采用兩個(gè)倍率可調(diào)透鏡的擴(kuò)束器的制造方法
【專利說明】采用兩個(gè)倍率可調(diào)透鏡的擴(kuò)束器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2013年8月22日提交的序列號(hào)為61/868,909的申請(qǐng)中的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。美國臨時(shí)專利申請(qǐng)61 /868，909的公開內(nèi)容以全文引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明通常涉及擴(kuò)束器，更具體涉及能夠電控其中的輸出光束尺寸的可變擴(kuò)束器。
【背景技術(shù)】
[0004]光線或激光擴(kuò)束器是一種允許平行光線或激光由輸入光束尺寸擴(kuò)展為更大輸出光束尺寸的裝置。擴(kuò)束器通常用于降低發(fā)散度。另外一種常見用途是擴(kuò)大光束，然后利用另外的鏡片聚焦，以減小光斑的尺寸。多個(gè)擴(kuò)束器用于許多科學(xué)和工程應(yīng)用中，利用它們的輸出光束進(jìn)行測(cè)量。它們的光束放大倍率，沒有影響色彩和故意回避焦點(diǎn)，適用于從小至顯微鏡到大至天文測(cè)量的多種應(yīng)用。
[0005]在很多應(yīng)用中，需要調(diào)節(jié)光束尺寸或擴(kuò)張比?，F(xiàn)有的可變擴(kuò)束器通常由旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)要求的擴(kuò)張比，而固定擴(kuò)束器則設(shè)有滑動(dòng)準(zhǔn)直調(diào)節(jié)裝置。但是，這些光束尺寸或擴(kuò)張比的調(diào)節(jié)包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)致系統(tǒng)遲緩、龐大和笨重。
[0006]基于旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)束器還由于透鏡光軸相對(duì)于作為整體的系統(tǒng)光軸的有限對(duì)中性，容易受到不佳的對(duì)準(zhǔn)誤差影響。利用液體透鏡能夠降低該誤差。
[0007]因此，需要一種緊湊的、無需旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更便捷的擴(kuò)束操作的可變擴(kuò)束器。此外，傳統(tǒng)的擴(kuò)束器需要手動(dòng)校準(zhǔn)來降低光束的發(fā)散或會(huì)聚度。因此，還需要一種自動(dòng)地執(zhí)行此校準(zhǔn)的設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一實(shí)施例提供了可變擴(kuò)束器，包括第一透鏡，所述第一透鏡具有可通過控制電路調(diào)節(jié)的第一焦距;第二透鏡，所述第二透鏡具有可通過所述控制電路調(diào)節(jié)的第二焦距，其中所述第一透鏡和所述第二透鏡相隔一固定距離，其中所述控制電路被配置為適應(yīng)所述第一焦距和第二焦距，以使得第一焦距和第二焦距的總和等于所述固定距離。
[0009]本發(fā)明的另一實(shí)施例提供了一種可變擴(kuò)束器，包括第一透鏡，所述第一透鏡具有可通過控制電路調(diào)節(jié)的第一焦距，所述第一透鏡的光軸設(shè)置在第一垂直方向；可變擴(kuò)束器，包括第一透鏡，所述第一透鏡具有可通過控制電路調(diào)節(jié)的第一焦距，所述第二透鏡的光軸設(shè)置在第二垂直方向；第一反射鏡;第二反射鏡;第三反射鏡；以及第四反射鏡，其中第一反射鏡被配置為引導(dǎo)從所述可變擴(kuò)束器的輸入端光束在第一垂直方向上穿過第一透鏡;其中所述第二反射鏡被配置為引導(dǎo)穿過了第一透鏡的光束至第三反射鏡;其中所述第三反射鏡被配置為將來自第二反射鏡的光束引導(dǎo)在第二垂直方向上穿過第二透鏡;其中所述第四反射鏡被配置為將穿過第二透鏡的光束引導(dǎo)至所述可變擴(kuò)束器的輸出端;其中所述控制電路被設(shè)置為調(diào)節(jié)所述第一焦距和第二焦距，以使得第一焦距和第二焦距的總和等于從第一透鏡到第二反射鏡、從第二反射鏡到第三反射鏡、從第三反射鏡到第二透鏡的路徑的總和。
[0010]本發(fā)明的另一實(shí)施例提供了一種可變擴(kuò)束器的運(yùn)作方法，所述可變擴(kuò)束器包括第一透鏡，所述第一透鏡具有可通過控制電路調(diào)節(jié)的第一焦距;第二透鏡，所述第二透鏡具有可通過所述控制電路調(diào)節(jié)的第二焦距，其中所述第一透鏡和所述第二透鏡相隔一固定距離，所述方法包括利用所述控制電路調(diào)節(jié)第一焦距和第二焦距，以使得第一焦距和第二焦距的總和等于所述固定距離。
【附圖說明】
[0011]圖1表示擴(kuò)束器的原理。
[0012]圖2表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可變擴(kuò)束器。
