擴(kuò)束整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、發(fā)明名稱(chēng)：基于組合透鏡組的光線擴(kuò)束與整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本發(fā)明涉及一種用于光束整形的光學(xué)系統(tǒng)，所述的光學(xué)系統(tǒng)包含拋物面鏡，凸面鏡，凹面鏡，柱面鏡，且系統(tǒng)具有光軸。利用拋物面良好的無(wú)相差特性，將光源置于拋物面的焦點(diǎn)上，將產(chǎn)生平行的入射光線，因?yàn)榍蛎骁R本身不可避免的存在球差，凸面鏡產(chǎn)生負(fù)的球差，凹面鏡產(chǎn)生正的球差，采用凸凹面鏡膠合的方法可以消除在某個(gè)方向上消除球差，使得光束的聚焦效果更好；柱面鏡僅在一個(gè)方向具有匯聚作用，類(lèi)似于，用于對(duì)光束在一個(gè)方向進(jìn)行壓縮或擴(kuò)展，采用一組正交的柱面透鏡，用于實(shí)現(xiàn)光束不同方向的擠壓。由于柱面鏡不具有空間的的軸對(duì)稱(chēng)特性，將柱面鏡旋轉(zhuǎn)角度，得到光斑也將旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而滿(mǎn)

2、足不同方向的光斑需求?；诟鞣N透鏡的基本作用，本文得到正方形，橫矩形，豎矩形，圓形，動(dòng)態(tài)傾斜，以滿(mǎn)足不同的生產(chǎn)需求。權(quán)利要求書(shū)1. 一種用于光束擴(kuò)束整形的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包含光源，透鏡組，接收器，系統(tǒng)整體具有光軸，其特征在于，所述的透鏡組包含：陣列反射形拋物面，其陣列幾何中心關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng)，用以將點(diǎn)光源變?yōu)槠叫泄馐?，模擬激光的準(zhǔn)直特性。球面凸鏡和凹鏡組成的膠合透鏡組合，凸面鏡有負(fù)的球差，凹面鏡會(huì)有正的球差，利用凹面鏡可以進(jìn)行補(bǔ)償，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。柱透鏡采用一組正交的空間位置組合，通過(guò)日常生活，很容易看出，柱透鏡在沿母線方向沒(méi)有放大率，在垂直于母線的方向，由于厚度的變化，對(duì)

3、光線有匯聚作用，用于對(duì)光束尺寸進(jìn)行以維壓縮或者放大。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列拋物面，其特征在于，基于數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建，得到過(guò)焦點(diǎn)的點(diǎn)光源平行出射這一重要結(jié)論，用于將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為一束平行光線，且根據(jù)陣列的形狀，第一次將光源從一個(gè)點(diǎn)調(diào)節(jié)為陣列形狀。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球面凹凸鏡組成的膠合子鏡組，其特征在于，可以在消除軸向球差的優(yōu)勢(shì)下將平行光束匯聚到一點(diǎn)，因?yàn)榍蛎骁R的軸對(duì)稱(chēng)特性，可以實(shí)現(xiàn)以及光斑的尺寸縮放（長(zhǎng)寬縮放比例相同），只需要將接收器置于不同的位置，根據(jù)相似原理，尺寸動(dòng)態(tài)變化，用于聚焦。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面鏡，其特征在于，是一種短焦距鏡頭，沿著一個(gè)方向光束尺寸不變，沿著另一個(gè)與之

