CN111443483A - 基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法 - Google Patents

基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法 Download PDF

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刘冬明
龙潜
李语强
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Abstract

本发明的基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法包括：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，在第一自由曲面透镜的自由曲面上取母线并划分子线段；以准直光束传播方向和与其相垂直的垂线作为坐标平面建立笛卡尔坐标系，由折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点，经曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；由等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点，经曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将第一母线、第二母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型和第二自由曲面透镜的自由曲面面型。基于该方法设计的光束整形结构能够产生环形光束。

Description

基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法
技术领域
本发明涉及非成像光学技术领域，特别涉及一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法。
背景技术
根据激光的强度分布和目标强度分布要求设计一组自由曲面来实现预定的能量分布要求，这是个逆向设计问题，一直是非成像光学研究的热点和难点。由于自由曲面具有灵活的空间布局和设计自由度等优点，使用自由曲面不仅可以极大地简化光学系统的结构，还可以轻松地实现复杂的能量分布要求。
目前的设计方法多采用优化设计方法解决逆向的能量分布问题。优化设计方法借助优化算法，通过不断改变优化的变量来减少评价函数,直到满足设计要求的曲面。优化通常要求在每次的优化迭代中追击大量的光线减小模拟统计噪声，并且优化设计的结果常常依赖某个变量的选取、评价函数的选择和优化算法。对于一个复杂的系统，需要上万个离散数据点来构建自由曲面，这在优化算法方法中是很难实现的。
发明内容
本发明提供一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法，用于设计出能够产生环形光束的自由曲面。
本发明提供一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法，所述光束整形结构由第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜组成，所述设计方法包括：
S1：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并根据初始的设计参数设计第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的面型；第一自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第一自由曲面透镜的前表面为平面，第一自由曲面透镜的后表面为自由曲面；第二自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第二自由曲面透镜的前表面为自由曲面，第二自由曲面透镜的后表面为平面；
S2：在第一自由曲面透镜的自由曲面上取任意一条母线划分为多个子线段，所述子线段可视为直线；
S3：以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据；
S4：基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据；
S5：对第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；将所述第一母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型；对第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将所述第二母线旋转，经曲面拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面面型。
如上所述的设计方法，在S3中，以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：
确定第一自由曲面透镜的自由曲面上任意一点的坐标表示为P(px,pz)，准直光束入射后经第一自由曲面透镜偏折后与第二自由曲面透镜相交于点Q(qx,qz)；入射光束上与点P对应的光源点S的坐标表示为S(sx,sz)，目标接收区域上经第二自由曲面透镜上的点Q的偏折后的对应点的坐标表示为T(tx,tz)；矢量SP表示由光源点指向点P的矢量，矢量PQ表示由点P指向点Q的矢量，矢量QT表示由点Q指向点T的矢量；矢量I表示入射光束的单位方向向量，矢量N表示点P在经S2中的操作后所在的线段的单位法矢，矢量R表示矢量PQ的单位向量，矢量O表示为出射光束的单位方向向量；