[0013]圖3表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可變擴(kuò)束器。
[0014]圖4表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，光束尺寸如何根據(jù)焦點(diǎn)位置而變化。
[0015]圖5表示衍射導(dǎo)致的光束半徑作為從設(shè)備出口光闌的距離的函數(shù)。
[0016]圖6表示根據(jù)一實(shí)施例優(yōu)化的光束半徑作為從設(shè)備出口光闌的距離的函數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]根據(jù)本發(fā)明原理的示例性實(shí)施例描述應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖理解，附圖是整個(gè)文字描述的一部分。在此公開的本發(fā)明實(shí)施例的描述僅用于便于闡明本發(fā)明，而并非旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。關(guān)系詞，例如“較低”、“較高”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上”、“下”、“頂部”和“底部”及其衍生用語應(yīng)當(dāng)被解釋為參考涉及的附圖。這些關(guān)系詞僅用于方便描述，除非有明確的表述，否則并不要求裝置按照特定的方向制造或操作。詞語，例如“附”、“貼”、“連接”、“耦合”、“相互連接”以及涉及類似關(guān)系，除非另有明確說明，在上述關(guān)系中，結(jié)構(gòu)通過直接或間接干涉的結(jié)構(gòu)，彼此相互固定或連接，并且兩者都可動(dòng)或剛性附著或聯(lián)系。而且，通過參考實(shí)施例說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)受到描述了一些可能的非限制性的特征組合的實(shí)施例限制，其中所述特征可以單獨(dú)存在或存在其他的特征組合中；本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
[0018]本發(fā)明描述了最佳方式或目前預(yù)期的實(shí)踐本發(fā)明的方式。這些描述不應(yīng)當(dāng)被理解為一種限制，而是以示例性目的提供僅通過引用附圖表現(xiàn)本發(fā)明的示例，以引導(dǎo)一個(gè)本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)。在附圖的各種視圖中，相同的標(biāo)號(hào)指示相同或相似的部分。
[0019]擴(kuò)束器是用于增加激光光束或其他光的光束的直徑的光學(xué)透鏡組件。通常有兩種常見的擴(kuò)束器類型，即開普勒(Kepler)擴(kuò)束器和伽利略(Galileo)擴(kuò)束器。圖1(A)所示為具有兩個(gè)正透鏡110、120或透鏡組的開普勒擴(kuò)束器(K印Ier beam expander)或者叫開普勒型擴(kuò)束器(Keplerian beam expander)。光束尺寸為Dl的平行光束進(jìn)入透鏡110，并且聚焦在距透鏡110的距離為Π的焦點(diǎn)X上。所述點(diǎn)X還是透鏡120的焦點(diǎn)，并且距透鏡120的距離為f2。光束從透鏡120處出現(xiàn)，其光束尺寸為D2A2/D1的比例被稱為擴(kuò)束倍率M。其可以由M =D2/Dl=f2/fl表示簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系。
[°02°]圖1 (B)所示為伽利略擴(kuò)束器或者伽利略型擴(kuò)束器(Galilean beam expander)，其都具有負(fù)透鏡130和正透鏡140，或者具有透鏡系統(tǒng)。在上述情況下，點(diǎn)X為虛焦點(diǎn)，即光線光束并非在物理上聚焦。
[0021]在開普勒型配置中，中間焦點(diǎn)產(chǎn)生均勻強(qiáng)度的高級(jí)參考波。因此，開普勒激光擴(kuò)束器應(yīng)用于需要利用空間濾波的針孔的中間焦點(diǎn)的干涉測(cè)量及其他應(yīng)用。伽利略激光擴(kuò)束器沒有內(nèi)部焦點(diǎn)，并且長(zhǎng)度通常較短。它們?cè)诮裹c(diǎn)上產(chǎn)生非常高級(jí)別的能量，通常用于材料加工應(yīng)用。
[0022]開普勒型擴(kuò)束器和伽利略型擴(kuò)束器都提供被稱為擴(kuò)束倍率M的放大類型。在該倍率放大光束直徑的尺寸后，光束的發(fā)散被同樣倍率地縮小了。所述組合產(chǎn)生的光線光束或激光光束，不僅尺寸上更大并且高度準(zhǔn)直。通常情況下，還為光束的全角擴(kuò)展(fullangular spread)提供光束發(fā)散規(guī)格。盡管這些光束隨距離的增長(zhǎng)而變小，附屬焦距選項(xiàng)(addit1nal focusing opt1ns)能夠用于提供更小的光點(diǎn)尺寸。
