一種擴束準直光學系統及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種緊湊型的寬波段高倍率擴束準直光學系統及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 在光學檢測、光譜定標、激光雷達、安防等許多應用場合，需要對光束進行整形實 現光束的極小角度發射，從而實現光束的長距離傳輸或者最佳禪合。目前光學的系統擴束 準直可分為兩種類型，一種是針對單個波段的激光束應用開發，其對應的擴束準直系統有 透射式、反射式和兩者的結合形式；另外一種是針對多個波長下激光器應用，該種結構在保 持光學元件參數不變情況下，改變目鏡和物鏡的間距來適應不同的波長。前一種類型，因僅 適用單個波長，很容易滿足大倍率或者變換倍率的要求；后一種類型，針對多個波長的激光 器，其大倍率擴束不容易實現，需要改變目鏡和物鏡間距來適應，即通過設計專口的調整機 構或者加隔圈的辦法可滿足不同激光波長下的間距要求，如文獻《多波長透射式擴束器設 計》（J.紅外與激光，vol37，No.7)采用復雜的透射式設計實現=個波長的的擴束準直。在 調整物鏡和目鏡間距時，系統的間隔精度、平行度和同軸度等會帶來誤差，影響準直性能。 且隨著連續或者白光激光器的應用及其某些特殊應用場合，需要在寬波段范圍對連續波長 的激光光束適用的擴束準直光學系統，該種改變間距的辦法就無法滿足。
【發明內容】
[0003] 本發明針對現有技術存在的不足，提供一種寬波段的高倍率擴束準直光學系統及 其制備方法，該光學系統可適用于多個波長的激光器，而不用移動鏡片從而調整透鏡間距 適應不同波長的擴束準直，具有高質量的準直性能外，且能夠實現高光學透過率，為一種無 調距機構的緊湊型寬波段高倍率擴束準直光學系統。
[0004] 實現本發明目的的技術方案是提供一種擴束準直光學系統，它包括透射擴束準直 組和反射擴束準直組；按光線入射方向，所述的透射擴束準直組包括由一塊雙凹負鏡和一 塊雙凸正鏡組成的擴束分組，由第一塊彎月正鏡和第二塊彎月正鏡組成的準直分組，第一 塊和第二塊彎月正鏡的曲率均彎向光線入射方向；擴束分組的組合焦距為負值，準直分組 的組合焦距為正值，透射擴束準直組的倍率為準直分組的焦距與擴束分組的焦距之比的絕 對值；所述的反射擴束準直組包括兩塊具有相同焦點位置的拋物面鏡，依次為小口徑拋物 面鏡和大口徑拋物面鏡，大口徑拋物面鏡的面形為離軸凹面，反射擴束準直組的擴束準直 倍率為大口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑與小口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑的比值。
[0005] 本發明中，透射擴束準直組的倍率為2x~lOx;反射擴束準直組的倍率為8x~ 30x。雙凹負鏡和第二塊彎月正鏡的材料為火石玻璃，雙凸正鏡和第一塊彎月正鏡的材料為 冕牌玻璃。
[0006] 本發明技術方案還包括一種制備如上所述的擴束準直光學系統的方法，包括如下 步驟： (1)依據待加工擴束準直光學系統的設計要求，按透射擴束準直組的擴束倍率在2x~ lOx之間，反射擴束準直組的倍率在8x~30x之間，分配透射擴束準直組與反射擴束準直組 之間的擴束準直倍率； (2) 確定各光學元件的材料，利用光學模擬軟件，對透鏡擴束準直組內的擴束分組和準 直分組分別進行色差校正，球差優化、焦距選取，再組合擴束分組和準直分組，進行綜合象 差校正； (3) 對反射擴束準直組的曲率、間距或離軸量進行優選； (4) 組合透射擴束準直組與反射擴散準直組，對象差和準直性能進行總體優化，得到擴 束準直光學系統各元件的設計結果；對得到的結果進行判斷，若不能滿足擴束準直性能及 加工工藝要求，則按步驟（1)的方法重新調整透射擴束準直組的擴束倍率，返回步驟（2);反 之，則按所得到的設計數據加工各元件，經組裝、調試后得到一種擴束準直光學系統。
[0007] 本發明提供的光學系統由透射擴束準直組和反射擴束準直組構成，其發明原理如 下： 透射擴束準直組實現光的小倍率擴束，采用雙凹鏡-雙凸和彎月鏡-彎月鏡構成。由 于擴束比較小，象差主要為球差和色差。通過優化面形實現球差校正，通過選擇合適的玻璃 材料組合實現寬波段波長的色差校正。反射擴束組由兩片離軸拋物面反射鏡構成，采用楠 圓同屯、結構，實現小角度大倍率的擴束。經透射擴束準直組輸出的光，入射到小口徑離軸拋 物面鏡后，反射到大口徑的離軸拋物面鏡實現更大比率的擴束。