根据折射定律R＝wI+pN得到第一自由曲面透镜的自由曲面的坐标点，其中，w＝ni/no，p＝w*cosθ1-cosθ2，cosθ1＝-N·I，
Figure BDA0002466192530000021
ni和no分别是自由曲面光学元件所用材料的折射率和自由曲面光学元件周围介质的折射率，θ1是矢量I与第一自由曲面透镜的自由曲面的入射角，θ2是矢量R与第一自由曲面透镜的自由曲面的出射角；
在S4中，基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：
根据等光程原理，第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据的计算公式为：
ni*|SiPi|+no*|PiQi|+ni*|QiTi|＝ni*|Si-1Pi-1|+no*|Pi-1Qi-1|+ni*|Qi-1Ti-1|
式中，|SP|表示点S到点P的路径长度，|PQ|表示点P到点Q的路径长度，|QT|表示点Q到点T的路径长度，i是选取的离散点下标，i＝1、2、3...n。
如上所述的设计方法，优选地，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为折射型光学元件；第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜设置在目标接收区域前，准直光束经第一自由曲面透镜的偏折后形成发散光束，再经第二自由曲面透镜偏折后得到准直的环形光束。
本发明提供的计算方案是基于折射定律，设计出能够产生环形光束的自由曲面。入射光线经自由曲面的偏折后，在目标区域产生中心强度为零的光斑。基于本发明提供的技术方案，能够通过光束整形结构控制光斑中心暗斑大小和外围亮斑半径。另外，基于本发明提供的技术方案设计的光束整形结构中，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的曲面具有连续性，易于加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法流程图；
图2为将第一自由曲面透镜的自由曲面任意母线划分为微小线段的示意图；
图3A、图3B为基于本发明提供的设计方法设计出的光束整形结构的示意图；
图4A、图4B为光束经光束整形结构后在目标区域的目标能量分布图；
图5为本发明的光束整形结构的应用实例的发射光路示意图；
图6为本发明的光束整形结构的应用实例中激光器出射的高斯光束截面图；
图7为本发明的光束整形结构的应用实例中自由曲面透镜整型结构的出射光束截面图；
图8为本发明的光束整形结构的应用实例中望远镜出射的光束截面图。
以上各图中：1、激光器；2、第一自由曲面透镜；3、第二自由曲面透镜；4、第一反射镜；5、第二反射镜；6、第三反射镜；7、第四反射镜；8、第五反射镜；9、望远镜副镜；10、望远镜主镜。
具体实施方式
下面将结合附图通过实施例对本发明实施的技术方案进行清楚、完整的描述。在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法流程图。参考图1所示，本发明设计的光束整形结构由第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜组成，设计方法包括：
S1：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并根据初始的设计参数设计第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的面型；第一自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第一自由曲面透镜的前表面为平面，第一自由曲面透镜的后表面为自由曲面；第二自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第二自由曲面透镜的前表面为自由曲面，第二自由曲面透镜的后表面为平面。
S2：在第一自由曲面透镜的自由曲面上取任意一条母线划分为多个子线段，所述子线段可视为直线。
参考图2所示，将第一自由曲面透镜的自由曲面任意母线划分为微小线段，当线段足够短时，每个独立的线段都可视为直线。
S3：以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据。
S4：基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据。
S5：对第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；将第一母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型；对第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将第二母线旋转，经曲面拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面面型。
如上所述的设计方法，在S3中，以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：
确定第一自由曲面透镜的自由曲面上任意一点的坐标表示为P(px,pz)，准直光束入射后经第一自由曲面透镜偏折后与第二自由曲面透镜相交于点Q(qx,qz)；入射光束上与点P对应的光源点S的坐标表示为S(sx,sz)，目标接收区域上经第二自由曲面透镜上的点Q的偏折后的对应点的坐标表示为T(tx,tz)；矢量SP表示由光源点指向点P的矢量，矢量PQ表示由点P指向点Q的矢量，矢量QT表示由点Q指向点T的矢量；矢量I表示入射光束的单位方向向量，矢量N表示点P在经S2中的操作后所在的线段的单位法矢，矢量R表示矢量PQ的单位向量，矢量O表示为出射光束的单位方向向量；
