CN105301781B - 可消除零极点的光学系统及其光场发散角调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可消除零极点的光学系统,包括一折射光学结构和一折衍光学结构,所述折射光学结构包括照射光源和透镜结构,所述折衍光学结构包括虚像设计衍射光学元件和成像透镜,所述照射光源为具备发散角度或汇聚角度的球面波光源或者形成球面波的光学系统;所述折衍光学结构放置于照射光源与透镜结构之间,用于实现光学系统所需的光场分布;所述虚像设计衍射光学元件位于照射光源与成像透镜之间。本发明采用发散或者聚焦光照射,折衍光学结构的优化设计,配合透镜结构完全实现了所需光场的简易、高精度发散角调节方式,彻底消除零级衍射中心亮点的影响,极大的提升了光学系统的功能、光利用效率以及低成本的简单光学结构设计。

Description

可消除零极点的光学系统及其光场发散角调节方法
技术领域
本发明属于光学领域,尤其涉及一种可消除零极点的光学系统及其光场发散角调节方法。
背景技术
现代技术中,随着光电设备、系统的应用发展,各光电产品领域对可调发散角的异形激光光场的应用越来越广泛,对发散角可调节的异形激光光场的要求也不断提高,基于衍射光学和激光技术的发展,已经可以实现固定发散角的异形激光光场,例如枪瞄光场、圆环光场、网格光场等激光工具光场,但如果实现异形光场发散角的调节,已有的光学产品都需要配合复杂的变倍数望远镜系统,其光学系统复杂,尺寸很大,成本很高,且调节复杂,需要多片透镜的移动、联调,无法满足很多应用领域的需要。
如图1所示:市场上所使用的定制光场变焦系统的光学结构非常复杂,首先使用照明光源照射一掩膜版,通过掩膜版的透光区域设计,实现异形光场的分布区域,然后使用成像系统对掩膜版进行远场成像,该远场成像再通过变焦光学系统,实现最终输出光场的发散角调节。
变焦光学系统最少需要3片透镜才能实现,如图1所示该变焦光学系统的调节过程中,需要分别对两片透镜(透镜4和透镜5)进行有区别且非线性的位置调节,使变焦系统的调节机械结构设计复杂度很高,装配公差要求非常严格,最终造成整套光学系统尺寸很大,操作复杂,而且价格昂贵,无法适合众多集成化、低成本的应用领域。同时由于掩膜版是通过遮挡的方式实现异形光场分布,其光利用效率很低,散热量大,也限制了该产品的应用领域。
目前市场上没有能用透镜结构配合一个衍射光学元件工作,实现异形光场发散角可调节的方法、设计或者装置。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足,提供了一种基于衍射光学元件的光学特性,结合成像光学系统的设计,光学结构精炼、调节系统简单、光学效率高、尺寸微型化、成本低廉、易操作的可消除零极点的光学系统及其光场发散角调节方法。
本发明的技术方案:一种可消除零极点的光学系统,包括一折射光学结构和一折衍光学结构,所述折射光学结构包括照射光源和透镜结构,所述折衍光学结构包括虚像设计衍射光学元件和成像透镜,
所述照射光源为具备发散角度或汇聚角度的球面波光源或者形成球面波的光学系统;
所述折衍光学结构放置于照射光源与透镜结构之间,用于实现光学系统所需的光场分布;所述虚像设计衍射光学元件位于照射光源与成像透镜之间。
优选地,所述虚像设计衍射光学元件为菲涅尔衍射光学元件。
优选地,所述虚像设计衍射光学元件为夫琅禾费衍射光学元件。
优选地,所述照射光源为球面波照射光源,所述透镜结构为单片透镜或者组合透镜。
一种光学系统的光场发散角调节方法,包括下述步骤:
1)球面波照射光源与单片透镜实现共焦照明系统,球面波照射光源照射单片透镜后形成平行光传播;
2)将折衍光学结构放置在激光照射光源与单片透镜之间,通过调节折衍光学结构在光学系统中的位置,实现光场发散角的调节。
一种光学系统的光场发散角调节方法,包括下述步骤:
1)球面波照射光源与组合透镜实现非共焦照明系统,球面波照射光源照射组合透镜后形成发散光场或汇聚光场传播;
2)将折衍光学结构放置在激光照射光源与组合透镜之间,通过调节折衍光学结构在光学系统中的位置,实现光场发散角的调节。
本发明中的虚像设计衍射光学元件,是针对光学系统使用需要,设计出原始光场分布,该原始光场分布的设计功能是等效于有一个发光物体位于虚空间,虚空间的发光物体的光场通过衍射光学元件传播至实空间。
