CN110376750B - 一种基于自由曲面透镜的分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面透镜的分束器，能够实现大角度和高精度的光束分束，并且结构简单、易于加工。方案具体为：光源发出的光束经分束器之后在投影面上形成光斑阵列，分束器包括一个自由曲面透镜，自由曲面透镜包括前后两个表面，其中前表面为连续面，后表面由设定数量的自由曲面块边缘紧密拼接组成；自由曲面块的面形拟合多项式为xy多项式；每个自由曲面块对应投影面上的一块照明区域，自由曲面块的数量不少于光斑阵列中光斑数量。

Description

一种基于自由曲面透镜的分束器
技术领域
本发明涉及分束器技术领域，具体涉及一种基于自由曲面透镜的分束器。
背景技术
激光分束器在激光并行加工、三维测量、光学信号处理、干涉、全息等方面应用广泛。
常用的激光分束元件为衍射光学元件DOE，它以二元光学理论为依据，通过连续剖面衍射微浮雕结构对位相的调制实现分光，但这种分束器只能在近轴近似条件下实现高衍射效率的分光，且分束效果受加工水平影响很大，连续结构的加工难度大，此外，在高功率激光束下工作时易损伤，不适用于大角度、高功率的激光分束。
为解决该问题，专利CN109541811A提出了一种表面由连续三维微弧面组成的微透镜阵列实现的激光分束器，但在获得大角度的分束时，这种微透镜阵列的表面矢高较大，不利于加工。
因此设计一种在实现大角度分束的同时，能够进行高精度的光束分束并且易于加工的分束器是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于自由曲面透镜的分束器，能够实现大角度和高精度的光束分束，并且结构简单、易于加工。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于自由曲面透镜的分束器，光源发出的光束经分束器之后在投影面上形成光斑阵列，分束器包括一个自由曲面透镜，自由曲面透镜包括前后两个表面，其中前表面为连续面，后表面由设定数量的自由曲面块边缘紧密拼接组成；自由曲面块的面形拟合多项式为xy多项式；每个自由曲面块对应投影面上的一块照明区域，自由曲面块的数量不少于光斑阵列中光斑数量。
进一步地，前表面的表面形式为平面、球面、非球面或者自由曲面；若光束为准直的光束，则前表面为平面；若光束为未准直的光束，则前表面为球面、非球面或自由曲面。
进一步地，自由曲面块的面形拟合多项式为4阶或4阶以上的xy多项式。
进一步地，自由曲面块的数量等于光斑阵列中光斑数量，且自由曲面块与光斑阵列中光斑一一对应。
进一步地，前表面和后表面之间的最近距离为1mm。
进一步地，后表面中自由曲面块的拼接间隙小于10μm。
进一步地，自由曲面透镜的尺寸不超过200mm×200mm。
进一步地，光斑阵列的光斑排列方式为矩形排列或自由排列。
进一步地，光斑阵列中的光斑的能量为高斯分布、均匀分布、洛伦兹分布、狄拉克分布、贝塞尔光束分布、环状分布或者图案分布；光斑形状为圆形、椭圆形、三角形或者矩形。
有益效果：
本发明提供的基于自由曲面透镜的分束器，其后表面采用一系列不同角度、不同面形的自由曲面块拼接而成，由光源发出的光束经自由曲面透镜之后在投影面上形成需要的光斑阵列，自由曲面块的面形可以采用xy多项式表达，其面形具备较高的表面自由度，因此具备较强的光束的调控能力，可实现高精度分光，并且经验证投影面上光斑与系统主光轴之间的夹角可大于20°，可见本发明能够实现大角度的分光；本发明中的后表面中自由曲面块均为xy多项式形式面形，相比于现有的连续剖面衍射浮雕结构或者三维微弧面，其结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明给出的自由曲面透镜与投影面组合框图；
图2为本发明实施例给出的自由曲面透镜三维线框图；
图3为本发明实施例给出的自由曲面透镜三视图，其中图3(a)为主视图，图3(b)为俯视图，图3(c)为侧视图；
图4为本发明实施例(1)的自由曲面块与光斑的对应顺序图；
图5为本发明实施例(2)的分束效果图；
图6为本发明实施例(3)的自由曲面块与光斑的对应顺序图；
图7为本发明实施例(3)的分束效果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于自由曲面透镜的分束器，光源发出的光束经分束器之后在投影面4上形成光斑阵列，如图1所示，分束器包括一个自由曲面透镜3，自由曲面透镜包括前后两个表面，其中前表面1为连续面，后表面2由设定数量的自由曲面块边缘紧密拼接组成；自由曲面块的面形拟合多项式为xy多项式；图2所示为自由曲面透镜3的三维线框图，图3为本发明实施例给出的自由曲面透镜三视图，其中图3(a)为主视图，图3(b)为俯视图，图3(c)为侧视图；
每个自由曲面块对应投影面上的一块照明区域，自由曲面块的数量不少于光斑阵列中光斑数量。
这样，由光源发出的光束经自由曲面透镜3之后在投影平面4上形成需要的光斑阵列。
本发明实施例中，前表面的表面形式为平面、球面、非球面或者自由曲面。
该分束器可作用的光源功率不受限制，且光源发出的光可以在准直后或未准直前由该透镜分束，若光束为准直的光束，则前表面为平面；若光束为未准直的光束，则前表面为球面、非球面或自由曲面。
本发明实施例中，自由曲面块的面形拟合多项式为4阶或4阶以上的xy多项式。
