用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，屬于非成像光學(xué)和激光光束整形【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置雙自由曲面透鏡的初始結(jié)構(gòu)，根據(jù)能量守恒、折射定律和光程關(guān)系，在計(jì)算機(jī)的輔助下，設(shè)計(jì)出滿足預(yù)定照明要求的雙自由曲面透鏡，使入射激光光束經(jīng)過(guò)該透鏡偏折后產(chǎn)生預(yù)定的強(qiáng)度分布和相位分布。雙自由曲面透鏡包含前表面和后表面兩個(gè)自由曲面，且前后兩個(gè)自由曲面均通過(guò)曲面擬合離散數(shù)據(jù)點(diǎn)得到。本發(fā)明還公開了一種基于上述方法的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡。本發(fā)明獲得了連續(xù)的自由曲面面型，實(shí)現(xiàn)了曲面的可加工；能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的強(qiáng)度與相位分布的調(diào)控，控制能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)效率高。
【專利說(shuō)明】用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非成像光學(xué)及照明【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自由曲面照明設(shè)計(jì)，是指根據(jù)光源的發(fā)光特性和目標(biāo)照明來(lái)設(shè)計(jì)自由曲面，使光源出光經(jīng)過(guò)自由曲面偏折后產(chǎn)生預(yù)定照明。它是以非成像光學(xué)理論為基礎(chǔ)，以追求盡可能大的能量利用率、準(zhǔn)確控制光束分布并有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜照明為設(shè)計(jì)目標(biāo)。自由曲面具有靈活的空間布局和極高的設(shè)計(jì)自由度等優(yōu)點(diǎn)，可以在很大程度簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，極大地提升照明系統(tǒng)的性能。因而，自由曲面照明研究具有非常重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在通用照明(室內(nèi)照明、路燈照明等)和一些特殊照明(LED投影儀、激光光束整形等)中都具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]作為自由曲面的一個(gè)重要應(yīng)用，自由曲面激光光束整形是指借助自由曲面來(lái)改變?nèi)肷浼す馐膫鞑ヌ匦?如強(qiáng)度分布、相位分布等)。在自由曲面照明設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常單個(gè)自由曲面可實(shí)現(xiàn)對(duì)光源出射光束的方向或光強(qiáng)分布的調(diào)控；而雙自由曲面設(shè)計(jì)具有更高的自由度，采用兩個(gè)自由曲面可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束傳播方向和光強(qiáng)分布的調(diào)控。因此，自由曲面激光光束整形需要借助至少兩個(gè)自由曲面方可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束強(qiáng)度分布和相位分布的調(diào)控。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)單個(gè)自由曲面的研究相對(duì)較多，然而卻鮮有文獻(xiàn)或?qū)＠婕皟蓚€(gè)或多個(gè)自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
[0004]中國(guó)專利200910046129.5提出了一種針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，利用該方法能設(shè)計(jì)出滿足要求的透鏡，使光源經(jīng)配光后，光斑達(dá)預(yù)期分布。然而該方法設(shè)計(jì)過(guò)程中須建立光源與目標(biāo)照明之間的映射關(guān)系，此映射關(guān)系通常不滿足可積條件，因而只能得到不連續(xù)的自由曲面，難以加工。且利用該方法設(shè)計(jì)的透鏡僅包含一個(gè)自由曲面，因而只能實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的強(qiáng)度控制，并不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的調(diào)控，控制能力相對(duì)較弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡及其設(shè)計(jì)方法，便于雙自由曲面透鏡的加工，且通過(guò)本發(fā)明所得到的雙自由曲面透鏡具有較強(qiáng)的調(diào)控能力。
