CN111221133A - 一种360度透射式自由曲面整形激光模组及其中自由曲面透射镜的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种360度透射式自由曲面整形激光模组及其中自由曲面透射镜的设计方法，其包括镜筒，位于镜筒一端的半导体激光器、位于镜筒中部的透射镜安装座和位于镜筒另一端的反射镜安装座，所述反射镜安装座上安装有锥度为45°的圆锥面反射镜，所述镜筒的侧面嵌合设置有石英管，所述石英管与圆锥面反射镜设置在同一水平位置处，所述透射镜安装座上设置有自由曲面透射镜，所述自由曲面透射镜为圆柱体状，所述自由曲面透射镜的两端设置有第一自由曲面和第二自由曲面，所述第一自由曲面和第二自由曲面由多种曲面组合而成，组成第一自由曲面和第二自由曲面的曲面包括有但不限于离轴非球曲面和双曲面。本发明具有减少光束整形过程中能量损失的效果。

Description

一种360度透射式自由曲面整形激光模组及其中自由曲面透 射镜的设计方法

技术领域

本发明涉及激光整形领域，尤其是涉及一种360度透射式自由曲面整形激光模组及其中自由曲面透射镜的设计方法。

背景技术

激光投线仪，又被称作是激光标线仪或者是激光水准仪，是一种在普通水准仪的望远镜上安装并固定了激光模组而制成的一类测量仪器，在使用的过程中，激光投线仪通过发射激光束，使得激光束通过激光模组形成了激光面以投射出水平的激光线，从而实现测量和校准的目的，被广泛应用于建筑作业过程中。

现有技术中，公告号为CN202485678U的中国实用新型专利公开了一种适于生成360度环绕线的激光标线模组，其包括：激光模组、设于该激光模组的激光输出端前方的锥形镜，以使激光模组输出的激光束变成一360度发散的激光面，以在使用时，适于在四周的墙体上生成标线，满足了特殊应用场合的需要。为确保生成一360度发散的圆形激光面，进而使四周的墙体上生成的标线，该锥形镜的中心轴线即为所述激光模组输出激光束的中心线。该锥形镜为圆锥形镜，其锥面角度为10-45度。本实用新型利用锥形镜通过光反射将柱状激光束转换成与激光束成一定角度的360度发散的激光面，以在使用时，适于在四周的墙体上生成标线，满足了特殊应用场合的需要。

上述现有技术方案存在以下缺陷：在实际使用的过程中，激光一般由半导体激光器提供，由于其自身发光原理的特性，激光器产生的光斑一般为椭圆形，椭圆形的光斑在经过圆锥面反射镜反射后，容易导致反射后各位置处的激光有较大的差别，从而导致各点处的亮度差别过大。现有技术中一般是通过在光路中放置光阑，使得椭圆形的光斑被光阑遮挡后形成规则的圆形光斑，圆形光斑再经圆锥面反射镜反射后即可形成亮度较为均匀的激光。但是椭圆形的光斑在经过光阑之后，有约60％的能量均被光阑阻挡而无法到达反射镜处，这就导致往往需要选用功率更大的激光来达到同等的亮度，而功率过高的激光往往会导致发热量增加，同时也会增加使用过程中可能产生的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种360度透射式自由曲面整形激光模组，具有减少光束整形过程中能量损失的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种360度透射式自由曲面整形激光模组，包括镜筒，位于镜筒一端的半导体激光器、位于镜筒中部的透射镜安装座和位于镜筒另一端的反射镜安装座，所述反射镜安装座上安装有锥度为45°的圆锥面反射镜，所述镜筒的侧面嵌合设置有石英管，所述石英管与圆锥面反射镜设置在同一水平位置处，所述透射镜安装座上设置有自由曲面透射镜，所述自由曲面透射镜为圆柱体状，所述自由曲面透射镜的两端设置有第一自由曲面和第二自由曲面，所述第一自由曲面和第二自由曲面由多种曲面组合而成，组成第一自由曲面和第二自由曲面的曲面包括有但不限于离轴非球曲面和双曲面。

