一种对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置

1.本发明涉及非成像光学及激光照明技术领域，尤其涉及一种对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置。


背景技术：

2.传统的光束整形系统一般都基于发光分布具有旋转对称性的光源而设计，而对于出光分布不具有旋转对称性的光源，其光束整形方法还有待进一步发展，激光二极管是一种典型的出光分布不具有旋转对称性的光源，激光二极管以其体积小、重量轻、调制方便、寿命长、低功耗、效率高等优点被广泛的应用于照明、通信、测量、传感等各个领域当中。然而由于其发光原理，激光二极管光束在垂直和平行于pn结的方向具有不同的发散角，光斑呈椭圆分布，导致激光二极管在应用时必须经过光束整形。目前对激光二极管进行光束整形主要是通过渐变折射率透镜，反射镜，棱镜、柱面透镜等方式，尽管这些工作在对激光二极管光束整形中取得了开创性的进展，但这些技术中大多都涉及到使用多个透镜的组合，使用多个透镜对激光二极管的快慢轴分别整形以达到想要的光束分布，多透镜的组合使用在增加系统复杂度的同时也造成了光线在多个镜面之间的反射带来的能量损耗，不利于整形系统的小型化。同时现有的对激光二极管的整形透镜都是基于垂轴目标面的，在具有更广泛应用的非垂轴目标面上则不适用。且基于激光二极管的不同用途，整形后的光束需与要其他光学系统耦合，这意味着很有必要开发一种对激光二极管光束的光强和相位分布同时调控的透镜。
3.光学自由曲面是一类不具有轴旋转对称或平移对称的光学曲面，其灵活的面形结构可突破传统光学系统理念创造全新的结构形式；可在有效提高系统性能的同时极大地简化系统结构、减少光学元件数量，可实现具有高性能和新功能的轻小型光束调控系统，在高效节能照明、激光束整形等尖端国防和民用领域均具有重要应用价值，自由曲面非成像光束调控技术已成为当前光学工程领域的重要发展方向之一，将自由曲面光束整形技术应用于非旋转对称光源的光束整形中将得到更加紧凑，轻便，能量利用率高的光束整形透镜。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有对非旋转对称性光源的整形技术的不足，提供一种对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置，本发明使用自由曲面透镜将非旋转对称的出光分布整形为三维空间中任意目标面上的预定照度分布，同时该透镜可以将光源出射光线的光强和波前分布同时调控。
5.本发明提供了一种对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置，包含一个具有非旋转对称光强分布的光源(u)和一个自由曲面透镜(v)；光源的光轴和自由曲面透镜的光轴重合，自由曲面透镜包含入射面(s1)和出射面(s2)，入射面和出射面不具有旋转对称性；由光源出射的非旋转对称光强分布和相位分布经自由曲面透镜
调控后，在预定的目标面上产生预定的辐射照度分布和相位分布；所述的自由曲面透镜采用如下步骤进行设计：
6.(1)设置自由曲面透镜光路结构，具有非旋转对称光强分布的光源发出的光经过自由曲面透镜进行光束整形后在目标照明面上呈现出特定的辐射照度分布和相位分布；其中光路结构中的目标面为三维空间中任意目标平面，目标面上的辐射照度分布和相位分布根据用户需求预先设定；
7.(2)确定发光强度不具有旋转对称性的光源的发光分布，确定其快慢轴的远场发散角θ
||
和θ
⊥
；
8.(3)确定虚拟光源，所述虚拟光源具有旋转对称的发光分布，且θ
initial
⊥
＝θ
initial||
＝θ
⊥
；
9.(4)根据步骤(3)中所述的旋转对称的虚拟光源设计自由曲面透镜初始结构，所述初始结构为非球面；
10.(5)根据最佳运输理论以及折射定律建立步骤(3)中光源与目标照度之间的能量守恒及变换关系；
11.(6)根据入射光束的波前和目标出射光束的波前建立光程约束条件；
12.(7)根据入射光束非旋转对称的光分布边界和目标光斑边界建立实现入射边界到出射边界变换的边界条件；
