一种光学元件、光学模组及光束整形方法与流程

1.本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光学元件、光学模组及光束整形方法。


背景技术：

2.半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，比如泵浦、医疗以及工业加工领域。但是，当前半导体激光器的推广应用会受到其光束质量的制约，所以，提高半导体激光器的输出光斑均匀度、亮度和功率成为当下重要的研究方向。
3.半导体激光器由于发散角大，中心位置光束叠加比边缘位置叠加强，导致输出光斑能量呈高斯分布，光斑不均匀。为了解决大发散角引起的光斑不均问题，目前，可通过微分光束并逐个递减部分叠加实现平顶光斑，但是，这种方式需要逐个控制每个微分单元的参数，存在结构精度要求较高，制作成本较高，装调对位精度要求较高等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光学元件、光学模组及光束整形方法，能够对光束进行切割和重排，从而改变光束的分布特性，进而适用于不同的应用场景。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明实施例的第一方面，提供一种光学元件，该光学元件包括透射部和折射部，所述折射部围设于所述透射部，所述透射部包括透射入射面和透射出射面，所述折射部包括折射入射面和折射出射面，入射光入射所述透射入射面和折射入射面，并经过所述透射部由所述透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束，经过所述折射部折射后由所述折射出射面出射形成第二能量分布的折射光束，所述透射光束与所述折射光束叠加形成第三能量分布的光束。
7.可选地，所述折射部围绕所述透射部设置；或者所述折射部包括至少一个与所述透射部连接的子折射部。
8.可选地，所述透射入射面、所述透射出射面、所述折射入射面和所述折射出射面至少其中一个面设置微结构。
9.可选地，所述微结构包括一维或二维的凹面和/或凸面。
10.可选地，所述凹面和/或凸面呈规则或不规则排布。
11.可选地，所述透射入射面、透射出射面、折射入射面和折射出射面相对于与光轴方向垂直的面为斜平面、斜凸面、斜凹面、正平面、正凸面和正凹面的其中一种。
12.可选地，所述透射部设置为贯通腔或者可透光的光学材料。
13.本发明实施例的第二方面，提供一种光学模组，该光学模组包括上述的光学元件。
14.可选地，所述光学模组还包括设置于光源与所述光学元件之间的透镜或透镜组，所述透镜或透镜组被配置为对光源出射的光束进行准直和/或压缩，形成入射光，入射光经
所述光学元件后形成第三能量分布的预设形态的光斑。
15.本发明实施例的第三方面，提供一种应用上述光学元件的光束整形方法，该方法包括：入射光入射透射部的透射入射面和折射部的折射入射面；经过所述透射部由所述透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束；经过所述折射部折射后由所述折射出射面出射形成第二能量分布折射光束；所述透射光束与所述折射光束叠加形成第三能量分布的光束。
16.可选地，所述透射入射面、透射出射面、折射入射面和折射出射面至少其中一个面设置微结构，该方法包括：入射透射部的透射入射面和折射部的折射入射面的入射光，或者经过所述透射部由所述透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束，或者经过所述折射部折射后由所述折射出射面出射形成第二能量分布折射光束通过所述微结构进行匀化。
17.可选地，所述透射入射面、透射出射面、折射入射面和折射出射面至少一个面相对于与光轴方向垂直的面为斜凸面或者正凸面，该方法包括：入射透射部的透射入射面和折射部的折射入射面的入射光，或者经过所述透射部由所述透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束，或者经过所述折射部折射后由所述折射出射面出射形成第二能量分布折射光束通过所述斜凸面或正凸面进行汇聚，或者进行汇聚后再扩散。
18.可选地，所述透射入射面、透射出射面、折射入射面和折射出射面至少一个面相对于与光轴方向垂直的面为斜凹面或者正凹面，该方法包括：入射透射部的透射入射面和折射部的折射入射面的入射光，或者经过所述透射部由所述透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束，或者经过所述折射部折射后由所述折射出射面出射形成第二能量分布折射光束通过所述斜凸面或正凸面进行扩散。
19.本发明实施例的第四方面，提供一种应用上述光学模组的光束整形方法，该方法包括：通过设置于光源与所述光学元件之间的透镜或透镜组对光源出射的光束进行准直和/或压缩，形成入射光；入射光入射透射部的透射入射面和折射部的折射入射面；经过所述透射部由所述透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束；经过所述折射部折射后由所述折射出射面出射形成第二能量分布折射光束；所述透射光束与所述折射光束叠加形成第三能量分布的预设形态的光斑。
20.本发明实施例的有益效果包括：
21.该光学元件包括透射部和折射部，折射部围设于透射部，透射部包括透射入射面和透射出射面，折射部包括折射入射面和折射出射面，入射光入射透射入射面和折射入射面，并经过透射部由透射出射面出射形成第一能量分布的透射光束，经过折射部折射后由折射出射面出射形成第二能量分布的折射光束，透射光束与折射光束叠加形成第三能量分布的光束。由于该光学元件包括透射部和折射部，因此，可以使得入射光被分割为多个部分，有的部分经透射部透射后出射，在远场形成第一能量分布的透射光束，有的部分经折射部折射后出射，在远场形成第二能量分布的折射光束，从而实现了对入射光的切割，入射光的每个部分分别形成的透射光束与折射光束在远场叠加形成第三能量分布的光束，从而实现了对入射光的重排，即改变了入射光的能量分布特性。该光学元件能够对光束进行切割和重排，从而改变光束的分布特性，并且，对于入射光的能量分布特性没有具体限制，还可以使得形成的第三能量分布的光束形式多样化，具有灵活性高、自由度高的优点，进而适用于不同的应用场景。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构及光路示意图之一；
