CN117111315A - 一种一体化激光整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化激光整形装置，涉及激光技术领域，该装置包括：两个激光器和一体化整形透镜，一体化整形透镜包括两个一级准直面、一个二级反射面和一个三级扩束面，其中二级反射面上设有锯齿反射面，锯齿反射面的各个锯齿角度相等；两个激光器相对设置，输出的两束激光光源经过相应的一级准直面后均朝向锯齿反射面的同一区域入射且与水平面存在相同的夹角，两束激光光源经过锯齿反射面的不同锯齿面实现合束，最终经过三级扩束面整形为线激光平行出射。该装置利用等锯齿反射能够将两激光光源合束为平行光出射，不仅提高了光束能量，激光经过整形透镜还会得到大视场、高均匀度、高能量利用率的均匀线光束。

Description

一种一体化激光整形装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是一种一体化激光整形装置。

背景技术

基于线激光的三维测量技术是近年来快速发展的一种非接触光学测量技术，通过高速激光扫描的方式实现大面积、高分辨率的三维物体表面形貌测量。具有快速、非接触及高精度等测量优势，被广泛应用于工业在线测量领域。因此研究如何将激光器出射的光束整形成测量所需的线光束，具有十分重要的科学意义。

目前常用的线光束的光束整形方法有非球面透镜组、自由曲面透镜、衍射光学元件、液晶空间光调制器等。这些方法大多采用组合透镜的方式，结构复杂、体积大，同时整形后得到的光束具有光强均匀度低，能量利用率低等问题。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种一体化激光整形装置，利用等锯齿反射能够将两激光光源合束为平行光，提高了光束能量。本发明的技术方案如下：

一种一体化激光整形装置，包括两个激光器和一体化整形透镜，一体化整形透镜包括两个一级准直面、一个二级反射面和一个三级扩束面，其中二级反射面上设有锯齿反射面，锯齿反射面的各个锯齿角度相等；两个激光器相对设置，输出的两束激光光源经过相应的一级准直面后均朝向锯齿反射面的同一区域入射且与水平面存在相同的夹角，两束激光光源经过锯齿反射面的不同锯齿面实现合束，最终经过三级扩束面整形为线激光平行出射。

其进一步技术方案为，激光器置于一级准直面的焦点，一级准直面用于压缩激光器输出光束的发散角，将光束整形为准直光束；锯齿反射面设置在至少覆盖两个准直光束光斑重合的位置，用于将从两个方向入射的准直光束反射到同一方向合束为平行光束；三级扩束面与二级反射面平行对置，用于将入射的平行光束扩束为光强均匀的线光束，作为装置出射的线激光。

其进一步技术方案为，一体化整形透镜还包括棱台透镜，棱台透镜的下底面为二级反射面，在下底面的指定光学面位置加工有锯齿反射面，一级准直面和三级扩束面分别在不同平凸透镜的凸面加工得到；两个带有一级准直面的平凸透镜组装到棱台透镜的两个相对侧面的指定光学面位置，且凸面朝向相应的激光光源，带有三级扩束面的平凸透镜组装到棱台透镜的上底面的指定光学面位置，且凸面朝向棱台透镜的外侧，从而与棱台透镜本体合为一体。

其进一步技术方案为，一体化整形透镜还包括棱台透镜，棱台透镜的下底面为二级反射面，在下底面的指定光学面位置加工有锯齿反射面，两个一级准直面直接加工在棱台透镜的两个相对侧面的指定光学面位置，形成的凸面朝向相应的激光光源，三级扩束面直接加工在棱台透镜的上底面的指定光学面位置，形成的凸面朝向棱台透镜的外侧，从而实现整形透镜的一体成型设计。

