基于全息光学元件的机载激光雷达对地观测照明成像光照匀化系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于全息光学元件(HOE)的激光匀化系统的设计方案，选择微透镜列阵作为本方案的主要光学组件，比较了HOE相对于传统光学元件和传统透镜阵列制作方法的优越性，给出了基于新型全息材料的激光匀化HOE系统的设计、研制和在航空领域空间成像的应用，依据全息光学组件的K矢量闭合分析设计方法，进行系统光路设计，采用新型激光全息材料制作激光照明匀化光学系统组件。其创新点在于使用了基于干涉、衍射原理的HOE代替基于折射、反射原理的传统光学元件进行激光匀化系统的设计和制作，系统具有轻、薄，造价便宜，易于复制，性能稳定等优点系统。
【专利说明】基于全息光学元件的机载激光雷达对地观测照明成像光照匀化系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及到应用于机载激光成像雷达系统中基于全息光学元件的激光光束匀化系统。
【背景技术】
[0002]随着近年来光学全息技术的不断发展和全息材料性能的不断提高，全息光学元件(Holographic Optical Element, HOE)的应用也日益广泛,但在激光光束控制方面却鲜有应用HOE的先例。
[0003]本发明以航空科技领域的空间成像应用为导向，提出了一个基于HOE的激光照明匀化系统的设计方法，选择基于全息光学元件的微透镜列阵作为本方案的主要光学组件，比较了 HOE相对于传统光学元件和传统透镜阵列制作方法的优越性，同时给出了基于新型全息材料的激光匀化HOE系统的设计、研制和在航空领域空间成像的应用，并依据全息光学组件的K矢量闭合分析设计方法，进行系统光路设计，采用新型激光全息材料制作激光照明匀化光学系统组件。
[0004]本发明的创新点在于使用了 HOE代替传统光学元件进行激光匀化系统的设计和制作。基于干涉、衍射原理的HOE与基于折射、反射原理的传统光学元件相比，具有轻、薄，造价便宜，易于复制等优点，HOE可以同时实现透镜(或反射镜)的成像、分光、光轴偏转等多种光学功能；Η0Ε的制作也较传统光学元件更为灵活方便。
【发明内容】
[0005]由于激光器中激活介质的不均匀、增益饱和等效应的影响，使得输出光束会发生畸变，造成激光发射近场和远场分布的不均匀，即照射到目标上光斑的能量分布不均匀，即使在比较理想的基横模发射情形，也因高斯分布不满足一些需要均匀辐照射的需求，例如在激光核聚变、热加工、医疗外科切除手术、激光通信、激光雷达成像探测等领域。在各种应用需求的激励下，人们已经探索了多种方法对激光束进行均匀辐照。从是否出现干涉的情况将均匀辐照技术分为两种，一种是将波阵面分割成很多的子束，然后再通过一定的方法让子束在成像面进行叠加；另外一种是对已知的波阵面进行一定的变化，在它的边缘或者顶部进行切割的方法。目前常用的的均匀辐照方法主要是利用传统的光学元件，他们的缺点是质量和体积大、对光学透镜的加工要求高，造价不菲，匀化效果不令人十分满意。
[0006]
【发明内容】
主要包括:
[0007]①根据机载对地成像观测参数和激光光束均匀辐照要求确定HOE激光匀化系统设计方案；
[0008]②依据全息光学系统K矢量闭合设计方法，进行HOE系统光路设计，确定光路参数；分析比较变化条件，对激光匀化多参数进行优化；
[0009]③采用新型激光全息材料研制HOE匀化系统。[0010]本发明采用全息光学元件取代普通的光学元件(玻璃)。已经证明，以衍射和干涉理论而不是折射理论为基础的全息光学元件在某些方面，具有传统折射和反射元件无法比拟的优越性。
