一種非球面擴(kuò)束鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)鏡頭，具體涉及到一種非球面擴(kuò)束鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 擴(kuò)束鏡具有增加光束寬度，加大通光面積，便于觀察和測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激 光準(zhǔn)直、電子散斑干涉測(cè)量、菲涅爾全息照相等光學(xué)系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)中。球面擴(kuò)束鏡因其工藝要 求低、加工簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用普遍，也基本滿足了實(shí)驗(yàn)與科研的要求。隨著電子散斑 干涉技術(shù)和數(shù)字全息檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡形成波面質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高， 特別是對(duì)不規(guī)則物體的測(cè)量或在大錯(cuò)位電子散斑三維測(cè)量中，需要非對(duì)稱照明，因此傳統(tǒng) 的球面擴(kuò)束鏡已經(jīng)無法滿足像質(zhì)和非對(duì)稱的要求。相比于球面鏡，非球面鏡具有低球差的 優(yōu)點(diǎn)，可以提高光波的品質(zhì)，因而許多精密測(cè)量、科學(xué)研宄是基于非球面鏡的生產(chǎn)和開發(fā)而 進(jìn)行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了 一種非球面擴(kuò)束鏡。
[0004] 為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] 一種非球面擴(kuò)束鏡，為由非球面和柱狀側(cè)面圍成的實(shí)心透鏡，所述非球面為橢球 面，所述橢球面為豎向放置時(shí)，滿足的方程為
[0006] 優(yōu)選的，所述非球面擴(kuò)束鏡由BK7玻璃制成。
[0007] 優(yōu)選的，所述非球面的頂點(diǎn)沿x軸的曲率半徑為3mm。
[0008] 優(yōu)選的，所述非球面的頂點(diǎn)沿y軸的曲率半徑為6mm。
[0009] 優(yōu)選的，所述非球面擴(kuò)束鏡可以將平行光擴(kuò)束整形為橢圓形光斑。
[0010] 所述非球面擴(kuò)束鏡在三維電子散斑干涉儀非對(duì)稱照明中的應(yīng)用。
[0011] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果為：
[0012] 1、本發(fā)明的擴(kuò)束鏡可以得到橢圓形光斑，可以實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱照明。
[0013] 2、本發(fā)明的擴(kuò)束鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光束具有良好的普適性。
[0014] 3、本發(fā)明的擴(kuò)束鏡在對(duì)非對(duì)稱物體進(jìn)行散斑測(cè)量時(shí)，可以有效降低光散失，提高 光亮度。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明的俯視圖；
[0017] 圖3為透鏡的非近軸情況下的光學(xué)折射面；
[0018] 圖4為透鏡的近軸情況下的光學(xué)折射面；
[0019] 圖5為豎向橢球面在坐標(biāo)軸中的示意圖；
[0020] 圖6為橢圓在yoz平面的示意圖；
[0021] 圖7為模擬計(jì)算得出的平行光束通過非球面擴(kuò)束后在800mm處觀察平面上彌散圖 像。
[0022] 其中，1、非球面，2、側(cè)面。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0024] 如圖1和圖2所示，一種非球面擴(kuò)束鏡，為由非球面1和柱狀側(cè)面2圍成的實(shí)心透 鏡，所述非球面1為橢球面。
[0025] 所述非球面擴(kuò)束鏡由BK7玻璃（又稱K9玻璃，折射率n = 1. 51680)制成。
[0026] 透鏡采用半長(zhǎng)軸2mm、半短軸1. 5mm、厚度為2mm的BK7玻璃。為了得到如圖5和 圖6所示的豎橢球面，利用Biconic面型的旋轉(zhuǎn)特性，設(shè)計(jì)頂點(diǎn)D處沿x軸方向的曲率半 徑為3mm，即c = 3mm，在yoz平面內(nèi)橢圓conic值為1，同時(shí)令a = 3mm。那么頂點(diǎn)沿y軸 曲率半徑&= a ? (1+k) = 6mm ;橢球面y軸的截距
3則設(shè)計(jì)的橢球面滿足的 曲面方程為_
。將透鏡尺寸代入曲面方程可得，x軸方向曲面的最大厚度約為 0. 354mm，y軸方向曲面的最大厚度約為0. 41mm。
[0027] 擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)的基本原理