24.图2为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构及光路示意图之二；
25.图3为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构及光路示意图之三；
26.图4为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构及光路示意图之四；
27.图5为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之一；
28.图6为图5沿光轴的截面结构示意图；
29.图7为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之二；
30.图8为图7沿光轴的截面结构示意图；
31.图9为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之三；
32.图10为图9沿光轴的截面结构示意图；
33.图11为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之一；
34.图12为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之二；
35.图13为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之三；
36.图14为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之四；
37.图15为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之五；
38.图16为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之四；
39.图17为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之五；
40.图18为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之六；
41.图19为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之七；
42.图20为图19沿光轴的截面结构示意图；
43.图21为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之八；
44.图22为图21沿光轴的截面结构示意图；
45.图23为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之九；
46.图24为图23沿光轴的截面结构示意图；
47.图25为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之十；
48.图26为图25沿光轴的截面结构示意图；
49.图27为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之十一；
50.图28为图27沿光轴的截面结构示意图；
51.图29为本发明实施例提供的光学元件的立体结构示意图之十二；
52.图30为图29沿光轴的截面结构示意图；
53.图31为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之六；
54.图32为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之七；
55.图33为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之八；
56.图34为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之九；
57.图35为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十；
58.图36为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十一；
59.图37为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十二；
60.图38为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十三；
61.图39为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十四；
62.图40为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十五；
63.图41为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十六；
64.图42为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十七；
65.图43为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十八；
66.图44为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之十九；
67.图45为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构示意图之二十；
68.图46为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之一；
69.图47为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之二；
