專利名稱：透鏡校正元件、系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透鏡校正元件、系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
位移測(cè)量干涉儀(“DMI”)是本領(lǐng)域熟知的，其用于以高精度和分辨率水平測(cè)量小位移和長(zhǎng)度已有數(shù)十年。許多種DMI包括這樣的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)在將激光源所發(fā)射的光傳送到干涉儀組件之前對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)準(zhǔn)直。
在一種典型的DMI應(yīng)用中，光學(xué)“望遠(yuǎn)鏡”或準(zhǔn)直器組件置于氦氖激光源所提供的輸出與干涉儀組件之間。這樣的望遠(yuǎn)鏡或準(zhǔn)直器通常包括透鏡組件以擴(kuò)大由光源發(fā)射的激光束直徑。經(jīng)過(guò)擴(kuò)大的光束減小了由干涉系統(tǒng)各部分的旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)引起的光束離散(walk-off)誤差。
DMI有時(shí)候用于不尋常的環(huán)境中，例如真空中、高海拔處或外層空間中。在這些環(huán)境中，光學(xué)組件(例如結(jié)合到校準(zhǔn)為在海平面操作的DMI中的準(zhǔn)直器)的性能可能受到不利影響，所述不利影響是由于高程、海拔和/或氣壓的改變使位于這些組件中透鏡之間的氣體的折射率改變而引起的?，F(xiàn)場(chǎng)氣壓意外的較大改變還可能使已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下校準(zhǔn)的透鏡組件的光學(xué)性能變差。
為了克服上述問(wèn)題，在用于外層空間之前，經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室中模擬外層空間環(huán)境的真空環(huán)境下對(duì)DMI光學(xué)組件進(jìn)行測(cè)試，從而幫助確保在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的正確性能。但是在真空環(huán)境下對(duì)結(jié)合到DMI中的光學(xué)組件進(jìn)行測(cè)試可能需要相當(dāng)多的費(fèi)用和時(shí)間。此外，在獲得完全真空時(shí)的意外故障或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試期間所犯的其他錯(cuò)誤可能導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)的操作不正確，這可能直到光學(xué)系統(tǒng)使用之后才能發(fā)現(xiàn)，而那時(shí)可能已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行校正了。
對(duì)于折射率隨海拔或環(huán)境改變而造成的問(wèn)題的另一種解決方案可以是設(shè)計(jì)在具有第一折射率的第一介質(zhì)(例如海平面的氣壓和溫度)中正常工作的透鏡組件并在該組件中結(jié)合可拆的透鏡。當(dāng)該組件被運(yùn)送到具有不同于第一折射率的已知第二折射率的第二介質(zhì)(例如真空)中或受其影響時(shí)，拆下可拆透鏡以補(bǔ)償折射率的改變。但是，這種解決方案需要一旦將透鏡組件置于第二介質(zhì)中就對(duì)其進(jìn)行物理操作，這是一項(xiàng)可能需要相當(dāng)多的技巧和費(fèi)用的工作，特別是第二介質(zhì)正好是外層空間的真空時(shí)。
需要一種光學(xué)組件，其可以在普通的實(shí)驗(yàn)室氣壓和溫度環(huán)境下校準(zhǔn)或測(cè)試，并且以后可以在高海拔或外層空間環(huán)境下正確地工作。還需要一種光學(xué)組件，其可以在外層空間或高海拔的環(huán)境條件下校準(zhǔn)或測(cè)試，并且以后可以在低海拔壓力環(huán)境下正確工作。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有固定折射率結(jié)構(gòu)的透鏡組件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用期望的具有預(yù)定折射率的氣體、液體或真空填充透鏡組件中的兩個(gè)透鏡或透鏡元件之間設(shè)置的空隙。一旦用期望的氣體、液體或真空填充該空隙，就用多種適當(dāng)方式中任一種密封該空隙并優(yōu)選地使其密閉。然后，可以在以后將透鏡組件應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境之前對(duì)其進(jìn)行測(cè)試或校準(zhǔn)以確保適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)性能水平。由于設(shè)置在透鏡組件中的被填充的空隙提供了固定折射率的光學(xué)性能，該透鏡組件可以成功地用于大范圍變化的大氣條件下并仍然提供高質(zhì)量的結(jié)果。