13.(8)以步骤(3)中的虚拟光源为基础，通过数值优化步骤(4)中的非球面初始结构，并借助迭代运算得到满足照度分布的自由曲面透镜；
14.(9)减小步骤(3)中虚拟光源的远场发散角，即θ
initial
⊥
保持不变，逐渐减小θ
initial||
，并进行步骤(8)，得到基于更新后的虚拟光源光束调控的自由曲面面型；
15.(10)继续减小θ
initial||
并进行步骤(9)，直到θ
initial||
＝θ
||
使虚拟光源的光分布与实际光源的光分布吻合，由此得到实现具有非旋转对称光强分布的光源光束调控所需的自由曲面透镜面型数据。
16.根据本发明的优选实施例，所述的步骤(5)具体为：
17.根据局部能量守恒定律及最佳运输理论，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至目标照明区域，自由曲面透镜对细光束的偏折满足以下能量关系式：
[0018][0019]
其中，为光源的强度分布，e(tx1,ty1)为目标照明区域的照度分布，j(t)为位置矢量t的jacobi矩阵，0≤θ≤2π、其中为入射到自由曲面透镜的光束的最大发散角。
[0020]
根据本发明的优选实施例，所述的步骤(6)具体为，由光源发出的所有光线经过自由曲面透镜整形后到达某一波前上的光程都相等，即满足以下关系式
[0021]
opl＝|op| n|pq| |qt|
[0022]
其中，opl是某一根光线从光源到某一波前的光程，|op|是该光线从光源出发到自由曲面入射面之间的距离，|pq|是该光线在自由曲面入射面和出射面上的交点之间的距离，|qt|是该光线在出射面和某一波前的交点的距离，n是透镜材料的折射率。
[0023]
根据本发明的优选实施例，所述的步骤(7)中的边界条件具体为，非旋转对称光源的光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标面照明区域的边界。
[0024]
根据本发明的优选实施例，所述的步骤(8)具体为，建立自由曲面上点与目标面落点之间的对应关系，联立求解步骤(5)中的能量传输方程、步骤(6)中的等光程关系式得到以下椭圆型二阶非线性偏微分方程：
[0025][0026]
其中r是光线在自由曲面入射面上和出射面上落点之间的距离，θ是极坐标系中的方位角，是极角，r
θ
、分别是r在θ和方向的一阶偏导数，r
θθ
、分别是r在θ和方向的二阶偏导数，是r在θ和两个方向的二阶偏导数，ai(i＝1,...,5)是r
θ
,r,θ以及的函数，其中a1是项的系数方程，a2是项的系数方程，a3是r
θθ
项的系数方程，a4是项的系数方程，a5是常数项方程。利用数值求解方法求解该非线性偏微分方程得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合便得到了自由曲面的面型分布。
[0027]
根据本发明的优选实施例，所述自由曲面透镜的出射面为自由曲面，或者入射面和出射面均为自由曲面，且不具有轴旋转对称特性。
[0028]
根据本发明的优选实施例，所述的自由曲面透镜各区域的折射率相同，自由曲面透镜周围介质为折射率与透镜折射率有差异的均匀介质，例如可以为空气或其它与透镜折射率有差异的均匀介质。
[0029]
根据本发明的优选实施例，所述的自由曲面透镜是光源之后的整形透镜。
[0030]
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
[0031]
本发明提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置可在三维空间中任意的目标平面上对发光分布不具有对称性的光源实现精准的光束调控；
[0032]
本发明提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置可以对发光分布不具有对称性光源的出射光的光强和波前分布同时调控；
[0033]
本发明提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置可以显著提高发光分布不具有对称性光源的光束整形系统的能量利用率，实现节能环保；可以显著提高光学系统的紧凑性，减小系统体积；可以设计出连续光滑的自由曲面面型，易于加工。
