CN114460740B - 一种单镜环形光斑光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单镜环形光斑光学系统，属于激光加工领域，包括：组合环形光斑镜，组合环形光斑镜用于通过其反射面对输入光束进行准直后，将输入光束的分布模式改变为预设光斑分布模式，并聚焦到后焦面上，在后焦面上得到目标组合环形光斑；其反射面形状通过以下方式确定：基于预设准直焦距、预设聚焦焦距和目标光场的预设光斑分布模式，确定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理，构建目标组合环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程；本发明仅通过一个组合环形光斑镜即可实现光束的准直、整形与聚焦，从激光光源直接得到环形光斑，无需其他光学元件，能够以更少的光学元件更精简的光路结构，实现组合环形光斑的输出。

Description

一种单镜环形光斑光学系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种单镜环形光斑光学系统。

背景技术

环形光斑具有中心能量密度低、外侧能量密度高的特点。由于能量分布的特点，与高斯光束相比，在参数合适时，环形光束作用在工件表面可以得到更均匀的温度场分布，对解决激光加工中因能量分布不均以及温度场分布不均造成的问题有很大帮助。因此环形光斑在激光加工中具有良好的应用前景，尤其是在焊接和熔覆领域已经有初步应用。

目前，激光加工领域中，产生环形光斑的方法有多种，但部分方法并不适用于高功率的激光加工场景，例如空间光调制器。目前，适用于高功率加工场景的环形光斑解决方案可以分为两类，一类是基于光纤特殊结构的环形光纤激光器，可以直接由激光器输出环形光斑；另一类则是基于光学元件的外光路整形，通过对一般激光器输出的高斯光束进行光束整形以获得环形光斑。

IPG、Coherent、Trumpf、锐科等公司均推出了环形光纤激光器产品，可以实现点环形光斑的输出以及中心点和环形能量配比的调节。但是，这类激光器均存在以下缺陷：一是成本高昂，可输出环形光斑的光纤激光器的价格远高于一般的光纤激光器；二是应用场景受限较大，基于光纤特殊结构的环形光束整形方法只适用于光纤激光器，但在激光加工中，仍存在许多不适合使用光纤激光器作为加工光源的场景；三是光斑分布模式有限，只能输出预设好的几种光斑分布模式，无法输出其他光斑分布模式。

在基于光束整形元件的外光路整形中，使用的光束整形元件有多种，粗略地可划分为两类：第一类光束整形元件是透射式整形元件，例如透射式轴锥镜、螺旋相位板、以及其他诸多具有光束整形作用的透射光学整形元件，例如Precitec公司的西门子星形镜、II-VI公司的自由曲面光楔等。但目前的透射式光学整形元件存在以下缺陷：损伤阈值较低，因此在超高功率的激光加工中，透射式光学元件的稳定性和使用寿命是不足的；许多透射式光学整形元件的镜面形状较为复杂，加工难度大、加工成本高。第二类光束整形元件则是反射式整形元件，例如反射式轴锥镜等。与透射式光学整形元件相比，由于主体材料可以采用金属并且内置水冷通道，反射式整形元件具有更高损伤阈值，加工技术也更为成熟。但是，目前基于反射式整形元件的环形光斑整形光路的缺点在于：光路结构复杂，调节难度大，对装配精度要求很高，不便于实际使用。

综上，目前实现极大功率的环形光束整形的一种思路就是在反射式整形元件的基础上，尽可能地去简化光路，降低光路地调节难度，提高稳定性和适用性。基于此，美国II-VI公司推出过一种环形聚焦抛物镜，单个反射镜实现环形光束整形和聚焦的功能，减少了整形光路所需的光学元件数目。但该镜仅能实现单个环形光斑的输出，无法实现点环形光斑以及多个环形光斑组合的输出；且通常情况下仍需要配合准直单元使用，对应的整形光路仍较复杂，有进一步简化的空间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单镜环形光斑光学系统，用以解决现有技术无法以更少的光学元件更精简的光路结构，实现组合环形光斑的输出的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种单镜环形光斑光学系统，包括：组合环形光斑镜；

组合环形光斑镜具有入射和出射两个方向上的焦点，分别记为前焦点和后焦点，对应的焦平面记为前焦面和后焦面；前焦点到组合环形光斑镜的反射面的中心点距离记为准直焦距；后焦点到组合环形光斑镜的反射面的中心点距离记为聚焦焦距；

