比，保持了具有良好均衡性的設(shè)計(jì)，并且可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的成像性能。
優(yōu)選地，減小比率F/D的值域，以確保實(shí)現(xiàn)更佳均衡化的偏心光學(xué)系統(tǒng)，例如，3≤F/D≤10 (10)較理想，并且4≤F/D≤8(11)更理想。
更理想地，可以將條件表達(dá)式(1)至(11)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行組合。
此外，由于該5個(gè)光學(xué)作用面中的至少兩個(gè)為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，因此，該至少兩個(gè)光學(xué)作用面對(duì)于與軸上主光束50相關(guān)的次光束是非對(duì)稱曲面，并且由于通過它們的組合可以精確地補(bǔ)償偏心像差，因此可以提供幾乎不具有偏心像差的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
在此情況中，所有的5個(gè)面可以都為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。如果該回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的數(shù)量以此方式增加，則可以非常精確地對(duì)像差進(jìn)行補(bǔ)償。此外，在這些光學(xué)作用面之間分配補(bǔ)償量具有使各個(gè)曲面具有容易制造的形狀的優(yōu)點(diǎn)。
如果兩個(gè)回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面所需的偏心像差補(bǔ)償是可能的，則可以將其它的光學(xué)作用面容易地制造成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面或者平面，并且可以降低制造成本。特別地，使用一個(gè)或兩個(gè)平面可以極大降低制造成本。
另外，在本實(shí)施例中，通過分路面6將光束分路。通過改變分路面6的曲率和透射面7的曲率，可以使分路后的各光路的光學(xué)性能，例如傍軸焦距變得相等或者不同。
因此，當(dāng)改變像面8和9上的圖像的大小以及入射光束51的入射視場(chǎng)角時(shí)，對(duì)于像面8和9移動(dòng)量可以是不同的情況。在此情況中，例如，使用形成在像面8和9上的圖像的位置檢測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)，即，可以實(shí)現(xiàn)以不同的檢測(cè)精度來檢測(cè)入射光束51的張角的變化。
圖2是一光路圖，示出了當(dāng)入射視場(chǎng)角為0°或者±3°時(shí)通過棱鏡1的分路面6的光路。
以下說明了本實(shí)施例的一個(gè)變型例。
圖3是一截面圖，說明了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的棱鏡的變型例的形狀和光路。光路由各自的入射視場(chǎng)角為0°和±0.5°的一個(gè)主光束與兩個(gè)次光束表示。
在該變型例中的棱鏡22中，用透射面23(第1面)替代棱鏡1的透射面3，用反射面24(第2面)替代棱鏡1的反射面4，用反射面25(第3面)替代棱鏡1的反射面5，用分路面26(第4面)替代棱鏡1的分路面6，并且用透射面27(第5面)替代棱鏡1的透射面7。以上述方式將各光學(xué)作用面偏心地或者傾斜地設(shè)置，并且各面具有相同形狀。以同樣方式，理想地，滿足公式(1)至(4)，尤其是滿足公式(5)至(11)中的適當(dāng)組合。
另一方面，在該變型例中，與上述情況不同的是，按以下順序沿附圖中的逆時(shí)針方向的周邊方向(X軸的正方向)設(shè)置多個(gè)光學(xué)作用面透射面23、分路面26、透射面27、反射面24、以及反射面25。此外，在分路面26和透射面27之間，以及在透射面27和反射面24之間，沿周邊方向設(shè)置不用作光學(xué)作用面的邊界面36和35。因此，自分路面26射向反射面17的光束軸上的主光束50不與光束軸上的其它主光束50相交。
即，該變型例的光路被折疊成包括透射面23、反射面24以及反射面25的三角形，并且該光路被分路面26分成反射光和透射光。然后，透射光從棱鏡22出射，并且在該透射光于像面34上形成圖像的那一點(diǎn)上，該光通過一公共點(diǎn)。然而，由分路面26所反射的光束通過透射面27，而不與其它光路交叉，并且射出棱鏡且在像面28上形成圖像。
該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，即使當(dāng)分路面26的光焦度較大時(shí)，也可以將像面28設(shè)置在棱鏡22的外部。此外，可以將從透射面27向像面28所出射的光的光路以與入射光束51近似相同的方向出射，當(dāng)在棱鏡22的后方(附圖的右側(cè))存在空間時(shí)這一點(diǎn)便于布局。
如果可以確保光束的有效直徑，則還可以對(duì)棱鏡1適當(dāng)?shù)卦O(shè)置不用作光學(xué)作用面的多個(gè)邊界面(如介質(zhì)的邊界面36和35)。這種邊界面可以，例如提供作為定位棱鏡1所采用的承壓面，并且作為防止邊角碎裂所采用的斜面等等。
此外，由于該結(jié)構(gòu)使得在包含彎曲光軸的平面內(nèi)該棱鏡的最大長(zhǎng)度L與入射光瞳直徑D的關(guān)系為1.3＜L/D＜2.1 (12)因此，可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
以下說明了本發(fā)明的第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
圖4為說明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的概要剖面圖。圖5為一光路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的光路的一個(gè)示例。將該光路表示為一個(gè)主光束和兩個(gè)次光束，在圖5A中所述三個(gè)光束分別具有0°和±0.5°的入射角，而在圖5B中分別具有0°和±0.2°的入射角。
以下說明了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)40。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，偏心光學(xué)系統(tǒng)40是用于將入射光束51在光檢測(cè)器29和33上形成圖像的偏心光學(xué)系統(tǒng)，并且除光檢測(cè)器29和33外，還具有開口光闌2、棱鏡10(偏心光學(xué)系統(tǒng))、反射鏡30、反射光學(xué)器件31、以及電鏡(galvanomirror)32(光偏轉(zhuǎn)器件)。
如果棱鏡10是與第一實(shí)施例中相同的棱鏡，并且采用合適的聚光器件來會(huì)聚從棱鏡出射到棱鏡外部的光，則任意結(jié)構(gòu)都是令人滿意的。以下說明采用其結(jié)構(gòu)類似于棱鏡1結(jié)構(gòu)的示例，在該結(jié)構(gòu)中可以會(huì)聚出射光。
即，如圖5A所示，在該結(jié)構(gòu)中對(duì)棱鏡1進(jìn)行了以下替換，用透射面11(第1面)替代透射面3，用反射面12(第2面)替代反射面4，用反射面13(第3面)替代反射面3，用分路面14(第4面)替代分路面6，并且用透射面15(第5面)替代透射面7。以上述方式將各光學(xué)作用面偏心地或者傾斜地設(shè)置，并且各面具有相同形狀。以同樣方式，理想地，滿足公式(1)至(4)，特別是，滿足公式(5)至(11)中的適當(dāng)組合。
由分路面14所反射的光束通過透射面15，并且在棱鏡10附近的像面16上形成為圖像(以下將該光路稱為“反射光路”)，并且由分路面14所透射的光束在離分路面14一定距離的位置形成為圖像，該距離足以使該光路通過反射面17發(fā)生折疊(以下將該光路稱為“透射光路”)。
反射鏡30具有反射面17，并且相對(duì)于棱鏡10而位置固定，以確保從分路面14出射的光束以適當(dāng)?shù)姆较蛘郫B。由于從分路面14所出射的光束按照相對(duì)于入射光束51具有一定傾斜角的方向出射，因此通過適當(dāng)設(shè)置反射鏡30的安裝角度，可以將光路切換到入射光束51的近似方向。
將反射光學(xué)器件31置于透射光路上圖像形成面的后方，并且是一集成光學(xué)器件，包括準(zhǔn)直反射面18(具有正光焦度的光學(xué)器件)，具有正光焦度以確保形成圖像后散射的光束是近似平行光束；以及凹反射面20(聚光器件)，具有正光焦度以確保當(dāng)近似平行光束由準(zhǔn)直反射面18所折疊時(shí)該光束在像面21上所需位置處形成圖像。
理想地，準(zhǔn)直反射面18、以及凹反射面20都是回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，以減小偏心像差。
可以由諸如金屬、光學(xué)玻璃、或者塑料等加工該反射光學(xué)器件31的各反射面的形狀，或者，如果可能可以通過利用金屬模具成型來制備，并涂敷反射膜。
將準(zhǔn)直反射面18和凹反射面20制作成一體單元具有以下優(yōu)點(diǎn)，即，可以取消對(duì)位置關(guān)系的調(diào)節(jié)，而同時(shí)可以提供一種緊湊并且低成本的器件。另選地，如果分開制造準(zhǔn)直反射面18和凹反射面20，則可以將它們?cè)O(shè)置在彼此需要的位置上。在此情況中，由于該準(zhǔn)直反射面18和凹反射面20是分開制造的，所以根據(jù)反射面的形狀，在某些情況下可以簡(jiǎn)化制造工藝。
電鏡32提供了旋轉(zhuǎn)反射面19，并且可以快速地將近似平行光束反射成所需的反射角，該旋轉(zhuǎn)反射面19是由準(zhǔn)直反射面18所反射的近似平行光束所形成的出射光瞳附近的位置處的一平面形成的。
光檢測(cè)器29和33的光接收面為置于像面16和21上的光傳感器。例如，在望遠(yuǎn)鏡透鏡的應(yīng)用中，可以采用CCD(電荷耦合器件)成像器件通過光電轉(zhuǎn)換將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且將其發(fā)送到監(jiān)視器等，而在光通信的應(yīng)用中，可以采用光電轉(zhuǎn)換器件通過光電轉(zhuǎn)換將圖像的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成波形數(shù)據(jù)，然后提取調(diào)制信號(hào)。