[0034]
本发明提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置可以实现复杂的照明分布，完成高难度的照明需求；可进一步拓宽发光分布不具有对称性的光源的应用范围。
附图说明
[0035]
图1为光束整形示意图；
[0036]
图2为激光二极管发光示意图；
[0037]
图3为自由曲面透镜的光学结构；
[0038]
图4为实施例1中的光路结构图；
[0039]
图5为实施例1中自由曲面透镜面模型；
[0040]
图6为实施例1中的目标照明面上的照度分布图；
[0041]
图7为实施例2中的光路结构图；
[0042]
图8为实施例2中自由曲面透镜面模型；
[0043]
图9为实施例2中的目标照明面上的照度分布图。
具体实施方式
[0044]
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，如图1和9所示，本发明对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置具体步骤如下：
[0045]
(1)设置自由曲面光路结构，由发光分布不具有旋转对称性的光源发出的光经过自由曲面透镜进行光束整形后在目标照明面上呈现出特定的辐射照度分布和相位分布。其中光路结构中的目标面为三维空间中任意目标平面，可以为垂轴的目标面或者离轴的目标面；其中辐射度分布为均匀的圆形辐射度、均匀的矩形辐射度或者任意满足用户需求的辐射度分布；其中相位分布可以为平面波相位、球面波相位或者其他满足预定要求的相位分布；其中实施例中的光源选取发光分布不具有旋转对称性的激光二极管。
[0046]
(2)确定激光二极管发光分布，确定其快慢轴的远场发散角θ
||
和θ
⊥
；
[0047]
(3)确定虚拟光源，所述虚拟光源具有旋转对称的发光分布，且θ
initial
⊥
＝θ
initial||
＝θ
⊥
；
[0048]
(4)根据步骤(3)中所述的旋转对称的初始光源设计自由曲面初始结构，所述初始结构为非球面；
[0049]
(5)根据最佳运输理论以及折射定律建立步骤(3)中光源与目标照度之间的能量守恒及变换关系，根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至目标照明区域，自由曲面透镜对细光束的偏折满足以下能量关系式：
[0050][0051]
其中，为光源的强度分布，e(tx1,ty1)为目标照明区域的照度分布，j(t)为位置矢量t的jacobi矩阵，0≤θ≤2π、其中为入射到自由曲面透镜的光束的最大发散角。
[0052]
(6)根据入射光束的波前和目标出射光束的波前建立光程约束条件，由光源发出的所有光线经过自由曲面透镜整形后到达某一波前上的光程都相等，即满足以下关系式
[0053]
opl＝|op| n|pq| |qt|
[0054]
其中，opl是某一根光线从从光源到某一波前的光程，|op|是该光线从光源出发到自由曲面入射面之间的距离，|pq|是该光线在自由曲面入射面和出射面上的交点之间的距离，|qt|是该光线在出射面和某一波前的交点的距离，n是透镜材料的折射率。
[0055]
(7)根据入射光束非旋转对称的光分布边界和目标光斑边界建立实现入射边界到出射边界变换的边界条件。
[0056]
(8)以步骤(3)中的虚拟光源为基础，通过数值优化步骤(4)中的非球面初始结构，并借助迭代运算得到满足照度分布的自由曲面透镜，建立自由曲面上点与目标面落点之间
的对应关系，联立求解步骤(5)中的能量传输方程、步骤(6)中的等光程关系式得到以下二阶非线性偏微分方程：
[0057][0058]
其中r是光线在自由曲面入射面上和出射面上落点之间的距离，θ是极坐标系中的方位角，是极角，r
θ
、分别是r在θ和方向的一阶偏导数，r
θθ
、分别是r在θ和方向的二阶偏导数，是r在θ和两个方向的二阶偏导数，ai(i＝1,...,5)是r
θ
,r,θ以及的函数，其中a1是项的系数方程，a2是项的系数方程，a3是r
θθ