[0011]相对于传统的激光匀化系统，其优点可描述为:
[0012]①全息光学元件较传统光学元件更薄、更轻，易于复制，利于航空航天应用；一块全息光学元件可以同时完成多种光学功能，因此节省材料，造价经济；
[0013]②由于激光器一般为窄波段或是单一波长工作，因此航天航空激光照明成像恰好与全息光学元件最基本的应用条件相吻合；
[0014]③全息光学元件的制作方法为两个球面波在全息材料上发生干涉，虽然设计时较传统光学元件需要多考虑两套记录光学系统，但也使它的研制和生产具有传统光学元件不具备的灵活性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为列阵透镜均匀辐照光学系统。
[0016]图2为记录多端面全息光学元件原理图。
[0017]图3为光波传播矢量和条纹矢量之间的关系图。
[0018]图4为不同波长记录的全息光学元件的K矢量闭合法示意图。
[0019]图2-4中:1遮掩板2全息干版3物体记录光束4参考光束5全息条纹6蓝光物体光束7蓝光参考光束8红光物体光束9红光参考光束
【具体实施方式】
[0020]在航空、医疗科技领域以及许多应用场合，人们常常希望激光光束能够能量均匀地向一块位于远场的矩形面积投射，为CCD主动成像系统照明。然而，由于基横模激光强度分布的高斯特性，以及一些光学元件的不完善、光学材料的不均匀等因素均会造成照明区域光学和热学的不均匀性、光的非线性效应、衍射效应以及放大器增益分布不均匀等现象，导致光束的波面和光强分布难以满足均匀照明的要求。消除光束不均匀性的一种有效方法是用列阵系统将波面分割成大量子束，再经透镜聚焦在一起，使目标表面上任一点都有来自整个波面上的子束叠加，利用子束的“积分”进行相互补偿，从而使辐照均匀性大大提高。
[0021]鉴于全息光学元件制作的工艺特点，这里选择列阵透镜匀化系统为均匀辐照系统，如图1所示。匀化系统利用多个小透镜分割入射光束，每个子光束形成一个菲涅耳衍射斑，在目标表面略微离焦可消除衍射斑纹，衍射斑纹相互叠加的结果使得目标表面上得到焦后的光滑分布。此方法的优点是可获得均匀光斑，并且在主焦斑外光强度按指数规律迅速衰减为零，保证了光能量的有效利用。
[0022]由上文论述可知，只要透镜阵列的单元数足够大，就能够大大消除入射激光强度分布的不均匀情况。但大口径透镜列阵系统制造难度大，成本高。而且在传统的独立微小透镜相互粘合的方法中，由于透镜之间难免或多或少地存在粘合缝隙，会导致元件的匀化性、工艺难度、系统抗震度、耐温度变化等性能大打折扣。而应用了衍射叠加原理的全息光学元件则可以解决这些问题。
[0023]一般来说，一个全息光学元件是用两个点光源记录的，其中，认为平面波前是点光源位于无穷远的一种特殊情况。同时，全息光学元件的波前再现可视为一种波前变换，而不是普通全息术中的“像冻结”，或者“像储存”。
[0024]上文所述的透镜阵列，其功能与多端面全息光学透镜类似。所谓多端面全息光学透镜是由多个小而简单的子全息光学元件组成的。制作时这些子全息光学元件彼此相邻地排列在全息底板上。每一个子全息光学元件需要单独记录而成，并且能够将一束大的平面入射波前中的任何一部分进行偏转或聚焦，例如，将高斯分布的激光束重新分配到指定的位置，即波前变换。
[0025]通常，相干记录一个完全再分配的全息光学元件的干涉图是相当复杂的，在相干记录时，很可能需要用到十分复杂的波前，而用传统光学元件不可能实现任意曲面的波前。然而，在全息底板上一个小范围内完成这种记录就会相对简单很多，关键之处在于，将一块体全息底板分成许多小区域，每一小块单独曝光，记录下两束波的干涉面。每一个子全息元件都包含一个各自独立的全息光栅，在组件工作时，各自相对独立地工作，将每一子束分别衍射到适当的输出位置。
