一種單個(gè)橢球面擴(kuò)束透鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單個(gè)橢球面擴(kuò)束透鏡，該橢球面透鏡由前后兩個(gè)橢球面、垂軸圓環(huán)平面和圓柱側(cè)面所圍成，所述橢球面透鏡關(guān)于其中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。只用一片橢球面透鏡就可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束功能，大大簡(jiǎn)化了擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也使輸出光束光斑的均勻性大大提高。該橢球面透鏡的擴(kuò)束比為17.40，輸入光束的最大半徑為5mm，輸出光束的最大半徑為87mm。該橢球面擴(kuò)束鏡的材料是SK2玻璃，折射率等于1.600。
【專利說(shuō)明】一種單個(gè)橢球面擴(kuò)束透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)鏡頭，具體涉及到一種用于擴(kuò)束的單個(gè)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(gè)橢球面透鏡輸出光束半徑大于7?的平行出射光束，7?>r， 且不改變光束的平面波特性，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在與光有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，常常需要光的擴(kuò)束(縮束)。激光器出射光束很細(xì)，為了更多 的應(yīng)用也必須對(duì)出射光擴(kuò)束和準(zhǔn)直。最常用的擴(kuò)束系統(tǒng)有折射式系統(tǒng)、反射式系統(tǒng)和折反 混合系統(tǒng)。相比于折射系統(tǒng)，反射式擴(kuò)束系統(tǒng)沒(méi)有色差，且容易實(shí)現(xiàn)大口徑高能量反射，在 航天遙感等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。折射式擴(kuò)束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但當(dāng)變倍比較大時(shí)，要求有的大 透鏡口徑，使得與口徑有關(guān)的球差、慧差等像差顯著增大，影響了光束的準(zhǔn)直性和均勻性。 因此折射式擴(kuò)束系統(tǒng)只是被應(yīng)用在變倍比要求較小擴(kuò)束(縮束)系統(tǒng)中。本文也主要研究折 射式擴(kuò)束系統(tǒng)，但這種擴(kuò)束系統(tǒng)由球面組成，它的球差與透鏡口徑無(wú)關(guān)，幾乎為〇。
[0003] 傳統(tǒng)的折射式擴(kuò)束系統(tǒng)，至少有兩個(gè)單個(gè)透鏡構(gòu)成，使兩個(gè)不同焦距單個(gè)透鏡的 焦點(diǎn)重合，擴(kuò)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(shù)量。但這兩種方法又會(huì)引起衍射散斑條紋，影響擴(kuò)束(縮束）光斑的均勻性。 鏡片數(shù)量的增加還增加了系統(tǒng)裝配調(diào)試的難度。根據(jù)橢球面特殊的光學(xué)折射特性和折射定 律的矢量形式，本文提出了用單個(gè)橢球面透鏡作為擴(kuò)束或縮束鏡，即只靠一片橢球面透鏡 就可實(shí)現(xiàn)光的擴(kuò)束縮束功能，并且當(dāng)透鏡的口徑增大時(shí)，球差還幾乎保持為〇,解決了影響 系統(tǒng)調(diào)配困難和出射光斑不均勻的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是克服現(xiàn)有折射式擴(kuò)束系統(tǒng)至少由兩片鏡片組成、裝 配調(diào)試麻煩且出射光斑不均勻的問(wèn)題。提出了一種用單個(gè)透鏡就可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(kuò)束，免去了兩片鏡或多片鏡焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的麻煩， 提高了擴(kuò)束光斑的均勻性。
[0005] 本發(fā)明的橢球面透鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示，橢球面透鏡由橢球面（1)、橢球面（2)、垂軸 圓環(huán)平面（3)和側(cè)面（4)所圍成，所述橢球面透鏡關(guān)于其中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)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(jīng)橢球面（1)第一次折射后照射到橢球面（2) 上，再經(jīng)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(shí)現(xiàn)光的擴(kuò)束；逆 光路為縮束。
[0006] 優(yōu)選的，所述橢球面（1)應(yīng)滿足下列公式的要求：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于擴(kuò)束的單個(gè)橢球面透鏡，其特征在于：橢球面透鏡由橢球面（1)、橢球面 (2)、垂軸圓環(huán)平面（3)和側(cè)面（4)所圍成，所述橢球面透鏡關(guān)于其中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)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(jīng)橢球面（1)第一次折射后照射到橢 球面（2)上，再經(jīng)橢球面（2)第二次折射后平行于光軸出射，出射光束半徑實(shí)現(xiàn)光的 擴(kuò)束；逆光路為縮束。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于擴(kuò)束的單個(gè)橢球面透鏡，其特征在于：所述橢球面（1) 應(yīng)滿足下列公式的要求：
其中：A=-Jy2 +Z2 ,O<A< 5. 75mm。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于擴(kuò)束的單個(gè)橢球面透鏡，其特征在于：所述橢球面（2) 應(yīng)滿足下列公式的要求： 其中：A=、加2 +Z2，O<A< 95mm。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種用于擴(kuò)束的單個(gè)橢球面透鏡，其特征在于：所述橢球面透 鏡的垂軸圓環(huán)平面（3)的內(nèi)外半徑分別為5. 75mm和95mm,垂軸圓環(huán)平面的位置在x=6. 86 mm處；所述橢球面透鏡的側(cè)面（4)為一圓柱側(cè)面被橢球面（2)和圓環(huán)平面（3)所截部分，其 底面半徑為95mm;所述橢球面透鏡的橢球面（1)頂點(diǎn)到橢平面（2)頂點(diǎn)的距離￠/=221mm。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于擴(kuò)束的單個(gè)橢球面透鏡，其特征在于：所述橢球面透 鏡的材料為SK2玻璃，其折射率為1. 60。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種用于擴(kuò)束的單個(gè)橢球面透鏡，其特征在于：平行于光軸入 射到橢球面（1)上的最大光束半徑為rmax=5mm。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK104237981SQ201410419007
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】秦華, 馮東太, 劉波 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)