[0006]一種用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡，用于將平行入射的激光光束偏折后對(duì)目標(biāo)面進(jìn)行區(qū)域照明，所述的雙自由曲面透鏡包括前表面SI和后表面S2兩個(gè)自由曲面，其特征在于，以所述雙自由曲面透鏡的軸線為z軸建立空間直角坐標(biāo)系o-xyz，并以xoy為底平面、z軸為縱軸建立柱坐標(biāo)系，所述前表面SI所滿足的方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡，用于將平行入射的激光光束偏折后對(duì)目標(biāo)面進(jìn)行區(qū)域照明，所述的雙自由曲面透鏡包括前表面SI和后表面S2兩個(gè)自由曲面，其特征在于，以所述雙自由曲面透鏡的軸線為z軸建立空間直角坐標(biāo)系o-xyz，并以xoy為底平面、z軸為縱軸建立柱坐標(biāo)系，所述前表面SI所滿足的方程為:
2.一種用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，所述的雙自由曲面透鏡用于將平行入射的激光光束偏折后對(duì)目標(biāo)面進(jìn)行區(qū)域照明，且包括前表面SI和后表面S2兩個(gè)自由曲面，其特征在于，所述的設(shè)計(jì)方法包括以下幾個(gè)步驟: 1)建立激光光束整形要求，確定目標(biāo)面上照明區(qū)域的邊界； 2)以激光光束的一個(gè)橫截面α作為坐標(biāo)平面xoy，并以所述雙自由曲面透鏡的軸線為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系o-xyz,同時(shí)以xoy為底面建立柱坐標(biāo)系,且激光光束的方向與z軸平行，目標(biāo)面與橫截面α平行，且目標(biāo)面與所述平面xoy的距離為d，記前表面SI上任一點(diǎn)P的柱坐標(biāo)為Cr, Θ , z (r, Θ ))，目標(biāo)面上與點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)T的坐標(biāo)用直角坐標(biāo)表示為T(tx，ty, tz)，根據(jù)所述的激光光束整形要求，建立點(diǎn)P與目標(biāo)點(diǎn)T之間的坐標(biāo)關(guān)系； 3)根據(jù)點(diǎn)P與目標(biāo)點(diǎn)T之間的坐標(biāo)關(guān)系，結(jié)合激光光束偏折到達(dá)目標(biāo)面所應(yīng)滿足的能量傳輸關(guān)系，以及所述目標(biāo)面上照明區(qū)域的邊界，確立所述前表面SI所滿足的方程； 4)記點(diǎn)Q為后表面S2上與點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，點(diǎn)Q在所述柱坐標(biāo)系下其坐標(biāo)表示為Q(r, 0,w(r, Θ))，根據(jù)等光程條件確定點(diǎn)Q的縱坐標(biāo)w (r，Θ )所滿足的關(guān)系式； 5)對(duì)所述步驟3)中的方程以及步驟4)中的關(guān)系式聯(lián)立求解，分別得到前表面SI和后表面S2對(duì)應(yīng)的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)所述的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面擬合生成雙自由曲面透鏡模型。
3.如權(quán)利要求2所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟I)中的激光光束整形要求為:經(jīng)雙自由曲面透鏡后表面S2出射的光束具有一致的方向性，并平行于入射所述雙自由曲面透鏡的激光光束，且垂直于所述的目標(biāo)面。
4.如權(quán)利要求3所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟I)中，所述激光光束橫截面α邊界經(jīng)雙自由曲面透鏡偏折后與所述照明區(qū)域的邊界重合。
5.如權(quán)利要求2所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2)中的點(diǎn)P與目標(biāo)點(diǎn)T之間的坐標(biāo)關(guān)系為
6.如權(quán)利要求2所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3)中的能量傳輸關(guān)系為
7.如權(quán)利要求2所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，根據(jù)所述目標(biāo)面上照明區(qū)域的邊界，所述的雙自由曲面透鏡應(yīng)滿足邊界條件
8.如權(quán)利要求7所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟3)中，所述前表面SI所滿足的方程為
9.如權(quán)利要求8所述的用于激光光束整形的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述的步驟4)中，點(diǎn)Q的縱坐標(biāo)w(r，Θ )所滿足的關(guān)系式為

【文檔編號(hào)】F21V5/04GK103592702SQ201310526342
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】鄭臻榮, 張雅琴, 吳仍茂, 劉鵬, 王會(huì)會(huì), 蘇忱, 申俊飛, 李海峰, 劉旭 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)