CN115685537A - 一种产生均匀环形光的光学系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种产生均匀环形光的光学系统设计方法，属于光学设计领域。技术方案：涉及的光学系统由圆锥镜和柱面积分镜组合形成。一束圆形平行光入射至圆锥镜，从圆锥镜出射的光反射于柱面积分镜上，柱面积分镜上的凹凸区域将光束分割后，再同时堆叠汇聚至焦面处，形成一定宽度的聚焦环光。所述的圆锥镜由锥线绕光轴Z旋转一周形成；所述的柱面积分镜上凹凸区域是由多个凹凸相间的抛物线绕光轴Z旋转一周形成的曲面；所述的聚焦环光宽度大小为6mm，能量均匀度达89%以上。本发明中柱面积分镜上的凹凸区域数量越多，焦面上环光的均匀度越高。
Description
技术领域
本发明属于光学系统设计领域，特别涉及一种产生均匀环形光的光学系统设计方法。
背景技术
光束的整形和调控是光学产业朝着先进化、轻量化和高性能方向发展的关键技术问题，在光纤通信、激光切割和激光焊接等领域有着重要作用。工业薄壁管件的焊接通常采用环形光束，此类环光大部分由锥透镜-聚焦镜等组成的光学系统整形获得，如实用新型专利CN201820983136.2公开了“一种环状聚焦光束系统”或者发明专利CN202011544208.1公开了“一种环形光激光焊接装置”，但涉及的技术方法没有解决焦面环形光能量分布不均匀等问题，对于焊缝较大的环形焊口往往采用离焦方式焊接，不仅环光能量逸散严重，且焊口存在热变形现象，应用场合有限。
发明内容
本发明目的是提供一种紧凑型反射式光学系统设计方法，通过设计的柱面积分镜即可产生任意大小且能量分布均匀的聚焦环光，不仅设计自由度高，在实际应用中还具有耐高功率激光、结构紧凑和易于加工成型的特点。
实现本发明目的的技术方案是
所述的光学系统由圆锥镜和柱面积分镜组合设计形成，圆锥镜由锥线绕光轴Z旋转一周形成，锥线方程L(x,z)在XOZ平面内的定义如下：
Z=cot(θ/2)·X+Z 1 (5)
Z 1是圆锥镜顶点与X轴的距离，θ是圆锥镜顶角。
所述的柱面积分镜是由多个凹凸相间的抛物线绕光轴Z旋转一周形成的凹凸型连续曲面。
柱面积分镜具体设计步骤是：
先计算初始条件：根据焦面环光宽度CD的大小，将入射至圆锥镜上的光束分割成1, 2, 3..区域，各个区域在Z轴方向上的宽度分别是Z11, Z12, Z13...，此时确定C点和D点的具体坐标，Z11, Z12, Z13...均是已知值。
分析光路传播过程：区域1, 3..的光反射至积分镜中的凹型曲面，分别会聚于焦点F 1和F 3后再发散至CD，区域2的光反射至凸型曲面，沿着虚焦点F 2反向发散于CD，且区域2宽度小于CD长度；
最后计算参数：当圆锥镜顶角是θ时，以F 1 (XF1, ZF1)为焦点的凹型抛物线方程Pn1(Xn1, Zn1)可定义如下：
A、B点位于该抛物线，F 1是直线AD和直线BC的交点；A(X A, Z A)、C(X C, Z C)和D(X D,Z D)是已知坐标，点B(X B, Z B)中Z B=ZA+Z11，因此未知参数X B、焦点F 1坐标及焦距f n1可通过以下方程组求解：
同样地，以F2 (XF2,ZF2)为焦点的凸型抛物线方程Pn2(Xn2,Zn2)可定义如下：
B(X B,Z B)、C(X C,Z C)和D(X D,Z D)是已知坐标，点E(X E,Z E)中Z E=ZB+Z12，再结合方程组(3)可计算出式(4)中的焦点F 2坐标及焦距f n2；根据上述方法计算其它凹凸抛物线各项参数，最终得到完整的柱面积分镜。
在上述技术方案中：入射至区域1-3的高斯光束能量单调递减分布，经过区域1上方的凹型曲面反射至CD后，其能量由D点到C点逐渐减少；而区域2反射至CD的光能量由D点到C点逐渐增加，因此锥面上的光经过多个凹凸曲面反射后以能量递减和递增的方式同时叠加于CD处，光强集中的同时也增加其均匀度。
上述说明仅是本发明方法的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为一种产生均匀环形光的光学系统设计方法示意图；
图2为本发明实施例提供的光学系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的能量分布曲线示意图；
图2标记说明：S1、圆锥镜；S2、柱面积分镜；S3、聚焦环形光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
若已知入射平行激光直径为10mm，要求设计一套光学系统，目的是在激光工作距离Z 1=150mm处产生外直径是12mm，内直径是6mm，宽度为6mm的聚焦环光，且均匀度达85%以上。参见附图1，整个系统总体可由圆锥镜和柱面积分镜组合设计形成。选用的圆锥镜顶角是86°，由其锥线绕光轴Z旋转一周形成，根据上述公式(1)可知XOZ平面内定义的锥线方程L(x,z)为：
