CN114460741A

CN114460741A - 一种自由曲面镜环形光斑光学系统

Info

Publication number: CN114460741A
Application number: CN202210070956.3A
Authority: CN
Inventors: 秦应雄; 邱昊天; 龙宇
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: CN114460741B

Abstract

本发明公开了一种自由曲面镜环形光斑光学系统，包括反射式自由曲面组合环形光斑镜，用于实现光束的整形与聚焦功能，通过其反射面将输入的平行光束整形并聚焦，在焦平面上得到目标组合环形光斑；其反射面形状由以下方式确定：基于预设焦距和焦平面上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；本发明在具有输出组合环形光斑能力的同时，仅通过一个反射式自由曲面组合环形光斑镜即可实现整形与聚焦功能，减少了光学元件，降低了加工难度、误差影响和光路调节难度，光路结构更简单，抗干扰能力更强，整形效果更稳定更多样化。

Description

一种自由曲面镜环形光斑光学系统

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种自由曲面镜环形光斑光学系统。

背景技术

环形光束具有中心相对能量密度低、外侧相对能量密度高的特点。由于能量分布的特点，与高斯光束相比，环形光束作用在工件表面可以得到更为均匀的温度场分布，因此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。

目前，应用在激光加工领域的产生环形光束的方法有多种，例如可直接输出环形光斑的光纤激光器、基于衍射光学元件的外光路整形、基于折射光学元件的外光路整形。可直接输出环形光斑的光纤激光器往往价格较高，且只能输出预设的光斑模式，可调范围有限，不够灵活；而基于衍射光学元件的外光路整形中，输入激光单模为单模时才能取得较好的效果，需要已知光源的振幅相位信息，且元件加工成本较高；基于折射式光学元件的外光路整形中，常用的基于轴锥棱镜的光路需要元件较多，使用时调节难度大，且由于是透射式元件，所以承受功率受限、某些面型加工难度较大。

在折射式光学元件中，除了轴锥棱镜外，反射式锥镜也是得到环形光斑的手段之一，反射式镜头可以使用金属材料加工，加工难度更低，并内置水冷通道，可用于高功率的激光加工。但基于反射式锥镜的外光路整形同样存在元件较多、光路调节有难度的问题，实际整形效果受装配和加工精度影响，需要加装专门的调节装置。为了改善这一问题，方法之一是减少光路所需的光学元件数目，降低误差造成的影响。美国II-VI公司推出了环形聚焦离轴抛物镜，通过一个镜面实现了将光束整形为环形以及聚焦的功能，减少了整形光学元件数目。但该镜面加工成本较高，且仅能实现单个环形光斑的输出，不能实现更复杂的组合环形光斑输出。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自由曲面镜环形光斑光学系统，用以解决现有技术无法在减少整形光路所需的光学元件的同时，增加整形后可输出的光斑模式种类以适应实际加工中不同场景的需求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自由曲面镜环形光斑光学系统，包括：反射式自由曲面组合环形光斑镜；

反射式自由曲面组合环形光斑镜用于实现光束的整形与聚焦功能，具体为：通过其反射面将输入的平行光束整形并聚焦，在焦平面上得到目标组合环形光斑；

其中，反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面形状通过以下方式确定：基于预设焦距和焦平面上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，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，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，得到入射光束截面上任意一个点到焦平面上环形光斑对应点的光程与入射光束截面的中心点到环形光斑上任意一点的光程相等的关系，并带入预设焦距F和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；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；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：

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)；

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)；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；

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，对焦平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，上述自由曲面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。

进一步优选地，当光源为激光器时，上述自由曲面镜环形光斑光学系统还包括准直单元；准直单元沿光路放置在激光器与反射式自由曲面组合环形光斑镜之间，用于对激光光束进行准直得到平行光束，并将平行光束入射到反射式自由曲面组合环形光斑镜。

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、本发明提供了一种自由曲面镜环形光斑光学系统，包括自由曲面组合环形光斑镜，其中自由曲面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，基于预设焦距和焦平面上目标光场的预设光斑分布模式，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，使得自由曲面组合环形光斑镜同时兼具光束整形和聚焦功能；本发明仅通过一个自由曲面组合环形光斑镜即可实现光斑的按需整形与聚焦，在减少整形光路所需的光学元件的同时，也增加了整形后可输出的组合环形光斑模式种类，适应于实际加工中不同场景的需求。

2、本发明所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统，通过特殊的镜面设计和求解方法，在完全不牺牲所需的光学性能的同时解决了复杂的组合环形光斑对应的反射面曲面不连续的问题，显著降低了加工难度。

3、本发明所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统，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，降低了光路调节难度，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、本发明所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统，相比于现有的环形聚焦离轴抛物镜，本发明光斑整形可供选择的模式更多，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，更多样化；且组合环形光斑的各部分能量占比可调。