制造和使用上述內(nèi)容的方法也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。


圖1示出了DMI系統(tǒng)的框圖；圖2圖示了正在實(shí)驗(yàn)室條件下用光纖光源10校準(zhǔn)的透鏡組件20；圖3圖示了圖2的透鏡組件20及其用于外層空間或高海拔處時(shí)的操作方式；圖4圖示了在實(shí)驗(yàn)室條件下用激光源10校準(zhǔn)的透鏡組件20；
圖5圖示了圖4的透鏡組件20及其用于外層空間或高海拔處時(shí)的操作方式；圖6圖示了當(dāng)空隙45包含真空時(shí)(光線135)以及當(dāng)空隙45包含海平面大氣壓的空氣時(shí)(光線145)透鏡組件20與光纖光源10結(jié)合操作的方式；圖7圖示了當(dāng)空隙45包含真空時(shí)(光線135)以及當(dāng)空隙45包含海平面大氣壓的空氣時(shí)(光線145)透鏡組件20與激光源10結(jié)合操作的方式；圖8圖示了當(dāng)對(duì)空隙45抽取真空以準(zhǔn)備測(cè)試組件20時(shí)本發(fā)明的透鏡組件20的一種實(shí)施例；圖9圖示了在對(duì)空隙45抽取完全真空并且激活光源10以測(cè)試透鏡組件20的光學(xué)性能之后，圖8的透鏡組件20；圖10圖示了在訪問(wèn)端口135中設(shè)有密封件125的圖8的透鏡組件20，其中空隙45在安裝密封件125之后保持完全真空；圖11圖示了當(dāng)對(duì)真空室175和空隙45抽取真空以準(zhǔn)備測(cè)試組件20時(shí)本發(fā)明的透鏡組件20的另一實(shí)施例；圖12圖示了在對(duì)真空室175和空隙45抽取完全真空并且激活光源10以測(cè)試透鏡組件20的光學(xué)性能之后，圖11的透鏡組件20；并且圖13圖示了在訪問(wèn)端口135中設(shè)有密封件125的圖12的透鏡組件20，其中在安裝密封件125并從真空室175拆下透鏡組件20之后，空隙45保持完全真空。
具體實(shí)施例方式
此處的說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求中所用的術(shù)語(yǔ)“透鏡組件10”或“透鏡組件”表示在DMI、激光、光學(xué)、通訊、攝影、電訊或其他應(yīng)用中用于光束的準(zhǔn)直、減小和/或擴(kuò)大的透鏡組件。此術(shù)語(yǔ)不表示限制在DMI應(yīng)用中，在此使用DMI應(yīng)用僅僅是為了描述和說(shuō)明目的。在閱讀并理解此處的說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的各種實(shí)施例可以用于位移測(cè)量干涉儀之外的許多應(yīng)用中。
圖1示出DMI系統(tǒng)的框圖，并描述了安捷倫10705型線性干涉儀系統(tǒng)的各個(gè)部分。望遠(yuǎn)鏡或準(zhǔn)直器20包括透鏡組件20(圖1中未示出)用于將光源10發(fā)射的激光束的直徑從1mm擴(kuò)大到9mm。將光源10發(fā)射的激光束直徑擴(kuò)大以使由系統(tǒng)各部分的不期望的旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)(例如干涉儀50或測(cè)量角錐棱鏡70的運(yùn)動(dòng))引起的光束離散誤差最小。
下面的美國(guó)專利中公開(kāi)了圖1所圖示的DMI的情況，這些專利的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用而結(jié)合于此授權(quán)給Bockman的題為“Linear-and-angularmeasuring plane mirror interferometer”的美國(guó)專利No.5,064,280；授權(quán)給Bockman的題為“Multi-axis interferometer with integrated optical structureand method for manufacturing rhomboid assemblies”的美國(guó)專利No.6,542,247；以及授權(quán)給Bockman的題為“Method and interferometricapparatus for measuring changes in displacement of an object in a rotatingreference frame”的美國(guó)專利5,667,768。
如上所述，有時(shí)候DMI用于不尋常的環(huán)境中，例如真空室中、山頂上或高空飛行器中的高海拔處、或者用火箭運(yùn)送到地球大氣層外的外層空間的空間載荷中。在這樣的環(huán)境中，結(jié)合于DMI中已經(jīng)校準(zhǔn)為在海平面處操作的光學(xué)組件(例如望遠(yuǎn)鏡)的性能可能受到不利影響，其中所述不利影響是由于位于這些組件中透鏡之間的氣體或液體的折射率隨高程或海拔的改變而改變所造成的。在另一種不期望的情景中，在實(shí)驗(yàn)室或制造環(huán)境中校準(zhǔn)的透鏡組件在現(xiàn)場(chǎng)受到氣壓的不期望的較大改變的影響，所述改變也使位于組件透鏡之間的氣體折射率改變。