4、垂直方向，表現(xiàn)為光束的壓縮（凸柱面鏡），導(dǎo)致光束最終呈現(xiàn)形式為壓縮或放大（長(zhǎng)寬非等比例）5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠合鏡組與柱面鏡，其特征在于，柱面鏡位于膠合透鏡組后，幾何距離上等于膠合組合鏡與柱面鏡焦距之和，但是柱面鏡為短焦鏡頭，遠(yuǎn)小于膠合鏡組焦距，可以忽略不計(jì)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱透鏡 ，其特征在于，通過(guò)繞著Z軸旋轉(zhuǎn)角度 ，光斑也旋轉(zhuǎn) ，通過(guò)柱透鏡的旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)光傾斜角度的動(dòng)態(tài)變化。技術(shù)領(lǐng)域【0001】 本發(fā)明涉及激光擴(kuò)束的非成像光學(xué)技術(shù)，更具體的說(shuō)，是一種應(yīng)用于光源擴(kuò)束與整形的光學(xué)系統(tǒng)。背景技術(shù)【0002】 在激光加工的許多應(yīng)用領(lǐng)域中，光束質(zhì)量至關(guān)重要。激光材料加工，光學(xué)信息處理，

5、存儲(chǔ)和記錄，激光的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用等領(lǐng)域，都對(duì)光束質(zhì)量有著較高的要求。在非線性光學(xué)的頻率變換中，要求抽運(yùn)激光束強(qiáng)度均勻；在高功率固體激光器和放大器中，輸入光束尺寸不均勻會(huì)導(dǎo)致非線性效應(yīng)，使輸出光束質(zhì)量變壞，甚至損壞激光工作物質(zhì)。激光光束質(zhì)量不僅影響激光器的整體性能，也極大的影響激光技術(shù)水平的發(fā)展?！?】【0003】 通常激光器發(fā)出的激光束的空間分布呈高斯分布，即高斯光束。在很多應(yīng)用中，希望激光束是均勻分布的，因此，對(duì)激光束的光束進(jìn)行整形變的尤為重要，由此產(chǎn)生了多種激光光束整形技術(shù)。近年來(lái)，激光光束整形技術(shù)稱(chēng)為研究的熱點(diǎn)。所謂的激光光束整形技術(shù)，是指改變?nèi)肷涔夤馐膹?qiáng)度分布為所需的強(qiáng)度分布，同時(shí)調(diào)節(jié)

6、相位分布來(lái)控制路徑?！?】目前，激光整形技術(shù)可分為以下幾類(lèi)：組合透鏡法，單透鏡法，漸變折射率透鏡法，衍射法，反射法等。 發(fā)明內(nèi)容【0004】 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有激光器光束尺寸不均勻，光束截面形狀單一，光束不均勻?qū)е碌姆蔷€性效應(yīng)等缺陷，提供了一種基于組合透鏡的光學(xué)機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)光束的均勻性，光斑尺寸的多樣性，以適用于更多的生產(chǎn)需求?！?005】 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種用于激光整形擴(kuò)束的光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含點(diǎn)光源，拋物面陣列，膠合透鏡，柱透鏡，以及與上述結(jié)構(gòu)連接在一起的封裝結(jié)構(gòu)，且系統(tǒng)整體具有光軸，其中所述透鏡組包含：【0006】 陣列反射形拋物面，其

7、陣列幾何中心關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng)，用以將點(diǎn)光源變?yōu)槠叫泄馐M激光的準(zhǔn)直特性?！?007】 球面凸鏡和凹鏡組成的膠合透鏡組合，凸面鏡有負(fù)的球差，凹面鏡會(huì)有正的球差，利用凹面鏡可以進(jìn)行補(bǔ)償，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。【3】【0008】 柱透鏡采用一組正交的空間位置組合，通過(guò)日常生活，很容易看出，柱透鏡在沿母線方向沒(méi)有放大率，在垂直于母線的方向，由于厚度的變化，對(duì)光線有匯聚作用，用于對(duì)光束尺寸進(jìn)行壓縮或者放大。【0009】 據(jù)本發(fā)明所述的組合透鏡結(jié)構(gòu)，所述共同的焦點(diǎn)位于所述光軸上，且所述共同的焦點(diǎn)，所述光軸與拋物面的焦點(diǎn)互為共軛點(diǎn)?！?010】 實(shí)施本發(fā)明的用于激光光束擴(kuò)束與整形的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有