通过采用上述技术方案，半导体激光器中发射出的光线经过自由曲面透射镜后被整形成能量均匀的规则圆形光斑并最终照射至圆锥面反射镜处，光线经圆锥面反射镜反射后被水平射出，即可形成亮度均匀的360°的激光带，并经过石英管射入至外界环境中，从而实现投线仪的投线功能。第一自由曲面和第二自由曲面用于将椭圆形的能量分布不均的光斑整形成圆形的能量分布均匀的光斑，且整形后的圆形光斑的中心依然位于镜筒的轴线上，大部分的光线均可经过自由曲面透射镜的透射作用后照射至圆锥面反射镜上，故有效减少了光传递过程中的能量损失。

本发明进一步设置为，所述第一自由曲面为平面、凹面、凸面中的任意一种，所述第二自由曲面为平面、凹面、凸面中的任意一种。

通过采用上述技术方案，自由曲面透射镜的第一曲面和第二曲面可以任意组合来形成近似的整形效果，工作人员可以根据实际结构需要选定制造不同形状的自由曲面透射镜，因此自由曲面反射镜的适用场景非常广泛。

本发明进一步设置为，所述镜筒包括上级段和下级段，所述透射镜安装座包括与上级段固定连接的上级限位环、与下级段固定连接的下级限位环和与下级段固定连接的定位板，所述上级段和下级段之间贴合设置时，所述定位板沿镜筒轴向的两端分别与上级限位环和下级限位环的端面抵接设置，所述自由曲面透射镜的侧面与定位板抵接，所述第一自由曲面的边沿与上级限位环抵接，所述第二自由曲面的边沿与下级限位环抵接。

通过采用上述技术方案，在进行自由曲面透镜的安装时，先将上级段与下级段之间分离，随后将自由曲面透镜安装至下级限位环和定位板组成的空间内，并使得第一自由曲面的边沿与下级限位环表面贴合，随后再将上级段和下级段之间安装连接，并使得上级限位环表面与第二自由曲面的边沿贴合，即可较为方便的完成自由曲面透镜的定位安装。

本发明进一步设置为，所述下级段靠近上级段的端面处设置有若干下级螺纹孔，所述上级段靠近下级段的端面处设置有若干与下级螺纹孔对应的上级螺纹孔，所述上级螺纹孔和下级螺纹孔之间配合形成倾斜设置的螺纹连接孔，所述螺纹连接孔内设置有连接螺栓，所述下级段靠近上级段端面还设置有若干定位凸块，所述上级段靠近下级段的端面处设置有若干与定位凸块配合设置的定位凹槽，各所述定位凸块与定位凹槽之间配合设置时，各所述上级螺纹孔和下级螺纹孔之间同轴设置。

通过采用上述技术方案，通过定位凸块和定位凹槽可以快速将上级段和下级段之间进行定位，从而使得各上级螺纹孔和下级螺纹孔之间也实现了快速定位，以便于连接螺栓旋入从而实现上级段和下级段之间的定位安装，有效提高了上级段和下级段之间的安装精度和安装便捷程度。

本发明进一步设置为，所述反射镜安装座包括一级底座和二级底座，所述一级底座和二级底座为同心设置的圆盘形底座，所述一级底座的表面与上级段的端面抵接，所述二级底座的侧面与上级段的内壁面抵接，所述一级底座的边沿处设置有若干朝向下级段设置的定位柱，所述上级段靠近一级底座的端面开设有若干与定位柱配合设置的定位孔。

通过采用上述技术方案，一级底座和二级底座可以对反射镜安装座进行快速定位，以提高反射镜安装座的安装精度，定位柱和定位孔之间相互配合，也可实现反射镜安装座和镜筒之间的快速定位安装。

本发明进一步设置为，所述一级底座外侧连接设置有端盖，所述端盖包括底座基板和设置在底座基板边沿且与底座基板垂直的连接环板，所述连接环板与下级段之间螺纹连接，所述底座基板靠近一级底座的一面上固定设置有若干压缩弹簧，各所述压缩弹簧远离底座基板的一端与一级底座表面抵接。