為了克服上述問(wèn)題，在用于外層空間之前，可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬外層空間環(huán)境的真空環(huán)境下對(duì)DMI光學(xué)組件進(jìn)行測(cè)試，從而幫助確保在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的正確性能。但是在真空環(huán)境下對(duì)結(jié)合到DMI中的光學(xué)組件進(jìn)行測(cè)試可能需要相當(dāng)多的費(fèi)用和時(shí)間。此外，在獲得完全真空時(shí)的意外故障或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試期間所犯的其他錯(cuò)誤可能導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)的操作不正確，這可能直到光學(xué)系統(tǒng)使用之后才能發(fā)現(xiàn)，而那時(shí)可能已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行校正了。
對(duì)于折射率隨海拔或環(huán)境變化而造成的問(wèn)題的另一種解決方案可以是設(shè)計(jì)在具有第一折射率的第一介質(zhì)(例如海平面的氣壓和溫度)中正常工作的透鏡組件并在該組件中結(jié)合可拆的透鏡。當(dāng)該組件被運(yùn)送到具有不同于第一折射率的已知第二折射率的第二介質(zhì)(例如真空)中或受其影響時(shí)，拆下可拆透鏡以補(bǔ)償折射率變化。但是，這種解決方案需要一旦將透鏡組件置于第二介質(zhì)中就對(duì)其進(jìn)行物理操作，如果第二介質(zhì)正好是外層空間的真空，這是一項(xiàng)可能需要相當(dāng)多的技巧和費(fèi)用的工作。
圖2圖示了正在實(shí)驗(yàn)室條件下用光纖光源10校準(zhǔn)的透鏡組件20。實(shí)際上，光纖光源10可以在測(cè)試和/或校準(zhǔn)之前或者其過(guò)程中粘接到透鏡組件20以確保光源10與透鏡元件25和35之間正確的光學(xué)定位和對(duì)準(zhǔn)。此外，在測(cè)試或校準(zhǔn)過(guò)程中可以變換透鏡元件25和35的位置以確保透鏡元件25和35與光源10之間正確的光學(xué)定位和對(duì)準(zhǔn)。框架元件55和65可以包括塑料、彈性體化合物、金屬、金屬合金、鋁、不銹鋼、鈦、鈮和鉑，或上述物中任意的混合物或合金。
操作者所不知道的是，位于透鏡組件20的第一透鏡25與第二透鏡35之間的空隙45尚未抽成絕對(duì)真空。因此在校準(zhǔn)透鏡組件20時(shí)空隙45的折射率大于1。透鏡組件20的校準(zhǔn)可以包括移動(dòng)第一透鏡25和/或第二透鏡35以使從第二透鏡35向前的面射出的光線17彼此平行。由于第一透鏡25或第二透鏡35與框架元件65或框架元件55之間的泄漏，空隙45的折射率可能大于1。由于用來(lái)抽真空的設(shè)備不能抽成真空或者不正確地指示已經(jīng)獲得了絕對(duì)真空，也可能使空隙45的折射率大于1。當(dāng)然，過(guò)程或設(shè)備中也可能產(chǎn)生許多其他錯(cuò)誤使空隙45的折射率具有不期望或意料之外的值。
圖3圖示了圖2的透鏡組件20及其用于外層空間或高海拔處時(shí)的操作方式?，F(xiàn)在空隙45的折射率等于1(或者無(wú)論如何其折射率都小于空隙45在根據(jù)圖2的校準(zhǔn)期間所具有的折射率)?？梢钥吹綇耐哥R35向前的表面射出的光線17是彼此不平行的并且是會(huì)聚的。在透鏡組件20用于外層空間時(shí)，這樣的結(jié)果就算不是無(wú)法補(bǔ)救，也明顯是難以補(bǔ)救的。
圖4圖示了正在實(shí)驗(yàn)室條件下用激光源10校準(zhǔn)的透鏡組件20。與圖2中一樣，操作者不知道的是，位于透鏡組件20的第一透鏡25與第二透鏡35之間的空隙45尚未抽成絕對(duì)真空。因此在校準(zhǔn)透鏡組件20時(shí)空隙45的折射率大于1。透鏡組件20的校準(zhǔn)可以包括移動(dòng)第一透鏡25和/或第二透鏡35以使從第二透鏡35向前的面射出的光線17彼此平行。由于第一透鏡25或第二透鏡35與框架元件65或框架元件55之間的泄漏，空隙45的折射率可能大于1。由于用來(lái)抽真空的設(shè)備不能抽成真空或者不正確地指示已經(jīng)獲得了絕對(duì)真空，也可能使空隙45的折射率大于1。當(dāng)然，過(guò)程或設(shè)備中也可能產(chǎn)生許多其他錯(cuò)誤使空隙45的折射率具有不期望或意料之外的值。
圖5圖示了圖4的透鏡組件20及其用于外層空間或高海拔處時(shí)的操作方式?，F(xiàn)在空隙45的折射率等于1(或者無(wú)論如何其折射率都小于空隙45在根據(jù)圖4的校準(zhǔn)期間所具有的折射率)?？梢钥吹綇耐哥R35向前的表面射出的光線17是彼此不平行的并且是發(fā)散的。在透鏡組件20用到例如山頂上或外層空間中時(shí)，這樣的結(jié)果就算不是無(wú)法補(bǔ)救，也明顯是難以補(bǔ)救的。