其进一步技术方案为，一级准直面为球面或非球面，三级扩束面为非球面。

其进一步技术方案为，锯齿反射面的锯齿角度根据入射至反射面的激光光束与水平面的夹角θ决定。

其进一步技术方案为，锯齿反射面的锯齿角度等于2θ。

其进一步技术方案为，激光光源的工作波段为可见光波段、近红外波段、红外波段、近紫外波段或者紫外波段中的一种。

其进一步技术方案为，三级扩束面通过增大平行光束的慢轴发散角或快轴发散角实现扩束。

其进一步技术方案为，三级扩束面设计为：经过扩束面后出射的光束有一个汇聚斑，然后扩散成光强均匀的线光束。

本发明的有益技术效果是：

相比于其他的激光合束扩束结构，本申请公开的一体化激光整形装置中的一体化整形透镜为分立透镜的一体拼装形成或者一体成型加工得到，激光光源依次经过一级准直面、二级反射面和三级扩束面，能够实现两激光光源的准直、合束并扩束为光强均匀的线光束，结构简单紧凑、体积小、能耗低、使用寿命长；二级反射面采用锯齿反射面改变光束方向，且锯齿角度相等以实现两束光源的交叉合束，交叉区域的光能量集中度高，合束后的光束经过三级扩束面可以增大慢轴或快轴发散角，从而得到大视场、高均匀度、高能量利用率的均匀线光束，适用于MEMS线扫描等需要线激光的应用场景。

附图说明

图1是本申请提供的一体化激光整形装置的整体结构示意图。

图2是本申请提供的一体化整形透镜的设计实体图；其中(a)为透镜分立组装形式，(b)为透镜一体化成型形式。

图3是本申请提供的锯齿反射面中单个锯齿结构的光路示意图。

图4是本申请提供的准直光束光强分布示意图。

图5是本申请提供的经锯齿反射面合束后的光强分布示意图。

图6是本申请提供的三级扩束面的设计原理图。

图7是本申请提供的扩束后线光束的光强分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请提供了一种一体化激光整形装置，请参考图1所示，该装置包括两个激光器1、2和一体化整形透镜，其中一体化整形透镜包括两个一级准直面31、32，二级反射面33，三级扩束面34。激光器1、2提供大功率的激光光源，本实施例中设置激光光源的工作波段为可见光波段、近红外波段、红外波段、近紫外波段或者紫外波段中的一种。一体化整形透镜用于将激光光源依次进行准直、合束和扩束后整形为线激光平行出射。可选的，一级准直面31、32为球面或非球面。

上述激光器及各光学面的布置为：两个激光器1、2相对设置，且分别置于对应的一级准直面31/32的焦点，输出的两束激光光源经过相应的一级准直面后，均朝向二级反射面33的同一区域入射(优选反射面的中心区域)且与水平面存在相同的夹角，三级扩束面34与二级反射面33平行对置。装置的工作原理为：两个一级准直面31、32用于压缩激光器1、2输出光束的发散角，将光束整形为统一入射角的准直光束，在二级反射面33上的两准直激光的光斑几乎完全重合，再经过二级反射面33改变准直光束的方向，实现两束光斑的合束，最后经过三级扩束面34将激光扩束为线光束，并实现光斑的合束，出射线光束被探测器4接收。

在保证上述光学面空间布置的条件下，一体化整形透镜可进行多种方案的设计，包括但不限于：比如如图2(a)所示，一体化整形透镜还包括棱台透镜3，棱台透镜3的下底面为二级反射面33，在下底面的指定光学面位置加工有所需的锯齿反射面303。具体的，先在下底面的选定中心区域加工出锯齿结构，再在其上涂覆反射材料，形成锯齿反射面303。一级准直面31、32和三级扩束面34分别在不同平凸透镜的凸面加工得到。两个带有一级准直面的平凸透镜301、302组装到棱台透镜3的两个相对侧面的指定光学面位置，且凸面朝向相应的激光光源，带有三级扩束面的平凸透镜304组装到棱台透镜3的上底面的指定光学面位置，且凸面朝向棱台透镜3的外侧，从而与棱台透镜本体合为一体。再比如如图2(b)所示，直接在一颗棱台透镜3上加工一级准直面31、32，二级反射面33和三级扩束面34，其中二级反射面33上的锯齿反射面303的加工与第一种加工情形相同，两个一级准直面31、32直接加工在棱台透镜3的两个相对侧面的指定光学面位置，形成的凸面朝向相应的激光光源，三级扩束面34直接加工在棱台透镜3的上底面的指定光学面位置，形成的凸面朝向棱台透镜3的外侧，从而实现整形透镜的一体成型设计，用到的工艺包括整体注塑、光学冷加工、镀膜等。

