[发明专利]一种激光整形光学元件及其设计方法

说明书

本发明公开了一种激光整形光学元件及其设计方法，涉及光学技术领域，激光整形光学元件包括透明基底，透明基底的工作面上刻蚀有纳米砖阵列，纳米砖阵列包括多个尺寸相同的纳米砖，纳米砖为半透半反式相位板，各纳米砖的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；其中，x表示纳米砖的中心点的横坐标值，ψ(x)为纳米砖的相位调制量，Φ(x)为纳米砖的转向角，即纳米砖长轴与水平轴的夹角；纳米砖阵列中的具有相同x值的纳米砖的转角相同，且相邻的各纳米砖的中心间隔相同。本发明基于简单的光学结构以及机械结构，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种激光整形光学元件及其设计方法。

背景技术

激光一字线在工业测量中有着重要的应用，其利用可见激光加整形元件投射出的一条细长激光线，具有投射角度大、亮度高、直线度高等突出优点，因此在建筑、纺织、钢铁、机械加工、道路测量、汽车等诸多行业得到重要的应用，现有的激光一字线整形元件一般是基于异型棱镜、二元光学元件等传统折射和衍射元件；

然而受其工作原理的限制，目前的激光一字线的投射角度一般不超过120°，这将极大地限制其更加深入的应用，比如，室内物体的三维建模常常是利用三角测量法原理，需要相机配合一字线结构光同步工作；

由于一字线的结构光的投射角不能覆盖全部的测量空间，因此需要实时移动测量仪器、并需要后续复杂的图像拼接、校准技术才能完成三维建模；而在建筑测量中，同样因为一字激光线不能覆盖全空间而影响作业效率；并且，一字激光线受限于传统光学技术只能在透射和反射空间中二选一，因此无法完成360°全空间的激光投射，即无法形成环形的激光线；

因此，急需一种新的激光整形光学元件，解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光整形光学元件及其设计方法，基于简单的光学结构以及机械结构，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种激光整形光学元件，其包括透明基底，所述透明基底的工作面上刻蚀有纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个尺寸相同的纳米砖，所述纳米砖为半透半反式相位板，各所述纳米砖的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；

其中，x表示所述纳米砖的中心点的横坐标值，ψ(x)为所述纳米砖的相位调制量，Φ(x)为所述纳米砖的转向角，即纳米砖长轴与水平轴(x轴)的夹角；

所述纳米砖阵列中的具有相同x值的所述纳米砖的转角相同，且相邻的各所述纳米砖的中心间隔相同；

x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向；

所述光学元件用于将垂直所述工作面的入射光线整形为与各所述纳米砖垂直的环形光束。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖的透射光与反射光的比例为1:1。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖阵列满足米氏共振原理。

在上述技术方案的基础上，所述透明基底为石英玻璃基底。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖为硅薄膜。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖的长轴尺寸、短轴尺寸、高度均为亚波长量级。

在上述技术方案的基础上，所述入射光线为可见光。

第二方面，本发明还提供一种激光整形光学元件设计方法，其包括以下步骤：

S1、根据工作波长，考虑应用需求，确定衬底和纳米砖材料；

S2、纳米砖阵列的结构参数优化：