通过采用上述技术方案，连接环板和下级段之间螺纹连接，可以使得端盖与镜筒之间实现固定连接，压缩弹簧的设置可以使得一级底座与下级段时间受到来自压缩弹簧的压力而紧密连接，有效提高结构强度。

本发明进一步设置为，所述圆锥面反射镜安装在二级底座上且其锥顶朝向半导体激光器设置，所述圆锥面反射镜的锥顶所在位置与石英管靠近下级段的一端齐平设置。

通过采用上述技术方案，圆锥面反射镜可以对整形后的沿垂直于镜筒轴线的方向进行均匀的反射，圆锥面反射镜的锥顶与石英管的端面齐平设置，可以有效减少激光反射后的能量损失。

本发明的另一个目的是提供一种360度透射式自由曲面整形激光模组中自由曲面透射镜的设计方法，包括以下步骤，

S1:建立数学模型，假定光源为入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，其光源截面的光强分布为G₁，该光源经过自由曲面透射镜的作用后产生的目标照明为光强分布为G₂的入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，在本试验过程中，光束被四个面(入射面、第一自由曲面、第二自由曲面和出射面)分割成三个空间，入射面和第一自由曲面之间、第二自由曲面和出射面之间的空间的折射率可以近似认为相同，设其为n_i，第一自由曲面和第二自由曲面之间的空间的折射率即为透镜材料的折射率，设其为n₀，并且设任意一条垂直于入射面的光线交第一自由曲面于点A，交第二自由曲面于点B，交出射面于点C，则根据折射定律可得，

其中，I为入射光线方向的单位矢量，即为(0,0,1)，P₁为依据折射定律得出的折射参数，N为第一自由曲面在点A处的单位法失，B点处的位置矢量可表示为，

出射面上C点的位置矢量可表示为，

由此即可得到A,B,C三点之间的一一映射关系；

S2：根据能量守恒定律，假定该激光模组中的能量损失为0，建立入射面光强分布G₁和出射面光强分布G₂之间的等式关系，并代入至S1中得到的各点的映射关系中；

S3：对S2中得到的方程组施加边界条件，边界条件由入射面和出射面表面的光斑边界进行确定，根据最终希望得到的曲面大致形状对第一自由曲面和第二自由曲面的顶点施加限制条件，根据施加限制条件的不同，第一自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种，第二自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种；

S4：对S3中得到的方程组进行数值求解，采用差分项将式中的一阶偏导项和二阶偏导项进行替代，替代后将原方程组转化为一个包含有若干非线性方程的方程组，采用泰勒公式将该非线性方程组线性化，并用迭代法对其进行多次迭代求解，即可得到满足第一自由曲面和第二自由曲面的曲面方程；

S5：将S4中得到的曲面方程在三维建模软件中转化为对应的三维模型，并将三维模型导入至光线模拟软件中进行模拟，模拟利用能量利用率和照度平均标准偏差对曲面的设计结果进行量化评价，其中能量利用率定义为出射面上的能量与入射面上的能量之比，照度平均标准偏差可由下式进行确定，

上式中，N为采样点数量，E_ai和E_ti分别表示第i个采样点的实际照度值和目标照度值。

通过采用上述技术方案，建立激光在经过第一自由曲面和第二自由曲面后的形状和能量的映射关系，即可对第一自由曲面和第二自由曲面的曲面方程进行求解确定，在光线模拟软件中进行模拟后，即可对第一自由曲面和第二自由曲面的整形效果进行试验判定，随后将满足要求的曲面形状进行加工，再安装至激光模组中，即可实现激光模组的整形功能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.通过自由曲面透射镜、第一自由曲面和第二自由曲面的设置，能够起到将椭圆形的光斑整形成能量分布均匀的圆形光斑的作用，并且有效减少能量的损耗；