8、以下增益效果：可以使光斑光束尺寸更加均勻，更好的避免非線性效應(yīng)，減少對(duì)激光器的損壞；通過(guò)柱透鏡的一維調(diào)節(jié)作用，使的光斑在證均勻的前提下，有更多的形狀。附圖說(shuō)明【0011】 圖1為反射面的數(shù)學(xué)模型【0012】 圖2是單個(gè)折射球面成像的示意圖【0013】 圖3是單個(gè)折射球面的像差圖【0014】 圖4是柱面鏡焦距的計(jì)算原理圖【0015】 圖5是系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖【0016】 圖6是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖【0017】 圖7是凸透鏡像差圖【0018】 圖8是凹凸鏡面膠合消球差示意圖【0019】 圖9是系統(tǒng)光線追跡圖【0020】 圖10是接收器位置與圖例對(duì)照表【0021】 圖11是正方形光斑模擬圖樣【0022】

9、 圖12是y軸方向拉伸后豎直矩形光斑圖【0023】 圖13是模擬結(jié)果圖【0024】 圖14是元件8聚焦后的圓形光斑圖【0025】 圖15是包圍能量圖【0026】 圖16是圓光斑x軸拉伸后的水平矩形光斑圖【0027】 圖17是元件4旋轉(zhuǎn)45°后示意圖【0028】 圖18是元件4旋轉(zhuǎn)45°后對(duì)應(yīng)光斑圖具體實(shí)施方式【0029】 為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡釋本發(fā)明?！?030】 首先在于光源的選擇上，考慮到用于模擬，選擇一種比較理想的光源點(diǎn)光源，可以忽略其空間尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，光源的實(shí)際尺寸不可忽

10、略，所以必須采用一種方法使得點(diǎn)光源擴(kuò)束為一束平行光束（平行光易于取得，且自然光通常為平行光，接近于實(shí)際）?！?031】 單個(gè)點(diǎn)光源設(shè)置光通量為100lm，做4*4的陣列，總的出射光通量為1600lm,滿(mǎn)足要求?！?032】 將點(diǎn)光源所在的點(diǎn)取做坐標(biāo)原點(diǎn)O,且曲線L位于范圍內(nèi)?！?033】 設(shè)L上任意一點(diǎn)，點(diǎn)O發(fā)出的某條光線經(jīng)過(guò)點(diǎn)M反射后是一條平行于x周的直線 MS。又設(shè)過(guò)點(diǎn)M的切線AT與x軸的夾角為 ，【0034】 根據(jù)假設(shè)， ,另一方面， 是入射角的余角， 是反射角的余角，于是由光學(xué)中的反射定律有 ?！?】從而【0035】 (1)【0036】 又 ， (2)【0037】 而 (3)【0038

11、】 于是得到微分方程： (4)【0039】 把x看作因變量，y看作自變量，當(dāng) 時(shí)，上式即位 (5)【0040】 令 ，則 ， ，帶入上式得到： (6)【0041】 這是一個(gè)變量分離的一階微分方程，最終她的解為： 【0042】 這是一個(gè)以x為軸，焦點(diǎn)在原點(diǎn)的拋物線方程。所以將拋物線繞軸旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)拋物面，當(dāng)點(diǎn)光源位于其焦點(diǎn)時(shí)，可以將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為平行光出射，并且平行光比激光更為準(zhǔn)直，發(fā)散角幾乎為0°?！?043】 接著設(shè)計(jì)聚焦透鏡的結(jié)構(gòu)，首先從單個(gè)折射球面鏡入手【0044】 如圖2所示，在 中，應(yīng)用正選定理有 (7)【0045】 在點(diǎn)E，由折射定律得 （8）【0046】 由圖可知 （9