根据折射定律R＝wI+pN得到第一自由曲面透镜的自由曲面的坐标点，其中，w＝ni/no，p＝w*cosθ1-cosθ2，cosθ1＝-N·I，
Figure BDA0002466192530000051
ni和no分别是自由曲面光学元件所用材料的折射率和自由曲面光学元件周围介质的折射率，θ1是矢量I与第一自由曲面透镜的自由曲面的入射角，θ2是矢量R与第一自由曲面透镜的自由曲面的出射角；
在S4中，基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：
根据等光程原理，第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据的计算公式为：
ni*|SiPi|+no*|PiQi|+ni*|QiTi|＝ni*|Si-1Pi-1|+no*|Pi-1Qi-1|+ni*|Qi-1Ti-1|
式中，|SP|表示点S到点P的路径长度，|PQ|表示点P到点Q的路径长度，|QT|表示点Q到点T的路径长度，i是选取的离散点下标，i＝1、2、3...n。
如上所述的设计方法，优选地，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为折射型光学元件；第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜设置在目标接收区域前，准直光束经第一自由曲面透镜的偏折后形成发散光束，再经第二自由曲面透镜偏折后得到准直的环形光束。
如上所述的设计方法，优选地，第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜选用的材料相同，所述材料为波长为532nm时，折射率为1.4607的融熔石英；
第一自由曲面透镜的中心厚度为5mm，第一自由曲面透镜的自由曲面半径为10mm；第二自由曲面透镜的中心厚度为10mm，第二自由曲面透镜的自由曲面半径为15mm；第一自由曲面透镜与第二自由曲面透镜的中心距离为700mm。
本发明提供的计算方案是基于折射定律，设计出能够产生环形光束的自由曲面。入射光线经自由曲面的偏折后，在目标区域产生中心强度为零的光斑。基于本发明提供的技术方案，能够通过光束整形结构控制光斑中心暗斑大小和外围亮斑半径。另外，基于本发明提供的技术方案设计的光束整形结构中，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的曲面具有连续性，易于加工。
图3A、图3B为基于本发明提供的设计方法设计出的光束整形结构的示意图，图4A、图4B为光束经光束整形结构后在目标区域的目标能量分布图。参考图3A、图3B和图4A、图4B所示，设计出的光束整形结构包括两块自由曲面透镜，沿光路方向分别为第一自由曲面透镜2和第二自由曲面透镜3；沿光路方向，第一自由曲面透镜的前表面为平面，第一自由曲面透镜的后表面为内凹型的自由曲面，第二自由曲面透镜的前表面为外凸型的自由曲面，第二自由曲面透镜的后表面为平面，光束经光束整形结构后出射光束为环形光束。
实施例一，准直光束依次经过第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，在目标面得到所需的能量分布。入射光束为准直光束，参考图3A所示，当第一自由曲面透镜的中心厚度l1＝5mm，半径r1＝10mm，第二自由曲面透镜的中心厚度l2＝10mm，半径r2＝15mm时，目标能量分布为如图4A所示的中心强度为零的环形：中心暗斑的半径为r_min＝5mm，外半径r_max＝13mm。以光束的传播方向和其垂线作为坐标平面xoz建立直角坐标系，光束的传播方向和z轴平行。第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜所用材料的折射率为ni＝1.46071的熔融石英，透镜所处环境的空气的折射率no＝1.0。
实施例二，准直光束依次经过第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，在目标面得到所需的能量分布。入射光束为准直光束，参考图3B所示，当第一自由曲面透镜的中心厚度l1＝5mm，半径r1＝10mm，第二自由曲面透镜的中心厚度l2＝10mm，半径r2＝15mm时，目标能量分布为如图4B所示的中心强度为零的环形：中心暗斑的半径为r_min＝3mm，外半径r_max＝15mm。以光束的传播方向和其垂线作为坐标平面xoz建立直角坐标系，光束的传播方向和z轴平行。第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜所用材料的折射率为ni＝1.46071的熔融石英，透镜所处环境的空气的折射率no＝1.0。
实施例三，图5为发射光路示意图。在图5给出的实施例中，激光器1出射的高斯光束依次经第一自由曲面透镜2、第二自由曲面透镜3后整形为环形光束，再经折轴光路(第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7和第五反射镜8)和望远镜光路(望远镜副镜9和望远镜主镜10)出射。图6为应用实例中激光器出射的高斯光束截面图，图7为应用实例中自由曲面透镜整型结构的出射光束截面图，图8为应用实例中望远镜出射的光束截面图。参考图5-图8所示，激光器工作产生激光，激光器出射的高斯光束(如图6所示)先经自由曲面透镜光束整型结构(如图5中2、3所示)整形为环形光束(如图7所示)，经折轴光路后再经望远镜光路出射(如图8所示)。优选地，所述折轴光路由五块反射镜构成；所述激光器的出射光束半径与所述望远镜的出射光束半径比为1：45；所述望远镜的口径为1.2m；所述第一自由曲面透镜与所述第二自由曲面透镜的中心距离为700mm；所述激光器为固体激光器或者光纤激光器。本实施例中，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜选用的材料相同，为波长在532nm时，折射率n＝1.4607的融熔石英。激光测距系统所处环境稳定，望远镜主镜的曲率半径为R＝-3600mm，半径约为555.5mm，副镜的曲率半径R＝-480mm，半径约为90mm。
