CN114578553B

CN114578553B - 基于目标照射需求的准直透镜设计方法

Info

Publication number: CN114578553B
Application number: CN202210281266.2A
Authority: CN
Inventors: 孔令豹; 沈晓慧
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: CN114578553A

Abstract

本发明公开了一种基于目标照射需求的准直透镜设计方法。具体为：建坐标系；选取光源、透镜边缘点坐标和目标面范围；给定透镜边缘点初始法线方向；以透镜边缘点为首个透镜采样点，改变该点法线方向直至根据计算投射在目标面指定范围；由透镜采样点法线方向和其移动距离求解下个透镜采样点，直至点接近坐标轴；光源为圆形对称面光源时，将采样点相连建模获得轮廓母线，将该母线旋转一周得非球面透镜面；光源为非圆形对称面时，将光源、采样点与目标面同绕光轴旋转后，重复采样，旋转360°后，采样点相连建模得自由曲面透镜面；最终得准直透镜。本设计方法灵活，可根据需求随时调整，用于单光源或阵列光源的准直，能量损失小，准直效果良好。

Description

基于目标照射需求的准直透镜设计方法

技术领域

本发明属于光学设计和测量技术领域，具体涉及一种基于目标照射需求的准直透镜设计方法。

背景技术

激光光源的性能非常良好，因此可以应用在探测、成像、制造等领域。而激光光束的质量好坏往往决定了激光所能应用的场景以及能取得结果的好坏，简单来说，激光光束的评价标准有光束发散角、光强大小等。而在测距、成像、探测等领域，限制激光光束的应用的主要原因来自于光束的发散角，大量光线由于发散角的存在无法照射到目标面上，从而从目标面反射回来的光线数量稀少，探测难度大，造成了探测距离、探测精度都受到限制的结果。

针对提升激光在探测理论的应用范围，对光束的评价从最实用的角度来说，就是希望激光光束能够以最少的能量损失均匀照射在目标上，即利用最小的光斑完全均匀照亮目标。通过透镜的调控，使得激光光束能够以最大功率，最小的光斑完全照亮目标，在目标面上光线反射达到探测面上，就能实现更高强度的信号返回，实现更高精度、更远距离的探测。因此，如果能实现在目标面上的精准照射，对于激光在各个领域的应用都具有及其重大的意义。

此前的准直方法大多都基于对光源的发散角控制作为目标进行透镜的设计，然而在实际使用时，人们更加关注的其实是光束照射质量的问题，因此使用光斑在目标面上的表现作为评价的标准，事实上是具有更加强的实用意义的。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于目标照射需求的准直透镜设计方法；本发明的准直透镜是通过对目标的光斑进行控制达成准直目的；本设计方法设计灵活，无需进行二次优化，可根据实际需求随时进行调整，可以用于单光源或阵列光源的准直，能量损失小，准直效果良好。

本发明的技术方案具体介绍如下：

本发明提供一种基于目标照射需求的准直透镜设计方法，准直透镜是通过对目标的光斑进行控制达成准直的目的，设计的结果为一自由曲面透镜；设计方法具体为：

(1)建立空间坐标系，空间坐标系的中心为光源的中心，光源为非圆形对称面，光源在x-z平面上，则光轴为空间坐标系的y轴；

(2)选取光源边缘点、透镜边缘点的坐标以及目标面的指定范围；光源边缘点为O：(0，0，s_i)、O'：(0，0，s′_i)，O和O'分别为光源与z轴相交线段的两个端点；透镜边缘点坐标为P₀：(0，y₀，z₀)，y₀为透镜边缘与光源距离，z₀为透镜口径大小；目标面的指定范围在点A(0，y，a_i)与点A'(0，y，a′_i)连接的线段上，y为目标面与光源的距离；

(3)给定透镜边缘点的初始法线方向，利用折射定律计算两个光源边缘点所在位置的点光源发出的两条光线在通过透镜边缘点后，投射在目标面上的位置；

(4)以透镜边缘点作为第一个透镜采样点，改变第一个透镜采样点的法线方向直至两个光源边缘点所在位置的点光源发出的两条光线，在折射定律计算后光线投射的位置在目标面的指定范围内，记录此时满足目标照射需求时的透镜采样点对应的法线方向，并计算法线对应的斜率；