5、本发明所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统，相较于功能类似的透射式光学系统(例如采用衍射光学元件或者自由曲面透镜的光束整形系统)，承受功率更高，更适合应用于大功率激光加工场景。

附图说明

图1为本发明所提供的自由曲面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所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统的结构示意图；

图3为本发明实施例1所提供的反射式自由曲面组合环形光斑镜各段镜面与焦面组合环形光斑各部分的对应关系；

图4为本发明实施例1所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统输出的焦面光场的剖面能量分布图；

图5为本发明实施例2所提供的反射式自由曲面组合环形光斑镜各段镜面与焦面组合环形光斑各部分的对应关系；

图6为本发明实施例2所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统输出的焦面光场的剖面能量分布图；

图7为本发明实施例3所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统输出的焦面光场的剖面能量分布图。

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。

本发明提供了一种本发明提供了一种输出组合环形光斑的光束整形系统，即自由曲面镜环形光斑光学系统，该系统的核心是一种反射式自由曲面组合环形光斑镜，反射式自由曲面组合环形光斑镜具有将输入光束整形并聚焦的功能，其反射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，通过单个反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面即实现了整形与聚焦功能，大大减少了光学元件；对复杂组合环形光斑对应的反射面曲面不连续问题进行了优化，降低了加工难度。因此该系统光路结构更简单、抗干扰能力更强，降低了误差影响和光路调节难度，整形效果更稳定、更多样化。

具体地，如图1所示，本发明所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统，包括：反射式自由曲面组合环形光斑镜3；

反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面为计算得到的曲面；在反射面形状完全确定的情况下，对应的反射式自由曲面组合环形光斑镜有确定的入射方向及出射方向；其中，反射面形状不同，反射式自由曲面组合环形光斑镜所得的光斑分布模式也不同。反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面形状根据预先设定的焦距以及焦平面上目标光场的光斑分布模式进行求解后确定，使得反射式自由曲面组合环形光斑镜同时兼具光束整形和聚焦功能。具体地，反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面形状通过以下方式确定：基于预设焦距和焦平面上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。

反射式自由曲面组合环形光斑镜用于通过反射面将输入的平行光束的分布模式改变为预设光斑分布模式，从而在焦平面上得到目标组合环形光斑。其中，反射式自由曲面组合环形光斑镜的直接输入为平行光束。

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抛物面。

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：反射式自由曲面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整形并聚焦为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、更换反射式自由曲面组合环形光斑镜能起到的调节效果具体包括：反射式自由曲面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。

进一步地，当光源为激光器时，上述自由曲面镜环形光斑光学系统还包括准直单元；准直单元沿光路放置在激光器与反射式自由曲面组合环形光斑镜之间，用于对激光光束进行准直得到平行光束，并将平行光束入射到反射式自由曲面组合环形光斑镜。其中，准直单元指具有光束准直功能的光学元件，如反射式抛物镜、非球面透镜等。

为了说明本发明所提供的自由曲面镜环形光斑光学系统，下面以带准直单元的自由曲面镜环形光斑光学系统为例，结合实施例进行详述：

实施例1、

实施例1提供了一种输出为双环形组合光斑的自由曲面镜环形光斑光学系统及其所使用的反射式自由曲面组合环形光斑镜；如图2所示，该光学系统包括准直单元和反射式自由曲面组合环形光斑镜。具体地，激光器发出的高斯光束1入射到反射式抛物准直镜2；准直为平行高斯光束后，再沿光路入射到反射式自由曲面组合环形光斑镜3，反射式自由曲面组合环形光斑镜3的反射镜面形状为根据焦距、入射光场信息、出射光场信息、以及入射光场与出射光场之间的能量映射关系求解计算出来的空间方程描述的自由曲面；经过整形后，在焦平面4上得到目标双环形组合光斑；此时光学系统的工作平面在焦平面4处；

其中，焦距、出射光场、入射光场与出射光场之间的能量映射关系是根据应用需求进行选择、设计得到的。具体地，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，将每一部分的能量分别映射到焦平面上的对应位置。

其中，反射式抛物准直镜2也可以替换为其他具有相同准直功能的光学元件，例如准直透镜。

具体地，双环形组合光斑所对应的反射面形状通过以下方式确定：

本实施例中，反射式自由曲面环形光斑镜3的镜面形状由焦距F，焦平面上的点环形光斑的环半径，以及入射光场与出射光场的能量映射关系计算得出。此时，反射式自由曲面环形光斑镜3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，各段与焦平面上双环形组合光斑各组成部分的对应关系如图3所示。

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，得到入射圆光斑平面上的任意一点到聚焦面环形光斑上对应点的光程均等于入射圆光斑中心点到环形光斑的环上任意一点的光程的关系，并带入预设焦距以及环形光斑的环半径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。