本发明使用虚像方式设计的衍射光学元件和成像透镜结合的折衍光学结构来调节光学系统的光场发散角,只需通过调节折衍光学结构的位置即可实现所需光场的发散角的调节,同时彻底的消除了零级衍射中心亮点的影响。
本发明采用发散或者聚焦光照射,折衍光学结构的优化设计,配合透镜结构完全实现了所需光场的简易、高精度发散角调节方法,彻底消除零级衍射中心亮点的影响,极大的提升了光学系统的功能、光利用效率以及低成本的简单光学结构设计。本发明的微型结构所实现的可调发散角光场系统在目前市面上处于迫切需求的状态。
附图说明
图1为市场上所使用的光场变焦系统光学结构示意图;
图2为本发明中虚像设计衍射光学元件的功能示意图;
图3为本发明中虚空间物体成像到实空间光学设计示意图;
图4和图5为本发明实施例1中的光学结构示意图;
图6和图7为本发明实施例2中的光学结构示意图;
图8和图9为本发明实施例3中的光学结构示意图。
图1中1.照射光源,2.形成所需光场的掩膜,3.成像透镜,4、5、6为组成变焦的透镜结构。
图2和3中1.入射光束,2.衍射光学元件,3.出射光场,4.虚空间物体,5.实空间光场,6.成像透镜,7.实空间成像。
图4-9中1.照射光源,2.折衍光学结构,3.透镜结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明,但并不是对本发明保护范围的限制。
如图2所示,本发明的虚像设计衍射光学元件的功能是:入射光束为一平行光,入射光束照射衍射光学元件实现一出射光场,该出射光场的效果等效于图2的右半侧的光场:在衍射光学元件的虚空间位置处有一物体发射的光场,虚空间物体的光场通过衍射光学光学元件传播至实空间,形成一实空间光场,该实空间光场与左半侧的出射光场是完全相同。同时假设虚空间物体与衍射光学元件的距离为d。
如图3所示,在虚像设计的衍射光学元件后侧安放一焦距为f的成像透镜,可将虚空间的物体成像在实空间,通过衍射光学元件设计实现的虚空间物体,可通过单片正透镜成像至实空间。图3中,虚空间物体至衍射光学元件的距离为d1,衍射光学元件至透镜的距离为d2,(d1+d2)为透镜成像系统中的物距u,透镜至实空间的像距离为d3,d3为透镜成像系统的像距v,u、v、f三者满足透镜成像公式:1/u+1/v=1/f。成像透镜在将虚空间物体成像至实空间,同时也对衍射光学元件的零级衍射进行扩束,在满足实空间设计光场需要的同时,彻底的消除了零级衍射中心亮点的影响。
实施例1
如图4和图5所示,表示汇聚光照射折衍光学结构,光源汇聚交点与透镜调节至设计位置,通过调节折衍光学结构的位置,由d1调节至d2,可方便实现光学系统出射光场的发散角的调节。
照射光源1为汇聚形式光源,配合透镜结构,实现光束传播为汇聚形式的照射光源。照射光源1的光束汇聚点为A点。透镜结构的焦距为f,其与汇聚点A的距离为f。折衍光学结构为虚像设计的衍射光学设计元件与成像透镜配合实现,其设计光场由整个光学系统的最终目标决定。平行光照射折衍光学结构,其光场发散角为θ0。
如图4,将折衍光学结构2放置于照射光源与汇聚点A之间,折衍光学结构汇聚点A间距离为d1,经过整体光学系统调节,输出光场的发散角为θ1。该光学系统输出光场的发散角放大倍数与调节位置的关系为:β1=θ1/θ0=d1/f 。
如图5,折衍光学结构2放置于照射光源与汇聚点A之间,折衍光学结构汇聚点A间距离为d2,经过整体光学系统调节,输出光场的发散角为θ2。该光学系统输出光场的发散角放大倍数与调节位置的关系为:β2=θ2/θ0=d2/f 。
通过实施例1得出,本发明的光学系统可通过简单的调节折衍光学结构的位置d,即可方便、低成本的实现光场的发散角调节变焦光学系统,其调节关系为β=θ/θ0=d/f 。式中,β为光学系统的变焦倍率,θ为光学系统变焦后的光场发散角,θ0为光学系统变焦前的光学发散角,d为折衍光学结构的摆放位置与光源汇聚点的距离,f为透镜焦距。衍射光学元件根据实际需要和工作面的位置,可以设计成相应的菲涅尔衍射或者夫琅禾费衍射的衍射光学元件。
实施例2
如图6和7所示,表示发散光照射折衍光学结构,光源逆向传播汇聚交点与透镜调节至设计位置,通过调节折衍光学结构的位置,由d1调节至d2,可方便实现光学系统出射光场的发散角的调节。