组合环形光斑镜用于通过其反射面对输入光束进行准直后，将输入光束的分布模式改变为预设光斑分布模式，并聚焦到后焦面上，在后焦面上得到目标组合环形光斑；上述输入光束为位于前焦点处的光源发出的光束，且输入光束的入射方向与前焦面垂直；

组合环形光斑镜的反射面形状通过以下方式确定：基于预设准直焦距、预设聚焦焦距和目标光场的预设光斑分布模式，确定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理，构建目标组合环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程；其中，目标光场的光斑分布模式与所期望得到的目标组合环形光斑相对应。

进一步优选地，上述前焦点处的光源为激光器。

进一步优选地，目标组合环形光斑的类型包括：单个环形光斑、不同半径环形光斑的组合光斑、点环形光斑、以及上述各类光斑离焦得到的光斑；其中，点环形光斑为含中心高斯光斑和任意数量的不同半径的环形光斑的组合光斑。

进一步优选地，上述组合环形光斑镜的反射面形状为非旋转对称的自由曲面。

进一步优选地，当目标组合环形光斑为半径为R的单个环形光斑时，反射面形状通过以下方式确定：

基于入射光场与目标光场能量分布的映射关系，结合等光程原理，得到经过前焦点入射到反射面上任意一点的光线从前焦点到后焦面上环形光斑对应点的光程与经过前焦点入射到反射面中心点的光线从前焦点到后焦面上环形光斑上任意一点的光程相等的关系，并带入预设准直焦距、预设聚焦焦距以及单个环形光斑的半径R，从而得到半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程。

进一步优选地，以反射面中心点为原点，光束的入射方向为z轴的负方向，光束的出射方向为y轴的正方向，与z轴和y轴所构成的平面的法线方向为x轴建立三维直角坐标系；并令x＝r*cos(w)，y＝r*sin(w)；其中，r和w为入射圆光斑平面的极坐标参数；入射圆光斑平面为在入射平行光束上任取的一垂直于光轴的截面；半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程z＝f(r,w)满足：

其中，F₁为预设准直焦距；F₂为预设聚焦焦距。

进一步优选地，当目标组合环形光斑为组合环形光斑或点环形光斑时，反射面形状通过以下方式确定：

根据所需的目标组合环形光斑及入射光场与目标光场能量分布的映射关系确定反射面分段数、每段镜面的直径以及每段镜面反射的光束与焦平面上组合环形光斑的对应关系；反射面的每段镜面从中心向外依次标号为1,2,…,n；对应地，每段镜面的半径分别记为M₁,M₂,…,M_n；每段镜面对应的环形光斑半径为分别记为R₁,R₂,…R_n(如果对应光斑是中心光点，则将环形光斑半径记为0)；

基于半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程的确定方式，求解得到镜面1的曲面方程f₁(r,w)后，以镜面1的边界作为限定，在要求整个反射面连续的条件下，确定边界条件为f₁(M₁,w)＝f₂(M₁,w)；其中，从入射光束截面到镜面1边界处再到焦平面上对应环形光斑(半径为R2)的光程可以根据R₂、M₁及f₁(r,w)来确定；

基于边界条件和等光程原理，求解镜面2的曲面方程f₂(r,w)；

依此类推，由内向外依次求解出各镜面的曲面方程f₃(r,w)、f₄(r,w)、…f_n(r,w)，得到组合环形光斑对应的反射面曲面方程为：

进一步优选地，通过改变M₁、M₂、…、和/或M_n的大小，对后焦面上的组合环形光斑各部分的能量占比进行调节。

进一步优选地，上述单镜环形光斑光学系统的工作平面放置在偏离焦平面、且与焦平面平行的平面位置处，此时所得的目标组合环形光斑为离焦后的光斑。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种单镜环形光斑光学系统，包括组合环形光斑镜，其中组合环形光斑镜的反射面形状根据所希望得到的组合环形光斑计算得到，基于预设准直焦距、预设聚焦焦距和目标光场的光斑分布模式，设定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理，构建目标组合环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程，使得组合环形光斑镜同时兼具光束准直、整形和聚焦功能；本发明仅通过一个组合环形光斑镜即可实现光束的准直、整形与聚焦，从激光光源直接得到环形光斑，无需其他光学元件，能够以更少的光学元件更精简的光路结构，实现组合环形光斑的输出，且整形后可输出的组合环形光斑模式种类较多，适应于实际加工中不同场景的需求。