(5)根据满足目标照射需求时的上一个透镜采样点对应的斜率k，以及给定的透镜采样点在z轴方向的移动距离△，求解下一个透镜采样点P_i+1坐标，下一个透镜采样点P_i+1选取在通过上一个透镜采样点坐标的切线上，P_i+1坐标为：(0，y_i+1，z_i+1)，其中：z_i+1＝z_i-△，i为大于等于0的整数；

不断重复步骤(4)所述计算斜率的过程，依次类推，直至透镜坐标采样点的z坐标z_i+1接近零；

(6)将光源、透镜和目标面绕着光轴顺时针或者逆时针方向依次旋转不同角度，重复步骤(2)、(3)、(4)和(5)，获得旋转了不同角度后的符合目标照射需求的透镜采样点坐标；当旋转角度到达360°后，所有的符合目标照射需求的透镜采样点坐标计算完毕，将所有透镜采样点坐标相连后建模，获得对应效果透镜的自由曲面(透镜入射面)，即获得自由曲面透镜。

本发明中，准直透镜是通过对目标的光斑进行控制达成准直的目的，设计的结果为非球面透镜；其中：步骤(1)中，光源为非圆形对称面替换为：光源为圆形对称面；步骤(6)替换为：将解得的透镜采样点坐标相连后建模，获得非球面轮廓母线，将该母线旋转一周，进而获得透镜的非球面(透镜入射面)，即获得非球面透镜。

本发明中，步骤(2)中，光源的边缘点选取为当前z轴上光源相聚最远的两个点(如圆形光源发光为直径线段上的两个端点)，根据边缘光线的理论，光源直接被简化为两个边缘点所在位置的点光源，点光源发散角的大小由光源本身的发散角决定。

本发明中，步骤(2)中，透镜边缘点坐标主要决定透镜距离光源的位置以及透镜的口径大小，需要控制在一定范围内，具体由不同的光源口径大小以及发散角决定。表1中列举的为不同圆形发光的光源半径对应的不同透镜边缘点坐标，其中最受限制的主要为能够被透镜接受的最大光源发散角，但是实际选取需要根据实际需求、加工能力进行确定，表中列举的仅为完全光滑的自由曲面透镜计算结果。

表1：不同圆形发光的光源半径对应的不同透镜边缘点坐标

光源半径	透镜口径(y0)	透镜与光源距离(x0)	最大光源发散角
				0.1	14.69	15	0.1944
0.2	13.79	15	0.1857
				0.3	12.89	15	0.1770
0.4	11.91	15	0.1675
				0.5	10.91	115	0.1578
0.6	9.82	15	0.1471
				0.7	8.64	15	0.1356
0.8	7.36	15	0.1230
				0.9	5.81	15	0.1077
1.0	3.85	15	0.0883

本发明中，步骤(3)、(4)中，透镜边缘点、透镜采样点的法线方向为折射定律中，界面上位于折射点处的法线方向。法线方向可以利用单位向量进行表述：N＝(cosθ，sinθ)，，θ为法线与y轴正方向的夹角，改变θ角大小即可改变法线方向。只需给定初始θ角的大小即可给定初始的法线方向，具体数值可以根据具体情况进行给定。法线对应的斜率的计算办法为k＝tanθ。

本发明中，步骤(4)中，以透镜边缘点作为初始透镜采样点，光源边缘点所在的两个点光源发出的光线经过该坐标点，光线发生折射，通过对该坐标点对应的法线方向进行改变，可以改变通过此点的两条光线的走向，进而获得光线在目标面位置处的落点坐标，若落点坐标在指定的目标面范围内，则保留此法线方向，否则继续改变法线方向进行查找。

本发明中，步骤(5)中，在获得透镜采样点对应的满足目标照射需求的法线方向后，下一透镜采样点选取在通过此透镜采样点坐标的切线上，并通过z轴方向上的移动距离△以获得下一透镜坐标采样点，其相对于上一点在z轴方向上的移动距离由用户给定，为了结果更加准确，应选取较小的移动距离△。

本发明中，步骤(5)中，透镜采样点坐标接近光轴所在的坐标轴时，透镜采样点在当前透镜入射面上的采样全部结束，可以开始对下一个透镜(入射)面行计算。

本发明中，设计自由曲面透镜时，步骤(6)中，由用户自主给定不同透镜采样点所在的透镜入射面绕着光轴的旋转角度，旋转的角度可以根据实际光源和目标面情况选取，可以为1°-360°。，一般具有快慢轴的激光光源可以选取90度(覆盖快慢轴)或者是较小的角度(10度、15度、30度都可以，建议最好覆盖快慢轴，防止快慢轴附近的光线未被计算导致准直结果的不准确)。当透镜入射面绕过中心点旋转一周(360°)以后，即完成了对光源的一周光线计算，从而获得了透镜入射面一周的坐标。