70.图48为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之三；
71.图49为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之四；
72.图50为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之五；
73.图51为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之六；
74.图52为本发明实施例提供的光学元件的光束切割叠加示意图之七；
75.图53为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构、光路以及对应形成的线光斑示意图；
76.图54为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构、光路以及对应形成的面光斑示意图之一；
77.图55为本发明实施例提供的光学元件的沿光轴的截面结构、光路以及对应形成的面光斑示意图之二。
78.图标：10-光学元件；11-透射部；111-透射入射面；112-透射出射面；12-折射部；121-折射入射面；122-折射出射面；123-子折射部；13-微结构；20-透镜。
具体实施方式
79.下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。
80.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
81.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个
元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
82.诸如“在
…
下方”或“在
…
上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。
83.本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
84.除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
85.请结合参照图1至图55，本发明实施例的第一方面，提供一种光学元件10，该光学元件10包括透射部11和折射部12，折射部12围设于透射部11，透射部11包括透射入射面111和透射出射面112，折射部12包括折射入射面121和折射出射面122，入射光入射透射入射面111和折射入射面121，并经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布的折射光束，透射光束与折射光束叠加形成第三能量分布的光束。
86.如图1至图4所示，该光学元件10包括透射部11，透射部11包括透射入射面111和透射出射面112，入射光入射光学元件10时，入射光入射透射入射面111，经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，该光学元件10还包括折射部12，折射部12围设于透射部11，折射部12包括折射入射面121和折射出射面122，入射光入射光学元件10时，入射光入射折射入射面121，经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布的折射光束，上述的透射光束与折射光束在远场叠加形成第三能量分布的光束。
87.如图1至图4所示，由于该光学元件10包括透射部11和折射部12，因此，入射光入射光学元件10时，入射光会被分割为多个部分，有的部分经透射部11透射后出射，在远场形成第一能量分布的透射光束，有的部分经折射部12折射后出射，在远场形成第二能量分布的折射光束，入射光的每个部分分别形成的透射光束与折射光束在远场叠加形成第三能量分布的光束。
88.如图1至图4所示，通过仅设置一个光学元件10，该光学元件10包括透射部11和折射部12，可以使得入射光被分割为多个部分，从而实现了对入射光的切割，入射光的每个部分分别形成的透射光束与折射光束在远场叠加形成第三能量分布的光束，从而实现了对入射光的重排，即改变了入射光的能量分布特性，并且，对于入射光的能量分布特性没有具体
限制，例如，入射光的能量分布可以呈高斯分布、平顶分布等，还可以使得形成的第三能量分布的光束形式多样化，例如，形成的第三能量分布呈平顶分布、半平顶分布、中强平顶分布、台阶平顶分布、光斑条纹分离型分布、塔状叠加双高斯型分布、高斯分布等，具有灵活性高、自由度高的优点，从而满足不同的使用需求。
89.可选地，折射部12围绕透射部11设置；或者折射部12包括至少一个与透射部11连接的子折射部123。
90.示例地，如图5至图18所示，在一些实施例中，折射部12为一个整体，且折射部12围绕透射部11设置，此时，连接折射入射面121和折射出射面122的侧面可以为圆周面，光学元件10可以为侧面呈圆周面的圆柱体或圆锥体等闭合回转体结构(如图5和图16所示)或非闭合回转体结构(或者说部分回转体结构，如图7、图9、图17和图18所示)；如图19和图20所示，在另一些实施例中，折射部12包括一个与透射部11连接的子折射部123，此时，连接折射入射面121和折射出射面122的侧面可以为平面，光学元件10可以为侧面呈平面的方形结构；如图21、图22、图27和图28所示，在另一些实施例中，折射部12包括多个与透射部11连接的子折射部123，多个子折射部123围绕透射部11呈间隔设置，即多个子折射部123相互之间不连接，此时，连接折射入射面121和折射出射面122的侧面可以为平面，光学元件10可以为侧面呈平面的方形结构；如图23、图24、图29和图30所示，在另一些实施例中，折射部12包括多个与透射部11连接的子折射部123，多个子折射部123围绕透射部11设置，且多个子折射部123相互之间依次连接，此时，连接折射入射面121和折射出射面122的侧面可以为平面，光学元件10可以为侧面呈平面的方形结构；如图25和图26所示，在另一些实施例中，折射部12包括多个与透射部11连接的子折射部123，多个子折射部123围绕透射部11设置，其中，至少有两个子折射部123呈间隔设置，而其他子折射部123相互之间依次连接，此时，连接折射入射面121和折射出射面122的侧面可以为平面，光学元件10可以为侧面呈平面的方形结构。可以理解地，上述只是本发明一些实施例，根据目标光束的能量分布需求以及目标光束的光斑形状需求，折射部和透射部以不同的形式设置，本领域技术人员可以根据上述光束切割重排的原理进行灵活组合选择，在此不做限制。