圖6圖示了當(dāng)空隙45包含真空時(shí)(光線135)以及當(dāng)空隙45包含海平面大氣壓的空氣時(shí)(光線145)透鏡組件20與光纖光源10結(jié)合操作的方式。可以看到，從第二透鏡35向前的表面射出的光線17由平行光線135和發(fā)散光線145構(gòu)成，其中平行光線135對(duì)應(yīng)于折射率等于1的空隙45(絕對(duì)真空)，發(fā)散光線145對(duì)應(yīng)于折射率大于1的空隙45(例如海平面大氣壓)。
圖7圖示了當(dāng)空隙45包含真空時(shí)(光線135)以及當(dāng)空隙45包含海平面大氣壓的空氣時(shí)(光線145)透鏡組件20與激光源20結(jié)合操作的方式?？梢钥吹?，從第二透鏡35向前的表面射出的光線17由平行光線135和會(huì)聚光線145構(gòu)成，其中平行光線135對(duì)應(yīng)于折射率等于1的空隙45(絕對(duì)真空)，會(huì)聚光線145對(duì)應(yīng)于折射率大于1的空隙45(例如海平面大氣壓)。
圖2到7圖示了當(dāng)位于望遠(yuǎn)鏡或準(zhǔn)直器20的兩個(gè)透鏡之間的空隙沒(méi)有在適當(dāng)條件下校準(zhǔn)或者具有到周圍環(huán)境或大氣的泄漏路徑時(shí)可能得到的不期望的結(jié)果。需要一種組件20，其可以在普通的實(shí)驗(yàn)室氣壓和溫度環(huán)境下校準(zhǔn)或測(cè)試，并且以后可以在高海拔或外層空間環(huán)境下正確地工作。還需要一種組件20，其可以在外層空間或高海拔的環(huán)境條件下校準(zhǔn)或測(cè)試，并且以后可以在低海拔的溫度或壓力環(huán)境下正確工作。
圖8到10圖示了本發(fā)明的組件20的一種實(shí)施例以及本發(fā)明的一種方法。在圖8到10所圖示的本發(fā)明的實(shí)施例中，透鏡組件20準(zhǔn)備隨后用于空間中。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，組件20(特別是空隙45以及密封件75、85、95和105可以用于其他類型的條件下，例如在山頂上、在颶風(fēng)眼中(那里氣壓非常低)、在預(yù)期到氣壓在時(shí)間方面和/或基本上大小方面而言變化很快的地方以及其他條件下。
在圖8中，第一透鏡25通過(guò)密封件75和85固定到框架元件55和65，第二透鏡35通過(guò)密封件95和105固定到框架元件55和65。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，密封件75、85、95和105包括粘合劑，例如適當(dāng)選擇的工業(yè)級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂、膠、熱固性膠、熱固性環(huán)氧樹(shù)脂、氰基丙烯酸酯(強(qiáng)力膠)或能夠經(jīng)受環(huán)境條件的任何其他適合的粘合劑，透鏡組件20將以保持透鏡與框架之間密封件完整的方式暴露于所述環(huán)境條件。
在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，密封件75、85、95和105可以是壓縮密封件，包括橡膠、硅酮、彈性體材料、含金屬或其他材料的擠壓裝配件、適用膠帶、鉛、焊接件或銅焊件(brazing)。電池、電容器和/或可植入的醫(yī)學(xué)器件中用于進(jìn)行銅焊并密封導(dǎo)通孔(feedthrough)所采用的技術(shù)可以用于本發(fā)明中，以將第一和第二透鏡元件25和35固定并密封到框架元件55和65。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，密封件75、85、95和105可以由框架元件55和65形成，所述框架元件55和65至少在第一和第二透鏡25和35與框架元件55和65接合的區(qū)域包括(多種)可壓縮材料。也可以采用能夠經(jīng)受透鏡組件20將要暴露的環(huán)境條件的其他類型密封件，以便可以維持透鏡元件與框架之間的(多個(gè))密封件的完整性。
接著參考圖8并根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)和方法的一種實(shí)施例，通過(guò)在空隙45中造成真空以將透鏡組件20準(zhǔn)備用于測(cè)試、校準(zhǔn)以及后續(xù)使用。經(jīng)過(guò)空隙訪問(wèn)端口135和密封固定到空隙訪問(wèn)端口135的真空配件115，用合適的實(shí)驗(yàn)室真空泵(附圖中未示出)從第一透鏡25與第二透鏡35之間的空隙45抽出位于空隙45中的大氣。從空隙45中抽取此氣體一直持續(xù)到空隙45中獲得完全或絕對(duì)真空的時(shí)候?yàn)橹埂?br> 如圖9所示，接下來(lái)用適當(dāng)?shù)墓庠?例如光纖光源10)測(cè)試和/或校準(zhǔn)透鏡組件20。從第二透鏡35向前的表面射出的光線17彼此平行，表明透鏡20的設(shè)計(jì)參數(shù)被正確執(zhí)行，并且在空隙45中獲得了完全真空(即空隙45的折射率等于1)。當(dāng)確認(rèn)了透鏡組件20的正確光學(xué)性能時(shí)，從空隙訪問(wèn)端口135拆下真空配件115保留空隙45內(nèi)部的真空。
