[发明专利]一种可用于制备中空光束的自由曲面透镜面型设计方法

说明书

本发明公开了一种可用于制备中空光束的自由曲面透镜面型设计方法，属于非成像光学技术领域。本发明系统包含自由曲透镜和一个光学聚焦系统，根据理想聚焦系统的光线偏折特性，基于折射定律和能量守恒定律，在计算机的辅助下，设计出可制备中空光束的自由曲面。入射光线经自由曲面偏折和聚焦透镜汇聚后，在目标照明区域产生中心强度为零的光斑。本发明设计在实现光斑的中心暗斑大小可控的同时，保证外径大小可控，外围强度均匀。此外，本设计可以获得微米量级的中空光束(～10μm)，在光学操控和超分辨成像领域有重要应用。本发明设计能保证曲面的连续性，便于加工。

技术领域

本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及到一种可用于制备中空光束的自由曲面透镜面型设计方法。

背景技术

根据光源(激光)的强度分布和目标照明要求设计一个自由曲面来实现预定的配光要求，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，采用自由曲面不仅可极大简化光学系统的结构，还可轻松实现复杂的照明要求。

目前，通常采用优化设计和“Partial Differential Equation(PDE)”方法来设计自由曲面以解决该逆向照明问题。优化设计借助某种优化算法，通过不断改变优化变量来减少评价函数直至获得满足设计要求的曲面。照明优化通常要求在每次优化迭代中追击大量的光线以减小模拟统计噪声，且优化设计的结果非常依赖于优化变量的选取、评价函数的构建以及优化算法。对于一个复杂的照明，通常需要成千上万个离散数据点来构建自由曲面，这是优化设计无法实现的。PDE 方法的设计思想是将该逆向设计问题转化成一个一阶偏微分方程组，并通过数值求解该方程组来构建自由曲面。相比较优化设计，PDE方法具有更高的设计效率，并能实现复杂的照明要求，一直以来PDE方法都是自由曲面设计的研究重点。中国专利200910046129.5提出了一种针对点光源配光透镜的设计方法，该方法根据折射定律构建出曲面所满足的一阶偏微分方程组，然后选定一个能量拓扑关系来确定光源和目标照明之间的能量映射关系，之后通过数值求解该一阶偏微分方程组得到自由曲面面型。采用该种PDE方法设计自由曲面的一个关键步骤是需先建立光源和目标照明之间的能量映射关系。该能量映射关系的可积性决定了自由曲面的连续性，只有满足可积条件的能量映射关系才能得到连续的自由曲面。一些容易获取的能量映射关系往往不满足可积条件，此时只能得到不连续的自由曲面。如中国专利200910046129.5采用了一种变量可分离的映射关系来实现矩形照明，结果只能得到不连续的自由曲面，这无疑给实际加工提出了很大的难题。中国专利102928983公开了一种用于准直光整形的自由曲面光学元件的设计方法，该方法通过构建曲面面型的二阶偏微分方程，实现复杂照明，能获得连续的自由曲面，实现了曲面的可加工。然而，上述方法均及元件均无法实现具有强度奇点的目标照明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于制备中空光束的自由曲面光学元件的设计方法。具体步骤如下：

(1)准直光束依次经过自由曲面光学元件和光学聚焦系统，根据初始设计参数对其进行自由曲面设计；

(2)以准直光束的一个横截面作为坐标平面xoy建立直角坐标系，准直光束传播方向与z轴平行。对步骤(1)所确定的自由曲面光学元件所需设计的自由曲面上的任意一点P的坐标用直角坐标表示为P(x,y,z(x,y))，目标照明面上与点P对应的目标点T的坐标用直角坐标表示为T(t_x,t_y,t_z)；矢量P为点P的位置矢量，是一个由原点指向点P的矢量，矢量T为点T的位置矢量，是一个由原点指向点T的矢量；假定矢量I表示入射光束的单位方向向量，矢量O(Ox,Oy, Oz)表示出射光束的方向向量，矢量N表示曲面在P点处的单位法矢，由聚焦透镜的光学特性可知，其中f是聚焦透镜的焦距。

根据折射定律n_oO＝n_iI+P₁N得到