91.可选地，如图4、图13至图15、图35至图38所示，透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少其中一个面设置微结构13，以通过微结构13实现对入射光、透射光束或折射光束的匀化。例如，如图4和图13所示，折射入射面121均设置微结构13，如图14所示，透射入射面111和折射入射面121均设置微结构13，如图15所示，透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122均设置微结构13，如图35所示，透射入射面111设置微结构13，如图36和图37所示，透射入射面111、透射出射面112和折射出射面122均设置微结构13，如图38所示，透射出射面112和折射出射面122均设置微结构13。
92.具体地，微结构13包括一维或二维的凹面和/或凸面。其中，凹面和/或凸面呈规则或不规则排布。
93.需要说明的是，本技术实施例中所述的在光学表面设置的微结构，指的是每一个组成微结构的具体面型或结构的尺寸在毫米级的微结构，而非实现光衍射的纳米级的微结构。本领域技术人员应当知晓，组成微结构的具体面型或结构的尺寸范围对其所能够起的光学作用具有直接的影响，当形成于光学元件上的微结构为毫米级的结构尺寸，在光束经过该光学元件的具有微结构的表面时，微结构对光束起到折射的作用，而当形成于光学元
件上的微结构为纳米级的结构尺寸，在光束经过该光学元件的具有微结构的表面时，微结构会使得经过的光束发生衍射。在本技术实施例中提到的微结构，均指的是在毫米级的微结构，对通过光束实现折射的作用。
94.可以理解地，上述只是本发明一些实施例，根据目标光束光斑质量的需求，可以在透射入射面、透射出射面、折射入射面和折射出射面至少其中一个面设置不同形状微结构，以通过微结构实现对入射光、透射光束或折射光束的匀化。本领域技术人员可以根据上述原则进行灵活组合选择，在此不做限制。
95.可选地，透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为斜平面、斜凸面、斜凹面、正平面、正凸面和正凹面的其中一种，以通过改变透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少其中一个面相对于与光轴方向垂直的面之间的位置关系(包括倾斜和平行)和/或该面的面型(包括平面、凸面或凹面)，对应调节透射光束和折射光束的能量分布范围，从而使得透射光束与折射光束叠加形成的第三能量分布具有自由度更高的叠加特性。
96.在一些实施例中，透射出射面112和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面均为正平面，如图6、图8、图10、图13至图15、图20、图22、图24、图26和图28所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，如图11和图30所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜凸面，如图12所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜凹面，如图31和图35所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正凹面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，如图32和图36所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正凸面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面。
97.在另一些实施例中，如图33和图37所示，透射出射面112和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面均为正凸面，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面；在另一些实施例中，如图34和图38所示，透射出射面112和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面均为正凹面，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面。
98.在另一些实施例中，如图39所示，透射入射面111和透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面均为正平面，折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面均为斜平面；在另一些实施例中，如图40所示，透射入射面111和透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面均为正平面，一子折射部123的折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜凹面、折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，另一子折射部123的折射入射面121相对于光轴方向垂直的面为斜凸面、折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为斜平面；在另一些实施例中，如图41所示，透射入射面111和透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面均为正凸面，折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面均为斜平面；在另一些实施例中，如图42所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面为正凹面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为正平面；在另一些实
