可消除中心亮點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)及其光照發(fā)散角調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種可消除中心亮點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)及其光照發(fā)散角調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代技術(shù)中，隨著光電設(shè)備、系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，各光電產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)烧{(diào)發(fā)散角的異形激光光場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)發(fā)散角可調(diào)節(jié)的異形激光光場(chǎng)的要求也不斷提高，基于衍射光學(xué)和激光技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)固定發(fā)散角的異形激光光場(chǎng)，例如槍瞄光場(chǎng)、圓環(huán)光場(chǎng)、網(wǎng)格光場(chǎng)等激光工具光場(chǎng)，但如果實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)發(fā)散角的調(diào)節(jié)，已有的光學(xué)產(chǎn)品都需要配合復(fù)雜的變倍數(shù)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，尺寸很大，成本很高，且調(diào)節(jié)復(fù)雜，需要多片透鏡的移動(dòng)、聯(lián)調(diào)，無(wú)法滿(mǎn)足很多應(yīng)用領(lǐng)域的需要。
[0003]如圖1所示，市場(chǎng)上所使用的定制光場(chǎng)變焦系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，首先使用照明光源照射一掩膜版，通過(guò)掩膜版的透光區(qū)域設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)的分布區(qū)域，然后使用成像系統(tǒng)對(duì)掩膜版進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)成像，該遠(yuǎn)場(chǎng)成像再通過(guò)變焦光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最終輸出光場(chǎng)的發(fā)散角調(diào)節(jié)。
[0004]變焦光學(xué)系統(tǒng)最少需要3片透鏡才能實(shí)現(xiàn)，如圖1所示該變焦光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，需要分別對(duì)兩片透鏡(透鏡4和透鏡5)進(jìn)行有區(qū)別且非線(xiàn)性的位置調(diào)節(jié)，使變焦系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度很高，裝配公差要求非常嚴(yán)格，最終造成整套光學(xué)系統(tǒng)尺寸很大，操作復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴，無(wú)法適合眾多集成化、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)由于掩膜版是通過(guò)遮擋的方式實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)分布，其光利用效率很低，散熱量大，也限制了該產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0005]目前市場(chǎng)上沒(méi)有能用透鏡系統(tǒng)配合一個(gè)折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)發(fā)散角可調(diào)節(jié)的方法、設(shè)計(jì)或者裝置，本發(fā)明是基于折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性，結(jié)合成像光學(xué)系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)，只使用照明光源、折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)以及變焦光學(xué)系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)圖1所示的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的功能。
[0006]傳統(tǒng)的異形光場(chǎng)的變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是通過(guò)一面光源照射異形光場(chǎng)的空間光調(diào)制器(如掩膜片、液晶屏等)，該設(shè)計(jì)方式是通過(guò)遮擋的方法，對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，該空間光調(diào)制器再通過(guò)一成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)的輸出，該設(shè)計(jì)方法的光學(xué)元件復(fù)雜、數(shù)量較多，光利用效率非常低下。例如對(duì)于廣泛應(yīng)用的測(cè)量、標(biāo)定用異形光場(chǎng)(如條紋型異形光場(chǎng)、網(wǎng)格型異形光場(chǎng)等)，由于該異形光場(chǎng)的全幅覆蓋面積大，但發(fā)光區(qū)域面積小，其光利用效率普遍低于50%，甚至低于10%。同時(shí)傳統(tǒng)的空間光調(diào)制器的異形光場(chǎng)產(chǎn)生方式，其光學(xué)器件尺寸大、成本很高，而且對(duì)應(yīng)用環(huán)境要求很高，光學(xué)器件表面的細(xì)微灰塵都會(huì)造成異形光場(chǎng)的嚴(yán)重缺陷，上述因素為該產(chǎn)品的使用造成了很多不利的因素，嚴(yán)重的限制了產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用。
[0007]衍射光學(xué)元件是通過(guò)對(duì)入射光場(chǎng)的波前調(diào)制，實(shí)現(xiàn)出射光場(chǎng)的光強(qiáng)分布設(shè)計(jì)，其異形光場(chǎng)的產(chǎn)生原理與空間光調(diào)制器有本質(zhì)區(qū)別，使用一片衍射光學(xué)元件即可取代傳統(tǒng)方法中的空間光調(diào)制器和成像鏡頭裝置，光學(xué)元件少、尺寸小，光利用效率可達(dá)到90%以上。
[0008]但如果只使用衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)異形光場(chǎng)，無(wú)法消除衍射光學(xué)元件所產(chǎn)生的零級(jí)衍射的中心亮點(diǎn)，對(duì)于一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，該中心亮點(diǎn)對(duì)于異形光場(chǎng)的應(yīng)用帶來(lái)不利的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，提供了一種可消除衍射光學(xué)元件所產(chǎn)生的零級(jí)衍射的中心亮點(diǎn)，且光學(xué)結(jié)構(gòu)精煉、光照發(fā)散角調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便、光學(xué)效率高、尺寸微型化、成本低廉、易操作的光學(xué)系統(tǒng)及其光照發(fā)散角調(diào)節(jié)方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種可消除中心亮點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，包括一折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)直光照射光源和一變焦透鏡結(jié)構(gòu)，所述折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)包括虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件和成像透鏡，折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)的中心截面為成像透鏡的主截面；