[0008] 本發明擴束準直光學系統的透射擴束準直組采用四片透鏡構成，一般實現小于10 倍W下的擴束準直。前兩片構成鏡擴束分組，第一片鏡為雙凹型式，采用色散相對高、折射 率相對高的材料；第二片鏡為雙凸型式，采用低折射率和低色散性能的材料，它們的組合 焦距為負；后兩片構成準直分組，兩片均為彎月正鏡型式，其曲率都彎向光束入射方向，兩 個鏡片的選用與前面兩片的選用相反，即第一片彎月正鏡選用低折射率和低色散性能的材 料，第二片彎月正鏡選用色散相對高、折射率相對高的材料。初始焦距和材料的選擇按如下 公式（1)、（2)和（3)確定；
其中，為透鏡擴束準直組的擴束準直倍率，iV為擴束分組的焦距，/s為準直分組 的焦距，/l和Pi分別為擴束分組中雙凹負鏡的焦距及其材料阿貝數，&和P2分別為擴束 分組中雙凸正鏡鏡的焦距及其材料阿貝數。同樣，準直分組內的鏡片的材料選擇也按公式 (1)、（2)和（3)得到。
[0009] 本發明中后射擴束準直組采用同焦點位置的兩個拋物面鏡，可實現lOxW上擴束 準直。通過拋物面鏡使光路離軸折返，可縮小光學系統結構長度。兩個拋物面鏡的其中一 個焦點在相同位置，形成楠圓的同屯、結構，可校正除場曲外的其他幾種象差，如球差，慧差， 象散等。小口徑拋物面鏡和大口徑拋物面鏡具有相同的焦點位置，即兩面的楠圓為同屯、結 構。其頂點曲率比值為該組的擴束準直比Mjj，即公式（4);
其中，瀉1為小口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑，窮2為大口徑拋物面鏡的頂點曲率半徑。 當前透射擴束準直和后反射擴束準直組組合后，形成的擴束準直倍率比為公式（5);
由此可形成超過30倍W上的擴束準直倍率，甚至可達到200倍W上的擴束準直比。兩 者結合后可通過相互補償來校正剩余的象差，如前透射組的剩余高級球差可在反射組中校 正，而反射組中的剩余場曲可在透射組中進行補償。由于采用的離軸折返光路，可W縮小系 統體積，且在離軸空間能夠放置透射擴束準直組，使透射擴束準直組不需要占用多余的空 間，從而使系統更加緊湊。
[0010] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于： 1、本發明提供的擴束準直系統，不需要設置元件調整機構或者象差補償部件就可W實 現寬波段光束的大倍率擴束準直。本發明提出的實現方法除能應用在可見近紅外波段，在 其余波段，如紫外、中波、長波紅外波段也同樣適用。
[0011] 2、本發明提供的寬波段高倍率的緊湊型擴束準直系統，可為寬波段范圍內的任意 激光波長或者白光激光器提供擴束準直，而不需要任何移動補償部件，結構緊湊，體積小， 擴束倍率大、準直性能高，可用于全息成像、光學測試、激光雷達等方面。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統結構示意 圖； 圖2為本發明實施例制備寬波段高倍率擴束準直光學系統的具體步驟流程圖； 圖3為本發明實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統在632. 8nm處的 波前圖； 圖4為本發明實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統在1064nm處的 波前圖； 圖5為本發明實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統的出射光束經 200mm理想透鏡成像后的MTF曲線圖； 圖6為本發明另一個實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統結構示 意圖。
[0013] 圖中，1、雙凹負透鏡；2、雙凸正透鏡；3、第一塊彎月透鏡；4、第二塊彎月透鏡；5、 小口徑拋物面鏡；6、大口徑拋物面鏡。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步的闡述。
[001引實施例1 : 本實施例待加工擴束準直光學系統的設計要求；入射光束為1.5mm，發散角度為 22mrad，實現33x的擴束準直，經擴束準直后出射光發散角不大于0. 7mrad，能夠適用的波 長范圍為488皿~1064m。
[0016] 參見附圖1，它是本實施例提供的一種用于寬波段高倍率擴束準直光學系統結構 示意圖；它包括透射擴束準直組和反射擴束準直組；所述的透射擴束準直組，按光線入射 方向，包括由一塊雙凹負鏡1和一塊雙凸正鏡2組成的擴束分組，由第一塊彎月正鏡3和第 二塊彎月正鏡4組成的準直分組；擴束分組的組合焦距為負，兩塊彎月正鏡的曲率彎向光 線入射方向，準直分組的組合焦距為正，透射擴束準直組的倍率為準直分組的焦距與擴束 分組的焦距之比的絕對值；反射擴束準直組包括兩塊具有相同焦點位置的拋物面鏡，依次 為小口徑拋物