施例中，如图43所示，透射入射面111和透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面均为正平面，折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为正凹面；在另一些实施例中，如图44所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面均为斜平面；在另一些实施例中，如图45所示，透射入射面111相对于与光轴方向垂直的面为正平面，透射出射面112相对于与光轴方向垂直的面为斜平面，一子折射部123的折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为斜平面、折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为正平面，另一子折射部123的折射入射面121相对于与光轴方向垂直的面为正平面、折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为斜平面。
99.可以理解地，上述只是本发明一些实施例，根据目标光束能量分布的需求，可以将透射入射面、透射出射面、折射入射面和折射出射面至少其中一个面相对于与光轴方向垂直的面之间的位置关系(包括倾斜和平行)和/或该面的面型(包括平面、凸面或凹面)，平面的倾角大小会影响光束在接收面的位置，凹面或者凸面会影响光束在接收面的范围，两者的结合，可以实现对入射光束不同范围、不同偏转角度的切割和重排，对应调节透射光束和折射光束的能量分布范围和能量分布位置，从而使得透射光束与折射光束叠加形成的第三能量分布具有自由度更高的叠加特性。本领域技术人员可以根据上述原理进行灵活组合选择，在此不做限制。
100.可选地，透射部11设置为贯通腔或者可透光的光学材料，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。示例地，在一些实施例中，如图5、图7、图9、图27至图30所示，透射部11设置为贯通腔；在另一些实施例中，如图16至图18、图21至图24所示，透射部11设置为可透光的光学材料。
101.综上所述，本发明实施例提供的光学元件10，由于该光学元件10包括透射部11和折射部12，因此，可以使得入射光被分割为多个部分，有的部分经透射部11透射后出射，在远场形成第一能量分布的透射光束，有的部分经折射部12折射后出射，在远场形成第二能量分布的折射光束，从而实现了对入射光的切割，入射光的每个部分分别形成的透射光束与折射光束在远场叠加形成第三能量分布的光束，从而实现了对入射光的重排，即改变了入射光的能量分布特性。该光学元件10能够对光束进行切割和重排，从而改变光束的分布特性，并且，对于入射光的能量分布特性没有具体限制，还可以使得形成的第三能量分布的光束形式多样化，具有灵活性高、自由度高的优点，进而适用于不同的应用场景，同时，还能够起到匀化光束的效果。
102.本发明实施例的第二方面，提供一种光学模组，该光学模组可以应用于医疗美容、激光雷达、工业加工等领域，该光学模组包括上述的光学元件10。由于上述的光学元件10的结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述，故在此不再赘述。
103.可选地，光学模组还包括设置于光源与光学元件10之间的透镜20或透镜组，透镜20或透镜组被配置为对光源出射的光束进行准直和/或压缩，形成入射光，入射光经光学元件10后形成第三能量分布的预设形态的光斑。
104.其中，光源可以为线光源，也可以为面光源，优选地，光源为激光光源，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。通过调节光源与
光学元件10之间的距离，可以对应调节光源出射的光束入射透射部11和折射部12的光束的宽度大小，以对应调节透射光束和折射光束的能量宽度的大小，从而能够对应调节形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。示例地，当光源靠近光学元件10时，透射光束的能量宽度较宽，折射光束的能量宽度较窄；当光源远离光学元件10时，透射光束的能量宽度较窄，折射光束的能量宽度较宽。
105.透镜20或透镜组设置于光源与光学元件10之间，且被配置为对光源出射的光束进行准直和/或压缩以形成入射光，示例地，透镜20或透镜组可以为准直镜或准直镜组；或者，透镜20或透镜组可以为压缩镜或压缩镜组。通过在光源与光学元件10之间设置透镜20或透镜组，可以对应调节入射光入射折射部12的光束的宽度大小，以对应调节折射光束的能量宽度的大小，从而能够对应调节形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。示例地，当在光源与光学元件10之间设置透镜20或透镜组时，折射光束的能量宽度较窄；当未在光源与光学元件10之间设置透镜20或透镜组时，折射光束的能量宽度较宽。
106.光学元件10包括透射部11和折射部12，通过调节透射部11和/或折射部12的通光区的大小，可以对应调节入射光入射透射部11和折射部12的光束的宽度大小，以对应调节透射光束和折射光束的能量宽度的大小，从而能够对应调节形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。示例地，当透射部11的通光区较大、折射部12的通光区较小时，透射光束的能量宽度较宽，折射光束的能量宽度较窄；当透射部11的通光区较小、折射部12的通光区较大时，透射光束的能量宽度较窄，折射光束的能量宽度较宽。