一、输入参数：
固体激光器，输出光束半径：10mm。
二、输出参数：
自由曲面透镜光束整型后的环形光束口径：内半径：12mm，外半径：60mm；
望远镜光路出射光束：内半径：90mm，外半径：450mm。
从图8可以看出，望远镜出射的环形光束的中心强度满足预期，光能利用率高，达到设计要求。
综上所述，本发明的光束整形结构的应用实例，通过自由曲面透镜整型结构将高斯光束整型成环形光束，不但降低了系统噪声，避免了R-C系统望远镜的能量遮挡，且整个系统的光学结构简单，易于推广应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法，所述光束整形结构由第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜组成，其特征在于，所述设计方法包括：
S1：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并根据初始的设计参数设计第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的面型；第一自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第一自由曲面透镜的前表面为平面，第一自由曲面透镜的后表面为自由曲面；第二自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第二自由曲面透镜的前表面为自由曲面，第二自由曲面透镜的后表面为平面；
S2：在第一自由曲面透镜的自由曲面上取任意一条母线划分为多个子线段，所述子线段可视为直线；
S3：以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据；
S4：基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据；
S5：对第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；将所述第一母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型；对第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将所述第二母线旋转，经曲面拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面面型。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在S3中，以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：
确定第一自由曲面透镜的自由曲面上任意一点的坐标表示为P(px,pz)，准直光束入射后经第一自由曲面透镜偏折后与第二自由曲面透镜相交于点Q(qx,qz)；入射光束上与点P对应的光源点S的坐标表示为S(sx,sz)，目标接收区域上经第二自由曲面透镜上的点Q的偏折后的对应点的坐标表示为T(tx,tz)；矢量SP表示由光源点指向点P的矢量，矢量PQ表示由点P指向点Q的矢量，矢量QT表示由点Q指向点T的矢量；矢量I表示入射光束的单位方向向量，矢量N表示点P在经S2中的操作后所在的线段的单位法矢，矢量R表示矢量PQ的单位向量，矢量O表示为出射光束的单位方向向量；
根据折射定律R＝wI+pN得到第一自由曲面透镜的自由曲面的坐标点，其中，w＝ni/no，p＝w*cosθ1-cosθ2，cosθ1＝-N·I，
Figure FDA0002466192520000021
ni和no分别是自由曲面光学元件所用材料的折射率和自由曲面光学元件周围介质的折射率，θ1是矢量I与第一自由曲面透镜的自由曲面的入射角，θ2是矢量R与第一自由曲面透镜的自由曲面的出射角；
在S4中，基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：
根据等光程原理，第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据的计算公式为：
ni*|SiPi|+no*|PiQi|+ni*|QiTi|＝ni*|Si-1Pi-1|+no*|Pi-1Qi-1|+ni*|Qi-1Ti-1|
式中，|SP|表示点S到点P的路径长度，|PQ|表示点P到点Q的路径长度，|QT|表示点Q到点T的路径长度，i是选取的离散点下标，i＝1、2、3...n。
3.如权利要求1或1所述的设计方法，其特征在于，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为折射型光学元件；第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜设置在目标接收区域前，准直光束经第一自由曲面透镜的偏折后形成发散光束，再经第二自由曲面透镜偏折后得到准直的环形光束。
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