2、本发明所提供的单镜环形光斑光学系统，优化了多段曲面组合时整个镜面的连续性问题，降低了复杂面形加工难度。

3、相比于功能类似的、基于反射式锥镜或环形聚焦离轴抛物镜的光束整形系统，本发明所提供的单镜环形光斑光学系统，调节难度更小，光路稳定性更好；且输出不同组合环形光斑所需的光学元件较少，减小了各元件加工误差或装配误差累积，使得本发明中的光斑整形系统能获得更稳定、更准确的输出；同时也减小了光路体积，具有更精简的光路结构，抗干扰能力更强。

4、本发明所提供的单镜环形光斑光学系统，光斑整形可供选择的模式较多，不局限于单个环形光斑，而包含了更复杂的多种组合环形光斑；且组合环形光斑的各部分能量占比可调。

5、本发明所提供的单镜环形光斑光学系统，在一定程度上可以设计并控制整形后光束的传输特性和离焦光场分布，有利于满足不同应用需求。

附图说明

图1为本发明提供的单镜环形光斑光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的组合环形光斑镜各段镜面与后焦面上环形光斑各组成部分的对应关系；

图3为本发明实施例1提供的单镜环形光斑光学系统在后焦面上的输出光斑能量分布示意图；

图4为本发明实施例2提供的组合环形光斑镜各段镜面与后焦面上点环形光斑各组成部分的对应关系；

图5为本发明实施例2提供的单镜环形光斑光学系统在后焦面上的输出光斑能量分布示意图；

图6为本发明实施例3提供的单镜环形光斑光学系统3-1和3-2的输出光束在正离焦、零焦、负离焦时的截面光场分布示意图；

图7为本发明实施例4提供的改变组合环形光斑镜各段镜面的相对尺寸后，单镜环形光斑光学系统在后焦面上的输出光斑能量分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种结构简单的输出组合环形光斑的光束整形系统，即单镜环形光斑光学系统；该系统的核心是一种组合环形光斑镜(又称准直聚焦一体组合环形光斑镜)，该组合环形光斑镜具有将输入的高斯光束准直、整形并聚焦的功能，其反射镜面形状根据给定参数进行求解得出，与现有技术相比的突出特点在于：在具有输出组合环形光斑能力的同时，通过单个反射镜实现了准直、整形与聚焦功能(一般来说，目前已有方案均采用至少三个光学元件来实现这些功能)，减少了光学元件；对曲面不连续处进行了优化，降低了加工难度；在不影响焦面光场分布的情况下，可以对离焦光场进行调控，实现同一光束多种用途，并优化加工效果，为解决实际加工问题。

具体地，如图1所示，本发明所提供的单镜环形光斑光学系统包括：组合环形光斑镜2；

在反射面形状完全确定的情况下，对应的组合环形光斑镜有确定的入射方向及出射方向，并具有入射和出射两个方向上的焦点，分别记为前焦点和后焦点，对应的焦平面记为前焦面和后焦面；前焦点到组合环形光斑镜的反射面的中心点距离记为准直焦距；后焦点到组合环形光斑镜的反射面的中心点距离记为聚焦焦距；

反射面形状不同，组合环形光斑镜所得的光斑分布模式也不同。组合环形光斑镜的反射面为计算得到的曲面，可以以预设准直焦距、预设聚焦焦距以及焦平面上目标光场的预设光斑能量分布作为条件，进行求解后确定，其形状为非旋转对称的自由曲面。

具体地，组合环形光斑镜2的反射面形状通过以下方式确定：基于预设准直焦距、预设聚焦焦距和目标光场的光斑分布模式，确定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理，构建目标组合环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程；其中，目标光场的光斑分布模式与所期望得到的目标组合环形光斑相对应。具体地，通过将入射光场按照目标组合光斑的能量占比需求划分为多个部分，并将每一部分的能量分别映射到后焦平面上的对应位置，来确定入射光场与目标光场能量分布的映射关系。

组合环形光斑镜同时具有准直、光束整形和聚焦功能：组合环形光斑镜2用于通过反射面对输入光束1进行准直后，将输入光束的分布模式改变为预设光斑分布模式，并聚焦到后焦面3上，在后焦面3上得到目标组合环形光斑；

其中，组合环形光斑镜的直接输入光束满足以下条件：组成输入光束的光线经过前焦点或近似经过前焦点后输入到组合环形光斑镜；且输入光束的入射方向与前焦面垂直。优选地，上述输入光束为位于前焦点处的光源4发出的光束。具体地，位于前焦点处的点光源或可近似为点光源的光源发出的光束为符合上述条件的一种入射光束(上述输入光束为位于前焦点处的点光源或能够近似为点光源的光源发出的光束)；优选地，位于前焦点处的光源4为激光器。