2.通过定位板、上级限位环和下级限位环的设置，能够起到对自由曲面透射镜进行快速定位安装的效果；

3.通过端盖和反射镜安装座的设置，能够起到对圆锥面反射镜进行快速定位安装的效果。

附图说明

图1是本实施例中一种360度透射式自由曲面整形激光模组的整体结构示意图。

图2是本实施例中一种360度透射式自由曲面整形激光模组中的激光光路走向示意图。

图中，1、镜筒；11、上级段；111、定位凹槽；112、定位孔；12、下级段；121、定位凸块；13、石英管；14、螺纹连接孔；141、上级螺纹孔；142、下级螺纹孔；2、半导体激光器；3、透射镜安装座；31、上级限位环；32、下级限位环；33、定位板；4、自由曲面透射镜；41、第一自由曲面；42、第二自由曲面；5、反射镜安装座；51、一级底座；511、定位柱；52、二级底座；6、圆锥面反射镜；7、端盖；71、底座基板；711、压缩弹簧；72、连接环板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1和图2，为本发明公开的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，包括镜筒1，位于镜筒1一端的半导体激光器2、位于镜筒1中部的透射镜安装座3和位于镜筒1另一端的反射镜安装座5，反射镜安装座5上安装有锥度为45°的圆锥面反射镜6，镜筒1的侧面嵌合设置有石英管13，石英管13与圆锥面反射镜6设置在同一水平位置处，透射镜安装座3上设置有自由曲面透射镜4，自由曲面透射镜4为圆柱体状，自由曲面透射镜4的两端设置有第一自由曲面41和第二自由曲面42。

参照图1和图2，镜筒1包括上级段11和下级段12，透射镜安装座3包括与上级段11固定连接的上级限位环31、与下级段12固定连接的下级限位环32和与下级段12固定连接的定位板33，上级段11和下级段12之间贴合设置时，定位板33沿镜筒1轴向的两端分别与上级限位环31和下级限位环32的端面抵接设置，自由曲面透射镜4的侧面与定位板33抵接，第一自由曲面41的边沿与上级限位环31抵接，第二自由曲面42的边沿与下级限位环32抵接，下级段12靠近上级段11的端面处设置有若干下级螺纹孔142，上级段11靠近下级段12的端面处设置有若干与下级螺纹孔142对应的上级螺纹孔141，上级螺纹孔141和下级螺纹孔142之间配合形成倾斜设置的螺纹连接孔14，螺纹连接孔14内设置有连接螺栓，下级段12靠近上级段11端面还设置有若干定位凸块121，上级段11靠近下级段12的端面处设置有若干与定位凸块121配合设置的定位凹槽111，各定位凸块121与定位凹槽111之间配合设置时，各上级螺纹孔141和下级螺纹孔142之间同轴设置。通过定位凸块121和定位凹槽111可以快速将上级段11和下级段12之间进行定位，从而使得各上级螺纹孔141和下级螺纹孔142之间也实现了快速定位，以便于连接螺栓旋入从而实现上级段11和下级段12之间的定位安装，有效提高了上级段11和下级段12之间的安装精度和安装便捷程度。

参照图1和图2，反射镜安装座5包括一级底座51和二级底座52，一级底座51和二级底座52为同心设置的圆盘形底座，一级底座51的表面与上级段11的端面抵接，二级底座52的侧面与上级段11的内壁面抵接，一级底座51的边沿处设置有若干朝向下级段12设置的定位柱511，上级段11靠近一级底座51的端面开设有若干与定位柱511配合设置的定位孔112。所述圆锥面反射镜6安装在二级底座52上且其锥顶朝向半导体激光器2设置，所述圆锥面反射镜6的锥顶所在位置与石英管13靠近下级段12的一端齐平设置。

一级底座51外侧连接设置有端盖7，端盖7包括底座基板71和设置在底座基板71边沿且与底座基板71垂直的连接环板72，连接环板72与下级段12之间螺纹连接，底座基板71靠近一级底座51的一面上固定设置有若干压缩弹簧711，各压缩弹簧711远离底座基板71的一端与一级底座51表面抵接。