Z=1.0724·X- 150 (9)
其次，已知环光宽度CD是6mm，将入射至圆锥镜上的光束分割成6个区域，各个区域在Z轴方向上的宽度均是Z11=Z12=Z13...=2mm。当圆锥镜顶角是86°时，结合公式(2)和公式(3)可计算出区域1的凹型抛物线方程Pn1(Xn1,Zn1)的参数：焦点F1=(23.525,-90.648)及焦距f n1=33.878mm。
同样地，区域2的凸型抛物线方程Pn2(Xn2,Zn2)的参数：焦点F2=(96.977,-415.039)及焦距f n2=157.743mm。根据上述方法计算其它凹凸抛物线各项参数，具体如下：
凹型抛物线Pn3(Xn3,Zn3)：焦点F3=(25.283, -87.971)及焦距f n3=34.024mm
凸型抛物线Pn4(Xn4,Zn4)：焦点F4=(106.682, -409.323)及焦距f n4=161.119mm
凹型抛物线Pn5(Xn5,Zn5)：焦点F5=(26.976, -85.279)及焦距f n5=34.186mm
凸型抛物线Pn6(Xn6,Zn6)：焦点F6=(116.626, -404.145)及焦距f n6=165.022mm
得到完整的柱面积分镜。
参见附图2，整个光学系统的光路结构为：一束圆形平行光入射至圆锥镜，从圆锥镜出射的光反射于柱面积分镜上，柱面积分镜上的凹凸区域将光束分割后，再同时堆叠汇聚至焦面处，形成一定宽度的聚焦环光。
参见附图3，焦面环形光的能量分布曲线，曲线平顶上高能量点的强度均值I max是230.6，低能量均值I min是205.3，因此均匀度P为：
P = (I min / I max) × 100% = 89.2% (10)
从本发明的实施例可以看出这种产生均匀环形光的光学系统系统结构紧凑，涉及的圆锥镜和柱面积分镜均可选取铜或铝为材料于单点金刚石车床一次车削成形，加工精度高的同时也提高了效率。
Claims (1)
1.一种产生均匀环形光的光学系统设计方法，其特征在于:
所述的光学系统由圆锥镜和柱面积分镜组合设计形成，具体设计思路：根据焦面环光宽度CD的大小，将入射至圆锥镜上的光束分割成1, 2, 3..区域，各个区域在Z轴方向上的宽度分别是Z11, Z12, Z13...；区域1, 3..的光反射至积分镜中的凹型曲面，分别会聚于焦点F 1和F 3后再发散至CD，区域2的光反射至凸型曲面，沿着虚焦点F 2反向发散于CD，且区域2宽度小于CD长度；
所述的圆锥镜由锥线绕光轴Z旋转一周形成，锥线方程L(x,z)在XOZ平面内的定义如下：
Z = cot(θ/2)·X+Z 1 (1)
Z 1是圆锥镜顶点与X轴的距离，θ是圆锥镜顶角；
所述的柱面积分镜是由多个凹凸相间的抛物线绕光轴Z旋转一周形成的凹凸型连续曲面，当圆锥镜顶角是θ时，以F 1 (XF1, ZF1)为焦点的凹型抛物线方程Pn1(Xn1, Zn1)定义如下：
A、B点位于该抛物线，F 1是直线AD和直线BC的交点；A(X A, Z A)、C(X C, Z C)和D(X D, Z D)是已知坐标，点B(X B, Z B)中Z B=ZA+Z11，因此未知参数X B、焦点F 1坐标及焦距f n1可通过以下方程组求解：
同样地，以F2 (XF2, ZF2)为焦点的凸型抛物线方程Pn2(Xn2, Zn2)可定义如下：
B(X B, Z B)、C(X C, Z C)和D(X D, Z D)是已知坐标，点E(X E, Z E)中Z E=ZB+Z12，再结合方程组(3)可计算出式(4)中的焦点F 2坐标及焦距f n2；根据上述方法计算其它凹凸抛物线各项参数，最终得到完整的柱面积分镜。
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|---|---|---|---|---|
| CN116184681A (zh) * | 2023-04-27 | 2023-05-30 | 成都莱普科技股份有限公司 | 二氧化碳激光的光束整形设备以及光束整形方法 |
| CN117268287A (zh) * | 2023-11-21 | 2023-12-22 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种工件内部结构的轮廓测量装置及测量方法 |
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2022
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| CN116184681B (zh) * | 2023-04-27 | 2023-08-04 | 成都莱普科技股份有限公司 | 二氧化碳激光的光束整形设备以及光束整形方法 |
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