[发明专利]一种360度透射式自由曲面整形激光模组及其中自由曲面透射镜的设计方法

权利要求书

1.一种360度透射式自由曲面整形激光模组，包括镜筒(1)，位于镜筒(1)一端的半导体激光器(2)、位于镜筒(1)中部的透射镜安装座(3)和位于镜筒(1)另一端的反射镜安装座(5)，所述反射镜安装座(5)上安装有锥度为45°的圆锥面反射镜(6)，所述镜筒(1)的侧面嵌合设置有石英管(13)，所述石英管(13)与圆锥面反射镜(6)设置在同一水平位置处，其特征在于：所述透射镜安装座(3)上设置有自由曲面透射镜(4)，所述自由曲面透射镜(4)为圆柱体状，所述自由曲面透射镜(4)的两端设置有第一自由曲面(41)和第二自由曲面(42)，所述第一自由曲面(41)和第二自由曲面(42)由多种曲面组合而成，组成第一自由曲面(41)和第二自由曲面(42)的曲面包括有但不限于离轴非球曲面和双曲面。

2.根据权利要求1所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述第一自由曲面(41)为平面、凹面、凸面中的任意一种，所述第二自由曲面(42)为平面、凹面、凸面中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述镜筒(1)包括上级段(11)和下级段(12)，所述透射镜安装座(3)包括与上级段(11)固定连接的上级限位环(31)、与下级段(12)固定连接的下级限位环(32)和与下级段(12)固定连接的定位板(33)，所述上级段(11)和下级段(12)之间贴合设置时，所述定位板(33)沿镜筒(1)轴向的两端分别与上级限位环(31)和下级限位环(32)的端面抵接设置，所述自由曲面透射镜(4)的侧面与定位板(33)抵接，所述第一自由曲面(41)的边沿与上级限位环(31)抵接，所述第二自由曲面(42)的边沿与下级限位环(32)抵接。

4.根据权利要求3所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述下级段(12)靠近上级段(11)的端面处设置有若干下级螺纹孔(142)，所述上级段(11)靠近下级段(12)的端面处设置有若干与下级螺纹孔(142)对应的上级螺纹孔(141)，所述上级螺纹孔(141)和下级螺纹孔(142)之间配合形成倾斜设置的螺纹连接孔(14)，所述螺纹连接孔(14)内设置有连接螺栓，所述下级段(12)靠近上级段(11)端面还设置有若干定位凸块(121)，所述上级段(11)靠近下级段(12)的端面处设置有若干与定位凸块(121)配合设置的定位凹槽(111)，各所述定位凸块(121)与定位凹槽(111)之间配合设置时，各所述上级螺纹孔(141)和下级螺纹孔(142)之间同轴设置。

5.根据权利要求4所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述反射镜安装座(5)包括一级底座(51)和二级底座(52)，所述一级底座(51)和二级底座(52)为同心设置的圆盘形底座，所述一级底座(51)的表面与上级段(11)的端面抵接，所述二级底座(52)的侧面与上级段(11)的内壁面抵接，所述一级底座(51)的边沿处设置有若干朝向下级段(12)设置的定位柱(511)，所述上级段(12)靠近一级底座(51)的端面开设有若干与定位柱(511)配合设置的定位孔(112)。

6.根据权利要求5所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述一级底座(51)外侧连接设置有端盖(7)，所述端盖(7)包括底座基板(71)和设置在底座基板(71)边沿且与底座基板(71)垂直的连接环板(72)，所述连接环板(72)与下级段(12)之间螺纹连接，所述底座基板(71)靠近一级底座(51)的一面上固定设置有若干压缩弹簧(711)，各所述压缩弹簧(711)远离底座基板(71)的一端与一级底座(51)表面抵接。

7.根据权利要求6所述的一种360度透射式自由曲面整形激光模组，其特征在于：所述圆锥面反射镜(6)安装在二级底座(52)上且其锥顶朝向半导体激光器(2)设置，所述圆锥面反射镜(6)的锥顶所在位置与石英管(13)靠近下级段(12)的一端齐平设置。

8.一种360度透射式自由曲面整形激光模组中自由曲面透射镜的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1:建立数学模型，假定光源为入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，其光源截面的光强分布为G₁，该光源经过自由曲面透射镜的作用后产生的目标照明为光强分布为G₂的入射方向与镜筒轴线方向平行的准直光束，在本试验过程中，光束被四个面(入射面、第一自由曲面、第二自由曲面和出射面)分割成三个空间，入射面和第一自由曲面之间、第二自由曲面和出射面之间的空间的折射率可以近似认为相同，设其为n_i，第一自由曲面和第二自由曲面之间的空间的折射率即为透镜材料的折射率，设其为n₀，并且设任意一条垂直于入射面的光线交第一自由曲面于点A，交第二自由曲面于点B，交出射面于点C，则根据折射定律可得，

其中，I为入射光线方向的单位矢量，即为(0,0,1)，P₁为依据折射定律得出的折射参数，N为第一自由曲面在点A处的单位法失，B点处的位置矢量可表示为，

出射面上C点的位置矢量可表示为，

由此即可得到A,B,C三点之间的一一映射关系；

S2：根据能量守恒定律，假定该激光模组中的能量损失为0，建立入射面光强分布G₁和出射面光强分布G₂之间的等式关系，并代入至S1中得到的各点的映射关系中；

S3：对S2中得到的方程组施加边界条件，边界条件由入射面和出射面表面的光斑边界进行确定，根据最终希望得到的曲面大致形状对第一自由曲面和第二自由曲面的顶点施加限制条件，根据施加限制条件的不同，第一自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种，第二自由曲面可以是凸面、平面和凹面中的任意一种；

S4：对S3中得到的方程组进行数值求解，采用差分项将式中的一阶偏导项和二阶偏导项进行替代，替代后将原方程组转化为一个包含有若干非线性方程的方程组，采用泰勒公式将该非线性方程组线性化，并用迭代法对其进行多次迭代求解，即可得到满足第一自由曲面和第二自由曲面的曲面方程；

S5：将S4中得到的曲面方程在三维建模软件中转化为对应的三维模型，并将三维模型导入至光线模拟软件中进行模拟，模拟利用能量利用率和照度平均标准偏差对曲面的设计结果进行量化评价，其中能量利用率定义为出射面上的能量与入射面上的能量之比，照度平均标准偏差可由下式进行确定，

上式中，N为采样点数量，E_ai和E_ti分别表示第i个采样点的实际照度值和目标照度值。