项的系数方程，a4是项的系数方程，a5是常数项方程。利用数值求解方法求解该非线性偏微分方程得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合便得到了自由曲面的面型分布，该自由曲面面型分布为基于步骤(3)的光源得到的满足照度分布的自由曲面透镜；
[0059]
(9)减小步骤(3)中虚拟光源的远场发散角，即θ
initial
⊥
保持不变，逐渐减小θ
initial||
，并进行步骤(8)，得到基于更新后的虚拟光源光束调控的自由曲面面型；
[0060]
(10)继续减小θ
initial||
并进行步骤(9)，直到θ
initial||
＝θ
||
使虚拟光源的光分布与实际光源的光分布吻合，由此可得到实现具有非旋转对称光强分布的光源光束调控所需的自由曲面面型数据。
[0061]
实施例1：自由曲面透镜采用如附图3所示的结构类型，其中入射面s1为球面，出射面s2为自由曲面，通过自由曲面在倾斜目标面上对激光二极管的强度进行调控，光路结构如图4所示，由于该实例的目标面为空间中的离轴倾斜面，因此该实例中对光束的调控只考虑能量分布，不考虑波前分布，因而该实例的实施步骤中不考虑等光程关系式。光源的发光强度分布为i＝exp(-2((θ
x
/θ
||
)2 (θy/θ
⊥
)2))的激光二极管，其中θ
x
、θy分别是光源的出射光线与xz面和yz面的夹角见图2，θ
||
、θ
⊥
分别是激光二极管光源在x方向和y方向的半角，即出射光线强度降低到中心光线强度的1/e2时的半角，θ
||
＝5.5
°
、θ
⊥
＝20
°
，要求激光二极管的出射光束在经过自由曲面透镜的折射后在空间倾斜面上的目标照明区域产生均匀的矩形光斑分布，透镜入射面的顶点距离光源5mm，透镜中心厚度即透镜出射面顶点距离入射面顶点的距离为3mm，目标照明面与光轴的交点距离光源173mm，目标照明面的倾斜角度为β＝30
°
，矩形照明光斑长124mm，宽80mm，自由曲面透镜材料折射率为1.584，透镜周围介质为空气。
[0062]
确定虚拟光源，所述虚拟光源具有旋转对称的发光分布，且θ
initial
⊥
＝θ
initial||
＝θ
⊥
＝20
°
；
[0063]
根据上述旋转对称的初始光源设计自由曲面(出射面)初始结构，所述初始结构为非球面；
[0064]
建立光源与目标辐射度之间的能量守恒关系，根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至目标照明区域，进一步化简得到如下关系式：
[0065][0066]
其中r是光线在自由曲面入射面上和出射面上落点之间的距离，θ是极坐标系中的方位角，是极角，r
θ
、分别是r在θ和方向的一阶偏导数，r
θθ
、分别是r在θ和方向的
二阶偏导数，是r在θ和两个方向的二阶偏导数，ai(i＝1,...,5)是r
θ
,r,θ以及的函数，其中a1是项的系数方程，a2是项的系数方程，a3是r
θθ
项的系数方程，a4是项的系数方程，a5是常数项方程。
[0067]
建立边界条件，保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标面照明区域的边界；
[0068]
采用差分替代微分法和牛顿法解上述非线性方程组，得到一组离散数据点，即求得自由曲面上的离散数据点，该自由曲透镜满足为上述虚拟光源的自由曲面透镜；
[0069]
减小上述虚拟光源的远场发散角，即θ
initial
⊥
保持20
°
不变，逐渐减小θ
initial||
，并重复上述步骤迭代求解，得到基于更新后的虚拟光源光束调控的自由曲面面型；
[0070]
继续减小θ
initial||
并重复上述步骤，直到θ
initial||
＝θ
||
＝5.5
°
，使虚拟光源的光分布与实际光源的光分布吻合，由此可得到实现具有非旋转对称光强分布的光源光束调控所需的自由曲面面型数据。
[0071]
在cad软件中对自由曲面离散数据点进行曲面拟合即可得到自由曲面透镜模型，见附图5。对自由曲面进行光线追迹，得到倾斜目标面上的照度分布图，见附图6。该照度分布图清楚地表明，本发明中提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束整形的自由曲面透镜可以将激光二极管的出光分布在空间倾斜目标面上整形为均匀的照度分布。
