一种在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统的制作方法 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统。背景技术：2.在板条激光或光束合成等激光应用中，经常需要对激光束的形状进行变换，例如要求圆形光斑变成椭圆光斑，或条形光斑变换为矩形光斑等，光斑形态的变换中通常还伴随着要求光束尺寸变大或缩小的需求。目前通常采用的光束变换整形方式主要包括四种，第一种是将两组柱面一维望远系统组合使用，每组望远镜系统分别对激光光束的水平和垂直方向进行整形变换，这种方法至少需要四片柱面镜，结构较为复杂。第二种是采用球面镜等圆对称曲面镜和柱面镜组合使用，实现光束的变换整形，减少了柱面镜的使用数量，但这种方法结构仍然较为复杂，并且变换后的光束形态不规则。第三种是采用衍射光学元件进行整形，但在目前的制作水平下，光学效率较低、对激光光束质量的影响较大，并且不能耐受强激光，应用范围受到限制。第四种是采用双楔镜对激光束进行一维整形，同第一种方法一样，也需要两套以上的系统才能同时实现光束形态和尺寸的变换，系统结构较为复杂，并且光束入射角度较大，光学效率较低。技术实现要素：3.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种在正交方向上同时实现任意不同光束变换倍率的双镜光学系统。4.本发明所采用的技术方案为：5.一种在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统，包括主镜和次镜，待整形的激光束从次镜入射，经过整形后从主镜出射；所述主镜和次镜在直角坐标系下的数学表达式均为：[0006][0007]其中，z为平行于z轴方向的表面矢高；x、y分别为曲面在x轴和y轴的坐标值；cx、cy分别为x轴和y轴方向的表面曲率；kx、ky分别为x轴和y轴方向表面圆锥系数；ar为四阶旋转对称系数；br为六阶旋转对称系数；cr为八阶旋转对称系数；dr为十阶旋转对称系数；ap为四阶非旋转对称系数；bp为六阶非旋转对称系数；cp为八阶非旋转对称系数；dp为十阶非旋转对称系数。[0008]光束沿z轴入射，双镜光学系统的次镜和主镜沿x方向的截面都是抛物形非球柱面，两者在x方向构成一组望远系统，实现对x方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的次镜和主镜沿y方向的截面也都是抛物形非球柱面，物镜和目镜的两者在y方向构成一组望远系统，实现对y方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的各镜片在x截面和y截面的曲率半径可以分别取不同数值，对光束在x和y方向的变换是独立的，能够同时实现对光束在x方向和y方向不同的变换倍率，并可以独立选择光学构型为伽利略式或牛顿式光学望远镜。[0009]作为本发明的优选方案，所述主镜与次镜之间没有实焦点时，主镜与次镜的间距为：[0010]d＝(mx-1)*fmx＝(my-1)*fmy；[0011]所述主镜与次镜之间有实焦点时，主镜与次镜的间距为：[0012]d＝(mx+1)*fmx＝(my+1)*fmy；[0013]其中，mx为x方向光束变换倍率；my为y方向光束变换倍率；fmx为次镜(2)在x方向焦距；fmy为次镜(2)在y方向焦距。[0014]其中，mx为x方向光束变换倍率；my为y方向光束变换倍率；fmx为次镜在x方向焦距；fmy为次镜在y方向焦距。[0015]作为本发明的优选方案，所述主镜与次镜的焦距关系为：[0016]fwx＝mx*fmx；[0017]fwy＝my*fmy；[0018]其中，fmx为次镜在x方向焦距；fwx为主镜在x方向的焦距；fmy为次镜在y方向焦距；fwx为主镜在x方向的焦距。[0019]作为本发明的优选方案，[0020]kx＝ky＝-1；[0021]ar＝br＝cr＝dr＝ap＝bp＝cp＝dp＝0。[0022]作为本发明的优选方案，所述主镜和次镜均为透镜。[0023]作为本发明的优选方案，所述主镜和次镜均为反射镜。本发明的优选方案为采用全反射式光学结构，目前反射膜系耐强光能力通常高于透射膜系，能够耐受更高功率密度的强激光。全反射整形器件热吸收少，并且便于采用液冷等散热装置控制器件温升，在强光下热畸变小，有利于长时间出光时始终保持激光的光束质量不发生退化。