具体地，目标组合环形光斑的类型包括高斯光斑、单个环形光斑、含任意数量的不同半径环形光斑的组合光斑、含中心高斯光斑和任意数量的不同半径的环形光斑的组合光斑(点环形光斑)、以及上述各类光斑离焦得到的如类平顶光斑的其他光斑。其中，单个高斯光斑所对应的反射面是仅有聚集功能的椭球面。

需要说明的是，入射光场与目标光场的能量映射关系是根据入射光场能量分布、目标光场能量分布等条件确定得到的，其含义如下：将入射光场划分为多个部分，将目标光场也划分为多个部分，并将入射光场中每部分的能量分别对应到目标光场中的某一部分，即入射光场中该部分中的光线经过光路传输后会到达目标光场的对应部分，这种能量对应的关系即为入射光场与目标光场的能量映射关系。上述映射关系在组合环形光斑镜的反射面形状上的具体表现形式为：组合环形光斑镜的反射面由一个椭圆凹面组成，或者由一个椭圆凹面加若干个椭圆环凹面等多段镜面组成；反射面上的每段镜面对应后焦面上组合环形光斑的一部分；入射到反射面上的光束因此可视为分成了多个部分，入射到每段镜面上的光束分别被准直、整形并聚焦为后焦面上组合环形光斑对应的一部分，所有部分共同构成目标组合环形光斑。

需要说明的是，定制反射面形状、更换组合环形光斑镜能起到的调节效果具体包括：组合环形光斑镜焦距可调；焦平面上的光斑分布模式在上述组合环形光斑范畴内可调；以及组合环形光斑的各部分(包括不同半径的环光斑和中心处的圆光斑)的光斑尺寸、相对能量密度可调。

需要说明的是，定制反射面形状、更换不同镜面形状的组合环形光斑镜能起到的调节效果具体包括：准直焦距和聚焦焦距可调；后焦面上的光斑分布模式在上述组合环形光斑范畴内可调；所述组合环形光斑的各部分(包括不同半径的环光斑和中心处的圆光斑)的光斑尺寸、相对能量密度可调。

为了说明本发明所提供的单镜环形光斑光学系统，下面结合实施例进行详述：

实施例1、

实施例1提供了一种输出双环形组合光斑的单镜环形光斑光学系统(即全反射式光束整形系统)，以及该系统所使用的组合环形光斑镜。光学系统如图1所示，激光器输出的未经过准直的高斯光束1入射到组合环形光斑镜2上，被准直、整形、聚焦为环形光束输出，在后焦平面3上的得到的光场分布为环形。其中，组合环形光斑镜2的镜面形状由准直焦距F₁,聚焦焦距F₂，后焦面上的环形光斑半径R₁、R₂，以及入射光场与出射光场的能量映射关系计算得出。组合环形光斑镜2的反射面的曲面方程由分段函数描述，相应地，镜面也分为两段，各段与后焦面上环形光斑各组成部分的对应关系如图2所示。

具体地，该实施例中的双环形组合光斑所对应的反射面形状通过以下方式确定：

首先对位于镜面中心的一段镜面进行计算，基于入射光场与目标光场能量分布的映射关系，结合等光程原理，得到经过前焦点入射到反射面上任意一点的光线从前焦点到后焦面上环形光斑对应点的光程与经过前焦点入射到反射面中心点的光线从前焦点到后焦面上环形光斑上任意一点的光程相等的关系，并带入预设准直焦距、预设聚焦焦距以及单个环形光斑的半径R₁，从而得到半径为R₁的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程。

为了表述的准确性与便捷性，本实施例中，以反射面中心点为原点，光束的入射方向为z轴的负方向(光轴与z轴重合)，光束的出射方向为y轴的正方向(出射光束光轴与y轴重合)，与z轴和y轴所构成的平面的法线方向为x轴(x轴方向可以是基于右手定则得到的从y轴到z轴的方向，也可以是以满足右手系的方式确定的x轴方向，且x轴的方向可以垂直于yz平面向内或向外)，建立三维直角坐标系。需要说明的是，这里入射方向与出射方向取90度只是为了计算和实际使用的便捷性，选择其他角度同样可以求出曲面。