此外，當(dāng)入射光束51在兩個(gè)軸方向上具有入射視場(chǎng)角時(shí)，二維地檢測(cè)到由光束所形成的圖像的位置，并且可以在光檢測(cè)器29和33中的至少一個(gè)中采用位置傳感器(PSD)，作為檢測(cè)輸出檢測(cè)信號(hào)的器件，或者可以采用四部光檢測(cè)器(four-part PD)。由于利用PSD或者四部PD來對(duì)光束進(jìn)行位置檢測(cè)是公知的，因此省略詳細(xì)說明。PSD和四部PD具有在形成相對(duì)低成本的位置檢測(cè)器件的同時(shí)保持高度精確的優(yōu)點(diǎn)。
另外，代替上述情況，可以對(duì)來自CCD數(shù)字成像器件的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像處理，并且檢測(cè)圖像形成的位置。在此情況中，可以同時(shí)觀測(cè)圖像并檢測(cè)位置。
此外，光檢測(cè)器29可以是用于寬泛位置檢測(cè)的CCD，而光檢測(cè)器33可以是用于精確位置檢測(cè)的四部PD，并且如果光檢測(cè)器33還是接收用于光通信的調(diào)制信號(hào)的光檢測(cè)器，則可以實(shí)現(xiàn)通過較少部件進(jìn)行空間光通信的光學(xué)儀器。
以下說明了本實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的作用。
由于棱鏡10的作用，入射在開口光闌2的入射光束51在光檢測(cè)器29和33上形成圖像，而不發(fā)生漸暈。此外，除了與光路長(zhǎng)度相比棱鏡10可以具有緊湊結(jié)構(gòu)以外，可以利用反射鏡30使透射光路緊湊地折疊。
另一方面，利用光檢測(cè)器29和33可以將像面16和21上的圖像轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾娮有盘?hào)，并且觀測(cè)到這些圖像并提取通信信號(hào)。
在此情況中，用位置檢測(cè)器件替代光檢測(cè)器29和33中的至少一個(gè)使得可以檢測(cè)到入射視場(chǎng)角的改變。當(dāng)進(jìn)行控制以利用來自如本實(shí)施例中所采用的PSD或四部PD的檢測(cè)信號(hào)而調(diào)節(jié)偏心光學(xué)系統(tǒng)40的位置時(shí)，可以從所需位置接收到光束。
在此情況中，由于設(shè)置有電鏡，因此盡管響應(yīng)于入射光束51的張角變化而改變電鏡32的檢測(cè)角，但可以使接收光的光檢測(cè)器33的位置保持恒定。
此時(shí)，由于入射到電鏡32上的光束為近似平行光束，因此可抑制由制造過程中的誤差和定位旋轉(zhuǎn)反射面19的誤差所導(dǎo)致的像差，并且可以獲得令人滿意的成像性能。
此外，由于將電鏡32置于出射光瞳附近，因此旋轉(zhuǎn)反射面19上的有效反射面大致恒定，并且可以減小旋轉(zhuǎn)反射面19的尺寸。因此，可以構(gòu)造小型且低成本的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)本實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)40，即使在光學(xué)儀器具有較長(zhǎng)光路的情況下，也可以利用具有優(yōu)異成像性能的緊湊型偏心光學(xué)系統(tǒng)來在多個(gè)光檢測(cè)器的光接收面上形成圖像，且不會(huì)發(fā)生輸入光的損失。因此，通過改變各光檢測(cè)器和光接收面的成像性能，可以在多種應(yīng)用中采用輸入光。
特別地，由于提供了光反射器件，因此當(dāng)輸入光的入射視場(chǎng)角改變時(shí)，可以使成像的位置保持恒定，并且可以獲得有助于更加穩(wěn)定的觀測(cè)和信號(hào)接收的優(yōu)點(diǎn)。
以下說明了本發(fā)明的第三實(shí)施例的光學(xué)儀器。
圖6是一示意圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光學(xué)儀器的概要配置。
以下說明了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的光學(xué)儀器100。
光學(xué)儀器100的概要結(jié)構(gòu)包括聚光單元60和萬向臺(tái)(移動(dòng)機(jī)構(gòu))44。
聚光單元60配有外殼43(聚光單元的外部)、根據(jù)第二實(shí)施例的光學(xué)儀器40、控制儀器(位置控制器件)、偏轉(zhuǎn)控制器件32a、光源45、光檢測(cè)器33和46、光路分路器件47和48、準(zhǔn)直透鏡52、53以及54、光學(xué)器件55、以及輸入信號(hào)控制單元42。
外殼43為雙用部件，既作為一起支撐下述各元件的支撐部件，也用作外部部件，并且適當(dāng)?shù)夭捎美绾袪?。在該外殼的外表面部分設(shè)有一開口光闌43a，作為形成入射光束51的入射光瞳的開口。即，當(dāng)在正常使用條件下由入射光束51照射外殼43時(shí)，該開口光闌43a作為調(diào)節(jié)光束51的直徑的第一實(shí)際光闌，并且實(shí)際實(shí)現(xiàn)了開口光闌2。
開口光闌43a可以由外殼43和其它元件形成，除將其設(shè)置在外殼43的外表面以外沒有限制要求。例如，在正常使用條件下，如果不存在反射入射光束51的可能性，則可以在開口光闌43a的周圍設(shè)置一遮光罩等，以防止眩光。
此外，開口光闌43a僅需要在光學(xué)意義上開口，例如，可以覆蓋一透射需要會(huì)聚的波長(zhǎng)的玻璃罩。
通過適當(dāng)?shù)闹尾考?附圖中未示出)將該偏心光學(xué)系統(tǒng)40固定于外殼43，使得開口光闌43a位于開口光闌2的位置。圖4和圖5中示出了偏心光學(xué)系統(tǒng)40，并且由于該系統(tǒng)40具有在第二實(shí)施例中所說明的配置，因此可以省略單獨(dú)的說明。在本實(shí)施例中，第二實(shí)施例的棱鏡部分為偏心光學(xué)系統(tǒng)40，并且在圖6中示意性地示出。由偏心光學(xué)系統(tǒng)40所出射的光被反射鏡30偏轉(zhuǎn)并形成圖像。在圖像形成后，該光由光檢測(cè)器55形成為近似平行，并且將偏轉(zhuǎn)器件的電鏡32置于出射光瞳的位置上。
控制單元41采用光檢測(cè)器29的光學(xué)輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，并且檢測(cè)光束在光檢測(cè)器29上形成的圖像的位置，計(jì)算目標(biāo)位置的位移，輸出聚光單元60的位移，并且產(chǎn)生位置檢測(cè)信號(hào)(檢測(cè)輸出)，并且還產(chǎn)生控制信號(hào)(檢測(cè)輸出)，以根據(jù)計(jì)算結(jié)果來移動(dòng)聚光單元60。
根據(jù)控制單元33a的位置檢測(cè)信號(hào)，偏轉(zhuǎn)控制器件32a補(bǔ)償在光檢測(cè)器46上形成圖像的位置的位移，并且控制電鏡32的偏轉(zhuǎn)角。
輸入信號(hào)控制單元42對(duì)通過對(duì)形成在光檢測(cè)器46上的圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而獲得的電信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，并且把處理后的信號(hào)發(fā)送至聚光單元60之外的設(shè)備。此外，如果光檢測(cè)器46結(jié)合了位置檢測(cè)器件，則可以省略光檢測(cè)器33，并且四部PD的使用使得可以將位置檢測(cè)信號(hào)反饋至偏轉(zhuǎn)控制器件32a，并且使用其作為用于對(duì)電鏡32進(jìn)行精密調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。
此外，特別地，為了用作空間光通信中的光檢測(cè)器部分，光檢測(cè)器33還可以作為檢測(cè)調(diào)制光的器件，并且可以通過輸入信號(hào)控制單元42對(duì)該調(diào)制光進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ翁幚怼?br> 此外，光源45是LD芯片(半導(dǎo)體激光器)，并且根據(jù)來自輸出控制單元(附圖中未示出)的信號(hào)，輸出光學(xué)信號(hào)。出射光由準(zhǔn)直透鏡52進(jìn)行優(yōu)化，并且通過與接收光時(shí)相反的光路，將其作為光學(xué)信號(hào)發(fā)送到與偏心光學(xué)系統(tǒng)40的入射光瞳分離的位置上的類似光檢測(cè)器裝置。這里，如果省略光檢測(cè)器和其它相關(guān)部件時(shí)，該系統(tǒng)可以專門用于傳輸。
萬向臺(tái)44為支撐聚光單元60的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而可以在兩個(gè)軸的空間方位中對(duì)該聚光單元60進(jìn)行控制，并且萬向臺(tái)44配有支撐在支撐部件44c上的傾斜驅(qū)動(dòng)部件44a和水平旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件44b，以及用于控制傾斜驅(qū)動(dòng)部件44a和水平旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件44b之間的移動(dòng)量的驅(qū)動(dòng)控制裝置44d。