全反射式整形系统无色差，使用谱段内光学像差相同，在宽光谱激光合成应用中更有利于控制参与合成的各波长激光的光束质量。全反射式整形器无后向散射，对激光器不产生散射杂光干扰，有利于更高功率激光整形应用。[0024]作为本发明的优选方案，所述主镜和次镜的材料为光学玻璃或光学晶体。[0025]作为本发明的优选方案，所述主镜和次镜表面镀光学薄膜。[0026]本发明的有益效果为：[0027]本发明采用两片反射镜或两片透镜，通过对主镜和次镜的非球曲面进行特殊限定，实现激光束水平方向和垂直方向的扩束或缩束变换，并且可以根据需要实现水平方向和垂直方向不同的光束变换倍率。本发明的光学结构简单，整形器体积小，轻量化水平高。附图说明[0028]图1是本发明实施例1的光路示意图。[0029]图2是本发明实施例1的x方向光束变换示意图。[0030]图3是本发明实施例1的y方向光束变换示意图。[0031]图4为本发明实施例2的光路示意图。[0032]图5为本发明实施例2的x方向光束变换示意图。[0033]图6为本发明实施例2的y方向光束变换示意图。[0034]图7为本发明实施例3的光路示意图。[0035]图8为本发明实施例3的x方向光束变换示意图。[0036]图9为本发明实施例3的y方向光束变换示意图。[0037]图10为本发明实施例4的光路示意图。[0038]图11为本发明实施例4的x方向光束变换示意图。[0039]图12为本发明实施例4的y方向光束变换示意图。[0040]图中：1-变换前的光斑横截面形状；2-次镜；3-主镜；4-通过双镜光学系统后的光斑横截面形状。具体实施方式[0041]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。[0042]因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0043]实施例1：[0044]如图1～图3所示，本实施例的在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统，包括主镜3和次镜2，待整形的激光束从次镜2入射，经过整形后从主镜3出射。次镜2和主镜3共同构成双方向光束整形系统，对入射光束进行整形，其中在x方向对光束进行缩束，缩束倍率为6倍，在y方向对光束进行扩束，扩束倍率为15倍。双镜整形系统在x方向和y方向都采用伽利略式望远镜构型，主镜3和次镜2之间无实焦点。[0045]所述主镜3和次镜2在直角坐标系下的数学表达式均为：[0046][0047]其中，z为平行于z轴方向的表面矢高；x、y分别为曲面在x轴和y轴的坐标值；cx、cy分别为x轴和y轴方向的表面曲率；kx、ky分别为x轴和y轴方向表面圆锥系数；ar为四阶旋转对称系数；br为六阶旋转对称系数；cr为八阶旋转对称系数；dr为十阶旋转对称系数；ap为四阶非旋转对称系数；bp为六阶非旋转对称系数；cp为八阶非旋转对称系数；dp为十阶非旋转对称系数。[0048]光束沿z轴入射，双镜光学系统的次镜2和主镜3沿x方向的截面都是抛物形非球柱面，两者在x方向构成一组望远系统，实现对x方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的次镜2和主镜3沿y方向的截面也都是抛物形非球柱面，物镜和目镜的两者在y方向构成一组望远系统，实现对y方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的各镜片在x截面和y截面的曲率半径可以分别取不同数值，对光束在x和y方向的变换是独立的，能够同时实现对光束在x方向和y方向不同的变换倍率，并可以独立选择光学构型为伽利略式或牛顿式光学望远镜。[0049]所述主镜3与次镜2的间距为：[0050]d＝(mx-1)*fmx＝(my-1)*fmy；[0051]其中，mx为x方向光束变换倍率；my为y方向光束变换倍率；fmx为次镜2在x方向焦距；fmy为次镜2在y方向焦距。[0052]所述主镜3与次镜2的焦距关系为：[0053]fwx＝mx*fmx；[0054]fwy＝my*fmy；[0055]其中，fmx为次镜2在x方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距；fmy为次镜2在y方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距。[0056]所述主镜3和次镜2均为反射镜。本发明的优选方案为采用全反射式光学结构，目前反射膜系耐强光能力通常高于透射膜系，能够耐受更高功率密度的强激光。