参照图1和图2，第一自由曲面41和第二自由曲面42由多种曲面组合而成，组成第一自由曲面41和第二自由曲面42的曲面包括有但不限于离轴非球曲面和双曲面，第一自由曲面41为平面、凹面、凸面中的任意一种，第二自由曲面42为平面、凹面、凸面中的任意一种。

本发明还公开了一种360度透射式自由曲面整形激光模组中透射镜的设计方法，包括以下步骤，

S1:建立数学模型，假定光源为入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，其光源截面的光强分布为G₁，该光源经过自由曲面透射镜的作用后产生的目标照明为光强分布为G₂的入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，在本试验过程中，光束被四个面(入射面、第一自由曲面、第二自由曲面和出射面)分割成三个空间，入射面和第一自由曲面之间、第二自由曲面和出射面之间的空间的折射率可以近似认为相同，设其为n_i，第一自由曲面和第二自由曲面之间的空间的折射率即为透镜材料的折射率，设其为n₀，并且设任意一条垂直于入射面的光线交第一自由曲面于点A，交第二自由曲面于点B，交出射面于点C，则根据折射定律可得，

其中，I为入射光线方向的单位矢量，即为(0,0,1)，P₁为依据折射定律得出的折射参数，N为第一自由曲面在点A处的单位法失，B点处的位置矢量可表示为，

出射面上C点的位置矢量可表示为，

由此即可得到A,B,C三点之间的一一映射关系；

S2：根据能量守恒定律，假定该激光模组中的能量损失为0，建立入射面光强分布G₁和出射面光强分布G₂之间的等式关系，并代入至S1中得到的各点的映射关系中；

S3：对S2中得到的方程组施加边界条件，边界条件由入射面和出射面表面的光斑边界进行确定，根据最终希望得到的曲面大致形状对第一自由曲面和第二自由曲面的顶点施加限制条件，根据施加限制条件的不同，第一自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种，第二自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种；

S4：对S3中得到的方程组进行数值求解，采用差分项将式中的一阶偏导项和二阶偏导项进行替代，替代后将原方程组转化为一个包含有若干非线性方程的方程组，采用泰勒公式将该非线性方程组线性化，并用迭代法对其进行多次迭代求解，即可得到满足第一自由曲面和第二自由曲面的曲面方程；

S5：将S4中得到的曲面方程在三维建模软件中转化为对应的三维模型，并将三维模型导入至光线模拟软件中进行模拟，模拟利用能量利用率和照度平均标准偏差对曲面的设计结果进行量化评价，其中能量利用率定义为出射面上的能量与入射面上的能量之比，照度平均标准偏差可由下式进行确定，

上式中，N为采样点数量，E_ai和E_ti分别表示第i个采样点的实际照度值和目标照度值。

通过建立激光在经过第一自由曲面41和第二自由曲面42后的形状和能量的映射关系，即可对第一自由曲面41和第二自由曲面42的曲面方程进行求解确定，在光线模拟软件中进行模拟后，即可对第一自由曲面41和第二自由曲面42的整形效果进行试验判定，随后将满足要求的曲面形状进行加工，再安装至激光模组中，即可实现激光模组的整形功能。

本实施例中，量化评判标准为，能量利用率≥95％，照度平均标准偏差≤0.02，S4中一般采取3次迭代，根据不同的第一自由曲面41和第二自由曲面42的限定条件，得到的试验结果如下，

由实施例1、3、7、9可得，当第一自由曲面41为凹面或凸面，第二自由曲面42为凹面或者凸面时，该种自由曲面式透射镜均可较好的满足模拟试验的量化要求。

由实施例2、4、6、8可得，当第一自由曲面41和第二自由曲面42中有且只有一个为平面时，自由曲面透射镜4对光束的整形效果较差，其照度标准差一般都在0.05以上，且能量利用率在90％至93％之间，无法满足能量利用率≥95％，照度平均标准偏差≤0.02的量化评判标准。