自由曲面块的数量等于光斑阵列中光斑数量，且自由曲面块与光斑阵列中光斑一一对应。自由曲面透镜的曲面块与投影平面上的阵列光斑一一对应，包括但不限于位置的顺序对应，这种对应可以是任意的，因而对于具有N个点的点阵，对应方式有
Figure BDA0002146768490000041
种。
前表面和后表面两表面之间的最近距离即透镜厚度小于100mm或者更小、尤其是30mm或者更小，优选地可以为1mm。
后表面中自由曲面块的拼接间隙小于10μm或者更小，且优选1nm或者更小。本发明中不限定自由曲面块的形状，以最终能够实现各自由曲面块的紧密拼接为准。
自由曲面透镜的材料可任意选取，例如可以选取本领域常用的聚甲基丙烯酸甲酯材料或玻璃。
自由曲面透镜3的尺寸为200mm×200mm或更小，本实施例中选取的尺寸为10mm×10mm，该尺寸与到达透镜时的光束尺寸密切相关。
经该分束器作用后，在投影面4上获得光斑阵列。本发明中对光斑阵列上的光斑的能量分布形式无具体限定，例如可以为本领域常见的高斯分布、均匀分布、洛伦兹分布、狄拉克分布、贝塞尔光束分布、中心暗边缘亮的环状分布或者图案分布等，具体可以根据应用需求进行选择。光斑形状也可以根据实际应用需求进行调整，包括但不限于圆形、椭圆形、三角形或者矩形。在本发明具体实施过程中，光斑阵列中光斑的能量和形状可以为任意组合，例如一个光斑阵列中可以既包括矩形均匀分布的光斑、三角形均匀分布的光斑，又包括圆形高斯分布的光斑、椭圆形高斯分布的光斑，即可以实现光斑能量和形状的任意组合。
投影面4上各光斑的能量之间具有给定的任意比例，其光斑尺寸按任意比例分布。投影面4上两光斑所对应的两光束的束间角是任意可调的，也即两光斑之间的距离任意可调。投影面4上的光斑与系统主光轴之间的夹角可大于20°，从而实现大角度分光。此外，投影面4上的光斑排列方式包括但不限于矩形排列，可以是任意的。
实施例(1)
本实施例实现了将经过准直的激光束分束为5×5的能量呈高斯分布的光斑阵列，该光斑阵列的光斑尺寸相同，能量比例按如下分布，该比例是随机生成的。
Figure BDA0002146768490000051
其中该自由曲面透镜的尺寸为10mm×10mm，透镜厚度为1mm，透镜的第一个面即面1为平面，面2为25个紧密相接的自由曲面块，每个曲面块均独立设计。投影面与光源距离为100m，每个曲面块对应于投影面上的一个束腰半径为0.5m的高斯光斑，此实施例定义的对应方式如图4所示，光斑B11与系统主光轴之间的夹角为20°。
实施例(2)
本实施例实现了将经过准直的激光光束分束为5×5的能量呈矩形平顶分布的光斑阵列，该光斑阵列的光斑尺寸和能量均相同。
其中该自由曲面透镜尺寸为10mm×10mm，透镜厚度为3.2mm，透镜第二个表面为25个紧密相接的自由曲面块，每个曲面块独立设计。投影面与光源距离为100m，每个曲面块对应于投影面上的一个边长为1m的矩形均匀光斑，实施例(2)定义的对应方式与实施例(1)相同，即如图4所示，光斑B11与系统主光轴之间的夹角为16°。经实验验证，依照本发明技术方案设计的分束器可以实现的分束效果见图5。
实施例(3)
本实施例实现了将经过准直的激光光束分束为1×6的能量呈高斯分布的光斑阵列，该光斑阵列的光斑尺寸及能量均相同。其中该自由曲面透镜尺寸为10mm×10mm，透镜厚度为3mm，透镜第二个表面为6个紧密相接的自由曲面块，每个曲面块独立设计。投影面与光源距离为100m，每个曲面块对应于投影面上的一个束腰半径0.5m的高斯光斑，实施例(3)定义的对应方式如图6所示，光斑B5与系统主光轴之间的夹角为20°，该实施例的分束效果见图7，证明了该发明的大角度、高精度分束能力。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于自由曲面透镜的二维分束器，光源发出的光束经所述分束器之后在投影面上形成光斑阵列，其特征在于，所述分束器为一个自由曲面透镜，所述自由曲面透镜包括前后两个表面，其中前表面为连续面；光源发出的光在未准直前由该自由曲面透镜分束；
所述前表面的表面形式为球面、非球面或者自由曲面；若所述光束为未准直的光束，则所述前表面为球面、非球面或自由曲面；
后表面由设定数量的不同角度、不同面形的自由曲面块边缘紧密拼接组成；所述自由曲面块的面形拟合多项式为xy多项式；每个自由曲面块均独立设计；
每个自由曲面块对应投影面上的一块照明区域，所述自由曲面块的数量不少于所述光斑阵列中光斑数量；
所述自由曲面块的面形拟合多项式为4阶或4阶以上的xy多项式；
所述自由曲面块的数量等于所述光斑阵列中光斑数量，且自由曲面块与所述光斑阵列中光斑一一对应；
所述投影面上的光斑与系统主光轴之间的夹角大于20°。
2.如权利要求1所述的二维分束器，其特征在于，所述前表面和后表面之间的最近距离为1mm。
3.如权利要求2所述的二维分束器，其特征在于，所述后表面中自由曲面块的拼接间隙小于10μm。
4.如权利要求3所述的二维分束器，其特征在于，所述自由曲面透镜的尺寸不超过200mm×200mm。
5.如权利要求1～4任一所述的二维分束器，其特征在于，所述光斑阵列的光斑排列方式为矩形排列或自由排列。
6.如权利要求5所述的二维分束器，其特征在于，所述光斑阵列中的光斑的能量为高斯分布、均匀分布、洛伦兹分布、狄拉克分布、贝塞尔光束分布、环状分布或者图案分布；光斑形状为圆形、椭圆形、三角形或者矩形。
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