一种光束整形的光学系统

1.本技术设计光学整形技术领域，尤其涉及一种光束整形的光学系统。


背景技术：

2.建筑工程、道路测量、轨道交通监测等科学工程应用场合，均需要合适的线状激光束作为光源，要求该线性光束具有较高的强度、大的照明角度范围、大的适用照明深度，且光束要达到一定的线宽指标，其能量分布要相对均匀。通常，为获得一维线性均匀照明光场，常见的是基于鲍威尔棱镜或其它类似棱镜的整形光学系统。常见做法是将光束准直或汇聚到棱镜上，再由棱镜将光束扩散展开，在一定距离范围内实现一维的线性均匀照明光场。也可以借助非球面透镜和柱透镜组合，整形获得一维的线性照明光场。但是单个柱透镜所形成的线状光束具有中间能量分布较高，边缘能量分布较低的特点；鲍威尔棱镜适用的激光束口径一般很小，获得的照明光场的线宽就很小，而且在线性照明光场的两端容易出现强点。


技术实现要素：

3.(一)申请目的
4.本技术的目的是提供一种一种光束整形的光学系统，(本技术要解决的技术问题，技术方案概述，技术效果概述)。
5.(二)技术方案
6.为解决上述问题，本技术的第一方面提供了一种光束整形的光学系统，其特征在于，包括：第一柱透镜和多柱透镜组，其中，第一柱透镜第一侧为光束射入处；所述多柱透镜组设置于所述第一柱透镜第二侧，所述多柱透镜组中柱透镜放置方向与所述第一柱透镜放置方向垂直，所述多柱透镜组用于光束的均匀整形；所述第一柱透镜第一侧和所述第一柱透镜第二侧为所述第一柱透镜位置相对的两个侧面。
7.进一步地，所述多柱透镜组包括：第二柱透镜，第二柱透镜第一侧以第一预设距离设置于第一柱透镜第二侧。
8.进一步地，所述多柱透镜组还包括：第三柱透镜，第三柱透镜第一侧以第二预设距离设置于第二柱透镜第二侧，所述第二柱透镜第一侧和所述第二柱透镜第二侧为所述第二柱透镜位置相对的两个侧面。
9.进一步地，所述多柱透镜组还包括：第四柱透镜，第四柱透镜第一侧以第三预设距离设置于第三柱透镜第二侧，所述第三柱透镜第一侧和所述第三柱透镜第二侧为所述第三柱透镜位置相对的两个侧面。
10.进一步地，所述第四柱透镜第二侧为光束射出处，所述第四柱透镜第一侧和所述第四柱透镜第二侧为所述第四柱透镜位置相对的两个侧面。
11.进一步地，所述光学系统还包括：矩形光阑，所述矩形光阑设置于所述多个柱透镜之间，所述矩形光阑用于光场边缘整形，以切趾边缘光场。
12.进一步地，所述矩形光阑以第四预设距离设置于所述第一柱透镜第二侧和所述第二柱透镜第一侧之间。
13.进一步地，所述第一预设距离大于所述第三预设距离，所述第三预设距离大于所述第二预设距离。
14.进一步地，所述系统还包括光源和光纤，光束经所述光源射出后沿所述光纤传递，所述光源和所述光纤设置于所述第一柱透镜第一侧。
15.(三)有益效果
16.本技术实施例克服了现有技术中的缺陷，克服了基于鲍威尔棱镜或其它类似棱镜的整形光学系统、所获光场均匀性差以及在线性两端位置容易出现强点的缺陷；本技术实施例还克服了基于非球的整形系统，其生产加工难度大、成本高、通用性差的缺陷。本技术实施例采用两组正交的柱透镜组在正交的两个维度上分别进行光束整形，其中一组对光束进行了一维准直。准直后，该维度上，光束处于平行状态。另外一组对光束进行了一维的线性展开。展开后，该维度上，光束处于扇形发散状态。本技术实施例在垂轴的横截面上，光场的强度分布始终是均匀的。
附图说明
17.图1是本技术实施例一种光束整形的光学系统的立体结构图；
18.图2是本技术相关实施例光束整形过程的侧视结构图；
19.图3是本技术实施例一种光束整形的光学系统的附视结构图。
20.图4是本技术相关实施例光束整形后所获光场横截面在展开线长度方向的光照强度分布。
21.图5是本技术实施例一种光束整形的光学系统整形后所获光场横截面在展开线宽度方向的光照强度分布。
具体实施方式
22.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本技术的概念。
23.在附图中示出了根据本技术实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
24.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
27.如图2或图4所示，在本技术相关实施例中，为获得一维线性均匀照明光场，常见的是基于鲍威尔棱镜或其它类似棱镜的整形光学系统。将光束准直或汇聚到棱镜上，再由棱镜将光束扩散展开，在一定距离范围内实现一维的线性均匀照明光场。也可以借助非球面透镜和柱透镜组合，整形获得一维的线性照明光场。但是单个柱透镜所形成的线状光束具有中间能量分布较高，边缘能量分布较低的特点；鲍威尔棱镜适用的激光束口径一般很小，获得的照明光场的线宽就很小，而且在线性照明光场的两端容易出现强点。