水平旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件44b和傾斜驅(qū)動(dòng)部件44a能夠分別在垂直和水平軸上轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的角度，并且可以由包括用于控制各轉(zhuǎn)動(dòng)角的控制馬達(dá)(附圖中未示出)等的機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)控制器件44d根據(jù)控制單元41所產(chǎn)生的控制信號(hào)來計(jì)算傾斜驅(qū)動(dòng)部件44a和水平轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件44b的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)量，并且提供規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)儀器100，當(dāng)入射光束51進(jìn)入開口光闌43a時(shí)，在光檢測(cè)器29、33和46上形成多個(gè)圖像，然后可以從光檢測(cè)器46中提取在入射光束51上傳輸?shù)妮斎胄盘?hào)。
在此情況下，當(dāng)相對(duì)于開口光闌43a保持該入射視場(chǎng)角時(shí)，所形成的各圖像的位置由于入射光路51的波動(dòng)而發(fā)生偏移，或者引起聚光單元60的不適當(dāng)?shù)娜∠颉５?，在本?shí)施例中，由于控制單元41檢測(cè)到在光檢測(cè)器29上形成圖像的位置的位移量，因此可以由傳送到驅(qū)動(dòng)控制器件44d的控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)萬向臺(tái)44，并且可以控制聚光單元60的空間方位。
此外，光檢測(cè)器33檢測(cè)到形成圖像的位置的小位移，控制單元33a將位置檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到偏轉(zhuǎn)控制器件32a，并且控制電鏡32以消除該位移。
通常，從光學(xué)儀器100所提取的多個(gè)信號(hào)通常對(duì)入射視場(chǎng)角的變化很敏感，例如，具有大的放大倍率的透鏡組(如望遠(yuǎn)鏡的透鏡組)，以及其中接收光電平的變化導(dǎo)致信號(hào)噪聲的光通信。因此，如果僅利用萬向臺(tái)44來控制空間方位，則必需高度精確且快速響應(yīng)的機(jī)構(gòu)，而且儀器可能會(huì)變得非常昂貴。
利用萬向臺(tái)44的空間方位控制可以包括從控制目標(biāo)進(jìn)行較大位移的粗略移動(dòng)；以及電鏡32進(jìn)行控制使偏轉(zhuǎn)控制器件32a能夠快速驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行更精確的定位，以確保在光檢測(cè)器33上形成圖像的位置保持恒定。在此情況中，可以將圖像形成在相對(duì)于光檢測(cè)器33的恒定位置上，而不必提供高度精確且快速響應(yīng)的機(jī)構(gòu)，并且可以始終都在穩(wěn)定的狀況下接收光。
根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)儀器100，可以提供該第一和第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的操作效果，同時(shí)該光學(xué)儀器100可以是一種能夠以高精度且高效率對(duì)輸入光進(jìn)行光學(xué)追蹤的光學(xué)儀器。
此外，在本實(shí)施例中，由于諸如焦距等的成像性能可以隨反射光路和透射光路而變化，因此當(dāng)入射視場(chǎng)角變化時(shí)，可以改變?cè)诠鈾z測(cè)器29和33上的圖像的移動(dòng)量。因此可以采用以下構(gòu)造利用一個(gè)光檢測(cè)器來檢測(cè)寬范圍的移動(dòng)，而利用其它的光檢測(cè)器來檢測(cè)窄范圍的移動(dòng)，同時(shí)，前者的檢測(cè)信號(hào)用于控制萬向臺(tái)44的粗略移動(dòng)，而后者的檢測(cè)信號(hào)用于控制萬向臺(tái)44的精密移動(dòng)。在此情況中，前者針對(duì)寬范圍進(jìn)行快速移動(dòng)，并且當(dāng)接近目標(biāo)位置時(shí)，由后者進(jìn)行精確的移動(dòng)，并且因此可以對(duì)全部范圍的移動(dòng)進(jìn)行精確的控制。
以下參照?qǐng)D1A和圖1B對(duì)上述第一實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一數(shù)值示例進(jìn)行說明。
以下給出該第一數(shù)值示例的光學(xué)儀器的配置參數(shù)。圖1A和1B中所示的標(biāo)號(hào)ri和ni(其中i為整數(shù))對(duì)應(yīng)于以下所示的光學(xué)儀器的配置參數(shù)的ri和ni。折射率表示對(duì)于d光束(波長(zhǎng)為587.56nm)的折射率。
光路1是由分路面6所反射的光束的光路(圖1A)。光路2是透射過分路面6的光束的光路(圖1B)。
在自由形狀表面(FFS)和偏心的數(shù)據(jù)中，對(duì)光路1和2通用的數(shù)據(jù)用[]中的相同數(shù)字表示，以避免重復(fù)。
關(guān)于坐標(biāo)系，由于前面已說明過，因此省略其說明。在偏心表達(dá)式中的符號(hào)α、β和γ分別表示作為傾斜角方向的上述方向的角度。長(zhǎng)度的單位為(mm)而角度的單位為(°)。此外，以數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)貥?biāo)出偏心的原點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的中心。
由上述公式(a)給出自由形狀表面(FFS)。對(duì)于自由形狀表面無數(shù)據(jù)描述，并且將與非球面相關(guān)的項(xiàng)記作0。
(光路1)面編號(hào) 曲率半徑 面間隔 偏心折射率阿貝數(shù)物面∞∞1 光闌面d1＝0.00 偏心[1]2 FFS[1]d2＝0.00 偏心[2]n1＝1.5254 ν1＝56.23 FFS[2]d3＝0.00 偏心[3]n2＝1.5254 ν2＝56.24 FFS[3]d4＝0.00 偏心[4]n3＝1.5254 ν3＝56.25 FFS[4]d5＝0.00 偏心[5]n4＝1.5254 ν4＝56.26 ∞d6＝0.00 偏心[6]像面∞d7＝0.00 偏心[7]FFS[1]C41.0403×10-2 C61.5800×10-3C84.0404×10-5C10-4.5525×10-5C115.7000×10-7C135.1879×10-7C15-4.6448×10-7C171.0831×10-8C192.0907×10-8C21-1.5506×10-8
FFS[2]C49.4786×10-4C6-2.7811×10-3C82.1054×10-5C10-2.8245×10-5C11-3.6758×10-7C131.5044×10-7C15-2.6061×10-7C17-7.2898×10-9C191.2435×10-8C21-4.4433×10-8FFS[3]C4-1.4560×10-3C6-5.2630×10-3C81.1131×10-5C10-8.6615×10-5C11-1.7864×10-6C13-5.1057×10-8C15-1.5856×10-6C17-4.2489×10-8C199.7969×10-8C21-4.5857×10-8FFS[4]C48.0528×10-6C6-1.2312×10-4C86.4693×10-6C102.6746×10-6C111.3067×10-8C131.2140×10-7C15-4.9692×10-8C17-1.2786×10-8C19-5.1320×10-8C216.7108×10-8偏心[1]X 0.00 Y 0.00 Z 0.00α0.00 β0.00 γ0.00偏心[2]X 0.00 Y 0.00 Z 13.42α-17.89 β0.00 γ0.00偏心[3]X 0.00 Y -5.30Z 62.09α-28.63 β0.00 γ0.00偏心[4]X 0.00 Y 27.51Z 35.55α-77.78 β0.00 γ0.00偏心[5]X 0.00 Y -32.18 Z 20.09
α -114.52 β 0.00γ 0.00偏心[6]X0.00 Y26.48 Z60.42α52.06 β 0.00γ 0.00偏心[7]X0.00 Y35.00 Z65.90α 45.23 β 0.00γ 0.00(光路2)面編號(hào) 曲率半徑 面間隔偏心 折射率 阿貝數(shù)物面∞ ∞1 光闌面 d1＝0.00 偏心[1]2 FFS[1] d2＝0.00 偏心[2]n1＝1.5254 ν1＝56.23 FFS[2] d3＝0.00 偏心[3]n2＝1.5254 ν2＝56.24 FFS[3] d4＝0.00 偏心[4]n3＝1.5254 ν3＝56.25 FFS[4] d5＝0.00 偏心[5]n4＝1.5254 ν4＝56.2像面 ∞ d8＝0.00 偏心[8]偏心[8]X0.00 Y-88.22 Z10.98α86.89β0.00γ 0.00利用這種棱鏡1，|θ2-θ1|＝49.15(°)并且|θ4-θ3|＝13.42(°)，并且滿足公式(1)和(2)。此外，也滿足公式(6)和(7)。
以下是入射光瞳直徑D和半視場(chǎng)角φX，φY。D＝40(mm)，φX＝0.5(°)，φY＝0.5(°)。
以下是傍軸焦距FX，F(xiàn)Y，全視場(chǎng)角圖像高度HX，HY，以及比率F/D。
光路1FX＝229.50(mm)，F(xiàn)Y＝229.05(mm)HX＝4.005(mm)，HY＝3.997(mm)F/D＝5.732光路2FX＝228.84(mm)，F(xiàn)Y＝229.59(mm)
HX＝4.003(mm)，HY＝3.994(mm)F/D＝5.730其中下標(biāo)X和Y是關(guān)于X和Y軸方向上的距離。此外，這些符號(hào)表示關(guān)于X和Y軸的旋轉(zhuǎn)角。在以下示例中對(duì)這些符號(hào)采用類似的表示。
因此，光路1和光路2都滿足公式(3)和(4)。并且，也滿足公式(9)和(11)。
此外，如圖2所示，其中D＝40(mm)，φX＝3(°)，φY＝3(°)，F(xiàn)X＝228.84(mm)，F(xiàn)Y＝229.59(mm)，HX＝24.17(mm)，HY＝24.06(mm)以及F/D＝5.730。
如上所述，在此示例中，棱鏡1可配置有作為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的透射面3、反射面4、反射面5、分路面6、以及透射面7。
