一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统

1.本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统。


背景技术：

2.在现有的光束整形方法中，球面镜可以实现简单的光束扩束，但是由于光源通常不是均匀出射的，想要实现均匀照明则需要使用非球面镜，在一些折反光路中则需要使用自由曲面镜。非球面或者自由曲面镜的加工成本很高，特别是在透镜或反射镜口径比较大的情况下。在扩束系统中，透镜或反射镜的口径通常会比较大，这就大大提高了非球面镜或者自由曲面镜的加工成本。所以我们希望尽量使用球面镜来实现扩束，而均匀照明则可以通过在光源和扩束系统之间添加小口径非球面镜系统来实现。另外，我们希望该整形系统可以适用于一定的光谱范围内，而不是仅仅适用于某一波长。
3.由于本发明的整形系统不仅可以对宽光谱激光束的强度进行精确调控，同时也可以对波前进行调控，所以可以方便的结合其他各种类型的光学系统，来实现均匀照明，在全息曝光中有着重要应用。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统，该整形系统可以同时调控宽光谱激光束的强度和波前，并且在其后任意工作距离处的照明面都能得到均匀照明。
5.本发明的技术方案具体如下：
6.本发明的一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统，所述整形系统包括光源和在光线行进的光轴方向上依次排列的第一光学透镜、第二光学透镜、第三光学透镜和第四光学透镜；在光轴方向上，每个光学透镜均具有前后两个光学面，四个光学透镜的八个光学面依照光轴方向由第一光学面至第八光学面顺次编号，其中第二光学面和第三光学面是球面且具有相同的曲率半径，第六光学面和第七光学面是球面且具有相同的曲率半径；第一光学面、第四光学面、第五光学面和第八光学面可以是球面或非球面，但是至少包含两个非球面；所述的整形系统中的各光学面的面型通过约束光线在照明面上的落点以及约束光线在出射球面波的球心处汇聚为一点来优化；所述的整形系统不仅对宽光谱激光束的强度进行了精确调控同时也对波前进行了调控。宽光谱激光束经所述整形系统折射后得到球面波或平面波，并且在其后任意工作距离处的照明面都能得到均匀照明；通过光学透镜材料的折射率以及色散特性的不同来实现对宽光谱光源的消色差。所述的整形系统中的各光学面的面型通过约束光线在照明面上的落点以及约束光线在出射球面波的球心处汇聚为一点来优化。
7.作为本发明的可选方案，所述的第一光学透镜和第二光学透镜可组合为一组双胶合透镜，和/或所述的第三光学透镜和第四光学透镜可组合为一组双胶合透镜；或者第一光
学透镜、第二光学透镜、第三光学透镜和第四光学透镜可均为分离的光学透镜。优选的，为了降低装配难度，上述第一光学透镜和第二光学透镜胶合，上述第三光学透镜和第四光学透镜胶合。
8.优选的，所述的光学透镜材料包括但不限于火石玻璃、冕牌玻璃和塑料等，更为优选的，上述第一光学透镜和第三光学透镜的材料为bk7_schott,上述第二光学透镜和第四光学透镜的材料为f2_schott。
9.优选的，所有光学透镜之间的介质为空气。
10.优选的，光源由至少两种不同波长的可见光波段的激光混合而成，经过空间滤波之后得到球面波或者经过扩束准直后得到平行光作为所述整形系统的入射光源。
11.优选的，所述的整形系统中的非球面光学面满足非球面公式：
[0012][0013]
其中，z为光学面上各点的z坐标值，r为光学面的曲率半径，r为光学面上的点离光轴的距离，k为光学面的二次系数，a和b为光学面的高次非球面系数。
[0014]
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明提出的激光束整形系统可在系统照明面上实现对宽光谱光束强度分布的准确调控；光束经整形系统出射后波前可以是球面波或平面波，能方便的结合其他的光学系统以获得更优异的光学性能。
附图说明
[0015]
图1为本发明实施例的一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统示意图；
[0016]
图2为本发明实施例的仿真结果图；
[0017]
图1中，l11第一光学透镜，l12第二光学透镜，l13第三光学透镜，l14第四光学透镜，1第一光学面，2第二光学面，3第三光学面，4第四光学面，5第五光学面，6第六光学面，7第七光学面，8第八光学面。
具体实施方式
[0018]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图进一步说明本发明，本发明可以以多种不同的形式来实现且不应解释为限于下述的实施方式，而是，提供这个实施例使得本公开充分和完整，且向本领域技术人员全面的传达本发明的构思。
[0019]
实施例
[0020]
本发明的整形系统拟采用如图1所示的结构类型，该系统包括4片光学透镜。由波长为442nm和632.8nm的两种波长的激光混合后经过空间滤波器变为发散球面波作为所述整形系统的入射光，光束依次经过第一光学透镜l11、第二光学透镜l12、第三光学透镜l13和第四光学透镜l14折射后得到球面波，并且在其后任意工作距离处的照明面都能得到均匀照明。本实施例中，第一光学透镜l11和第二光学透镜l12组合为一组双胶合透镜，第三光学透镜l13和第四光学透镜l14组合为一组双胶合透镜。
[0021]
具体的，如图1所示，第一光学面1、第四光学面4和第五光学面5均为非球面，第二光学面2、第三光学面3、第六光学面6第七光学面7为球面胶合面，第八光学面8为球面；第一光学透镜l11和第三光学透镜l13的材料为bk7_schott，第二光学透镜l12和第四光学透镜
l14的材料为f2_schott；入射激光束的发散角为14度；光波波长为442nm和632.8nm；光源和第一光学面1的距离为80mm；第八光学面8和出射球面波汇聚点的距离为80mm；在距离光源右侧40mm的平面上的照度分布满足：
[0022][0023]
根据本发明实施例的各光学表面参数及采用的材料可由下表1表示。表2为第一光学面1、第四光学面4和第五光学面5的非球面光学面的系数：
[0024]
表1
[0025][0026]
表2
[0027][0028]
描述非球面光学面的非球面公式为：
[0029][0030]
其中，z为光学面上各点的z坐标值，r为光学面的曲率半径，r为光学面上的点离光轴的距离，k为光学面的二次系数，a和b为光学面的高次非球面系数。
[0031]
为了验证实施例设计的整形系统能够使用宽光谱光源在不同工作距离处的照明面上都能得到均匀照明，本发明选取了波长为442nm和632.8nm的光波分别在距离第八光学面120mm和180mm处照明面上的照度图，仿真结果如图2所示，xy平面为垂直光轴z的平面，左上的图显示了波长442nm的光源经过所述整形系统后在工作距离120mm处的归一化照度分布图，照度分布均匀，光斑半径为4.91m；右上的图显示了波长442nm的光源经过所述整形系统后在工作距离180mm处的归一化照度分布图，照度分布均匀，光斑半径为12.28mm；左下的图显示了波长632.8nm的光源经过所述整形系统后在工作距离120mm处的归一化照度分布图，照度分布均匀，光斑半径为4.91m；右下的图显示了波长632.8nm的光源经过所述整形系统后在工作距离180mm处的归一化照度分布图，照度分布均匀，光斑半径为12.28mm。
[0032]
实施例整形系统的球面波汇聚点处的光斑大小在0.006377mm以内，说明出射波前是球面波。
[0033]
由实施例可知，本发明的一种基于非球面透镜的宽光谱激光束整形系统可在系统照明面上实现对宽光谱光束强度分布和波前的准确调控；光束经整形系统出射后波前是球面波可用于方便的结合其他的光学系统以获得更优异的光学性能。
[0034]
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。