由实施例5可得，当第一自由曲面41和第二自由曲面42均为平面时，自由曲面透射镜4对光束几乎不存在整形作用，但大部分的光照能量均可传递至反射镜处，故实施例5中虽然能量利用率能达到97.23％，但其照度平均标准差较大，达到了0.1231。

由上述试验结果可得，在进行第一自由曲面41和第二自由曲面42的曲面设计时，对第一自由曲面41和第二自由曲面42施加的限定条件，最优情况为使得第一自由曲面41和第二自由曲面42均不为平面。

本实施例的实施原理为：半导体激光器2中发射出的光线经过自由曲面透射镜4后被整形成能量均匀的规则圆形光斑并最终照射至圆锥面反射镜6处，光线经圆锥面反射镜6反射后被水平射出，即可形成亮度均匀的360°的激光带，并经过石英管13射入至外界环境中，从而实现投线仪的投线功能。第一自由曲面41和第二自由曲面42用于将椭圆形的能量分布不均的光斑整形成圆形的能量分布均匀的光斑，且整形后的圆形光斑的中心依然位于镜筒1的轴线上，大部分的光线均可经过自由曲面透射镜4的透射作用后照射至圆锥面反射镜6上，故有效减少了光传递过程中的能量损失。自由曲面透射镜的第一曲面和第二曲面可以任意组合来形成近似的整形效果，工作人员可以根据实际结构需要选定制造不同形状的自由曲面透射镜，因此自由曲面反射镜的适用场景非常广泛。

在进行自由曲面透镜的安装时，先将上级段11与下级段12之间分离，随后将自由曲面透镜安装至下级限位环32和定位板33组成的空间内，并使得第一自由曲面41的边沿与下级限位环32表面贴合，随后再将上级段11和下级段12之间安装连接，并使得上级限位环31表面与第二自由曲面42的边沿贴合，即可较为方便的完成自由曲面透镜的定位安装。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种360度透射式自由曲面整形激光模组，包括镜筒(1)，位于镜筒(1)一端的半导体激光器(2)、位于镜筒(1)中部的透射镜安装座(3)和位于镜筒(1)另一端的反射镜安装座(5)，所述反射镜安装座(5)上安装有锥度为45°的圆锥面反射镜(6)，所述镜筒(1)的侧面嵌合设置有石英管(13)，所述石英管(13)与圆锥面反射镜(6)设置在同一水平位置处，其特征在于：所述透射镜安装座(3)上设置有自由曲面透射镜(4)，所述自由曲面透射镜(4)为圆柱体状，所述自由曲面透射镜(4)的两端设置有第一自由曲面(41)和第二自由曲面(42)，所述第一自由曲面(41)和第二自由曲面(42)由多种曲面组合而成，组成第一自由曲面(41)和第二自由曲面(42)的曲面包括有但不限于离轴非球曲面和双曲面。

2.根据权利要求1所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述第一自由曲面(41)为平面、凹面、凸面中的任意一种，所述第二自由曲面(42)为平面、凹面、凸面中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述镜筒(1)包括上级段(11)和下级段(12)，所述透射镜安装座(3)包括与上级段(11)固定连接的上级限位环(31)、与下级段(12)固定连接的下级限位环(32)和与下级段(12)固定连接的定位板(33)，所述上级段(11)和下级段(12)之间贴合设置时，所述定位板(33)沿镜筒(1)轴向的两端分别与上级限位环(31)和下级限位环(32)的端面抵接设置，所述自由曲面透射镜(4)的侧面与定位板(33)抵接，所述第一自由曲面(41)的边沿与上级限位环(31)抵接，所述第二自由曲面(42)的边沿与下级限位环(32)抵接。

4.根据权利要求3所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述下级段(12)靠近上级段(11)的端面处设置有若干下级螺纹孔(142)，所述上级段(11)靠近下级段(12)的端面处设置有若干与下级螺纹孔(142)对应的上级螺纹孔(141)，所述上级螺纹孔(141)和下级螺纹孔(142)之间配合形成倾斜设置的螺纹连接孔(14)，所述螺纹连接孔(14)内设置有连接螺栓，所述下级段(12)靠近上级段(11)端面还设置有若干定位凸块(121)，所述上级段(11)靠近下级段(12)的端面处设置有若干与定位凸块(121)配合设置的定位凹槽(111)，各所述定位凸块(121)与定位凹槽(111)之间配合设置时，各所述上级螺纹孔(141)和下级螺纹孔(142)之间同轴设置。