以下參照?qǐng)D3對(duì)上述第一實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第二數(shù)值示例進(jìn)行說明。
以下給出該第二數(shù)值示例的光學(xué)儀器的配置參數(shù)。圖3中所示的標(biāo)號(hào)ri和ni(其中i為整數(shù))對(duì)應(yīng)于以下所示的光學(xué)儀器的配置參數(shù)的ri和ni。折射率表示對(duì)于d光束(波長(zhǎng)為587.56nm)的折射率。
光路1是由分路面26所反射的光束的光路。光路2是透射過分路面26的光束的光路。
坐標(biāo)系等與上述示例1所述的情況相同。
(光路1)面編號(hào) 曲率半徑 面間隔 偏心 折射率阿貝數(shù)物面 ∞∞1光闌面d1＝0.00 偏心[1]2FFS[1]d2＝0.00 偏心[2]n1＝1.5254 ν1＝56.23FFS[2]d3＝0.00 偏心[3]n2＝1.5254 ν2＝56.24FFS[3]d4＝0.00 偏心[4]n3＝1.5254 ν3＝56.25FFS[4]d5＝0.00 偏心[5]n4＝1.5254 ν4＝56.26r6＝26.05d6＝0.00 偏心[6]像面 ∞d7＝0.00 偏心[7]
FFS[1]C41.1768×10-2C63.2380×10-3C83.9745×10-5C101.9358×10-5C116.9717×10-7C13-2.5583×10-7C15-6.6237×10-7C171.4231×10-8C199.6078×10-9C21-8.5636×10-10FFS[2]C41.7737×10-3C6-2.8338×10-3C83.6677×10-5C10-1.2822×10-5C11-6.3761×10-7C13-1.4547×10-7C15-3.8695×10-7C17-1.7742×10-8C19-8.6154×10-9C21-4.1870×10-9FFS[3]C4-1.2600×10-3C6-7.4387×10-3C84.1848×10-5C10-3.7975×10-5C11-1.1691×10-6C13-2.1702×10-6C15-5.1633×10-6C17-1.6348×10-8C19-1.9428×10-8C214.1351×10-8FFS[4]C4-2.0744×10-3C6-2.7480×10-3C81.4086×10-5C102.9285×10-6C115.0482×10-6C131.0163×10-6C15-1.4497×10-6C17-3.9632×10-7C192.1132×10-7C217.0389×10-8偏心[1]X 0.00 Y 0.00Z 0.00α 0.00 β 0.00 γ 0.00偏心[2]X 0.00 Y -0.00 Z 14.20α -17.46β 0.00 γ 0.00偏心[3]X 0.00 Y -5.26 Z 63.59α -28.70β 0.00 γ 0.00
偏心[4]X 0.00 Y25.86 Z38.71α -78.30β 0.00 γ 0.00偏心[5]X 0.00 Y-40.83Z20.43α -134.20 β 0.00 γ 0.00偏心[6]X 0.00 Y-22.22Z48.65α 30.00 β 0.00 γ 0.00偏心[7]X 0.00 Y-27.74Z74.66α 25.00 β 0.00 γ 0.00(光路2)面編號(hào) 曲率半徑 面間隔 偏心 折射率 阿貝數(shù)物面 ∞∞1 光闌面 d1＝0.00 偏心[1]2 FFS[1] d2＝0.00 偏心[2]n1＝1.5254 ν1＝56.23 FFS[2] d3＝0.00 偏心[3]n2＝1.5254 ν2＝56.24 FFS[3] d4＝0.00 偏心[4]n3＝1.5254 ν3＝56.25 FFS[4] d5＝0.00 偏心[5]n4＝1.5254 ν4＝56.2像面∞ d8＝0.00 偏心[8]偏心[8]X 0.00 Y-90.61 Z23.05α 93.45 β 0.00 γ0.00利用這種棱鏡22，|θ2-θ1|＝49.60(°)并且|θ4-θ3|＝15.80(°)，并且滿足公式(1)和(2)。此外，也滿足公式(6)和(7)。
以下是入射光瞳直徑D和半視場(chǎng)角φX，φY。D＝40(mm)，φX＝0.5(°)，φY＝0.5(°)。
以下是傍軸焦距FX，F(xiàn)Y，全視場(chǎng)角圖像高度HX，HY，以及比率F/D。
光路1FX＝239.24(mm)，F(xiàn)Y＝221.36(mm)HX＝4.176(mm)，HY＝3.903(mm)F/D＝5.758光路2FX＝218.09(mm)，F(xiàn)Y＝236.14(mm)HX＝3.806(mm)，HY＝4.092(mm)F/D＝5.678因此，光路1和光路2都滿足公式(3)和(4)。并且，也滿足公式(9)和(11)。
如上所述，在此示例中，棱鏡22可配置有作為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的透射面23、反射面24、反射面25和分路面26，以及作為偏心球面的透射面27。
以下參照?qǐng)D5A和圖5B對(duì)上述第二實(shí)施例的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第三數(shù)值示例進(jìn)行說明。
以下給出該第三數(shù)值示例的光學(xué)儀器的配置參數(shù)。圖5中所示的標(biāo)號(hào)ri和ni(其中i為整數(shù))對(duì)應(yīng)于以下所示的光學(xué)儀器的配置參數(shù)的ri和ni。折射率表示對(duì)于d光束(波長(zhǎng)為587.56nm)的折射率。
光路1是由分路面14所反射的光束的光路。光路2是透射過分路面14的光束的光路。
坐標(biāo)系等與上述示例1所述的情況相同。
(光路1)面編號(hào) 曲率半徑面間隔 偏心 折射率阿貝數(shù)物面 ∞ ∞1光闌面 d1＝0.00偏心[1]2FFS[1] d2＝0.00偏心[2]n1＝1.5254 ν1＝56.23FFS[2] d3＝0.00偏心[3]n2＝1.5254 ν2＝56.24FFS[3] d4＝0.00偏心[4]n3＝1.5254 ν3＝56.25FFS[4] d5＝0.00偏心[5]
6 FFS[5] d6＝0.00偏心[6]像面 ∞ d7＝0.00偏心[7]FFS[1]C41.2009×10-2C65.1590×10-3C83.5062×10-5C10-6.4558×10-5C119.0361×10-7C13-2.9265×10-7C15-4.5641×10-7C171.7009×10-8C193.4164×10-8C211.0394×10-8FFS[2]C48.0565×10-4C6-2.3781×10-3C82.6737×10-5C104.8088×10-6C11-6.0483×10-7C13-1.9035×10-7C151.2972×10-8C17-2.0064×10-8C19-4.6527×10-9C218.2792×10-10FFS[3]C4-2.4418×10-3C6-5.8699×10-3C89.8728×10-6C101.6060×10-5C11-3.3895×10-6C13-3.4277×10-6C15-7.4697×10-7C17-1.0451×10-7C19-1.1100×10-7C21-3.0357×10-8FFS[4]C49.0903×10-5C64.5278×10-7C86.7292×10-6C105.5388×10-6C111.3522×10-7C13-2.7277×10-7C15-3.4648×10-8FFS[5]C4-6.0728×10-4C6-5.0141×10-4C88.1619×10-5C92.0218×10-4C117.5242×10-5C13-1.9077×10-6C153.5305×10-6偏心[1]X 0.00Y 0.00 Z0.00α 0.00β 0.00 γ 0.00偏心[2]
X 0.00 Y-0.00Z 10.49α -15.70β0.00 γ 0.00偏心[3]X 0.00 Y-4.12Z 53.75α -31.77β0.00 γ 0.00偏心[4]X 0.00 Y26.18Z 34.90α -80.05β0.00 γ 0.00偏心[5]X 0.00 Y-33.82 Z 22.14α -109.30 β0.00 γ 0.00偏心[6]X 0.00 Y24.40Z 50.96α -119.25 β0.00 γ 0.00偏心[7]X 0.00 Y30.90Z 54.35α 67.24 β0.00 γ 0.00(光路2)面編號(hào) 曲率半徑 面間隔 偏心折射率 阿貝數(shù)物面∞ ∞1光闌面d1＝0.00 偏心[1]2FFS[1]d2＝0.00 偏心[2]n1＝1.5254 ν1＝56.23FFS[2]d3＝0.00 偏心[3]n2＝1.5254 ν2＝56.24FFS[3]d4＝0.00 偏心[4]n3＝1.5254 ν3＝56.25FFS[4]d5＝0.00 偏心[5]8∞(鏡面) d8＝0.00 偏心[8]9FFS[6]d9＝0.00 偏心[9]10 ∞(鏡面) d10＝0.00 偏心[10]
11FFS[7]d11＝0.00 偏心[11]像面 ∞d12＝0.00 偏心[12]FFS[6]C42.7942×10-2C61.6729×10-2C83.1642×10-4C10-2.8669×10-4C119.2135×10-5C13-7.8717×10-4C15-1.7387×10-5FFS[7]C43.9719×10-2C63.3782×10-2C8-7.2471×10-4C10-5.6703×10-4C114.6858×10-5C131.2169×10-4C152.9809×10-5偏心[8]X0.00 Y -41.74Z 21.00α37.20 β0.00 γ0.00偏心[9]X0.00 Y -48.00Z 69.10α132.72 β0.00 γ0.00偏心[10]X0.00 Y -35.24Z 68.46α-75.88 β0.00 γ0.00偏心[11]X0.00 Y -46.31Z 73.71α92.63 β0.00 γ0.00偏心[12]X0.00 Y -38.80Z 76.46α74.88 β0.00 γ0.00利用這種棱鏡10，|θ2-θ1|＝48.28( )并且|θ4-θ3|＝9.949( )，并且滿足公式(1)和(2)。此外，也滿足公式(6)和(7)。
以下是入射光瞳直徑D和半視場(chǎng)角φX，φY。D＝40(mm)，φX＝0.5(°)，φY＝0.5(°)。