28.如图1所示，本技术实施例提供一种光束整形的光学系统，包括：第一柱透镜4和多柱透镜组，其中，第一柱透镜4第一侧为光束射入处；多柱透镜组设置于第一柱透镜4第二侧，多柱透镜组中柱透镜放置方向与第一柱透镜放置方向垂直，多柱透镜组用于光束的均匀整形；第一柱透镜4第一侧和第一柱透镜4第二侧为第一柱透镜4位置相对的两个侧面。
29.如图3或图5所示，本技术实施例首先通过第一柱透镜4进行一维准直，在与此正交的另一维方向上，再采用柱透镜组进行光场均匀化整形。同时采用矩形光阑5切趾边缘光场，以规范整形后的照明线宽和发散角。如此进行光学整形后的光场，一维处于准直状态，与此正交的另一维处于扇形发散状态。整形后的光场，在垂直于光轴的横截面上，呈固定宽度的矩形，而且光照强度呈均匀分布。
30.在一些实施例中，多柱透镜组包括：第二柱透镜6，第二柱透镜6第一侧以第一预设距离设置于第一柱透镜4第二侧。
31.在一些实施例中，多柱透镜组还包括：第三柱透镜7，第三柱透镜7第一侧以第二预设距离设置于第二柱透镜6第二侧，第二柱透镜6第一侧和第二柱透镜6第二侧为第二柱透镜6位置相对的两个侧面。
32.在一些实施例中，多柱透镜组还包括：第四柱透镜8，第四柱透镜8第一侧以第三预设距离设置于第三柱透镜7第二侧，第三柱透镜7第一侧和第三柱透镜7第二侧为第三柱透镜7位置相对的两个侧面。
33.在一些实施例中，第四柱透镜8第二侧为光束射出处，第四柱透镜8第一侧和第四柱透镜8第二侧为第四柱透镜8位置相对的两个侧面。本技术实施例在第四柱透镜8后距离0.3米及更远的范围，形成一维线性均匀照明光场。扇形光束在展开方向上的夹角，即图2中上边缘光线10和下边缘光线11的夹角可达到60
°
或更大。
34.在一些实施例中，光学系统还包括：矩形光阑5，矩形光阑5设置于多个柱透镜之间，矩形光阑5用于光场边缘整形，以切趾边缘光场。在本技术实施例中，矩形光阑5可实现较好的规范整形后的光场线宽和发散角。
35.在一些实施例中，矩形光阑5以第四预设距离设置于第一柱透镜4第二侧和第二柱透镜6第一侧之间。
36.在一些实施例中，第一预设距离大于第三预设距离，第三预设距离大于第二预设距离。
37.在一些实施例中，系统还包括光源1和光纤2，光束经光源1射出后沿光纤2传递，光源1和光纤2设置于第一柱透镜4第一侧。
38.如图4-5所示，光场横截面在附图2中位置9处。
39.本技术实施例克服了现有技术中的缺陷，克服了基于鲍威尔棱镜或其它类似棱镜的整形光学系统、所获光场均匀性差以及在线性两端位置容易出现强点的缺陷；本技术实施例还克服了基于非球的整形系统，其生产加工难度大、成本高、通用性差的缺陷。本技术实施例采用两组正交的柱透镜组在正交的两个维度上分别进行光束整形，其中一组对光束进行了一维准直。准直后，该维度上，光束处于平行状态。另外一组对光束进行了一维的线性展开。展开后，该维度上，光束处于扇形发散状态。本技术实施例在垂轴的横截面上，光场的强度分布始终是均匀的。
40.本技术实施例通过基于柱透镜形成一维线性均匀照明光学系统，实现了光束的一维线性整形后，形成了一维线性均匀照明光场。基于本技术方案，实现了生产制造成本低，简便易用，照明均匀性好。在线长展开方向上，展开角度60
°
以上，均匀性可达95％以上。而且，在光束的传播方向上，从近处到远处，很大范围内都能保持这种良好的均匀性。本实用新型的线性整形方案通用性好，只要接入数值孔径一致的光纤，即使芯径不同，亦可获得同样均匀的线性照明效果。
41.应当理解的是，本技术的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本技术的原理，而不构成对本技术的限制。因此，在不偏离本技术的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。此外，本技术所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
42.以上参照本技术的实施例对本技术予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本技术的范围。本技术的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本技术的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本技术的范围之内。
43.尽管已经详细描述了本技术的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本技术的精神和范围的情况下，可以对本技术的实施方式做出各种改变、替换和变更。
44.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本技术创造的保护范围之中。