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：

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。

本实施例中，焦距为200mm，双环组合光斑的内环半径为0.4mm，外环半径为1mm，从内到外两段镜面的半径分别为5mm和25mm。焦平面上光斑的剖面能量分布如图4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提供了一种输出为中心光点+两个不同半径环形光斑组合的点环形光斑的反射式自由曲面镜环形光斑光学系统及其所使用的反射式自由曲面组合环形光斑镜。该光学系统结构与实施例1中相同，不同之处在于所使用的反射式自由曲面环形光斑镜的反射面形状不同。

此时，目标组合环形光斑(即点环形光斑)对应的反射面的曲面方程求解方法如下：此时反射面曲面方程为分段函数，首先采用实施例1中求解单个环形光斑对应的组合环形光斑镜的反射面曲面方程的方法求解反射面中心段所对应的曲面方程；然后根据已求解的中心段的曲面方程，以及中心段镜面的半径，确定中心段镜面的边界，作为边界条件，再求解与中心段相邻的一段反射面的曲面方程；依此类推，由内向外求解出描述整个反射面的分段函数。

具体地，在本实施例中，组合环形光斑镜的焦距为200mm，反射面分为两段，中心段镜面对应的焦面光斑为点光斑，视作半径为0的环形光斑；与中心段镜面相邻的一段镜面对应的焦面光斑为半径0.4mm的环形光斑；最外围的一段镜面对应的焦面光斑为半径0.8mm的。反射面各段与焦面点环形光斑各部分的对应关系如图5所示。焦平面上光斑的剖面能量分布如图6所示。

实施例3、

实施例3提供了另一种输出为中心光点+两个不同半径环形光斑组合的点环形光斑的反射式自由曲面镜环形光斑光学系统及其所使用的反射式自由曲面组合环形光斑镜。该光学系统结构与实施例1中相同，不同之处在于所使用的反射式自由曲面环形光斑镜的反射面形状不同。

该实施例中，反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面分为3段，各段反射面对应的曲面方程与实施例2中相同，各段镜面与焦面上组合环形光斑的各部分对应关系同样如图5所示；与实施例2中反射式自由曲面组合环形光斑镜的不同之处在于，本实施例中各段镜面的相对尺寸不同。具体地，本实施例中，中心光点对应的一段反射面相对尺寸更大，因此能量占比更高。焦平面上光斑的剖面能量分布如图7所示，中心光点的功率密度高于外围环形光斑的能量密度，与实施例2中相反。

实施例4、

实施例4提供了另一种自由曲面镜环形光斑光学系统，系统整体结构与实施例1或实施例2相同，与实施例1或实施例2的不同之处在于，本实施例中光学系统的工作平面不在反射式自由曲面组合环形光斑镜的焦平面，而位于离焦、且与焦平面平行的平面上，此时所得的目标组合环形光斑为离焦后的光斑。根据离焦距离不同，会在工作平面上得到不同能量分布的光斑。这些光斑中的一部分具有实用价值，例如剖面为马鞍形的类环形光斑。

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

1.一种自由曲面镜环形光斑光学系统，其特征在于，包括：反射式自由曲面组合环形光斑镜；

所述反射式自由曲面组合环形光斑镜用于实现光束的整形与聚焦功能，具体为：通过其反射面将输入的平行光束整形并聚焦，在焦平面上得到目标组合环形光斑；

所述反射式自由曲面组合环形光斑镜的反射面形状通过以下方式确定：基于预设焦距和焦平面上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。

2.根据权利要求1所述的自由曲面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；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。

3.根据权利要求2所述的自由曲面镜环形光斑光学系统，其特征在于，当所述目标组合环形光斑为半径为R的单个环形光斑时，所述反射面形状通过以下方式确定：

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，得到入射光束截面上任意一个点到焦平面上环形光斑对应点的光程与入射光束截面的中心点到环形光斑上任意一点的光程相等的关系，并带入预设焦距F和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。

4.根据权利要求3所述的自由曲面镜环形光斑光学系统，其特征在于，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；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：

5.根据权利要求4所述的自由曲面镜环形光斑光学系统，其特征在于，当所述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：

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，通过改变M₁、M₂、…、和/或M_n的大小，对焦平面上的组合环形光斑各部分的能量占比进行调节。

7.根据权利要求3-6任意一项所述的自由曲面镜环形光斑光学系统，其特征在于，所述自由曲面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。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的自由曲面镜环形光斑光学系统，其特征在于，当光源为激光器时，所述自由曲面镜环形光斑光学系统还包括准直单元；所述准直单元沿光路放置在所述激光器与所述反射式自由曲面组合环形光斑镜之间，用于对激光光束进行准直得到平行光束，并将平行光束入射到所述反射式自由曲面组合环形光斑镜。