以下是對(duì)應(yīng)于圖5A的光路1的傍軸焦距FX，F(xiàn)Y，全視場(chǎng)角圖像高度HX，HY，以及比率F/D。
光路1FX＝229.19(mm)，F(xiàn)Y＝229.30(mm)HX＝4.000(mm)，HY＝4.002(mm)F/D＝5.731因此，滿足公式(3)和(4)。并且，也滿足公式(9)和(11)。但未示出光路2的計(jì)算值，但該結(jié)構(gòu)同樣滿足公式(3)和(4)以及(9)和(11)。
如上所述，在此示例中，作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的棱鏡10可配置有作為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的透射面11、反射面12、反射面13、分路面14以及透射面15。
在光路2上設(shè)置有作為聚光器件的準(zhǔn)直反射面18和凹反射面20，作為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，并且，通過定位反射面7和旋轉(zhuǎn)反射面19，可以構(gòu)成將分路面14的透射光會(huì)聚到像面21上的偏心系統(tǒng)。
在第一和第二示例的說明中，該示例是對(duì)于偏心光學(xué)系統(tǒng)中的第4面作為分路面而給出的。但是，當(dāng)不需要兩個(gè)不同的光路時(shí)，或者在光路從第4面或者第5面輸出之后分路形成多個(gè)光路時(shí)，則第4面不必為分路面。另選地，該面可以是分路面，但只使用反射光或者透射光中的一個(gè)。
以第4面作為反射面，則僅使用從第5面所出射的光束，并且以第4面作為透射面，則可以使用從第4面所出射的光束。在這些情況中，第4面的覆層可以采用低透射的反射覆層，或者低反射覆層(AR覆層)。
在第一和第二實(shí)施例的說明中，說明了以下示例，其中，將用于控制對(duì)于第4面內(nèi)的入射光的反射系數(shù)的反射覆層形成為半反鏡覆層。然而，對(duì)于第4面的分路面可以采用其它覆層。
例如，為了對(duì)應(yīng)于到達(dá)第4面的光束的偏振條件來進(jìn)行分路，可以形成偏振光束分離(PBS)覆層。通過根據(jù)輸入光到達(dá)第4面之前的偏振條件而改變PBS覆層，可以調(diào)節(jié)所分路的光量比。此外，如果必要，可以在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置諸如起偏振作用的適當(dāng)偏振器之類的光學(xué)器件。
此外，為了根據(jù)到達(dá)第4面的光束的波長(zhǎng)來進(jìn)行分路，例如可以形成分色光束分離器覆層。
在上述第二實(shí)施例的說明中，說明了在透射光路一側(cè)設(shè)置會(huì)聚器件的示例。然而，根據(jù)儀器設(shè)置的情況，可以將該會(huì)聚器件設(shè)置在光路的反射一側(cè)。在此情況中，由于第4面的表面形狀，使光路的反射一側(cè)的光路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，從而可以進(jìn)行調(diào)節(jié)以方便設(shè)置會(huì)聚器件。
在上述第一至第三實(shí)施例的說明中，說明了在棱鏡外部形成有兩個(gè)像面的示例。但是，可以將分路面設(shè)置在棱鏡外部的光路上，以將光路分成多個(gè)光路，因此設(shè)置多個(gè)像面。如果采用這種方式，則可以在各個(gè)像面上設(shè)置光檢測(cè)器或位置檢測(cè)器件。因此，具有可以使用這些輸出并且可以進(jìn)行高精度位置檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
在上述第三實(shí)施例的說明中，說明了控制單元41、輸入信號(hào)控制單元42、以及偏轉(zhuǎn)控制器件32a位于聚光單元60內(nèi)部的示例。然而，不必說，可以將這些元件與聚光單元60分開設(shè)置。
此外，可以將驅(qū)動(dòng)控制器件44d設(shè)置在支撐部件44c上或者分開設(shè)置。另外，可以將該驅(qū)動(dòng)控制器件44d設(shè)置在聚光單元60的內(nèi)部。
當(dāng)對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說明和圖示后，應(yīng)該理解，這些說明和圖示對(duì)于本發(fā)明是解釋性的，而不應(yīng)視為限制。在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以進(jìn)行增加、刪除、替換、以及其它修改。因此，本發(fā)明不應(yīng)被認(rèn)為由上述說明所限制，并且本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求的范圍來限制。
本發(fā)明的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面是具有近似平行的輸入光束，并且包括具有折射率為1或者更大的介質(zhì)的棱鏡，在該棱鏡上在介質(zhì)的邊界面上形成有至少四個(gè)光學(xué)作用面，其中假設(shè)沿輸入光的光路將這些光學(xué)作用面稱為第1、第2、第3、第4，…，以及第n(“n”為自然數(shù))面，第1至第4面中的至少一個(gè)面為分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路。
根據(jù)偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面，將形成在該介質(zhì)的邊界面上的該五個(gè)光學(xué)作用面以一定位置關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，使得在軸上由第3面反射向第4面的主光束和在軸上由第4面反射向第5面的主光束各與軸上透過第1面射向第二面的主光束相交。因此，在軸上由第2面射向第3面的主光束與在軸上由第4面射向第5面的主光束相交。
為實(shí)現(xiàn)這樣的一種光路，必須例如按以下順序?qū)⒍鄠€(gè)光學(xué)作用面設(shè)置在棱鏡周邊上第1面、第4面、第2面、第5面以及第3面。此外，按照形成偏心光學(xué)系統(tǒng)的棱鏡的形式，至少將相鄰的光學(xué)作用面以偏心或傾斜地方式進(jìn)行設(shè)置。
因此，由于在諸如Cassegrain型的共軸反射系統(tǒng)中不出現(xiàn)光束的漸暈，因此可以防止由于這種漸暈所導(dǎo)致的光損失。
此外，由于這種光路使一部分光路再次折疊，光束在棱鏡中交叉成三角形，因此這種構(gòu)造可以比采用傳統(tǒng)棱鏡的偏心光學(xué)系統(tǒng)更加緊湊。
此外，由于棱鏡介質(zhì)的折射率為1或更大，因此反射面的光焦度被乘以折射率，并變得較大。因此，可以降低各光學(xué)作用面的曲率，從而控制像差量，并且可以提供令人滿意的成像性能。
此外，由于將五個(gè)光學(xué)作用面一體化為棱鏡介質(zhì)的邊界面，因此可以精確而又很容易地實(shí)現(xiàn)定位，并且裝配過程中不存在對(duì)各光學(xué)作用面的光軸進(jìn)行調(diào)節(jié)和定位的問題(該問題在組合多個(gè)反射鏡的偏心光學(xué)系統(tǒng)的情況中存在)。
此外，由于該五個(gè)光學(xué)作用面中的至少兩個(gè)面為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，特別地，當(dāng)通過該偏心光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳中心并且到達(dá)成像面中心的軸上的主光束偏心地入射到該偏心光學(xué)系統(tǒng)上時(shí)，可以對(duì)由于偏心所引起的諸如圖像的梯形畸變，以及圖像的傾斜等的偏心像差進(jìn)行補(bǔ)償。
在本說明書中，術(shù)語“光學(xué)作用面”是指已進(jìn)行適當(dāng)處理的諸如介質(zhì)的物理表面或者邊界面的面，并且對(duì)于光束具有反射、折射、干涉以及偏振等的宏觀光學(xué)效應(yīng)。即，在本領(lǐng)域的情況中，該詞通常是指平面光學(xué)元件，例如，反射面、透射面、折射面、透鏡面、菲涅耳透鏡面、棱鏡面、偏振面、光學(xué)面等。因此，在考慮光學(xué)作用面時(shí)，不考慮諸如覆層中多層間的多個(gè)界面等的宏觀光學(xué)效應(yīng)。
本發(fā)明的偏心光學(xué)系統(tǒng)的第二方面是具有近似平行的輸入光束，并且包括具有折射率為等于或大于1的介質(zhì)的棱鏡，在該棱鏡上在該介質(zhì)的邊界面上形成有五個(gè)光學(xué)作用面，其中將該五個(gè)光學(xué)作用面設(shè)置為，假設(shè)沿輸入光的光路按順序?qū)⒃撐鍌€(gè)光學(xué)作用面稱為第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面，則該第1面至第5面中的至少一面為分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路，并且在分路面上分路的各個(gè)光路中形成實(shí)像。
根據(jù)偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面，由于可以將光路分為兩個(gè)光路并且形成圖像，因此一個(gè)光路由至少四個(gè)光學(xué)作用面進(jìn)行了像差補(bǔ)償，而另一光路由該五個(gè)光學(xué)作用面的組合進(jìn)行了像差補(bǔ)償，并且因此可以在各光路中形成高性能分路成像系統(tǒng)。