12、）【0047】 即 （10）【0048】 同樣，在 中應(yīng)用正弦定理有 （11）【0049】 化簡(jiǎn)后可以得到像方截距為 （12）【0050】 由公式可知，當(dāng)L為定值時(shí)， 為U的函數(shù)。也就是說(shuō)，若軸上點(diǎn)A發(fā)出同心光束，由于不同的U角值，經(jīng)過(guò)單個(gè)折射球面后將對(duì)應(yīng)不同的值，如圖3所示這種成像缺陷稱(chēng)為相差，具體為軸向相差?！?051】 利用單個(gè)折射球面的成像關(guān)系式，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可以得到一個(gè)重要的表達(dá)式 【5】 （13）【0052】 設(shè)凸透鏡的折射率為 ，左右介質(zhì)的折射率分別為 ，帶入上式 （14） (15)【0053】 兩式相加，并令 得到 （16）【0054】 由此，只要知道材料折射率和球面的半徑，

13、便可以得到我們想要的焦距。通過(guò)式(12)看出凸面鏡形成負(fù)的軸向相差，凹面鏡形成正的球面相差，如圖8所示兩球面相互抵消相差即可達(dá)到很好的聚焦效果?！?055】從日常生活中，我們知道，柱面鏡具有一個(gè)方向放大或縮小，另一個(gè)方向保持不變的特性，首先如圖4所示【0056】 仿照傅里葉光學(xué)中凸鏡的作用函數(shù)計(jì)算方法，可以得到： （17）【0057】 將 泰勒展開(kāi)取其前兩項(xiàng)（做傍軸近似，y值較小，高次項(xiàng)對(duì)上式影響不大）近似為 （18）【0058】 柱透鏡的振幅傳遞函數(shù)可以表示為 （19）【0059】 令 即可得到： （20）【0060】 Such a lens will transform a normall

14、y incident wave into a converging cylindrical wave, bringing light to a line focus at distance behind the lens.【6】【0061】 利用光路的可逆性原理，將柱透鏡置于上一級(jí)透鏡焦點(diǎn)附近，本設(shè)計(jì)采用小曲率半徑的透鏡，R值略小于光束尺寸，可以理解為點(diǎn)光源再次從柱透鏡焦點(diǎn)出發(fā)。【0062】 根據(jù)以上理論推導(dǎo)，確定相關(guān)器件的參數(shù)，如圖6所示，繪制光路，如圖5所示?！?063】 開(kāi)啟光線追跡，如圖9所示，手動(dòng)調(diào)節(jié)柱透鏡曲率半徑，確保相應(yīng)位置的光斑形狀與照度均勻度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。接收器位置如圖10所

15、示【0064】 如所有的光斑示意圖，其xy方向最大尺寸為4mm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求【0065】 如圖13所示，均勻度為【0066】 同時(shí)，按照?qǐng)D15所示，其包圍能量分布圖所示，0到2mm,包圍能量與半徑近似為二次拋物關(guān)系，設(shè)半徑為r,光斑面積為 ，假設(shè)均勻度很高，那么包圍能量也應(yīng)滿(mǎn)足二次拋物關(guān)系，從另一個(gè)角度說(shuō)明均勻度較好。參考文獻(xiàn)【1】 于陶然，王超.二維光束整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真【J】.光學(xué)技術(shù).2015(11):1-6【2】 葉錦函，郝曉劍.基于ZEMAX的激光光束整形技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究【J】.工程與驗(yàn).2010(10):2-5【3】 趙陽(yáng).深紫外光刻復(fù)雜光學(xué)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)【D】.中國(guó)科學(xué)院研究生院.2010【4】 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)(上).第七版本.北京：高等教育出版社，2014.7.310頁(yè)【5】 葉玉堂,肖峻.光學(xué)教程.第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2011.9.11頁(yè)【6】 Joseph W.Groduction to Fourier Optics.pp.96-100說(shuō)明書(shū)附圖圖1 反射面的