107.当折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为斜平面、斜凸面和斜凹面的其中一种，即折射入射面121和折射出射面122至少其中一个面相对于与光轴方向垂直的面之间的位置关系为倾斜的情况时，通过调节两个面之间的夹角的大小，可以对应调节入射光经折射入射面入射后出射的光束的偏转角的大小，以对应调节折射光束的偏转角的大小，从而能够对应调节形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。示例地，当两个面之间的夹角较大时，折射光束的偏转角较小；当两个面之间的夹角较小时，折射光束的偏转角较大。
108.当透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面为平面、凸面和凹面的其中一种，即此时暂不考虑透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面之间的夹角的大小，只考虑透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122的面型时，可以对应调节经过该面的光束的宽度大小，以对应缩小经过该面的光束的能量宽度的大小，从而能够对应缩小形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。示例地，当该面的面型为凸面时，会对经过该面的光束进行汇聚或者汇聚后再扩散，经过该面后的光束的能量宽度会变窄或变宽；当该面的面型为凹面时，会对经过该面的光束进行扩散，经过该面后的光束的能量宽度会变宽。
109.综上所述，形成的具有第三能量分布的预设形态的光斑的效果，与光源与光学元件10之间的距离、光源与光学元件10之间是否设置透镜20或透镜组、透射部11和折射部12的通光区的大小、折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面之间的夹角的大小(当两个面之间的位置关系平行的时候，可以认为两个面之间的夹角为0
°
)以及透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122的面型有关，除此之外，还与
折射部12的材料有关，通过调节上述影响因素可以对应形成角空间、平面空间和极坐标下的中强光斑、平顶光斑或分段光斑，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
110.示例地，当光学元件10为闭合回转体结构(如图5和图16所示)或完全对称结构(如图21、图23、图27和图29所示)时，能够通过切割重排形成如图46至图50所示的第三能量分布的光束，其中，如图46至图48所示，光源为激光光源，此时，入射光的能量分布为高斯分布，具有中部强两侧弱的特点，通过调节上述的影响因素(例如折射入射面121和折射出射面122相对于与光轴方向垂直的面之间的夹角的大小和/或折射部12的材料的不同，即根据折射部12的折射率的不同)，可以对应形成如图46至图48所示的第三能量分布的光束，例如，如图46所示，在激光工业表面加工(熔覆)、激光脱毛和部分激光雷达(lidar)等应用中，可以通过光学元件10形成能量分布为平顶分布的第三能量分布的光束，如图47所示，在低成本化激光lidar发射源等应用中，可以通过光学元件10形成能量分布为光斑条纹分离型分布的第三能量分布的光束，即中部保留高斯峰顶区域(可以外加扫描反射镜，以使此区域形成扫描输出场)，同时，两侧分离光束区域直射道路两侧，用于提前预判和识别探测道路外侧可能闯入的移动物体，如图48所示，可以通过光学元件10形成能量分布为塔状叠加双高斯型分布的第三能量分布的光束，以适用于因雨、雾、雾霾天气而导致的激光lidar发射源穿透力不足、探测距离过短时所搭载的应急激光lidar发射源，通过其具有的中部能量密度强的特点，从而提高穿透力和探测距离，还可以适用于工业加工切割或钻孔，通过中部能量密度强的区域参与切割以使加工件汽化，同时，通过两侧能量密度低的区域对切割部两侧的材料淬火以改变材质的特性，从而使得切割后的切割面的硬度得到增强，如图49和图50所示，入射光的能量分布为平顶分布，通过调节上述的影响因素可以对应形成如图49和图50所示的第三能量分布的光束，例如，如图49所示，可以通过光学元件10形成能量分布为中强平顶分布的第三能量分布的光束，以用于中高端激光lidar发射源，通过中部叠加强区域提升探测距离，如图50所示，对于端泵泵浦应用来讲，在平-凹腔、凹-凹腔的谐振腔腔型时，需要泵源光束为高斯分布，此时，可以通过光学元件10形成能量分布为高斯分布的第三能量分布的光束，以提高晶体(增益介质)的吸收效率，从而提高泵浦输出的能量强度，通常半导体激光器的慢轴分布近场接近平顶、及近区接近平顶，需要对慢轴方向进行平顶光束转高斯光束后进行泵浦；当光学元件10为非闭合回转体结构(如图7、图9、图17和图18所示)或非完全对称结构(如图19和图25所示)时，能够通过切割重排形成如图51和图52所示的第三能量分布的光束，其中，如图51所示，以角空间进行定义分布，此时，入射光的能量分布为高斯分布，可以通过光学元件10形成能量分布为半平顶分布的第三能量分布的光束，通过高斯分布转半平顶分布，可以使得能量更多的集中在远射的能量区域，以适用于激光lidar或汽车远光灯，避免因直射地面的能量过多而导致的远射的能量降低的现象，如图52所示，以角空间进行定义分布，此时，入射光的能量分布为平顶分布，可以通过光学元件10形成能量分布为台阶平顶分布的第三能量分布的光束，以用于扫地机器人进行扫描探测。
111.光源出射的光束经透镜20或透镜组进行准直和/或压缩形成入射光，入射光入射上述光学元件10，包含以下情况：第一种，如图53所示，入射光在快轴和/或慢轴方向上进行准直后，在其中一个方向上发生切割重排，即在该方向上的入射透射入射面111和折射入射面121，并经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，经过折射部