[0028] 不同的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束的偏折能力不同。物理學(xué)中，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束的偏折能力 被稱為光焦度。光焦度等于像方光束會(huì)聚度與物方光束會(huì)聚度之差，常用字母P來表示。折 射面的光焦度
，其中n'為像方折射率，n為物方折射率，R為球 面半徑，f'為像方焦距，f?為物方焦距。上述光焦度等式對(duì)任何光學(xué)系統(tǒng)都是普適的。在近 軸條件下，光焦度對(duì)光線的偏折本領(lǐng)滿足近軸光線追跡公式（PRTE)?？紤]到如圖3中所示 非近軸情況下的光學(xué)折射面。圖中有一條光線以高度y入射到折射面，并發(fā)生折射。在光 線與折射面的交點(diǎn)處，畫出了面的法線及與光軸平行的一條直線，它們都以虛線表示。圖中 還標(biāo)出了光線與光軸間的夾角（U和U'）、光線的入射角和折射角（I和I'）以及折射面的 曲率C(C = 1/R)。如果交點(diǎn)向下移動(dòng)接近光軸，圖3就將演變成如圖4所示的近軸情況。
[0029] 根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，在圖4中，_a = y/R，則角度a可表示為
[0030] a= -y/R=-yC (1)
[0031] 圖4中的各角度間的關(guān)系為
[0033] 而在近軸條件下斯涅爾公式表示為
[0034] ni = n，i， (3)
[0035] 將式⑵代入式⑶有
[0036] n (_a+u) = n'（_a+u'）
[0037] n'u' =nu_na+n'a
[0038] n'u' =nu+(n' _n)a (4)
[0039] 將式⑴代入式⑷得
[0040] nrur =nu-y[ (n'-n)C] (5)
[0041] 式（5)稱為彎曲的近軸光線追跡公式（PRTE)，其中，=p是單個(gè)折射面的 光焦度。由式（5)可知，0的數(shù)值越大，光線偏折能力越強(qiáng)。因此，改變折射面的曲率半徑 即可改變光線的偏折方向，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)圓形光斑的整形。
[0042] 如圖7所示，軟件模擬結(jié)果表明：新型擴(kuò)束鏡能夠?qū)崿F(xiàn)非球面、非均勻擴(kuò)束，能夠 使直徑2mm、波長(zhǎng)632. 8nm的平行光在800mm處擴(kuò)束整形為280mmX140mm的橢圓形光斑，且 對(duì)不同波長(zhǎng)的光束具有很好的普適性。
[0043] 上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)發(fā)明保護(hù)范圍 的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需 要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非球面擴(kuò)束鏡，其特征在于：所述非球面擴(kuò)束鏡為由非球面和柱狀側(cè)面 圍成的實(shí)心透鏡，所述非球面為橢球面，所述橢球面為豎向放置時(shí)，滿足的方程為：2. 根據(jù)權(quán)利要求1中的非球面擴(kuò)束鏡，其特征在于：所述非球面擴(kuò)束鏡由BK7玻璃制 成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2中的非球面擴(kuò)束鏡，其特征在于：所述非球面的頂點(diǎn)沿X軸的曲率 半徑為3mm〇4. 根據(jù)權(quán)利要求3中的非球面擴(kuò)束鏡，其特征在于：所述非球面的頂點(diǎn)沿y軸的曲率 半徑為6mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求4任一所述的非球面擴(kuò)束鏡，其特征在于：所述非球面擴(kuò)束鏡可以將 平行光擴(kuò)束整形為橢圓形光斑。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述非球面擴(kuò)束鏡在三維電子散斑干涉儀非對(duì)稱照明中的 應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種非球面擴(kuò)束鏡，所述非球面擴(kuò)束鏡為由非球面和柱狀側(cè)面圍成的實(shí)心透鏡，所述非球面為橢球面，所述橢球面為豎向放置時(shí)，滿足的方程為：本發(fā)明的擴(kuò)束鏡可以得到橢圓形光斑，可以實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱照明。本發(fā)明的擴(kuò)束鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光束具有良好的普適性，本發(fā)明的擴(kuò)束鏡在對(duì)非對(duì)稱物體進(jìn)行散斑測(cè)量時(shí)，可以有效降低光散失，提高光亮度。
【IPC分類】G01B9/02, G02B27/09
【公開號(hào)】CN104898284
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510218607
【發(fā)明人】孫平, 牟懷廣
【申請(qǐng)人】山東師范大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年4月30日