为计算简便，将直角坐标(x,y,z)化为柱坐标(r,w,z)，其中r,w为柱坐标参数，与直角坐标参数x,y满足x＝r*cos(w)，y＝r*sin(w)的关系。根据能量映射关系以及等光程原理，半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程z＝f(r,w)满足：

其中，F₁为预设准直焦距；F₂为预设聚焦焦距。

根据上述方程即可解出反射镜面中心位置的一段镜面所对应的曲面方程z＝f₁(r,w)。

然后对靠外侧的一段镜面的曲面方程进行计算：以中心段镜面的曲面方程z＝f₁(r,w)以及中心段镜面的半径M₁确定中心段镜面的边界，为保证整个镜面连续无断点，令靠外侧的一段镜面的曲面方程z＝f₂(r,w)满足f₁(M₁,w)＝f₂(M₂,w)对任意的w都成立。在这一条件下，结合入射光场与出射光场的能量映射关系以及等光程原理，即可计算出靠外侧的一段镜面的曲面方程。

最终，整个镜面的曲面方程如下：

其中M₁，M₂分别为从内到外两段镜面的半径。

具体地，本实施例中，取准直焦距为100mm，聚焦焦距为200mm，双环组合光斑的内环半径为0.5mm,外环半径为1mm，从内到外两段镜面的半径分别为5mm，25mm。后焦面上光斑能量分布如图3所示。

需要说明的是，由于求解时限定了边界条件，故f(r,w)连续，不存在断点，因此，上述方法求解出的分段镜面，在相邻段的交界处连续，整个镜面连续，不存在高低落差，在完全不影响光学性能的同时解决了复杂的分段镜面不易加工甚至无法加工的问题。

实施例2、

实施例2提供了一种输出由中心光点加单个环形光斑组合而成的点环形光斑的单镜环形光斑光学系统，以及该系统所使用的组合环形光斑镜。系统整体结构与实施例1相同，不同之处仅在于组合环形光斑镜3的镜面形状。

本实施例中反射镜面的曲面方程的计算方法与实施例1中相同，也是从内到外逐段求解，此处不再赘述。

具体地，本实施例中，准直焦距为150mm，聚焦焦距为200mm，点环组合光斑的环形光斑半径为1mm，从内到外两段镜面的半径分别为2mm，25mm。组合环形光斑镜各段镜面与后焦面上点环形光斑各部分的对应关系如图4所示。后焦面上光斑的剖面能量分布如图5所示。

实施例3、

实施例3提供了两种单镜环形光斑光学系统，这两种系统输出的焦面光场均为相同的单个环形光斑、但离焦光场不同，分别记为系统3-1，系统3-2。上述两种系统的整体结构同样与实施例1中结构相同，仅镜面形状不同。具体地，系统3-1与系统3-2的组合环形光斑镜的反射面形状是通过不同的能量映射关系计算得到的，具体地，系统3-2的能量映射关系是在系统3-1的能量映射关系的基础上，增加了180°的偏转得到的。

通过针对性地设计入射光场与目标光场能量分布的能量映射关系，在保持后焦面上光斑能量分布不变的同时，对离焦时的光场分布进行一定的控制。

具体地，基于上述能量映射关系不同，3-1中的光线在后焦面之前不会有汇聚点，因此在一定的离焦范围内，从负焦到正焦，截面光斑逐渐变小；3-2中的光线在后焦面之前就有汇聚点，因此在一定的离焦范围内，从负焦到正焦，截面光斑逐渐变大。在需要正离焦时使用环形光斑的情形下，可以参考3-1系统；而在需要负离焦时使用环形光斑的情形下，则可以参考3-2系统。如图6所示，列出了3-1和3-2的输出光束在正离焦、零焦、负离焦时的截面光场分布。

实施例4、

实施例4提供了一种输出双环形组合光斑的单镜环形光斑光学系统，以及该系统所使用的组合环形光斑镜。系统结构与后焦面上光斑形状与实施例1中相同，不同之处在于双环形组合光斑各部分的能量占比不同。通过改变组合环形光斑镜各段镜面的相对尺寸，即可改变对应每部分光斑的能量占比。进一步地，在已知入射光场的尺寸、能量分布等信息时，可以较为精确地对组合环形光斑各部分的能量比例进行控制。

具体地，本实施例中，准直焦距为150mm，聚焦焦距为200mm，点环组合光斑的环形光斑半径为1mm，从内到外两段镜面的半径分别为5mm，25mm。焦面光场分布如图7所示，内环的能量占比高于外环能量占比，与实施例1中相反。