[0072]
实施例2：自由曲面透镜采用如附图3所示的结构类型，其中入射面s1和出射面s2均为自由曲面，通过自由曲面在垂轴目标面上对激光二极管出射光束的波前和强度同时调控，光路结构如图7所示。光源的发光强度分布与实例1中相同，要求激光二极管的出射光束在经过自由曲面透镜的折射后在波型为球面波，并在目标面上具有均匀的照度分布，照度分布形状为圆形，透镜入射面的顶点距离光源4mm，透镜中心厚度即出射面顶点距离入射面顶点的距离为4mm，目标照明面与光轴垂直，自由曲面透镜材料折射率为1.384，透镜周围介质为空气。
[0073]
确定虚拟光源，所述虚拟光源具有旋转对称的发光分布，且θ
initial
⊥
＝θ
initial||
＝θ
⊥
＝20
°
；
[0074]
根据上述旋转对称的初始光源设计自由曲面初始结构，所述初始结构为非球面；
[0075]
建立光源与目标辐射度之间的能量守恒关系，根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，要求由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至目标照明区域，进一步化简得到如下关系式：
[0076][0077]
其中r是光线在自由曲面入射面上和出射面上落点之间的距离，θ是极坐标系中的方位角，是极角，r
θ
、分别是r在θ和方向的一阶偏导数，r
θθ
、分别是r在θ和方向的二阶偏导数，是r在θ和两个方向的二阶偏导数，ai(i＝1,...,5)是r
θ
,r,θ以及的函数，其中a1是项的系数方程，a2是项的系数方程，a3是r
θθ
项的系数方程，a4是项的系数方程，a5是常数项方程；
[0078]
建立光程相等关系式，由光源发出的所有光线经过自由曲面透镜整形后到达某一波面上的光程都相等，即满足以下关系式
[0079]
opl＝|op| n|pq| |qt|
[0080]
其中，opl是某一根光线从从光源到某一波前的光程，|op|是某一根光线从光源出发到自由曲面入射面之间的距离，|pq|是该光线在自由曲面入射面和出射面上的交点的距离，|qt|是该光线在出射面和某一波面上的交点的距离，n是透镜材料的折射率，n＝1.49386。
[0081]
建立边界条件，保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标面照明区域的边界。
[0082]
采用差分替代微分法将能量传输方程和边界条件转换成一个非线性方程组；最后，采用牛顿法求解该非线性方程组可得到一组离散数据点，即求得自由曲面透镜上的离散数据点，该自由曲透镜满足为上述虚拟光源的自由曲面透镜；
[0083]
减小上述虚拟光源的远场发散角，即θ
initial
⊥
保持20
°
不变，逐渐减小θ
initial||
，并重复上述步骤迭代求解，得到基于更新后的虚拟光源光束调控的自由曲面面型；
[0084]
继续减小θ
initial||
并重复上述步骤，直到θ
initial||
＝θ
||
＝5.5
°
，使虚拟光源的光分布与实际光源的光分布吻合，由此可得到实现具有非旋转对称光强分布的光源光束调控所需的自由曲面面型数据。
[0085]
在cad软件中对自由曲面离散数据点进行曲面拟合即可得到自由曲面透镜模型，见附图8。对自由曲面进行光线追迹，得到距离光源50mm和80mm处的目标面上的照度分布图见附图9。该照度分布图清楚地表明，在不同距离的目标照明面上均能得到照度均匀性很好的照明效果，可见出射光束为球面波，本发明提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置可以将激光二极管出射光束的波前和强度同时调控。
[0086]
以上两个设计实例清楚的展现了本发明提出的对具有非旋转对称光强分布的光源进行光束调控的自由曲面整形装置有效地实现了复杂的整形效果，且仅用一个自由曲面透镜实现高质量光束整形，系统紧凑轻且光束能量利用率高。