如圖10所示，密封件125密封地設(shè)置在空隙訪問(wèn)端口135中以使空隙45中持久地(或直到拆下密封件125的時(shí)候)存在真空。空隙45對(duì)透鏡組件20外部部分的密封度也可以用例如氦密封度測(cè)試的已知技術(shù)來(lái)測(cè)試。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，透鏡組件20的整體被置于真空室中，因此在測(cè)試和校準(zhǔn)期間處于真空下。在提高真空度以及測(cè)試和/或校準(zhǔn)完成之前，密封件125被密封裝配到空隙訪問(wèn)端口45。圖11圖示了本發(fā)明的這種實(shí)施例，其中本發(fā)明的透鏡組件20設(shè)置在真空室175(用虛線標(biāo)記)中，并且對(duì)真空室175以及空隙45抽取真空以準(zhǔn)備測(cè)試組件20。注意真空訪問(wèn)端口135是打開(kāi)的。
圖12圖示了在對(duì)真空室175和空隙45抽取完全真空并且激活光源10以測(cè)試透鏡組件20的光學(xué)性能之后，圖11的透鏡組件20。如果抽取到完全的真空，則密封件125可以在測(cè)試之前、之中或之后密封設(shè)置在空隙訪問(wèn)端口135中。還要注意在測(cè)試和校準(zhǔn)之前、之中或之后可以調(diào)整透鏡元件25和35的軸向或其他位置以提供最佳的光學(xué)性能。
圖13圖示了在訪問(wèn)端口135中設(shè)有密封件125的圖12的透鏡組件20，其中在安裝密封件125并從真空室175拆下透鏡組件20之后，空隙45保持完全真空。
在此說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)“透鏡”可以與術(shù)語(yǔ)“透鏡元件”互換。因此，繼續(xù)參考圖8到13，光學(xué)透鏡組件20包括第一透鏡元件25和第二透鏡元件35。注意第一透鏡元件具有與密封件75和85密封接合的第一外周27，同時(shí)第二透鏡元件具有與密封件95和105密封接合的第二外周。注意密封件75和85(和/或密封件95和105)可以包括物理上連續(xù)或連綿不斷的單片或大量材料，例如壓縮的o型環(huán)或連續(xù)的大量粘合劑。
注意框架元件55和65可以是連續(xù)的并形成單獨(dú)的一件框架。還要注意框架元件55和65以及外周27和37可以是圓形、正方形、矩形或任何其他合適的形狀。此外，上述由框架元件55和65的內(nèi)表面57和67形成的可能外邊界在其與空隙45之間設(shè)置了中間材料，例如金屬、金屬合金、塑料、粘合劑、彈性體化合物或前述這些的混合物。此外，框架或框架元件55和65不一定通過(guò)粘合劑、可壓縮或可擠壓的密封件等直接固定到第一和第二透鏡元件25和35的第一或第二外周27和37，而是例如可以安裝到第一和第二透鏡元件25和35的部分向前或向后的面。
如圖8到13所示，第一和第二透鏡元件25和35在空間上彼此相關(guān)地布置和定位，以便對(duì)沿光軸19穿過(guò)其的光束15以用戶期望的方式進(jìn)行準(zhǔn)直，在圖9的情況中是輸出平行光束17。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明的透鏡組件設(shè)計(jì)中可能期望并采用除了與光軸19平行的其他光束方向。
接著參考圖8到13，空隙45設(shè)置在第一透鏡元件25與第二透鏡元件35之間，并且在本發(fā)明的一種實(shí)施例中由框架元件55和65進(jìn)一步限制，框架元件55和65分別具有內(nèi)表面57和67?？蚣茉?5和65構(gòu)造成至少部分包住第一和第二外周27和37。至少部分框架內(nèi)表面57和67與至少部分密封件75、85、95和105密封接合，這些密封件接著與透鏡元件的外周27和37密封接合。如圖8到10所示，框架元件55和65可以構(gòu)造成使至少部分內(nèi)表面57和67勾畫(huà)出空隙45的外徑、邊界或邊緣。密封件75、85、95和105用于防止位于空隙中的氣體、液體或真空從其泄漏。這樣就提供了固定折射率的透鏡組件20。
注意可能期望空隙45中存在壓力而不是真空，并且可以在空隙45中設(shè)置氣體甚至合適的液體而不是空氣，這些都取決于人們可能期望用具有給定設(shè)計(jì)參數(shù)的透鏡組件20所獲得的光學(xué)或其他結(jié)果。
盡管已確定Schott BK-7玻璃是已知的特別適用于此處所述類型透鏡組件的玻璃，但可以使用除了玻璃之外的光學(xué)合適材料來(lái)構(gòu)成本發(fā)明的透鏡組件。本發(fā)明可以用于單通或雙通干涉儀以及具有三個(gè)或更多光軸的干涉儀。本發(fā)明的各種實(shí)施例中也可以采用除氦氖光源之外的激光源。此外，此處所公開(kāi)的各種結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、系統(tǒng)、組件、子組件、元件和概念可以用于除了與DMI相關(guān)的之外的裝置和方法，例如激光器、光學(xué)器件、通訊系統(tǒng)、攝影設(shè)備和方法、電話系統(tǒng)以及許多其他應(yīng)用。