综上所述，本发明所提供的单镜环形光斑光学系统能够输出组合环形光斑，且所需光学元件数量少于现有的具有环形光束整形功能的反射式光学系统，具有更精简的光路结构以及更好的稳定性和抗干扰能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单镜环形光斑光学系统，其特征在于，包括：组合环形光斑镜；

所述组合环形光斑镜具有入射和出射两个方向上的焦点，分别记为前焦点和后焦点，对应的焦平面记为前焦面和后焦面；所述前焦点到所述组合环形光斑镜的反射面的中心点距离记为准直焦距；所述后焦点到所述组合环形光斑镜的反射面的中心点距离记为聚焦焦距；

所述组合环形光斑镜用于通过其反射面对输入光束进行准直后，将所述输入光束的分布模式改变为预设光斑分布模式，并聚焦到所述后焦面上，在所述后焦面上得到目标组合环形光斑；所述输入光束为位于所述前焦点处的光源发出的光束，且所述输入光束的入射方向与所述前焦面垂直；

所述组合环形光斑镜的反射面形状通过以下方式确定：基于预设准直焦距、预设聚焦焦距和目标光场的预设光斑分布模式，确定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理，构建所述目标组合环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程；其中，所述目标光场的光斑分布模式与所期望得到的所述目标组合环形光斑相对应；

所述目标组合环形光斑的类型包括单个环形光斑；半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程通过以下方式确定：

基于所述入射光场与目标光场能量分布的映射关系，结合等光程原理，得到经过所述前焦点入射到所述反射面上任意一点的光线从所述前焦点到所述后焦面上环形光斑对应点的光程与经过所述前焦点入射到所述反射面中心点的光线从所述前焦点到所述后焦面上环形光斑上任意一点的光程相等的关系，并带入所述预设准直焦距、所述预设聚焦焦距以及单个环形光斑的半径R，从而得到所述半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程。

2.根据权利要求1所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，以所述反射面中心点为原点，光束的入射方向为z轴的负方向，光束的出射方向为y轴的正方向，与z轴和y轴所构成的平面的法线方向为x轴建立三维直角坐标系；并令x＝r*cos(w)，y＝r*sin(w)；r和w为入射圆光斑平面的极坐标参数；所述入射圆光斑平面为在入射平行光束上任取的一垂直于光轴的截面；所述半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程z＝f(r,w)满足：

其中，F₁为预设准直焦距；F₂为预设聚焦焦距。

3.根据权利要求1所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，所述前焦点处的光源为激光器。

4.根据权利要求1所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，所述组合环形光斑镜的反射面形状为非旋转对称的自由曲面。

5.根据权利要求1所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，所述目标组合环形光斑的类型还包括：不同半径环形光斑的组合光斑、以及点环形光斑；所述点环形光斑为含中心高斯光斑和任意数量的不同半径的环形光斑的组合光斑。

6.根据权利要求5所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，当目标组合环形光斑为组合环形光斑或点环形光斑时，所述反射面形状通过以下方式确定：

根据所需的目标组合环形光斑及所述入射光场与目标光场能量分布的映射关系确定反射面分段数、每段镜面的直径以及每段镜面反射的光束与焦平面上组合环形光斑的对应关系；反射面的每段镜面从中心向外依次标号为1,2,…,n；对应地，每段镜面的半径分别记为M₁,M₂,…,M_n；

基于所述半径为R的单个环形光斑所对应的反射面形状的曲面方程的确定方式，求解得到镜面1的曲面方程f₁(r,w)后，以镜面1的边界作为限定，在要求整个反射面连续的条件下，确定边界条件为f₁(M₁,w)＝f₂(M₁,w)；

基于边界条件和等光程原理，求解镜面2的曲面方程f₂(r,w)；

依此类推，由内向外依次求解出各镜面的曲面方程f₃(r,w)、f₄(r,w)、…f_n(r,w)，得到组合环形光斑对应的反射面曲面方程为：

7.根据权利要求6所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，通过改变M₁、M₂、…、和/或M_n的大小，对后焦面上的组合环形光斑各部分的能量占比进行调节。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的单镜环形光斑光学系统，其特征在于，所述单镜环形光斑光学系统的工作平面放置在偏离所述后焦平面、且与所述后焦平面平行的位置处，此时所得的目标组合环形光斑为离焦后的光斑。

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