[0023]如上所述，現(xiàn)有的可變擴(kuò)束器涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使得系統(tǒng)變得遲緩、龐大和笨重。一個(gè)較好的解決方案是采用不含機(jī)械性地移動(dòng)光學(xué)部分的電調(diào)系統(tǒng)。需要光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，該光學(xué)元件能夠電調(diào)焦距并能夠調(diào)節(jié)f I和f2的值，同時(shí)保持fl+f2 = L的關(guān)系，其中L為透鏡之間的距離。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例擴(kuò)束倍率M的調(diào)節(jié)過程中保持透鏡間的距離，消除了現(xiàn)有系統(tǒng)所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
[0024]圖2表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一可變擴(kuò)束器。透鏡210和透鏡220為電調(diào)透鏡，兩者之間間隔距離L。透鏡210和透鏡220各自的焦距分別通過控制電路230電動(dòng)調(diào)節(jié)。如圖2(A)所示，透鏡210受控制電路230控制以具有焦距f I，透鏡220受控制電路230控制以具有焦距Π，以使得焦距的總和等于透鏡間的間距，S卩fl+f2 = L。擴(kuò)束倍率由公式M = D2/Dl = f2/fl給定。
[0025]如圖2(B)所示，當(dāng)控制電路230將透鏡210的焦距改變?yōu)閒l’，將透鏡220的焦距改變?yōu)閒2’，同時(shí)保持焦距的總和等于透鏡間的間距，S卩fl+f2 = L時(shí)，取得不同的擴(kuò)束倍率M =D2 7Dl’=f27n’。因?yàn)榻咕嗍茈娬{(diào)節(jié)，并且透鏡間的距離是固定的，能夠迅速方便地調(diào)節(jié)擴(kuò)束倍率M，而無需困擾現(xiàn)行系統(tǒng)的機(jī)械移動(dòng)部分。
[0026]需要注意的是，盡管圖2僅說明了透鏡210和220都為正透鏡(凸透鏡)的情況，但其基本原理也同樣適用于透鏡中的一片為負(fù)透鏡(凹透鏡)的情況。如圖1(B)所示，按照慣例，凹透鏡130的焦距fl為負(fù)值。因此，關(guān)系fl+f2 = L同樣適用。上述用于表示擴(kuò)束倍率的公式變成了 M = D2/D1 = I f2/fl I。此外，伽利略擴(kuò)束器通常還具有較短的長(zhǎng)度L，因?yàn)榈仁絝l+f2=L中具有負(fù)的焦距值。
[0027]在一實(shí)施例中，電調(diào)透鏡具有約為45mm到120mm的調(diào)節(jié)范圍，使連續(xù)擴(kuò)束倍率的范圍約為0.38到2.67。根據(jù)應(yīng)用的具體需要，也可以采取其他的調(diào)節(jié)范圍。此外，在另一實(shí)施例中，將固定擴(kuò)束器加入到可變擴(kuò)束器的配置。例如，用2X(2倍)擴(kuò)束器可以改變上述范圍S0.76-5.36Xo
[0028]有多種類型的電調(diào)透鏡應(yīng)用在本發(fā)明的某些實(shí)施例中。電調(diào)透鏡包括但不限于液體透鏡、變形透鏡和液晶(LC)透鏡。其他類型的電調(diào)透鏡亦可。
[0029]LC透鏡具有低成本、重量輕和不含移動(dòng)元件的優(yōu)點(diǎn)。所述透鏡的電調(diào)焦距的主要機(jī)制來自由LC指向矢的方向(即是，分子軸的平均方向)致使的折射率的拋物線分布。入射光線光束隨后偏轉(zhuǎn)為會(huì)聚或離散光，其對(duì)入射光束表現(xiàn)出作為正透鏡或負(fù)透鏡的透鏡效應(yīng)。
[0030]電可變透鏡通常由充滿了光學(xué)液體、由彈性聚合膜密封的容器構(gòu)成。整合入透鏡的電磁執(zhí)行器控制一個(gè)環(huán)，所述環(huán)對(duì)所述容器施加壓力。透鏡的偏轉(zhuǎn)取決于液體的壓力；因此，透鏡的焦距可以由通入執(zhí)行器線圈的電流來控制。
[0031]在液體透鏡中，可以施加穿過疏水涂層的電場(chǎng)來控制透鏡的形狀，使其得疏水性降低一一該工序被稱為電潤(rùn)濕，其由電誘發(fā)表面張力的變化而產(chǎn)生。因此，水溶液開始潤(rùn)濕管子的側(cè)壁，改變兩液體間的凹凸透鏡的曲率半徑，進(jìn)而改變透鏡的焦距。
[0032]需要注意，并非兩個(gè)的透鏡都必須是同種類型的電調(diào)透鏡。例如，一個(gè)透鏡為L(zhǎng)C透鏡，其他的透鏡為電可變透鏡。其他組合亦可。當(dāng)需要fl和f2的差值較大以達(dá)到特殊的擴(kuò)束率時(shí)，使用不同類型的電調(diào)透鏡尤其有用。
[0033]圖3表示根據(jù)實(shí)施例的一種可變擴(kuò)束器設(shè)備300ο在實(shí)施例中，透鏡302和305