照射光源1为发散形式光源,配合透镜结构,实现光束传播为发散形式的照射光源。照射光源1的光束传播的反向汇聚点为A点。透镜结构为正透镜形式的透镜结构,其焦距为正数f,透镜结构与汇聚点A的距离为f。该发明中的折衍光学结构为虚像设计的衍射光学设计元件与成像透镜配合实现,其设计光场由整个光学系统的最终目标决定。平行光照射折衍光学结构,其光场发散角为θ0。
如图6,将折衍光学结构2放置于照射光源与透镜结构3之间,折衍光学结构汇聚点A间距离为d1,经过整体光学系统调节,输出光场的发散角为θ1。该光学系统输出光场的发散角放大倍数与调节位置的关系为:β1=θ1/θ0=d1/f 。
如图7,将折衍光学结构2放置于照射光源与透镜结构3之间,折衍光学结构汇聚点A间距离为d2,经过整体光学系统调节,输出光场的发散角为θ2。该光学系统输出光场的发散角放大倍数与调节位置的关系为:β2=θ2/θ0=d2/f 。
通过实施例3得出,本发明的光学系统可通过简单的调节折衍光学结构的位置d,即可方便、低成本的实现光场的发散角调节变焦光学系统,其调节关系为β=θ/θ0=d/f 。式中,β为光学系统的变焦倍率,θ为光学系统变焦后的光场发散角,θ0为光学系统变焦前的光学发散角,d为折衍光学结构的摆放位置与光源汇聚点的距离,f为透镜焦距。衍射光学元件根据实际需要和工作面的位置,可以设计成相应的菲涅尔衍射或者夫琅禾费衍射DOE。
实施例3
如图8和图9所示,表示汇聚光照射折衍光学结构,光源汇聚交点与透镜调节至设计位置,通过调节折衍光学结构的位置,由d1调节至d2,可方便实现光学系统出射光场的发散角的调节。
照射光源1为汇聚形式光源,配合透镜结构,实现光束传播为汇聚形式的照射光源。照射光源1的光束汇聚点为A点。透镜结构为负透镜形式的透镜结构,其焦距为负数f,透镜结构与汇聚点A的距离为f。本发明中的折衍光学结构为虚像设计的衍射光学元件与成像透镜配合实现,其设计光场由整个光学系统的最终目标决定。平行光照射折衍光学结构,其光场发散角为θ0。
如图8,将折衍光学结构2放置于照射光源与透镜结构3之间,折衍光学结构汇聚点A间距离为d1,经过整体光学系统调节,输出光场的发散角为θ1。该光学系统输出光场的发散角放大倍数与调节位置的关系为:β1=θ1/θ0=d1/f 。
如图9,将折衍光学结构2放置于照射光源与透镜结构3之间,折衍光学结构汇聚点A间距离为d2,经过整体光学系统调节,输出光场的发散角为θ2。该光学系统输出光场的发散角放大倍数与调节位置的关系为:β2=θ2/θ0=d2/f 。
通过实施例2得出,本发明的光学系统可通过简单的调节折衍光学结构的位置d,即可方便、低成本的实现光场的发散角调节变焦光学系统,其调节关系为β=θ/θ0=d/f 。式中,β为光学系统的变焦倍率,θ为光学系统变焦后的光场发散角,θ0为光学系统变焦前的光学发散角,d为折衍光学结构的摆放位置与光源汇聚点的距离,f为透镜焦距。衍射光学元件根据实际需要和工作面的位置,可以设计成相应的菲涅尔衍射或者夫琅禾费衍射DOE。

Claims (3)

1.一种可消除零极点的光学系统,其特征在于:其包括一折射光学结构和一折衍光学结构,所述折射光学结构包括照射光源和透镜结构,所述折衍光学结构包括虚像设计衍射光学元件和成像透镜, 所述照射光源为具备发散角度或汇聚角度的球面波光源或者形成球面波的光学系统; 所述折衍光学结构放置于照射光源与透镜结构之间,用于实现光学系统所需的光场分布;所述虚像设计衍射光学元件位于照射光源与成像透镜之间;
所述虚像设计衍射光学元件为菲涅尔衍射光学元件或者夫琅禾费衍射光学元件;
所述照射光源为球面波照射光源,所述透镜结构为单片透镜或者组合透镜。
2.根据权利要求1所述的光学系统的光场发散角调节方式,其特征在于:其包括下述步骤: 1)球面波照射光源与单片透镜实现共焦照明系统,激光照射单片透镜后形成平行光传播; 2)将折衍光学结构放置在球面波照射光源与单片透镜之间,通过调节折衍光学结构在光学系统中的位置,实现光场发散角的调节。
3.根据权利要求1所述的光学系统的光场发散角调节方式,其特征在于:其包括下述步骤: 1)球面波照射光源与组合透镜实现非共焦照明系统,球面波照射组合后形成发散光场或汇聚光场传播; 2)将折衍光学结构放置在球面波照射光源与组合透镜之间,通过调节折衍光学结构在光学系统中的位置,实现光场发散角的调节。
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