[发明专利]单色激光扩束准直系统

说明书

技术领域

本发明属于光学设计领域，尤其涉及一种单色、结构简单、光束准直、应用于共焦显微技术测量面型领域的激光扩束准直系统。

背景技术

面型测量在各个方面都有所体现，例如：镜头设计的面型检测，检测其是否达到要加工的面型精度；微电子领域，检查元器件的面型；在微光学领域也有所体现，总之，面型的检测是一项很重要的技术。国内外不少学者都纷纷对这项技术进行研究，取得不少进展。近年来，随着科技理论和信息技术的不断发展，面型测量技术也向着迅速高精度的方向发展。传统的接触式方法已经不能满足这些特定场合的应用，采用非接触光学方法测量面型已经成为研究的焦点。尤其国内外学者对共焦显微技术测量面型进行广泛的研究和讨论。

共焦显微技术是于1957年由M.Minsky首次提出。其中，共焦显微技术基本的原理是：光通过照明物镜形成发散的光束入射到半透半反射镜，经过其反射到显微物镜上聚集于物体表面，反射回来的光束再次透过显微物镜，半透半反射镜，探测针孔到达探测器焦平面上。随后，在T.Wilson、C.J.R.shepperd等人的努力之下，共焦显微技术基础理论得到进一步的完善，共焦显微技术有着重要的优点是别的技术不能比拟的。例如：光学层切的性质是共焦扫描显微术的主要的优点之一。在国内外的学者不断努力之下，将共焦显微技术应用到生物医学、电子技术学，材料学，测量等领域。 

由共焦显微技术的基本原理可知：光源位置，探测针孔位置，显微物镜的焦点位置两两互为共轭关系，它们的位置受共轭关系限制。国内外学者之前所研究的共焦显微技术基本上都属于有限远距共焦显微技术领域。但是，随着技术的发展需要，在20世纪80年代初，国外出现了无限远像距的显微物镜，这种物镜最突出的特点在于光路系统中出现一段平行光路，这就是无限远距共焦显微技术。这项技术的光源位置不受约束，这种技术在高精度测量面型方面有着重要的体现。然而高精度的测量需要各个方面都满足设计要求，提供合适的光源就是这种测量技术的前提，将激光器发出的高斯型激光束转化为平行光束，除此之外，还有将激光器发出的激光束扩束，充满整个测量光学系统的入瞳。可见，激光扩束准直系统的重要性。例如：清华大学林德教博士等人研究的双频干涉共焦台阶高度测量系统，需要一个合适的激光扩束准直系统将选择的激光器发出的激光扩束充满后面测量系统的入瞳。并且为了提高面型的测量精度，对扩束系统进行严格的要求。

一个良好的激光扩束准直系统有如下特点：

（1） 所设计的光学系统结构要简单易行；

     （2）经扩束准直系统后的激光束平行度高，发散角小；

     （3）经扩束准直系统后的光束应充满后续光学系统的入瞳。

其实，不仅仅局限共焦显微技术，还有很多应用中都需要激光扩束准直系统，例如在激光测距，激光雷达、光通讯、全息照相、双模制导等系统设计方面有重要应用，为了提高光束的准直特性，利用减小光束的发散角实现。

发明内容

为了有效解决共焦显微技术测量面型的光学系统特定光源问题，本发明提供了一种单色激光扩束准直系统，为光学系统提供具有一定口径的，单色的，准直的激光束。

本发明的单色激光扩束准直系统，包括沿同一光轴从平行光源到物面依次排列的光阑1、弯月型透镜2、双凹透镜3、鼓型透镜4、理想透镜5。其中，弯月型透镜2、双凹透镜3和鼓型透镜4组成激光扩束准直物镜组；光阑1之前是激光器发出的光源；为了方便评价所设计的成像光学系统的成像质量，激光扩束准直物镜组后是理想透镜5。设激光扩束准直系统的焦距为                                                ，激光扩束准直系统的入瞳直径为，激光扩束准直系统的出瞳直径为，激光扩束准直系统的总长，则，，，。

本发明光学系统的光阑1离激光扩束准直物镜组前弯月型透镜2的距离为1mm。

本发明的激光扩束准直物镜组的弯月型透镜2弯向光阑1。

本发明的理想透镜5与鼓型透镜4第二面4-1的距离为165mm。

本发明的弯月型透镜2、双凹透镜3、鼓型透镜4的材料分别为环保型重冕玻璃、环保型重火石玻璃、环保型重火石玻璃。

本发明的工作原理就是将激光器发出的光束准直扩束到一定的口径以满足测量光学系统的需要。所述的单色激光扩束准直系统性能越好，出射的发散角就越小，出射的光束大小满足系统的要求，测量面型的精度就越高。

本发明的激光扩束准直系统有如下特点： 

（1）本发明的激光扩束准直系统采用三片式，结构简单易行；