使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的系统及方法

本发明属于空间激光遥感光路，尤其涉及一种使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的系统及方法。

背景技术：

1、库德光路是一种全反射光路，由反射镜将光线导入库德光路，通过多面高精度反射镜反射改变光的传播路径，使光线通过库德镜后可以发送到预定的方向上去。空间激光遥感应用过程中需要实时改变出射光束传播方向，保持光路对准，就需要借助库德光路完成光路的折转。空间激光遥感应用的激光种类较多，波长、调制方式、功率大小、光束直径等参数会有较大差异，传统采用镀膜反射镜的方式仅能将特定参数的光束进行合并，对多个光束采用多个库德光路增大了设计复杂度。

2、传统的光纤合束技术主要通过光纤耦合器将多个不同波长的光束合并到一个单一的光纤中。这种技术广泛应用于光通信、激光系统等领域，用于实现多波长信号的传输和激光的合束。

3、#存在的技术问题：

4、1.合束效率问题：在光纤耦合过程中，由于模式失配、光纤芯径限制等因素，会导致部分光能损失，从而降低合束效率。

5、2.波长灵活性受限：传统光纤合束技术在设计时通常针对特定的波长进行优化，当需要合并的波长范围变化时，需要更换耦合器或重新设计系统，降低了系统的灵活性和适应性。

6、3.系统复杂度和成本：为了实现高效合束，需要使用多个光纤耦合器和其他光学元件，这不仅增加了系统的复杂度，也提高了成本。

7、4.光纤连接的稳定性问题：光纤耦合过程中需要精确的对准和稳定的连接，任何微小的位移或温度变化都影响合束效果，导致系统稳定性和可靠性下降。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的方法。

2、本发明是这样实现的，使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的系统，该系统包括两组锥透镜组、一个额外的反射镜组和一个使用中空反射镜组的库德光路。

3、进一步，第一组锥透镜组用于将第一束入射库德光路的准直光束空间状态进行调制，将实心光束变为空心环形光束。

4、进一步，第二组锥透镜组用于将第一束出射库德光路的准直光束空间状态进行调制，将空心环形光束变为实心光束。

5、进一步，额外的反射镜用于将第二束光束通过折转操作导入库德光路中；使用中空反射镜的库德光路用于将第一束环形光束导入到库德光路中，并实现两路准直光束在同一光路中进行传播。

6、本发明的另一目的在于提供一种使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的方法，包括通过两组锥透镜组对一束光路的空间状态进行调制，将另一束光束通过额外的反射镜折转；借助使用中空反射镜的库德光路，使得两路准直光束在同一光路中传播，实现光路方向的折转等操作，两束光路互不干扰，且在出射后仍能实现光路的有效分离。

7、进一步，所述使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的方法，具体包括：光束a入射到库德光路反射镜2后依次经过中空反射镜3，中空反射镜4，反射镜6后出射；光束b入射到锥透镜组1后转变为空心光束，再进入到库德光路中空反射镜3、中空反射镜4出射后经过锥透镜组5再次变回实心光束。

8、进一步，光束a、光束b在中空反射镜3和中空反射镜4之间为共光路传播，传播方向一致，可根据实际需要添加光学元件进行多次光路的折转操作。

9、进一步，光束a、光束b均为准直光束，且无法通过传统方法进行合束，例如采用镀膜的反射镜进行合束。

10、进一步，通过额外的反射镜和光束的空间状态调制的组合使两路光束在一套库德光路中进行不同空间位置、相同传播方向的光束传播。

11、本发明还提供了一种多波长激光合束系统，该系统包含两组锥透镜组、一个额外反射镜组和一个配备中空反射镜的库德光路。该系统通过第一组锥透镜组将第一束特定波长的准直激光转换为环形空心光束，并经过库德光路传播；第二束不同波长的准直激光经过额外反射镜折转后，同样通过库德光路传播。两束光在中空反射镜间共享光路且保持各自波长特性，通过第二组锥透镜组将第二束光恢复为实心光束，实现多波长激光的高效合束。

12、本发明还提供了一种光学显微成像增强系统，利用锥透镜组在库德光路中调制准直光束，以增强显微成像系统的分辨率和对比度。该系统通过第一组锥透镜组将从显微物镜收集的准直光束转换为环形空心光束，进而通过库德光路传播；同时，照明光源产生的另一准直光束通过额外反射镜折转后与首束光在库德光路中共同传播。两束光在出射前通过第二组锥透镜组恢复为实心光束，提供了高对比度和高分辨率的成像能力。