全反射整形器件热吸收少，并且便于采用液冷等散热装置控制器件温升，在强光下热畸变小，有利于长时间出光时始终保持激光的光束质量不发生退化。全反射式整形系统无色差，使用谱段内光学像差相同，在宽光谱激光合成应用中更有利于控制参与合成的各波长激光的光束质量。全反射式整形器无后向散射，对激光器不产生散射杂光干扰，有利于更高功率激光整形应用。[0057]图1中，次镜2为离轴反射元件，反射面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝-696.013mm，y方向表面曲率半径为ry＝41.431mm，两个方向的表面圆锥系数kx＝ky＝-1，其余高阶非球面系数都为零。主镜3为离轴反射元件，反射面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝-116.002mm，y方向表面曲率半径为ry＝621.442mm，两个方向的表面圆锥系数kx＝ky＝-1，其余高阶非球面系数都为零。次镜2和主镜3镜面中心间距为290mm，次镜2在x方向离轴量为150mm，在y方向离轴量为零。[0058]图2是双镜光学系统在x方向光束变换示意图，次镜2在x方向截面为凹抛物面反射镜，主镜3在x方向截面为凸抛物面反射镜，两者共同构成激光缩束系统，系统设计像差达到近衍射极限。[0059]图3是双镜光学系统在y方向光束变换示意图，次镜2在y方向截面为凸抛物面反射镜，主镜3在y方向截面为凹抛物面反射镜，两者共同构成激光扩束系统，系统设计像差达到近衍射极限。[0060]实施例2：[0061]如图4～图6所示，本实施例的在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统，包括主镜3和次镜2，待整形的激光束从次镜2入射，经过整形后从主镜3出射。次镜2和主镜3共同构成双方向光束整形系统，对入射光束进行整形，其中在x方向对光束进行扩束，扩束倍率为15倍，在y方向对光束进行缩束，缩束倍率为6倍。双镜整形系统在x方向和y方向都采用牛顿式望远镜构型，主镜3和次镜2之间有实焦点。[0062]所述主镜3和次镜2在直角坐标系下的数学表达式均为：[0063][0064]其中，z为平行于z轴方向的表面矢高；x、y分别为曲面在x轴和y轴的坐标值；cx、cy分别为x轴和y轴方向的表面曲率；kx、ky分别为x轴和y轴方向表面圆锥系数；ar为四阶旋转对称系数；br为六阶旋转对称系数；cr为八阶旋转对称系数；dr为十阶旋转对称系数；ap为四阶非旋转对称系数；bp为六阶非旋转对称系数；cp为八阶非旋转对称系数；dp为十阶非旋转对称系数。[0065]光束沿z轴入射，双镜光学系统的次镜2和主镜3沿x方向的截面都是抛物形非球柱面，两者在x方向构成一组望远系统，实现对x方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的次镜2和主镜3沿y方向的截面也都是抛物形非球柱面，物镜和目镜的两者在y方向构成一组望远系统，实现对y方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的各镜片在x截面和y截面的曲率半径可以分别取不同数值，对光束在x和y方向的变换是独立的，能够同时实现对光束在x方向和y方向不同的变换倍率，并可以独立选择光学构型为伽利略式或牛顿式光学望远镜。[0066]所述主镜3与次镜2的间距为：[0067]d＝(mx+1)*fmx＝(my+1)*fmy；[0068]其中，mx为x方向光束变换倍率；my为y方向光束变换倍率；fmx为次镜2在x方向焦距；fmy为次镜2在y方向焦距。[0069]所述主镜3与次镜2的焦距关系为：[0070]fwx＝mx*fmx；[0071]fwy＝my*fmy；[0072]其中，fmx为次镜2在x方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距；fmy为次镜2在y方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距。[0073]所述主镜3和次镜2均为反射镜。本发明的优选方案为采用全反射式光学结构，目前反射膜系耐强光能力通常高于透射膜系，能够耐受更高功率密度的强激光。全反射整形器件热吸收少，并且便于采用液冷等散热装置控制器件温升，在强光下热畸变小，有利于长时间出光时始终保持激光的光束质量不发生退化。