因此，此處提出的某些權(quán)利要求意在限于本發(fā)明的DMI實(shí)施例，而其他權(quán)利要求不限于此處附圖中明確示出或說(shuō)明書(shū)中明確討論的本發(fā)明的各種實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)透鏡組件，包括具有第一外周的第一透鏡元件；具有第二外周的第二透鏡元件；所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便對(duì)以用戶期望的方式導(dǎo)向穿過(guò)其的光束進(jìn)行準(zhǔn)直；設(shè)置在所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件之間的空隙；框架，所述框架具有至少一個(gè)內(nèi)表面并構(gòu)造成包住所述第一外周和所述第二外周；至少一個(gè)密封件，所述至少一個(gè)密封件設(shè)置在至少部分的所述至少一個(gè)內(nèi)表面與所述第一外周和所述第二外周之間，所述至少一個(gè)密封件用于防止所述空隙中的氣體、液體或真空從其泄漏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便使入射到其上并從其穿過(guò)的光束的直徑擴(kuò)大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便使入射到其上并從其穿過(guò)的光束的直徑減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便以所述用戶期望的方式使入射到其上并從其穿過(guò)的光束聚焦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)包括玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)包括雙折射材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)用粘合劑固定并密封到所述框架。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透鏡組件，其中，所述粘合劑是從由環(huán)氧樹(shù)脂、膠、熱固性膠、熱固性環(huán)氧樹(shù)脂和氰基丙烯酸酯所構(gòu)成的組中選擇的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)用至少一個(gè)可壓縮或可擠壓的密封件固定并密封到所述框架。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的透鏡組件，其中，所述至少一個(gè)可壓縮或可擠壓的密封件包括橡膠、硅酮、彈性體材料、含金屬或其他材料的擠壓裝配件、適用膠帶、鉛、焊接件或銅焊件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述框架包括下列至少之一塑料、彈性體化合物、金屬、金屬合金、鋁、不銹鋼、鈦、鈮、鉑或者以上任何的混合物或合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述透鏡組件可以在不同的環(huán)境壓力下成功地進(jìn)行測(cè)試或校準(zhǔn)并產(chǎn)生相同或基本相同的光學(xué)結(jié)果。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述透鏡組件結(jié)合到干涉儀組件中，所述干涉儀組件配置為用作單通干涉儀。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述透鏡組件結(jié)合到干涉儀組件中，所述干涉儀組件配置為用作雙通干涉儀。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡組件，其中，所述透鏡組件結(jié)合到干涉儀組件中，所述干涉儀組件配置為用作具有三個(gè)或更多光軸的干涉儀。
16.一種干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生和發(fā)射激光束的激光源，所述激光源提供包括至少一個(gè)激光束的第一輸出，所述至少一個(gè)激光束具有第一直徑；與所述激光源提供的所述第一輸出相連的準(zhǔn)直器，所述準(zhǔn)直器包括透鏡組件，所述透鏡組件具有至少第一透鏡元件和第二透鏡元件、空隙、框架、至少一個(gè)密封件，所述第一透鏡元件具有第一外周且所述第二透鏡元件具有第二外周，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位以便從其提供所述第一直徑被擴(kuò)大或減小的第二輸出，所述空隙設(shè)置在所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件之間，所述框架具有包住所述第一外周和所述第二外周的至少一個(gè)內(nèi)表面，所述至少一個(gè)密封件設(shè)置在至少部分的所述至少一個(gè)內(nèi)表面與所述第一外周和所述第二外周之間，所述至少一個(gè)密封件用于防止所述空隙中的氣體、液體或真空從其泄漏。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述激光源是氦氖激光源。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便使入射到其上并從其穿過(guò)的光束的直徑擴(kuò)大。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便使入射到其上并從其穿過(guò)的光束的直徑減小。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便以所述用戶期望的方式使入射到其上并從其穿過(guò)的光束聚焦。