5.根据权利要求4所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述反射镜安装座(5)包括一级底座(51)和二级底座(52)，所述一级底座(51)和二级底座(52)为同心设置的圆盘形底座，所述一级底座(51)的表面与上级段(11)的端面抵接，所述二级底座(52)的侧面与上级段(11)的内壁面抵接，所述一级底座(51)的边沿处设置有若干朝向下级段(12)设置的定位柱(511)，所述上级段(12)靠近一级底座(51)的端面开设有若干与定位柱(511)配合设置的定位孔(112)。

6.根据权利要求5所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述一级底座(51)外侧连接设置有端盖(7)，所述端盖(7)包括底座基板(71)和设置在底座基板(71)边沿且与底座基板(71)垂直的连接环板(72)，所述连接环板(72)与下级段(12)之间螺纹连接，所述底座基板(71)靠近一级底座(51)的一面上固定设置有若干压缩弹簧(711)，各所述压缩弹簧(711)远离底座基板(71)的一端与一级底座(51)表面抵接。

7.根据权利要求6所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述圆锥面反射镜(6)安装在二级底座(52)上且其锥顶朝向半导体激光器(2)设置，所述圆锥面反射镜(6)的锥顶所在位置与石英管(13)靠近下级段(12)的一端齐平设置。

8.一种360度透射式自由曲面整形激光模组中自由曲面透射镜的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1:建立数学模型，假定光源为入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，其光源截面的光强分布为G₁，该光源经过自由曲面透射镜的作用后产生的目标照明为光强分布为G₂的入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，在本试验过程中，光束被四个面(入射面、第一自由曲面、第二自由曲面和出射面)分割成三个空间，入射面和第一自由曲面之间、第二自由曲面和出射面之间的空间的折射率可以近似认为相同，设其为n_i，第一自由曲面和第二自由曲面之间的空间的折射率即为透镜材料的折射率，设其为n₀，并且设任意一条垂直于入射面的光线交第一自由曲面于点A，交第二自由曲面于点B，交出射面于点C，则根据折射定律可得，

其中，I为入射光线方向的单位矢量，即为(0,0,1)，P₁为依据折射定律得出的折射参数，N为第一自由曲面在点A处的单位法失，B点处的位置矢量可表示为，

出射面上C点的位置矢量可表示为，

由此即可得到A,B,C三点之间的一一映射关系；

S2：根据能量守恒定律，假定该激光模组中的能量损失为0，建立入射面光强分布G₁和出射面光强分布G₂之间的等式关系，并代入至S1中得到的各点的映射关系中；

S3：对S2中得到的方程组施加边界条件，边界条件由入射面和出射面表面的光斑边界进行确定，根据最终希望得到的曲面大致形状对第一自由曲面和第二自由曲面的顶点施加限制条件，根据施加限制条件的不同，第一自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种，第二自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种；

S4：对S3中得到的方程组进行数值求解，采用差分项将式中的一阶偏导项和二阶偏导项进行替代，替代后将原方程组转化为一个包含有若干非线性方程的方程组，采用泰勒公式将该非线性方程组线性化，并用迭代法对其进行多次迭代求解，即可得到满足第一自由曲面和第二自由曲面的曲面方程；

S5：将S4中得到的曲面方程在三维建模软件中转化为对应的三维模型，并将三维模型导入至光线模拟软件中进行模拟，模拟利用能量利用率和照度平均标准偏差对曲面的设计结果进行量化评价，其中能量利用率定义为出射面上的能量与入射面上的能量之比，照度平均标准偏差可由下式进行确定，

上式中，N为采样点数量，E_ai和E_ti分别表示第i个采样点的实际照度值和目标照度值。

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