[0026]多数情况下，制作记录子全息光学元件的两束光波应该都是平面波，而其中的参考光束可以垂直入射到全息面上，在整个记录过程中不需要变动，对每一个子元件都是一样的。我们只需要通过改变物体记录光束来控制每一个子元件的衍射出射光束的输出角度，进而保证整个全息光学元件的每一束入射光都准确地到达我们需要的位置。
[0027]如图2所示，整个待制作的全息元件固定在一个由计算机控制的可二维平移的机械平台上，通过控制移动这个平台，可以改变全息底板的曝光位置。在一块遮掩板上根据需要设计有不同形状和大小的孔径，保证遮掩板与全息材料相邻接触，一次只允许对一个子全息元件曝光。一般在物体记录光束的光路上放置一个同样由计算机控制的可旋转的反射镜系统，以便记录不同子元件时能够快速改变物体记录光束偏转所需的角度。每次记录时，经过设计后确定的子元件区放在遮掩板的孔径后曝光。曝光完成后，平移底版，并改变物体记录光束的角度，重复循环，直至完成整个全息光学元件的记录。
[0028]全息光学元件存在像差意味 着再现波长与记录波长不一致，而像差的存在会导致衍射效率下降，因为全息光学元件不能完全满足布拉格条件。在原则上，我们希望波长变化因子为1，即在全息光学元件的记录和再现成像过程中使用同样波长的光源，才能使像差降至最小。但是，无论什么样的情况下，都会或多或少存在光源波长的漂移。因此，在全息光学系统的设计过程中，除了应用传统光学系统的光线追迹法以外，还需要另外一种可以有效降低波长漂移影响的方法。K矢量闭合分析法是一种确定全息光学元件成像光线位置的分析方法。利用这种方法可以对全息光学元件的成像机理从图形的角度给出一种合理的解释。K矢量闭合技术的出现提供了一种设计和分析方法，设计时有意保证所使用的光波波长有一定的漂移，可以使全息光学元件满足所需的光学系统图形，克服材料的限制。
[0029]图3是光传播矢量和条纹矢量之间的关系示意图，其中，参考光传播矢量&和物
体记录光波矢量I是全息记录平面上P点处的传播矢量，在两者设计相等时可以表示为
【权利要求】
1.一种应用于机载激光成像雷达系统中的基于全息光学元件的激光光束匀化系统的设计方法，创新点在于使用了 HOE代替传统光学元件进行激光匀化系统的设计和制作。其特征如下: 根据机载激光雷达对地成像观测参数和激光光束均匀辐照要求确定HOE激光匀化系统设计方案； 依据全息光学系统K矢量闭合设计方法，进行HOE系统光路设计，确定光路参数；分析比较变化条件，对激光匀化多参数进行优化； 采用新型激光全息材料研制HOE匀化系统。
2.根据权利要求1所述的应用于机载激光成像雷达系统的HOE激光匀化系统设计方案，其特征在于:选择列阵透镜匀化系统为均匀辐照系统，利用多个小透镜分割入射光束，每个子光束形成一个菲涅耳衍射斑，在目标表面略微离焦可消除衍射斑纹，衍射斑纹相互叠加的结果使得目标表面上得到焦后的光滑分布，可获得均匀光斑，并且在主焦斑外光强度按指数规律迅速衰减为零，保证了光能量的有效利用。
3.根据权利要求1所述的HOE系统光路设计，其特征在于:采用K矢量闭合算法，有效地降低全息光学系统由于记录波长与再现波长不一致或者说波长漂移所引起的像差，从而提高了系统整体的衍射效率。
【文档编号】G02B27/00GK103513425SQ201210215954
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月27日 优先权日:2012年6月27日
【发明者】蓝天, 于跃, 倪国强, 顾美霞 申请人:北京理工大学