两种加工方法得到的一体式光学元件，能够简化结构、缩短空间尺寸，减少光学损耗。为了便于理解，下文对整形透镜各级光学面进行设计时，将其视为分立的光学元件进行描述。

上述二级反射面33实现反射的一面为含有若干个锯齿的反射面，以实现多级反射，即单束激光经过锯齿反射面被其上的不同锯齿面反射，产生多束激光。其中锯齿反射面的位置和锯齿角度大小具有特定的设计，设计目的是为了让入射至反射面的激光光束可以合束为平行光，拥有较现有合束方案更高的能量集中度。具体的，将锯齿反射面设置在至少覆盖两个准直光束光斑重合的位置，并根据准直后入射至锯齿反射面的激光光束入射角设置锯齿各反射面角度，从而实现两束准直激光的交叉合束。

上述激光光束入射角为入射至反射面的激光光束与水平面的夹角θ，请参考图3所示，为确保入射至反射面的激光光束能够均匀的投射到二级反射面33上设定的锯齿反射面所在位置，则入射光必须以一定角度入射。根据几何关系可得，光束入射角∠2应与锯齿反射面中锯齿角一半大小∠1相等。假设锯齿反射面的各个锯齿角度等于2θ，则∠1＝∠2＝θ，根据几何关系可以得到：

则θ＝60°，进而可以得出锯齿反射面的各个锯齿角度等于120°。最终，根据上述设计方法将锯齿反射面分为多个相同顶角的等腰三角面，再根据光束交叉合束后的合束质量，如照度分布平滑性和能量集中度等设计锯齿反射面中等腰三角面的数目及尺寸。当准直光束以固定角度60°入射至锯齿反射面上时，按照设计的角度分别进入不同的等腰三角面a、b被反射后平行出射。

在本实施例中，由于光源准直后的平行激光仅投射在二级反射面33中间的一片区域，因此在该区域位置设置上述设计的较为密集的等腰三角面作为锯齿反射面，每一束准直光仅且完全接触该区域内所有锯齿同一侧的反射面并被反射，此时多级反射的光交叉合束后才不会产生光束间的间隙，实现紧凑的空间合束。激光准直后的平行光光强分布一般为如图4所示的高斯分布，两入射平行光经锯齿反射面合束后的光强分布分别为图5中的实线和虚线，由于前面激光器位置的设计使两入射光光斑在反射面重合，两束激光被多级反射后的子光束按光强临近值进行交叉排布，整体依然保持高斯分布形态。相比于现有的空间合束方法，两准直激光经过本装置的锯齿反射面实现的交叉合束具有更高的能量集中度。

上述三级扩束面34可视为单面扩束透镜的非球面，为保证合束后的平行光束进入三级扩束面34进行光束整形，可以得到大发散角的均匀线光束，需将扩束面设计为：通过该扩束面对平行光束实现慢轴或快轴扩束，即通过增大平行光束的慢轴发散角或快轴发散角实现扩束，从而扩大线扫视场，比如通过增大平行光束的慢轴发散角形成的线激光可以参考图1中探测器4接收所示，同理也可以增大快轴发散角形成的线激光方向与图1所示的线激光方向相正交；同时为了确保出射光束发散角度，经过扩束面后出射的光束必须有一个汇聚斑，然后扩散成光强均匀的线光束。