本发明中，步骤(6)中，基于获得透镜的一系列采样点后，通过计算机辅助设计(CAD)建模软件(如：Solid Works)对采样点进行连接并建模，如光源为旋转对称类型光源，只需计算其中一个平面上的采样点，连接后通过旋转对称的方式获得透镜入射面；如光源x、y方向差距较大，可对x、y两个方向上的平面进行分别计算后利用柱透镜进行合成；当光源不同角度的光线分布都有所区别时，选取一定间隔的旋转角度可获得自由曲面透镜进行准直，具体与光源、目标面要求相关。一般的激光光源都具有快慢轴，根据准直经验，对快慢轴两个方向进行计算就可完成准直，但是当光源情况特殊，每个方向发光强度均有区别，那选取的角度间隔可以根据光源情况具体决定，即针对不同类型的光源可以采取不同的建模方法。

本发明充分考虑了实际使用中对激光光束的切实需求，并深入了解了目前的准直透镜设计目标与实际使用目标需求之间不匹配的关系，通过程序设计准直透镜，可以实现针对需求的目标面进行准直透镜设计的目标，其有益性充分体现在：

1、本发明设计方法同时适用于非球面透镜和自由曲面透镜；因为非球面透镜是回转对称的，所以设计时主要完成透镜面的轮廓线(二维曲线)设计，然后通过绕光轴旋转即可获得曲面；而自由曲面为非回转对程结构，其设计时需要完成多个轮廓线的设计，然后通过对轮廓线拟合完成整个曲面的设计；

2、本发明提出的设计方法，只关注光源的边缘光线与其发散角大小，对于光源的分布无限制条件，具有相当的普适性；

3、本发明设计得到的透镜，透镜的厚度和口径可以根据实际情况进行调整，结构简单，加工难度小，使用范围广；

4、本发明设计方法直接针对目标面光斑进行调控，可以根据实际使用的需求进行调整，目标明确，贴合实际；

5、本发明设计方法能量损失依据目标面范围来计算，能量损失被控制在20％以内，大幅度提升了对光源的利用率；

6、本发明设计方法的结果可以通过ZEMAX光学设计软件，对准直的结果进行直接观测。

综上所述，相比于现有的依据光束发散角为评价标准的准直计算方法，本发明提出的计算方法将目标修正为更贴合实际需求的目标面光斑评价方法，且计算方法可调节能力大，结构简单，可以适应不同种类的光源，准直效果良好(29°，1.9°)，对光源的利用率高(>85％)。

附图说明

图1为本发明提出的设计方法基本流程示意图。

图2为本发明提出的准直系统结构示意图。

图3为本发明实施例中对VCSEL单光源准直过程的其中一个平面的计算过程中光线的折射示意图。

图4为本发明实施例中对VCSEL单光源准直过程中计算得到的其中一个面的坐标采样点示意图。

图5为本发明实施例中对VCSEL单光源的准直自由曲面透镜设计结果示意图。

图6为本发明实施例中使用的VCSEL矩阵光源的光源排布方式。

图7为本发明实施例中对VCSEL单光源准直效果示意图。

图8为本发明实施例中对VCSEL矩阵光源准直效果示意图。

图9为本发明实施例中对VCSEL单光源准直后在目标面上的辐射强度分布图。

图10为本发明实施例中对VCSEL矩阵光源准直后在目标面上的辐射强度分布图。

图中标号:1-光源；2-准直透镜，20-透镜入射面，21-平面出射面；3-目标面。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

为了便于理解，这里针对一个3*3的VCSEL矩阵光源进行准直作为实施例来对本发明进行进一步说明。

为了便于理解，首先对实施例中光源做一个简单介绍。本实例情况下，光源为圆形发光，光源的出光口径大小为1mm，发散半角为20°。透镜材料选用亚克力PMMA，即选取折射率为1.49。光源排布如图3所示，光源之间的间距为13mm。选取透镜的直径为8mm，厚度为2mm，选取的移动距离△为0.01mm，因此透镜边缘点坐标为(0，10，4)。选取目标面与光源的距离为1km。