所述折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)放置于準(zhǔn)直光照射光源與變焦透鏡結(jié)構(gòu)之間，用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)所需的光場(chǎng)分布；所述虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件位于準(zhǔn)直平行光源與成像透鏡之間。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件為菲涅爾衍射光學(xué)元件。
[0012]優(yōu)選地，所述虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件為夫瑯禾費(fèi)衍射光學(xué)元件。
[0013]優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直光照射光源為平行光源，光場(chǎng)波前為平面波或近似平面波或經(jīng)過(guò)透鏡結(jié)構(gòu)處理的呈平面波傳播。
[0014]優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直光照射光源為發(fā)散光照射光源，光場(chǎng)波前為球面波或經(jīng)過(guò)透鏡結(jié)構(gòu)處理的呈球面波傳播。
[0015]優(yōu)選地，所述透鏡結(jié)構(gòu)為單片透鏡或者組合透鏡。
[0016]—種可消除中心亮點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)的光照發(fā)散角調(diào)節(jié)方式，將折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)放置在準(zhǔn)直光照射光源與變焦透鏡結(jié)構(gòu)之間，通過(guò)調(diào)節(jié)變焦透鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)的投射，從而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)發(fā)散角的精確、簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)。
[0017]本發(fā)明通過(guò)虛像設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件配合成像透鏡，實(shí)現(xiàn)一折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)的同時(shí)，徹底的消除了零級(jí)衍射中心亮點(diǎn)。
[0018]本發(fā)明中的虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件，是針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)使用需要，設(shè)計(jì)出原始光場(chǎng)分布，該原始光場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)功能是等效于有一個(gè)發(fā)光物體位于虛空間，虛空間的發(fā)光物體的光場(chǎng)通過(guò)衍射光學(xué)元件傳播至實(shí)空間。
[0019]本發(fā)明使用虛像方式設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件和成像透鏡結(jié)合的折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的光照發(fā)散角，在折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)后放置變焦透鏡結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)折衍光學(xué)元件的位置，與變焦透鏡結(jié)構(gòu)配合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)異形光場(chǎng)發(fā)散角可調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)；該折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)配合變焦透鏡結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直光照射光源與虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件位置固定，通過(guò)調(diào)節(jié)變焦透鏡結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)所需光場(chǎng)的光照發(fā)散角調(diào)節(jié)，同時(shí)徹底的消除了零級(jí)衍射中心亮點(diǎn)的影響。且光學(xué)結(jié)構(gòu)精煉、光照發(fā)散角調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便、光學(xué)效率高、尺寸微型化、成本低廉、易操作。
[0020]本發(fā)明的微型結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的可調(diào)發(fā)散角光場(chǎng)系統(tǒng)在目前市面上處于迫切需求的狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為市場(chǎng)上所使用的光場(chǎng)變焦系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件的功能示意圖；
圖3為本發(fā)明中虛空間物體成像到實(shí)空間光學(xué)設(shè)計(jì)示意圖；
圖4為本發(fā)明的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例3中的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖1中1.照射光源，2.形成所需光場(chǎng)的空間光調(diào)制器，3.成像透鏡，4、5、6為變焦透鏡結(jié)構(gòu)。
[0023]圖2和3中1.入射光束，2.衍射光學(xué)元件，3.出射光場(chǎng)，4.虛空間物體，5.實(shí)空間光場(chǎng)，6.成像透鏡，7.實(shí)空間成像。
[0024]圖4-7中1.照射光源，2.折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)，3、4、5.變焦透鏡結(jié)構(gòu)，6.折衍光學(xué)結(jié)構(gòu)異形光場(chǎng)位置，7.變焦透鏡結(jié)構(gòu)主截面位置。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但并不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0026]如圖2所示，本發(fā)明的虛像設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件的功能是:入射光束為一平行光，入射光束照射衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)一出射光場(chǎng)，該出射光場(chǎng)的效果等效于圖2的右半側(cè)的光場(chǎng):在衍射光學(xué)元件的虛空