[发明专利]基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法

说明书

本发明的基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法包括：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，在第一自由曲面透镜的自由曲面上取母线并划分子线段；以准直光束传播方向和与其相垂直的垂线作为坐标平面建立笛卡尔坐标系，由折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点，经曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；由等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点，经曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将第一母线、第二母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型和第二自由曲面透镜的自由曲面面型。基于该方法设计的光束整形结构能够产生环形光束。

技术领域

本发明涉及非成像光学技术领域，特别涉及一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法。

背景技术

根据激光的强度分布和目标强度分布要求设计一组自由曲面来实现预定的能量分布要求，这是个逆向设计问题，一直是非成像光学研究的热点和难点。由于自由曲面具有灵活的空间布局和设计自由度等优点，使用自由曲面不仅可以极大地简化光学系统的结构，还可以轻松地实现复杂的能量分布要求。

目前的设计方法多采用优化设计方法解决逆向的能量分布问题。优化设计方法借助优化算法，通过不断改变优化的变量来减少评价函数,直到满足设计要求的曲面。优化通常要求在每次的优化迭代中追击大量的光线减小模拟统计噪声，并且优化设计的结果常常依赖某个变量的选取、评价函数的选择和优化算法。对于一个复杂的系统，需要上万个离散数据点来构建自由曲面，这在优化算法方法中是很难实现的。

发明内容

本发明提供一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法，用于设计出能够产生环形光束的自由曲面。

本发明提供一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法，所述光束整形结构由第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜组成，所述设计方法包括：

S1：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并根据初始的设计参数设计第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的面型；第一自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第一自由曲面透镜的前表面为平面，第一自由曲面透镜的后表面为自由曲面；第二自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第二自由曲面透镜的前表面为自由曲面，第二自由曲面透镜的后表面为平面；

S2：在第一自由曲面透镜的自由曲面上取任意一条母线划分为多个子线段，所述子线段可视为直线；

S3：以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据；

S4：基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据；

S5：对第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；将所述第一母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型；对第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将所述第二母线旋转，经曲面拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面面型。

如上所述的设计方法，在S3中，以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：