首先针对本实例对发明方法做具体说明。如图1，本发明提出的基于目标面需求的准直透镜设计方法，其设计原理为边缘光线理论与折射定律。本实例中的设计方法具体为：

(1)建立空间坐标系，空间坐标系的中心为光源的中心，光源在x-z平面上，则光轴为空间坐标系的y轴；

(2)选取光源边缘点、透镜边缘点的坐标以及目标面的指定范围。本实例中，由于光源为圆形发光，发光直径为1mm，因此取光源边缘点为O：(0，0，0.5)、O'：(0，0，-0.5)，O和O'分别为光源与z轴相交线段的两个端点；透镜边缘点坐标为P₀：(0，10，4)，表示透镜边缘与光源距离为10mm，透镜半径大小为4mm，以满足光源发散半角为20°、阵列光源间距为13mm的要求；目标面的指定范围为在点A(0，1000000，4090)与点A'(0，1000000，-4090)连接的线段上，表示目标面与光源的距离为1km，需求的目标面为半径为4090mm的圆；

(3)给定透镜边缘点的初始法线方向(1，0)，即初始法线法相与y轴方向一致。利用折射定律计算两个光源边缘点所在位置的点光源发出的两条光线在通过透镜边缘点后，投射在目标面上的位置，改变透镜边缘点的法线方向直至两个光源边缘点所在位置的点光源发出的两条光线，在折射定律计算后光线在目标面上投射的位置在指定范围内，记录此时的法线方向；

(4)以透镜边缘点作为第一个透镜采样点，改变第一个透镜采样点的法线方向直至两个光源边缘点所在位置的点光源发出的两条光线，在折射定律计算后光线投射的位置在目标面的指定范围内，记录此时满足目标照射需求时的透镜采样点对应的法线方向；

(5)根据满足目标照射需求时的上一个透镜采样点对应的法线方向，并计算法线对应的斜率k，以及给定的透镜采样点在z轴方向的移动距离△，求解下一个透镜采样点P_i+1坐标，下一个透镜采样点P_i+1选取在通过上一个透镜采样点坐标的切线上，P_i+1坐标为：(0，y_i+1，z_i+1)，其中：

z_i+1＝z_i-△，i为大于等于0的整数；

依次类推，不断重复，直至透镜坐标采样点的z坐标z_i+1接近零；

(6)直接对所获得的采样点相连后，将获得的曲线旋转即获得非球面透镜面(透镜入射面)，进一步结合平面出射面，获得非球面透镜；实例中由于光源也为圆形对称发光，因此只需要对一个平面进行坐标点采样即可。

而如果采用非圆形对称面光源时，需要将将光源、透镜和目标面绕着光轴顺时针或者逆时针方向依次旋转不同角度，重复步骤(2)、(3)、(4)和(5)，获得更多的符合目标照射需求的透镜采样点坐标；当旋转角度到达360°后，所有的符合目标照射需求的透镜采样点坐标计算完毕，将所有透镜采样点坐标相连后建模，获得自由曲面(透镜入射面)，进一步结合平面出射面，获得自由曲面透镜。

为了更好的展示整个准直过程，如图2展示了利用ZEMAX仿真的目标面的距离为100mm的准直结果示意图。光源1发出的光线通过准直透镜2后，投射在距离为目标面3的指定范围(圆形光斑)内。

对实例采用的VCSEL光源，以上计算过程利用MATLAB软件编写程序完成。将程序计算的其中一个平面的计算过程中光线的折射用图3展示。

对实例采用的VCSEL光源，当目标面3距离为1km时，其中一个面的坐标采样点如图4所示。

对实例采用的VCSEL光源，当目标面3距离为1km时，设计获得的准直透镜2如图5所示，准直透镜2的仿真结果由Solid Works进行曲线的旋转对称获得。其中准直透镜2由一个旋转对称的透镜入射面20与平面出射面21组成。使用时，准直透镜2的中心与光源1的中心对应，当光源1为阵列光源时，光源1与透镜一一对应，每个光源1的中心均与对应的透镜中心对应。光源1发出的光线经过透镜入射面20发生偏折后，通过平面出射面21出射至目标面3上指定范围。

对实例采用的阵列光源，其阵列排布如图6所示。单光源之间的间隔为13mm，为简单的3*3分布。

为了更好地说明准直的过程，对单光源的准直效果如图7所示，对矩阵光源的准直效果如图8所示。为了更好的看到对比的效果，不论是单光源还是矩阵光源，目标面3与光源面的距离均为1km，光源面处放置的探测器是为了更好地查看光源出光的情况。所使用的光源光线通过准直透镜2后，光线发生折射被准直，射入目标面3上。最后，光源发出的光线在目标3为1000000mm处的平面时，光斑半径大小被控制在4090mm，而单光源和矩阵光源的光斑大小几乎没有区别。