根據(jù)偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一或者第二方面，在以下一種光學(xué)系統(tǒng)中其中使用一個(gè)棱鏡將以特定張角入射的作為近似平行光束的輸入光會(huì)聚到至少一個(gè)光接收面上，該棱鏡具有以偏心或傾斜的方式設(shè)置的5個(gè)光學(xué)作用面，這些光學(xué)作用面中的兩個(gè)面為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，存在的效果是，可以獲得一種偏心光學(xué)系統(tǒng)，在該偏心光學(xué)系統(tǒng)中，降低了在輸入光到達(dá)光接收面之前的光損失，在該偏心光學(xué)系統(tǒng)中，即使具有較長(zhǎng)的焦距也可以實(shí)現(xiàn)小型化，并且在光接收面上形成圖像的光具有高清晰度。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，第1面可以為透射輸入光的透射面，第2面和第3面可以是在介質(zhì)內(nèi)部對(duì)在介質(zhì)內(nèi)部通行的光束進(jìn)行反射的內(nèi)反射面，第4面可以是將光路分成透射光和反射光兩個(gè)光路的分路面，第5面可以是使由第4面反射的反射光透射過的透射面，并且這五個(gè)光學(xué)作用面中的至少兩個(gè)面可以是回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，并且在棱鏡外部可以形成至少一個(gè)實(shí)像。
在此情況中，從第1面入射的輸入光依次經(jīng)第2面和第3面反射，并到達(dá)第4面。在一個(gè)光路中，光由第4面反射向第5面，透射過第5面，并從該棱鏡射出。此外，在另一光路上，光透射過第4面并從棱鏡射出。然后由一個(gè)光路的出射光形成實(shí)像。
由于光路以這種方式形成，因此這五個(gè)光學(xué)作用面是偏心的或者傾斜的，并且如此定位以圍繞介質(zhì)的偏心光學(xué)系統(tǒng)是必要的。
因此，由于不發(fā)生在共軸反射系統(tǒng)中所發(fā)生的光束漸暈現(xiàn)象，因此可以防止由于這種漸暈現(xiàn)象所產(chǎn)生的光損失。
此外，由于輸入光在出射之前要在反射率為1或更大的介質(zhì)中反射并折射兩次或者三次，因此可以實(shí)現(xiàn)一種相對(duì)于光路長(zhǎng)度很緊湊的光學(xué)儀器。此外，反射面的光焦度被乘以介質(zhì)的折射率，并變得更大，因此可以控制各光學(xué)作用面的像差量，并且可以提供令人滿意的成像性能。
此外，由于將該五個(gè)光學(xué)作用面一體化為該棱鏡介質(zhì)的邊界面，因此可以精確而又比較容易地實(shí)現(xiàn)定位，并且裝配過程中，不存在對(duì)各光學(xué)作用面的光軸進(jìn)行調(diào)節(jié)和定位的問題(該問題在組合多個(gè)反射鏡的偏心光學(xué)系統(tǒng)的情況中存在)。
此外，由于該五個(gè)光學(xué)作用面的至少兩個(gè)面為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，特別地，當(dāng)通過該偏心光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳中心并且到達(dá)成像面中心的軸上的主光束偏心地入射到該偏心光學(xué)系統(tǒng)上時(shí)，可以對(duì)由于偏心所引起的諸如圖像的梯形畸變，以及圖像的傾斜等的偏心像差進(jìn)行補(bǔ)償。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一方面中，該第2面可以包括具有正光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
在此情況中，作為近似平行光束入射到第1面上的輸入光被這些具有正光焦度并且傾斜地位于具有較大直徑光束的第2面上的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面所反射。因此，通過采用具有優(yōu)異的像差補(bǔ)償能力的多個(gè)回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，減少了隨后階段的像差補(bǔ)償任務(wù)，并且可以構(gòu)成具有令人滿意的成像性能的光學(xué)儀器。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一方面中，該第3面可以包括具有負(fù)光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
在此情況中，由于該第3面具有負(fù)光焦度，因此可以對(duì)第1面上所出現(xiàn)的球差和彗差進(jìn)行補(bǔ)償。此外，由于可以對(duì)離軸光束改善Petzval和(Petzval sum)，因此特別是當(dāng)入射光的張角大時(shí)，這一點(diǎn)有效地發(fā)揮作用，從而可以改善成像性能。
此外，由于是由回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面形成的，因此可以對(duì)偏心像差進(jìn)行令人滿意的補(bǔ)償。
另外，通過組合設(shè)置有具有正光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面的結(jié)構(gòu)，可以使第2面為正，并且可以使第3面為負(fù)，從而形成望遠(yuǎn)透鏡型光學(xué)儀器，與焦距相關(guān)地可以減小至圖像位置的距離，并且可以實(shí)現(xiàn)小型化的棱鏡。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一方面中，可以形成一光路，在該光路中由分路面所反射的反射光軸上的主光束與通過棱鏡的至少兩個(gè)光束軸上的主光束相交。
在此情況中，由于從分路面所反射的光的光路與通過該棱鏡的至少兩個(gè)光束的光路相交，并且折疊使其重疊，因此可以有效利用棱鏡中介質(zhì)空間來形成緊湊結(jié)構(gòu)。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，可以形成一光路，在該光路中，在軸上由第2面反射向第3面的主光束和在軸上由第4面反射向第5面的主光束各與軸上透射過第1面并射向第2面的主光束相交。
在此情況中，在軸上透射過第1面并射向第2面的主光束與軸上由第3面反射向第4面的主光束和軸上由第4面反射向第5面的主光束相交，并被折疊而使其重疊。因此可以有效地利用棱鏡中的介質(zhì)空間來形成緊湊的結(jié)構(gòu)。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，棱鏡的周邊方向上的第1至第5面可以是，在第1面與第2面之間，第2面與第3面之間，第3面與第4面之間，以及第4面與第5面之間的至少一個(gè)面可以設(shè)置有另一光學(xué)作用面。
在此情況中，由于在軸上形成了與從第n面到第(n+1)面(n＝1，2，3，4)的主光束以及另兩個(gè)光學(xué)作用面之間的軸上的主光束相交的兩個(gè)主光束，因此有效地利用了棱鏡內(nèi)更多的相同空間，并且該介質(zhì)空間可以具有緊湊結(jié)構(gòu)。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，當(dāng)以垂直于輸入光軸上的主光束的平面作為傾斜基準(zhǔn)面時(shí)，在第2面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ1，并且在第3面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ2，可以滿足以下條件表達(dá)式30°≤|θ2-θ1|≤80°
在此情況中，當(dāng)將軸上的主光束與該面相交處的切平面定義為用于測(cè)量該光學(xué)作用面的傾斜角的面時(shí)，其中第2面和第3面相交的面的傾斜角|θ2-θ1|處于該條件表達(dá)式的值域之中。另一方面，根據(jù)幾何學(xué)，該軸上主光束的傾斜角提供了第2面的入射角和第3面的入射角之和或之差。
因此，當(dāng)傾斜角|θ2-θ1|超過了上限80°時(shí)，第2面或第3面的入射角會(huì)變得過大。特別地，當(dāng)這些偏心面具有光焦度時(shí)，在軸上的光束中也出現(xiàn)彗差。此外，即使采用回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面作為第2面或第3面來補(bǔ)償該像差，非對(duì)稱性也會(huì)變得過大并且消除離軸光束的彗差變得困難。
另外，當(dāng)傾斜角|θ2-θ1|變得小于下限30°時(shí)，為避免漸暈現(xiàn)象而進(jìn)行定位會(huì)比較困難。
為確保該偏心光學(xué)系統(tǒng)的更高性能，優(yōu)選地傾斜角|θ2-θ1|的角度值域小于上述范圍。在實(shí)踐中，優(yōu)選地35°≤|θ2-θ1|≤70°，并且更優(yōu)選地，40°≤|θ2-θ1|≤60°。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，當(dāng)以垂直于輸入光軸上的主光束的平面作為傾斜基準(zhǔn)面時(shí)，在第4面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ3，而在第5面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ4，滿足以下條件表達(dá)式|θ4-θ3|≤30°在此情況中，第4面和第5面相交的面的傾斜角|θ4-θ3|處于上述條件表達(dá)式的值域之中。
因此，本條件表達(dá)式要求作為以單個(gè)光路將出射光射到像面上的第4面和第5面的平行角度介于0°和30°之間的范圍內(nèi)，因此，焦平面內(nèi)的像面的傾斜可以很小，并且可以提供小型且高性能的偏心光學(xué)系統(tǒng)。
當(dāng)傾斜角|θ4-θ3|超出上限30°并且變大時(shí)，從第4面反射向第5面的光在第5面被大部分折射，導(dǎo)致離軸像差。此外，由于焦平面中的像面是明顯傾斜的，因此必須使接收成像的光的光接收面與棱鏡分開，并且采用該偏心光學(xué)系統(tǒng)的儀器變大。
為確保該偏心光學(xué)系統(tǒng)的更高性能，優(yōu)選地，該傾斜角|θ4-θ3|的值域小于上述范圍。在實(shí)踐中，優(yōu)選地|θ4-θ3|≤20°。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一方面中，當(dāng)假設(shè)傍軸焦距為F時(shí)，滿足以下條件表達(dá)式60(mm)≤F≤500(mm)在此情況中，對(duì)傍軸焦距F的值域的限定使得可以在合理的范圍內(nèi)制造該偏心光學(xué)系統(tǒng)，因此可以使該系統(tǒng)小型化且低成本。