全反射式整形系统无色差，使用谱段内光学像差相同，在宽光谱激光合成应用中更有利于控制参与合成的各波长激光的光束质量。全反射式整形器无后向散射，对激光器不产生散射杂光干扰，有利于更高功率激光整形应用。[0074]图4中，次镜2为离轴反射元件，反射面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝-50.0015mm，y方向表面曲率半径为rx＝-685.7143mm，两个方向的表面圆锥系数kx＝ky＝-1，其余高阶非球面系数都为零。主镜3为离轴反射元件，反射面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝749.998mm，y方向表面曲率半径为ry＝-114.2857mm，两个方向的表面圆锥系数kx＝ky＝-1，其余高阶非球面系数都为零。次镜2和主镜3镜面中心间距为400mm，次镜2在y方向离轴量为150mm，在y方向离轴量为零。[0075]图5是双镜光学系统在x方向光束变换示意图，次镜2在x方向截面为凹抛物面反射镜，主镜3在x方向截面为凹抛物面反射镜，两者共同构成激光扩束系统，系统设计像差达到近衍射极限。[0076]图6是双镜光学系统在y方向光束变换示意图，次镜2在y方向截面为凹抛物面反射镜，主镜3在y方向截面为凹抛物面反射镜，两者共同构成激光缩束系统，系统设计像差达到近衍射极限。[0077]实施例3：[0078]如图7～图9所示，本实施例的在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统，包括主镜3和次镜2，待整形的激光束从次镜2入射，经过整形后从主镜3出射。次镜2和主镜3共同构成双方向光束整形系统，对入射光束进行整形，其中在x方向对光束进行缩束，缩束倍率为3倍，在y方向对光束进行扩束，扩倍率为6倍。双镜整形系统在x方向和y方向都采用伽利略式望远镜构型，主镜3和次镜2之间无焦点。[0079]所述主镜3和次镜2在直角坐标系下的数学表达式均为：[0080][0081]其中，z为平行于z轴方向的表面矢高；x、y分别为曲面在x轴和y轴的坐标值；cx、cy分别为x轴和y轴方向的表面曲率；kx、ky分别为x轴和y轴方向表面圆锥系数；ar为四阶旋转对称系数；br为六阶旋转对称系数；cr为八阶旋转对称系数；dr为十阶旋转对称系数；ap为四阶非旋转对称系数；bp为六阶非旋转对称系数；cp为八阶非旋转对称系数；dp为十阶非旋转对称系数。[0082]光束沿z轴入射，双镜光学系统的次镜2和主镜3沿x方向的截面都是抛物形非球柱面，两者在x方向构成一组望远系统，实现对x方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的次镜2和主镜3沿y方向的截面也都是抛物形非球柱面，物镜和目镜的两者在y方向构成一组望远系统，实现对y方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的各镜片在x截面和y截面的曲率半径可以分别取不同数值，对光束在x和y方向的变换是独立的，能够同时实现对光束在x方向和y方向不同的变换倍率，并可以独立选择光学构型为伽利略式或牛顿式光学望远镜。[0083]所述主镜3与次镜2的间距为：[0084]d＝(mx-1)*fmx＝(my-1)*fmy；[0085]其中，mx为x方向光束变换倍率；my为y方向光束变换倍率；fmx为次镜2在x方向焦距；fmy为次镜2在y方向焦距。[0086]所述主镜3与次镜2的焦距关系为：[0087]fwx＝mx*fmx；[0088]fwy＝my*fmy；[0089]其中，fmx为次镜2在x方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距；fmy为次镜2在y方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距。[0090]图7中，次镜2为透射元件，透镜材料为熔石英玻璃，厚度为20mm，一个表面为平面，另一个表面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝362.6762mm，y方向表面曲率半径为ry＝-48.3583mm，两个方向的表面圆锥系数分别为kx＝-0.6105、ky＝-0.5899，其余高阶非球面系数都为零。