为了更好地说明准直的结果，图9和图10分别展示在1000000mm处探测器获得的光源的辐射强度分布值，可以看到单光源与矩阵的光源的光斑除强度大小不同外，光斑大小、强度分布几乎都是一致的。通过光线追迹的方法，可以获得光线损失的比例被控制在20％以内。通过对不同种类光源的准直仿真结果来着，本次设计获得的准直透镜对不论是单激光光源还是阵列激光光源在目标面上的整形效果良好且对光源的能量利用率高。

综上所述，本发明公开了一种基于目标面需求的准直透镜设计方法，通过光源与透镜的一对一准直，不仅可以实现单激光光源在目标面上的光斑调整，同时可以实现对矩阵光源的光斑调整。在对光源光斑进行调整时，不仅结合实际需求对不同距离目标面进行对应调整，同时，设计的结果只需要利用一个透镜，透镜口径可调，灵活多变，制造简单，适用性强。相比于目前的激光准直方法，本发明提出的设计方法原理简单，灵活性大，更加切合实际使用需求。

实施例中仅选取了特定的VCSEL光源、准直透镜2以及目标面3，用于具体说明本发明的实验思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、实验思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于目标照射需求的准直透镜设计方法，其特征在于，准直透镜是通过对目标的光斑进行控制达成准直的目的，设计的结果为自由曲面透镜；设计方法具体为：

(2)选取光源边缘点、透镜边缘点的坐标以及目标面的指定范围；光源边缘点为O：(0，0，s_i)、O'：(0，0，s′_i)，O和O'分别为光源与z轴相交线段的两个端点；透镜边缘点坐标为P₀：(0,y_o，z_o)，y₀为透镜边缘与光源距离，z₀为透镜口径大小；目标面的指定范围在点A(0，y，a_i)与点A'(0，y，a′_i)连接的线段上，y为目标面与光源的距离；

(5)根据满足目标照射需求时的上一个透镜采样点对应的斜率k，以及给定的透镜采样点在z轴方向的移动距离△，求解下一个透镜采样点P_i+1坐标，下一个透镜采样点P_i+1选取在通过上一个透镜采样点坐标的切线上，P_i+1坐标为：(0,y_i+1,z_i+1),其中：z_i+1＝z_i-Δ，i为大于等于0的整数；

(6)将光源、透镜和目标面绕着光轴顺时针或者逆时针方向依次旋转不同角度，重复步骤(2)、(3)、(4)和(5)，获得旋转了不同角度后的符合目标照射需求的透镜采样点坐标；当旋转角度到达360°后，所有的符合目标照射需求的透镜采样点坐标计算完毕，将所有透镜采样点坐标相连后建模，获得对应效果透镜的自由曲面，即获得自由曲面透镜。

2.根据权利要求1所述的基于目标照射需求的准直透镜设计方法，其特征在于，准直透镜是通过对目标的光斑进行控制达成准直的目的，设计的结果为非球面透镜；其中：

步骤(1)中，将光源为非圆形对称面替换为：光源为圆形对称面；

步骤(6)替换为：将解得的透镜采样点坐标相连后建模，获得非球面轮廓母线，将该母线旋转一周，进而获得透镜的非球面，即获得非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的基于目标照射需求的准直透镜设计方法，其特征在于，步骤(2)中，光源的边缘点选取为当前z轴上光源相聚最远的两个点，光源直接被简化为两个边缘点所在位置的点光源，点光源发散角的大小由光源本身的发散角决定；透镜边缘点坐标主要决定透镜距离光源的位置以及透镜的口径大小，由不同的光源口径大小以及发散角决定。

4.根据权利要求1所述的基于目标照射需求的准直透镜设计方法，其特征在于，步骤(3)、(4)中，透镜边缘点、透镜采样点的法线方向为折射定律中，界面上位于折射点处的法线方向；法线方向利用单位向量进行表述：N＝(cose,sinθ),θ为法线与y轴正方向的夹角，法线对应的斜率的计算办法为k＝tanθ。

5.根据权利要求1或2所述的基于目标照射需求的准直透镜设计方法，其特征在于，步骤(6)中，用Solid Works计算机辅助设计CAD建模软件对透镜采样点坐标进行连接并建模。