即，當(dāng)該傍軸焦距F超出上限500mm且較長(zhǎng)時(shí)，即使采用了折射率為1或更大的介質(zhì)，并且光路被折疊，棱鏡也會(huì)隨制造難度的增加而變得更大。另外，當(dāng)該傍軸焦距F小于下限60mm時(shí)，不能充分地實(shí)現(xiàn)光路折疊的好處。因此，通過采用該距離值可以可靠地避免這一問題，并可以在合理范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型化和低成本。
為了確保緊湊和低成本的益處，優(yōu)選地，使傍軸焦距F的長(zhǎng)度值域比上述范圍小。在實(shí)踐中，優(yōu)選地80(mm)≤F≤400(mm)，并且更優(yōu)選地100(mm)≤F≤300(mm)。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的第一方面中，當(dāng)假設(shè)傍軸焦距為F，并且假設(shè)入射光瞳直徑為D時(shí)，比率F/D滿足以下條件表達(dá)式2≤F/D≤15在此情況中，由于傍軸焦距F和入射光瞳直徑D的比率F/D的值域在該條件表達(dá)式的范圍之內(nèi)，可以使偏心光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到良好均衡。
即，當(dāng)比率F/D超過上限15并且較大時(shí)，光路長(zhǎng)度相對(duì)于入射光瞳變得太長(zhǎng)，并且光學(xué)儀器的棱鏡或后焦距變大，而且使實(shí)現(xiàn)緊湊型光學(xué)儀器變得不可能。此外，當(dāng)該比率小于下限2時(shí)，入射光束的直徑相對(duì)于焦距變得較大，導(dǎo)致NA變大，并且球差和彗差等增大，并且像差補(bǔ)償變得困難。因此，通過采用這兩者之間的值，可以避免這些問題，并且可以使偏心光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到良好均衡。
為確保該偏心光學(xué)系統(tǒng)的更大緊湊度和更高性能，優(yōu)選地使該比率F/D的值域小于上述范圍。在實(shí)踐中，優(yōu)選地3≤F/D≤10，并且更優(yōu)選地，4≤F/D≤8。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一方面中，可以提供一光學(xué)器件，該光學(xué)器件使得光束在棱鏡之外形成實(shí)像后形成為近似平行光束，并且該光學(xué)器件具有在所需位置處形成出射光瞳的正光焦度。
在此情況中，除該偏心光學(xué)系統(tǒng)的作用外，由于在該偏心光學(xué)系統(tǒng)形成實(shí)像后，通過具有正光焦度的光學(xué)器件將該出射光形成為近似平行光束，并在所需位置形成出射光瞳，因此，將出射光瞳的位置假設(shè)為觀測(cè)者的瞳孔，并且觀測(cè)到由該偏心光學(xué)系統(tǒng)所放大的虛像，即，可以將該偏心光學(xué)系統(tǒng)用作望遠(yuǎn)鏡透鏡組。
此外，由于在所需位置形成該出射光瞳，因此當(dāng)將諸如反射鏡等光學(xué)器件定位于該位置時(shí)，由于光束保持在出射光瞳的界限內(nèi)，因此即使輸入光的入射視場(chǎng)角改變也可以提供緊湊的光學(xué)器件。
此外，可以提供一聚光器件，其使光束在形成出射光瞳后成像于光接收面上。
在此情況中，在根據(jù)第十三方面的偏心光學(xué)系統(tǒng)中，提供了一種聚光器件，該聚光器件使光束在形成出射光瞳之后成像于光接收面上。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，由于提供了使光束在形成出射光瞳后成像于光接收面上的聚光器件，因此可以調(diào)節(jié)光束的會(huì)聚以適合光接收面的區(qū)域，并且可以在無光損失且具有高效率的情況下接收光。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第一方面中，在該五個(gè)光學(xué)作用面中，至少一個(gè)面是分路面，在該分路面中，光路被分路為透射光和反射光的兩個(gè)光路，并且在分路面上所分成的各光路中形成實(shí)像。
在此情況中，由于在分路面上將輸入光分為兩個(gè)光路，并且可以對(duì)各光路形成實(shí)像，因此可以形成高性能且緊湊的分路成像系統(tǒng)。
在偏心光學(xué)系統(tǒng)的該第二方面中，假設(shè)沿輸入光的光路將該五個(gè)光操作面稱為第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面，則可以將該分路面設(shè)為第4面，并且在軸上由第4面反射向第5面的主光束可以形成一光路，該光路與在軸上透射過第1面并射向第2面的主光束以及在軸上由第2面反射向第3面的主光束相交。
在此情況中，由于將分路面設(shè)置在第4面，因此反射光受到第1、第2、第3、第4以及第5面的光學(xué)效應(yīng)的作用，并且由于透射光受到第1、第2、第3以及第4面的光學(xué)效應(yīng)的作用，所以也利用第1、第2、第3和第4面對(duì)透射光進(jìn)行了像差補(bǔ)償，并且可以提供令人滿意的成像性能。
此外，在軸上由第4面反射向第5面的主光束與在軸上透射過第1面并射向第2面的主光束以及在軸上由第2面反射向第3面的主光束相交，并且被折疊使其交疊。因此，可以有效地利用棱鏡內(nèi)的介質(zhì)空間來實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)。
通過與該第一方面的結(jié)構(gòu)的組合，特別地，會(huì)出現(xiàn)三個(gè)光軸交點(diǎn)，因此可以更有效地利用空間來實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的輸入光為近似平行光束的光學(xué)儀器包括具有該偏心光學(xué)系統(tǒng)和光偏轉(zhuǎn)器件的聚光單元，對(duì)于在該偏心光學(xué)系統(tǒng)中形成出射光瞳的光束，在該出射光瞳的位置附近，該光偏轉(zhuǎn)器件使光束偏轉(zhuǎn)，并且將該光束導(dǎo)向多個(gè)光接收面中的一個(gè)；位置檢測(cè)器件，其檢測(cè)被導(dǎo)向一個(gè)接收面的光束的光接收位置并輸出檢測(cè)信號(hào)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其可移動(dòng)地支撐該聚光單元；以及位置控制器件，響應(yīng)于來自位置檢測(cè)器件的檢測(cè)輸出，或者光偏轉(zhuǎn)器件的偏轉(zhuǎn)量，或者二者來控制該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量。
根據(jù)該光學(xué)儀器，由于利用光偏轉(zhuǎn)器件使形成出射光瞳的光束偏轉(zhuǎn)并將該光束導(dǎo)向一個(gè)光接收面，因此，即使當(dāng)輸入光的入射視場(chǎng)角相對(duì)于聚光單元中設(shè)置的偏心光學(xué)系統(tǒng)改變時(shí)，也可以將光束導(dǎo)向光接收的適當(dāng)位置。因此，可以響應(yīng)于位置檢測(cè)器件的檢測(cè)輸出，或者光偏轉(zhuǎn)器件的偏轉(zhuǎn)量，或者二者來控制該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量。因此，可以控制聚光單元的空間方位，以使得輸入光的入射視場(chǎng)角保持恒定，并且可以維持在該狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，通過使用根據(jù)本發(fā)明的偏心光學(xué)系統(tǒng)，使得可以構(gòu)建能夠進(jìn)行高精度且高效率的光學(xué)追蹤的光學(xué)系統(tǒng)。
該移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以配備萬向臺(tái)。
在此情況中，由于設(shè)置了該萬向臺(tái)，因此即使在兩個(gè)軸上輸入光的入射視場(chǎng)角發(fā)生變化，也可以使聚光單元的空間方位追隨輸入光。
可以使該偏心光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光闌與聚光單元的外部結(jié)合為一體。
在此情況中，由于該偏心光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光闌與聚光單元的外部結(jié)合為一體，因此可以省略孔徑元件。
可以將該位置檢測(cè)器件設(shè)置在一個(gè)光接收面中和另一光接收面中，并且該位置控制器件可以響應(yīng)于來自位置檢測(cè)器件的一個(gè)檢測(cè)輸出而提供該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的粗略移動(dòng)，并且可以響應(yīng)于該位置檢測(cè)器件的另一檢測(cè)輸出而提供該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密移動(dòng)。
在此情況中，由于可以進(jìn)行該聚光單元的粗略移動(dòng)和精密移動(dòng)，因此，可以對(duì)于寬范圍的入射視場(chǎng)角實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。
該位置檢測(cè)器件可以配備有調(diào)制光檢測(cè)器，該調(diào)制光檢測(cè)器構(gòu)成了空間光信號(hào)傳輸?shù)墓饨邮詹考?br> 在此情況中，可以實(shí)現(xiàn)空間光信號(hào)傳輸?shù)墓饨邮詹考?，其提供了與上述光學(xué)儀器類似的操作效果。
權(quán)利要求
1.一種偏心光學(xué)系統(tǒng)，其具有近似平行的輸入光束，并且包括一棱鏡，該棱鏡具有折射率為1或更大的介質(zhì)，在該棱鏡上，在該介質(zhì)的邊界面上形成有至少4個(gè)光學(xué)作用面，其中，假設(shè)沿輸入光的光路將這些光學(xué)作用面稱為第1面、第2面、第3面、第4面，…，以及第n面，“n”為自然數(shù)，則該第1面至第4面中的至少一個(gè)面是分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路。