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)包括玻璃。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)包括雙折射材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)用粘合劑固定并密封到所述框架。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述粘合劑是從由環(huán)氧樹(shù)脂、膠、熱固性膠、熱固性環(huán)氧樹(shù)脂和氰基丙烯酸酯所構(gòu)成的組中選擇的。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)用至少一個(gè)可壓縮或可擠壓的密封件固定并密封到所述框架。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的透鏡組件，其中，所述至少一個(gè)可壓縮或可擠壓的密封件包括橡膠、硅酮、彈性體材料、含金屬或其他材料的擠壓裝配件、適用膠帶、鉛、焊接件或銅焊件。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述框架包括下列至少之一塑料、彈性體化合物、金屬、金屬合金、鋁、不銹鋼、鈦、鈮、鉑或者以上任何的混合物或合金。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述透鏡組件可以在不同的環(huán)境壓力下成功地進(jìn)行測(cè)試或校準(zhǔn)并產(chǎn)生相同或基本相同的光學(xué)結(jié)果。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置為與單通干涉儀結(jié)合使用。
30.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置為與雙通干涉儀結(jié)合使用。
31.根據(jù)權(quán)利要求16所述的干涉測(cè)量激光源和傳輸系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置為與具有三個(gè)或更多光軸的干涉儀結(jié)合使用。
32.一種位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生和發(fā)射激光束的激光源，所述激光源提供包括至少一個(gè)激光束的第一輸出，所述至少一個(gè)激光束具有第一直徑，以及與所述激光源提供的所述第一輸出相連的準(zhǔn)直器，所述準(zhǔn)直器包括透鏡組件，所述透鏡組件具有至少第一透鏡元件和第二透鏡元件、空隙、框架、至少一個(gè)密封件，所述第一透鏡元件具有第一外周且所述第二透鏡元件具有第二外周，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位以便從其提供所述第一直徑被擴(kuò)大或減小的第二輸出，所述空隙設(shè)置在所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件之間，所述框架具有包住所述第一外周和所述第二外周的至少一個(gè)內(nèi)表面，所述至少一個(gè)密封件設(shè)置在至少部分的所述至少一個(gè)內(nèi)表面與所述第一外周和所述第二外周之間，所述至少一個(gè)密封件用于防止所述空隙中的氣體、液體或真空從其泄漏，所述準(zhǔn)直器提供第二輸出。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，還包括第一偏振分束器用于接收所述第二輸出或所述第二輸出的一部分，所述偏振分束器將第一光束與第二光束分開(kāi)并提供分開(kāi)的第一光束輸出和第二光束輸出。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，至少還包括第二偏振分束器。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，還包括干涉儀組件，所述干涉儀組件包括至少一個(gè)輸入菱形子組件。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置為作為單通干涉儀系統(tǒng)工作。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置為作為雙通干涉儀系統(tǒng)工作。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置為作為具有三個(gè)或更多光軸的干涉儀系統(tǒng)工作。
39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括至少一個(gè)角錐棱鏡用于反射測(cè)量光束與參考光束中至少之一。
40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，形成所述系統(tǒng)一部分的干涉儀是整體式的。
41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括反饋控制系統(tǒng)用于使來(lái)自所述激光源的輸出保持恒定。