如图6所示，依据费马原理的等光程条件及光路可逆原理，进一步得出合束后的平行光束经过扩束面后传播的等光程方程：

DE+EF＝BC+CF；

根据上述等光程方程与现有非球面透镜方程确定三级扩束面34的初始曲率半径、圆锥系数、焦距等参数，从而确定单面扩束透镜初始结构。根据应用场景需求指标，对单面扩束透镜的初始结构进行进一步的优化得到场景所需的大视场均匀线光束，作为本装置出射的线激光。入射的平行光束经过设计好的三级扩束透镜34扩束后先汇聚于一点后形成均匀线光束，适用于各类场景，比如MEMS线扫描等。图7为进行光学仿真后得到的最终出射线光束光强分布图，经量化计算，其均匀性能够达到90％以上，满足设计需求。

相比于其他的激光合束扩束结构，本申请公开的一体化激光整形装置中的一体化整形透镜为分立透镜的一体拼装形成或者一体成型加工得到，对两入射激光准直后再经多级反射，实现能量高度集中的空间合束，再利用扩束面将光束整形为大视场、高均匀度、高能量利用率的均匀线光束，本装置相较于单个激光器扩束，不仅能够提高线光束能量，还具有结构简单、能量利用率高、使用寿命长等优点。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化激光整形装置，其特征在于，包括两个激光器和一体化整形透镜，所述一体化整形透镜包括两个一级准直面、一个二级反射面和一个三级扩束面，其中所述二级反射面上设有锯齿反射面，所述锯齿反射面的各个锯齿角度相等；两个所述激光器相对设置，输出的两束激光光源经过相应的一级准直面后均朝向所述锯齿反射面的同一区域入射且与水平面存在相同的夹角，两束所述激光光源经过所述锯齿反射面的不同锯齿面实现合束，最终经过所述三级扩束面整形为线激光平行出射。

2.根据权利要求1所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述激光器置于所述一级准直面的焦点，所述一级准直面用于压缩激光器输出光束的发散角，将光束整形为准直光束；所述锯齿反射面设置在至少覆盖两个准直光束光斑重合的位置，用于将从两个方向入射的准直光束反射到同一方向合束为平行光束；所述三级扩束面与所述二级反射面平行对置，用于将入射的平行光束扩束为光强均匀的线光束，作为所述装置出射的线激光。

3.根据权利要求1或2所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述一体化整形透镜还包括棱台透镜，所述棱台透镜的下底面为所述二级反射面，在下底面的指定光学面位置加工有所述锯齿反射面，所述一级准直面和所述三级扩束面分别在不同平凸透镜的凸面加工得到；两个带有所述一级准直面的平凸透镜组装到棱台透镜的两个相对侧面的指定光学面位置，且凸面朝向相应的激光光源，带有所述三级扩束面的平凸透镜组装到棱台透镜的上底面的指定光学面位置，且凸面朝向棱台透镜的外侧，从而与棱台透镜本体合为一体。

4.根据权利要求1或2所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述一体化整形透镜还包括棱台透镜，所述棱台透镜的下底面为所述二级反射面，在下底面的指定光学面位置加工有所述锯齿反射面，两个所述一级准直面直接加工在棱台透镜的两个相对侧面的指定光学面位置，形成的凸面朝向相应的激光光源，所述三级扩束面直接加工在棱台透镜的上底面的指定光学面位置，形成的凸面朝向棱台透镜的外侧，从而实现整形透镜的一体成型设计。

5.根据权利要求1或2所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述一级准直面为球面或非球面，所述三级扩束面为非球面。

6.根据权利要求1所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述锯齿反射面的锯齿角度根据入射至反射面的激光光束与水平面的夹角θ决定。

7.根据权利要求6所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述锯齿反射面的锯齿角度等于2θ。

8.根据权利要求1所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述激光光源的工作波段为可见光波段、近红外波段、红外波段、近紫外波段或者紫外波段中的一种。

9.根据权利要求2所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述三级扩束面通过增大所述平行光束的慢轴发散角或快轴发散角实现扩束。

10.根据权利要求9所述的一体化激光整形装置，其特征在于，所述三级扩束面设计为：经过扩束面后出射的光束有一个汇聚斑，然后扩散成光强均匀的线光束。