2.一種偏心光學(xué)系統(tǒng)，其具有近似平行的輸入光束，并且包括一棱鏡，該棱鏡具有折射率為1或更大的介質(zhì)，在該棱鏡上，在該介質(zhì)的邊界面上形成有5個(gè)光學(xué)作用面，其中，假設(shè)沿輸入光的光路將這5個(gè)光學(xué)作用面稱為第1面、第2面、第3面、第4面，以及第5面，則該第1面至第5面中的至少一個(gè)面是分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路，并且在該分路面上分路的各個(gè)光路中形成實(shí)像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第1面是透射輸入光的透射面，所述第2面和所述第3面是在介質(zhì)內(nèi)部反射在該介質(zhì)內(nèi)部通行的光束的內(nèi)反射面，所述第4面是將光路分成透射光和反射光兩個(gè)光路的分路面，所述第5面是透射由第4面所反射的反射光的透射面，并且這5個(gè)光學(xué)作用面中的至少兩個(gè)面是回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面，并且在所述棱鏡的外部形成至少一個(gè)實(shí)像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第2面包括具有正光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第3面包括具有負(fù)光焦度的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，形成一光路，在該光路中，由所述分路面所反射的反射光的軸上的主光束與通過所述棱鏡的至少兩個(gè)光束的軸上的主光束相交。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，形成一光路，在該光路中，軸上由所述第2面反射向所述第3面的主光束和軸上由所述第4面反射向所述第5面的主光束各與軸上透過所述第1面射向所述第2面的主光束相交。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第1至第5面在所述棱鏡的周邊方向上的設(shè)置是，在所述第1面和所述第2面之間、在所述第2面和所述第3面之間、在所述第3面和所述第4面之間、以及在所述第4面和所述第5面之間的至少一個(gè)面設(shè)置有另一個(gè)光學(xué)作用面。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)以垂直于輸入光的軸上的主光束的平面作為傾斜基準(zhǔn)面時(shí)，在所述第2面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ1，并且第3面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ2，則滿足以下條件表達(dá)式30°≤|θ2-θ1|≤80°
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)以垂直于輸入光的軸上的主光束的平面作為傾斜基準(zhǔn)面時(shí)，在所述第4面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ3，而在所述第5面上與軸上的主光束相交的位置處的切平面的傾斜角為θ4，則滿足以下條件表達(dá)式|θ4-θ3|≤30°
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)假設(shè)傍軸焦距為F時(shí)，滿足以下條件表達(dá)式60(mm)≤F≤500(mm)
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，當(dāng)假設(shè)傍軸焦距為F，并假設(shè)入射光瞳直徑為D時(shí)，則比率F/D滿足以下條件表達(dá)式2≤F/D≤15
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中設(shè)置一光學(xué)器件，該光學(xué)器件使得光束在所述棱鏡之外形成實(shí)像后成為近似平行光束，并且該光學(xué)器件具有在所需位置形成出射光瞳的正光焦度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，設(shè)置一聚光器件，該聚光器件使得所述光束在形成出射光瞳之后成像在所述光接收面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，在所述5個(gè)光學(xué)作用面中，至少有一個(gè)面為分路面，在該分路面中，將光路分成透射光和反射光的兩個(gè)光路，并且在該分路面上分路的各個(gè)光路中形成實(shí)像。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，其中，假設(shè)沿輸入光的光路將所述5個(gè)光學(xué)作用面稱為第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面，所述分路面作為第4面，并且在軸上由所述第4面反射向所述第5面的主光束形成一光路，該光路與在軸上透過所述第1面射向所述第2面的主光束以及軸上由所述第2面反射向所述第3面的主光束相交。
17.一種光學(xué)儀器，其中輸入光為近似平行光束，該光學(xué)儀器包括聚光單元，其具有權(quán)利要求13所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)，以及光偏轉(zhuǎn)器件，該光偏轉(zhuǎn)器件對(duì)于在所述偏心光學(xué)系統(tǒng)中形成出射光瞳的光束，在該出射光瞳的位置附近對(duì)該光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，并且將其導(dǎo)向所述多個(gè)光接收面中的一個(gè)；位置檢測(cè)器件，其檢測(cè)被導(dǎo)向所述一個(gè)光接收面的光束的光接收位置，并且輸出檢測(cè)信號(hào)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其可移動(dòng)地支撐所述聚光單元；以及位置控制器件，其響應(yīng)于來自所述位置檢測(cè)器件的檢測(cè)輸出、或者所述光偏轉(zhuǎn)器件的偏轉(zhuǎn)量、或者兩者來控制所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學(xué)儀器，其中，所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)配備有萬向臺(tái)。
19.權(quán)利要求17所述的光學(xué)儀器，其中，所述偏心光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際光闌與所述聚光單元的外部結(jié)合成一體。
20.權(quán)利要求17所述的光學(xué)儀器，其中，所述位置檢測(cè)器件設(shè)置在一個(gè)光接收面中和另一個(gè)光接收面中，并且所述位置控制器件響應(yīng)于來自所述位置檢測(cè)器件的一個(gè)檢測(cè)輸出而提供所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)的粗略移動(dòng)，并且響應(yīng)于來自所述位置檢測(cè)器件的另一個(gè)檢測(cè)輸出而提供所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密移動(dòng)。
21.權(quán)利要求17所述的光學(xué)儀器，其中，所述位置檢測(cè)器件具有調(diào)制光檢測(cè)器，該調(diào)制光檢測(cè)器構(gòu)成了空間光信號(hào)傳輸中的光接收部件。
22.一種光學(xué)儀器，用于空間光通信，該光學(xué)儀器包括偏心定位的光學(xué)作用面。
23.一種光學(xué)儀器，用于空間光通信，該光學(xué)儀器包括一棱鏡，該棱鏡具有折射率為1或更大的介質(zhì)，在該棱鏡上，在該介質(zhì)的邊界面上偏心地形成有至少四個(gè)光學(xué)作用面。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光學(xué)儀器，其中該至少4個(gè)光學(xué)作用面按一定的位置關(guān)系布置，使得，假設(shè)沿輸入光的光路將這些光學(xué)作用面稱為第1面、第2面、第3面、第4面，…，和第n面，“n”為自然數(shù)，則在軸上由所述第3面反射向所述第4面的主光束與在軸上透過所述第1面射向所述第2面的主光束相交。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)儀器，其中，所述多個(gè)光學(xué)作用面中的至少一個(gè)面是分路面，在該分路面中，光路被分成透射光和反射光的兩個(gè)光路。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)儀器，其中，所述偏心定位的光學(xué)作用面包括回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
27.一種用于空間光通信的光學(xué)儀器，包括位于權(quán)利要求22所述的光學(xué)儀器的圖像位置處的光檢測(cè)器。
28.一種用于空間光通信的光學(xué)儀器，包括位于權(quán)利要求1所述的偏心光學(xué)系統(tǒng)的圖像位置處的光檢測(cè)器。
全文摘要
一種偏心光學(xué)系統(tǒng)，形成兩個(gè)光路，在一個(gè)光路中對(duì)入射光束進(jìn)行三次內(nèi)部反射以折疊光路，然后將其從透射面出射并且成像于像面上，并且在另一光路中對(duì)入射光束進(jìn)行兩次內(nèi)部反射以折疊光路，然后從分路面出射并且成像于像面上。這多個(gè)光學(xué)作用面中的至少兩個(gè)面為回轉(zhuǎn)非對(duì)稱面。
文檔編號(hào)G02B17/08GK1573408SQ20041004564
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月26日
發(fā)明者高橋浩一 申請(qǐng)人:奧林巴斯株式會(huì)社