42.根據(jù)權(quán)利要求32所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括設(shè)置在第一偏振分束器與干涉儀組件之間的隔離器，所述隔離器設(shè)置為至少部分地將第一光束從空間上和光學(xué)上與第二光束隔離開(kāi)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng)，其中，所述隔離器包括第一光纖光學(xué)裝置和第二光纖光學(xué)裝置用于隔離所述第一光束和所述第二光束。
44.一種制造固定折射率的透鏡組件的方法，包括提供具有第一外周的第一透鏡元件；提供具有第二外周的第二透鏡元件；將所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位以便對(duì)以用戶期望的方式導(dǎo)向穿過(guò)其的光束進(jìn)行準(zhǔn)直；在所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件之間設(shè)置空隙；提供框架，所述框架具有至少一個(gè)內(nèi)表面并構(gòu)造成包住所述第一外周與所述第二外周；提供至少一個(gè)密封件，所述密封件適于設(shè)置在至少部分的所述至少一個(gè)內(nèi)表面與所述第一外周和所述第二外周之間，所述至少一個(gè)密封件用于防止所述空隙中的氣體、液體或真空從其泄漏；圍繞所述第一外周和所述第二外周設(shè)置所述至少一個(gè)密封件；通過(guò)設(shè)置在其間的所述至少一個(gè)密封件而將所述框架固定到所述第一外周和所述第二外周，所述至少一個(gè)密封件用于防止所述空隙中的氣體、液體或真空從其泄漏。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便使入射到其上并從其穿過(guò)的光束的直徑擴(kuò)大。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述第一透鏡元件和所述第二透鏡元件在空間上彼此相對(duì)排列和定位，以便以所述用戶期望的方式使入射到其上并從其穿過(guò)的光束聚焦。
47.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)包括玻璃。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)包括雙折射材料。
49.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)用粘合劑固定并密封到所述框架。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述粘合劑是從由環(huán)氧樹(shù)脂、膠、熱固性膠、熱固性環(huán)氧樹(shù)脂和氰基丙烯酸酯所構(gòu)成的組中選擇的。
51.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述第一透鏡元件與所述第二透鏡元件中的至少一個(gè)用至少一個(gè)可壓縮或可擠壓的密封件固定并密封到所述框架。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中，所述至少一個(gè)可壓縮的或可擠壓的密封件包括橡膠、硅酮、彈性體材料、含金屬或其他材料的擠壓裝配件、適用膠帶、鉛、焊接件或銅焊件。
53.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述框架包括下列至少之一塑料、彈性體化合物、金屬、金屬合金、鋁、不銹鋼、鈦、鈮、鉑或者以上任何的混合物或合金。
54.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述透鏡組件可以在不同的環(huán)境壓力下成功地進(jìn)行測(cè)試或校準(zhǔn)并產(chǎn)生相同或基本相同的光學(xué)結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有固定折射率結(jié)構(gòu)的透鏡組件。在一種實(shí)施例中，用期望的具有預(yù)定折射率的氣體、液體或真空填充透鏡組件中的兩個(gè)透鏡或透鏡元件之間的空隙。一旦用期望的氣體、液體填充該空隙或?qū)⒃摽障冻槿〉酵耆婵?，就用多種適當(dāng)方式中任一種密封該空隙使之密閉。然后，可以在以后將透鏡組件應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下之前對(duì)其進(jìn)行測(cè)試或校準(zhǔn)以確保適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)性能水平。由于設(shè)置在透鏡組件中的真空或被填充的空隙提供了固定折射率的光學(xué)性能，該透鏡組件可以成功地用于大范圍變化的大氣條件下并仍然提供同樣的高質(zhì)量結(jié)果。
文檔編號(hào)G02B3/00GK1854805SQ200610066388
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者大衛(wèi)·M·喬治, 威廉·克萊·施盧赫特爾, 羅伯特·托德·貝特 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司