主镜3也为透射元件，透镜材料为熔石英玻璃，厚度为20mm，一个表面为平面，另一个表面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝120.9305mm，y方向表面曲率半径为ry＝-290.0888mm，两个方向的表面圆锥系数分别为kx＝-0.6089、ky＝-0.587，其余高阶非球面系数都为零。次镜2和主镜3镜面中心间距为500mm。[0091]图8是双镜光学系统在x方向光束变换示意图，次镜2在x方向截面为平凸表面，主镜3在x方向截面为平凹表面，两者共同构成x方向激光缩束系统。[0092]图9是双镜光学系统在y方向光束变换示意图，次镜2在y方向截面为平凹表面，主镜3在y方向截面为平凸表面，两者共同构成y方向激光扩束系统。[0093]实施例4：[0094]如图10～图12所示，本实施例的在正交方向上实现不同光束变换倍率的双镜光学系统，包括主镜3和次镜2，待整形的激光束从次镜2入射，经过整形后从主镜3出射。次镜2和主镜3共同构成双方向光束整形系统，对入射光束进行整形，其中在x方向对光束进行扩束，扩束倍率为6倍，在y方向对光束进行缩束，扩倍率为3倍。双镜整形系统在x方向和y方向都采用牛顿式望远镜构型，主镜3和次镜2之间有焦点。[0095]所述主镜3和次镜2在直角坐标系下的数学表达式均为：[0096][0097]其中，z为平行于z轴方向的表面矢高；x、y分别为曲面在x轴和y轴的坐标值；cx、cy分别为x轴和y轴方向的表面曲率；kx、ky分别为x轴和y轴方向表面圆锥系数；ar为四阶旋转对称系数；br为六阶旋转对称系数；cr为八阶旋转对称系数；dr为十阶旋转对称系数；ap为四阶非旋转对称系数；bp为六阶非旋转对称系数；cp为八阶非旋转对称系数；dp为十阶非旋转对称系数。[0098]光束沿z轴入射，双镜光学系统的次镜2和主镜3沿x方向的截面都是抛物形非球柱面，两者在x方向构成一组望远系统，实现对x方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的次镜2和主镜3沿y方向的截面也都是抛物形非球柱面，物镜和目镜的两者在y方向构成一组望远系统，实现对y方向光束的扩束或缩束整形。双镜光学系统的各镜片在x截面和y截面的曲率半径可以分别取不同数值，对光束在x和y方向的变换是独立的，能够同时实现对光束在x方向和y方向不同的变换倍率，并可以独立选择光学构型为伽利略式或牛顿式光学望远镜。[0099]所述主镜3与次镜2的间距为：[0100]d＝(mx+1)*fmx＝(my+1)*fmy；[0101]其中，mx为x方向光束变换倍率；my为y方向光束变换倍率；fmx为次镜25在x方向焦距；fmy为次镜2在y方向焦距。[0102]所述主镜3与次镜2的焦距关系为：[0103]fwx＝mx*fmx；[0104]fwy＝my*fmy；[0105]其中，fmx为次镜2在x方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距；fmy为次镜2在y方向焦距；fwx为主镜3在x方向的焦距。[0106]图10中，次镜2为透射元件，透镜材料为熔石英玻璃，厚度为20mm，一个表面为平面，另一个表面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为46.6069mm，y方向表面曲率半径为ry＝244.7293mm，两个方向的表面圆锥系数分别为kx＝-0.1694、ky＝-0.4577，其余高阶非球面系数都为零。主镜3也为透射元件，透镜材料为熔石英玻璃，厚度为20mm，一个表面为平面，另一个表面为二阶非对称非球面，x方向表面曲率半径为rx＝-279.6392mm，y方向表面曲率半径为ry＝-81.5948mm，两个方向的表面圆锥系数分别为kx＝-0.6491、ky＝-0.8989，其余高阶非球面系数都为零。次镜2和主镜3镜面中心间距为684.25mm。[0107]图11是双镜光学系统在x方向光束变换示意图，次镜2在x方向截面为平凸表面，主镜3在x方向截面为平凸表面，两者共同构成x方向激光缩束系统。[0108]图12是双镜光学系统在y方向光束变换示意图，次镜2在y方向截面为平凸表面，主镜3在y方向截面为平凸表面，两者共同构成y方向激光扩束系统。[0109]本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。









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