13、本发明还提供了一种使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的操作方法，首先，将第一束特定波长的准直激光引入库德光路并通过第一组锥透镜组转换为环形空心光束进行传播；其次，将第二束不同波长的准直激光通过额外反射镜折转后引入库德光路，与第一束光共享光路传播；最后，两束光在出射前通过第二组锥透镜组恢复为实心光束，完成多波长光束的合并或显微成像系统的光束增强。

14、本发明还提供了一种应用于高精度测量和生物医学成像的光学系统，系统结合了多波长激光合束技术和光学显微成像增强技术，通过锥透镜组和库德光路的独特配置，实现了激光光束的高效合并和显微成像的分辨率提升。该系统适用于需要高分辨率和高对比度成像的科学研究和工业应用，如精密测量、活细胞成像和材料科学研究，提供了显著的技术优势和广泛的应用潜力。

15、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

16、第一，与传统的光纤合束技术相比，提出的使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的系统提供了一种新颖的合束方法。该系统通过锥透镜组对光束进行空间状态调制，并利用库德光路实现多波长光束的高效合并，无需依赖于光纤耦合器。这种方法具有以下显著的技术优势：

17、高合束效率：通过精确的光束调制和传播控制，减少了光能损失，提高了合束效率。

18、波长灵活性：系统能够适应不同波长的光束合并，无需更换光学元件，增强了系统的适用范围和灵活性。

19、系统简化和成本降低：简化了光学系统的设计，减少了所需光学元件的数量，降低了系统成本。

20、稳定性和可靠性：系统的物理结构较光纤耦合更稳定，减少了外界因素对合束效果的影响，提高了系统的稳定性和可靠性。

21、因此，提出的系统在解决了传统光纤合束技术存在的问题的同时，还拓展了其应用潜力，特别是在需要高效率、高灵活性的光学合束和显微成像增强等领域具有显著的技术进步。

22、本发明基于锥透镜组对光束空间分布状态的调制，将实心准直光束转变为空心光束，在与另一束准直光束进行合并，共同通过库德光路；空心光束从库德光路出射后再次经过锥透镜组转变为实心光束，完成光束的分离。

23、本方案简化了对光学元件的要求，借助改造过的库德光路在光学系统中进行光路的折转等操作，特别适合用在带有指向功能的望远镜的中继光路中，实现多种功能。

24、第二，本发明提供的使用锥透镜组在库德光路中合并准直光束的系统带来的显著技术进步主要体现在以下几个方面：

25、1.空间状态调制的创新应用

26、系统通过两组锥透镜组对准直光束进行空间状态的调制，实现了光束形态从实心到空心再到实心的转变。这种空间调制不仅提高了光束利用效率，还为特定光学应用(如提高成像分辨率、光通信等)提供了新的解决方案。

27、2.光束合并效率的提高

28、利用库德光路与中空反射镜组，系统实现了两路准直光束在同一光路中的高效合并，同时保持了各自的光束特性。这种合并技术显著提高了光束的使用效率和系统的光学性能，为多波长光束的合并和光学系统的集成提供了有效途径。

29、3.光束质量和成像性能的提升

30、通过锥透镜组的精确调制，系统能够有效地控制光束的形态和传播特性，进而提高了光束的质量。对于光学成像系统，这意味着可以获得更高对比度和分辨率的图像，特别是在需要高精度成像的科学研究和工业检测中具有重要应用价值。

31、4.系统灵活性和适应性的增强

32、该系统的设计允许在共光路中根据需要添加或调整光学元件，为光路的多次折转操作提供了。这种灵活性和适应性使得系统能够根据不同的应用需求进行定制和优化，拓宽了其应用范围。

33、5.操作便利性和系统集成性的改进

34、系统的设计考虑到了用户操作的便利性，镜片方向可调，光束可折转，以及光束的有效分离，使得系统在使用过程中更加灵活方便。同时，系统的集成性设计有助于减少光学元件的数量，简化光路设计，降低系统成本和提高系统稳定性。

35、该系统通过锥透镜组在库德光路中合并准直光束的技术实现，不仅提高了光束利用效率和光学性能，还增强了系统的灵活性和适应性，为光学研究和工业应用提供了新的技术手段，带来了显著的技术进步。