12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束，在远场叠加形成具有第三能量分布的线光斑；第二种，入射光在快轴和/或慢轴方向上进行压缩(如图54所示)或者直接入射(如图55所示)后，在两个方向上分别发生切割重排，即在上述的两个方向上的入射透射入射面111和折射入射面121，并经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束，在远场叠加形成具有第三能量分布的面光斑，其中，面光斑包括方形、圆形、椭圆形等光斑形状。图54和图55中的面光斑，仅起到举例说明的作用，并不用于限定面光斑的具体形状。
112.进一步地，根据实际应用需求，上述光学元件还可以组合使用，组合使用时，可以用相同的光学元件组合，也可以用不同的光学元件组合，光学元件的数量和组合位置不做限定。
113.本发明实施例的第三方面，提供一种应用上述光学元件10的光束整形方法，该方法包括：
114.s100、入射光入射透射部11的透射入射面111和折射部12的折射入射面121；
115.s200、经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束；
116.s300、经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束；
117.s400、透射光束与折射光束叠加形成第三能量分布的光束。
118.入射光入射上述光学元件10时，由于该光学元件10包括透射部11和折射部12，因此，入射光会被分割为多个部分，有的部分经透射部11透射后出射，在远场形成第一能量分布的透射光束，有的部分经折射部12折射后出射，在远场形成第二能量分布的折射光束，从而实现了对入射光的切割，入射光的每个部分分别形成的透射光束与折射光束在远场叠加形成第三能量分布的光束，从而实现了对入射光的重排，即改变了入射光的能量分布特性，完成了应用上述光学元件10对光束进行整形的步骤。
119.可选地，透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少其中一个面设置微结构13，该方法包括：
120.s110、入射透射部11的透射入射面111和折射部12的折射入射面121的入射光，或者经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，或者经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束通过微结构进行匀化。
121.根据实际光斑指标要求，当上述光学元件10的透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少其中一个面设置有微结构13时，通过微结构13可以实现对入射光、透射光束或折射光束的匀化，从而能够起到匀化光束的效果。
122.可选地，透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少一个面相对于与光轴方向垂直的面为斜凸面或者正凸面，该方法包括：
123.s120、入射透射部11的透射入射面111和折射部12的折射入射面121的入射光，或者经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，或者经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束通过斜凸面或正凸面进行汇聚，或者进行汇聚后再扩散。
124.根据实际光斑指标要求，当上述光学元件10的透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少一个面相对于与光轴方向垂直的面为斜凸面或者正凸面时，可以通过斜凸面和正凸面对经过该面的光束进行汇聚或者汇聚后再扩散，经过该面
后的光束的能量宽度会变窄或变宽，从而能够对应调节形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。
125.可选地，透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少一个面相对于与光轴方向垂直的面为斜凹面或者正凹面，该方法包括：
126.s130、入射透射部11的透射入射面111和折射部12的折射入射面121的入射光，或者经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束，或者经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束通过斜凸面或正凸面进行扩散。
127.根据实际光斑指标要求，当上述光学元件10的透射入射面111、透射出射面112、折射入射面121和折射出射面122至少一个面相对于与光轴方向垂直的面为斜凹面或者正凹面时，可以通过斜凹面或者正凹面对经过该面的光束进行扩散，经过该面后的光束的能量宽度会变宽，从而能够对应调节形成的第三能量分布的光束的宽度和叠加区域的大小。
128.本发明实施例的第四方面，提供一种应用上述光学模组的光束整形方法，该方法包括：
129.s150、通过设置于光源与光学元件10之间的透镜20或透镜组对光源出射的光束进行准直和/或压缩，形成入射光；
130.s250、入射光入射透射部11的透射入射面111和折射部12的折射入射面121；
131.s350、经过透射部11由透射出射面112出射形成第一能量分布的透射光束；
132.s450、经过折射部12折射后由折射出射面122出射形成第二能量分布折射光束；
133.s550、透射光束与折射光束叠加形成第三能量分布的预设形态的光斑。
134.上述光学模组的光源出射的光束，经透镜20或透镜组进行准直和/或压缩形成入射光，入射光入射上述光学元件10，可以形成角空间、平面空间和极坐标下的中强光斑、平顶光斑或分段光斑，且光斑形状可以随着透镜或透镜组的选择，光源与透镜或透镜组之间的距离设置，以及光学元件10的设置，实现线光斑、面光斑、圆光斑等光斑形状的变化，具有灵活性高、自由度高的优点，从而满足不同的使用需求。
135.以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
136.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。