一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件的制作方法

本发明涉及光学领域，具体涉及一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件。

背景技术：

在舞台与演播厅投影应用中，通常需要各种特殊艺术光斑图案，这种特殊艺术光斑图案需要特殊的光学元件来产生。机器视觉光学系统是智能制造与检测设备的重要组成部分。在机器视觉系统中也需要使用特殊的光学图案(如聚焦点，聚焦圆环，十字线)来实现精密的对准功能。这种特殊的对准光学图案也需要特殊设计的光学元件来实现。不同应用对光斑图案有不同的要求，有时需要组合光斑图案。通常采用衍射光学元件(简称DOE)与自由曲面光学元件来实现，这两种光学元件的加工制造工艺复杂，因此成本也高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种加工制造工艺简单、成本较低的产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件，具有折射光学元件本体，所述折射光学元件本体的入射面为平面，所述折射光学元件本体的出射面具有多个呈锯齿状的同心分布的圆环；通过调整各个所述圆环的齿形倾角来改变入射光的传输方向，以形成旋转对称组合的聚焦光斑图案。

传统的菲涅尔透镜由于成本低，重量轻，已经在投影仪，舞台灯光，高倍聚光太阳能系统中等领域得到应用。在这些应用中，通常是按照成像透镜的点聚焦来设计。采用上述方案后，本发明提出一种类菲涅尔透镜的产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件，这种折射光学元件的局部光学面形结构的设计使得该折射光学元件对入射光束的特殊光学变换而产生特殊的光场分布或光斑图案。该折射光学元件的光学表面结构看起来与菲涅尔透镜的锯齿形分布十分类似，故可称为“类菲涅尔”折射光学元件。此折射光学元件通过调整各个圆环上的齿形斜角，可以形成不同形状的聚焦光斑图案。而且可以采用与传统菲涅尔透镜相同的加工工艺的来制作，即，使用五轴超精密数控机床直接在亚克力平板上加工成型，加工制造工艺较为简单。随着加工工艺的愈加成熟，相比自由曲面透镜和衍射光学元件，本发明在成本上有明显的优势。同时“类菲涅尔”折射光学元件是平面结构设计，厚度可达到0.65-1.5mm，能有效减小光学系统的整体机械结构。

附图说明

图1为本发明一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件的结构示意图。

图2为本发明中实施例一的光路示意图；

图3为本发明中实施例二的光路示意图；

图4为本发明中实施例三的光路示意图；

图5为实施例一中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图；

图6为实施例二中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图；

图7为实施例三中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图；

图8为本发明中实施例四的区域分布示意图；

图9为实施例四中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图；

图10为实施例四中另一通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图。

具体实施方式

本发明一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件，如图1所示，具有孔径为D的折射光学元件本体100，折射光学元件本体100的入射面11为平面，折射光学元件本体100的出射面具有多个呈锯齿状的同心分布(类似菲涅尔透镜的锯齿形分布)的圆环12，各个圆环12的一侧锯齿边沿121均垂直于入射面11，且锯齿边沿121的高度(即圆环12的齿高)为h，各个圆环12的另一侧锯齿边沿122均呈倾斜状，锯齿边沿122与入射面11之间的夹角即为齿形倾角α；通过调整各个圆环12的齿形倾角α来改变入射光的传输方向，以形成不同形状的聚焦光斑图案。

实施例一：产生点光斑与圆环光斑的组合光斑图案

本实施例中，如图2所示，将折射光学元件本体100分为内、外两个区域，点光斑产生于折射光学元件本体100的中心区域，圆环光斑产生于折射光学元件本体100的中心区域之外的外围区域。一束平行光垂直入射到折射光学元件本体100的入射面，此平行光均匀分布且辐照度为E(单位为w/str)，f为折射光学元件本体100到接收面的距离(焦距)；R₁为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域半径；d为圆环光斑的半径。若点光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量分布相等，根据能量均分原理可得：

折射光学元件本体100的各圆环12的齿形倾角与各圆环12的齿高可通过方程(3)和(4)求得：

n₁为折射光学元件本体100的折射率；

n₂为空气的折射率；

a_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

a_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

α_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

α_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

h_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

h_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

r_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离；

r_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离。

实施例二：产生圆形光斑与圆环光斑的组合光斑图案

本实施例中，如图3所示，将折射光学元件本体100分为内、外两个区域，圆形光斑产生于折射光学元件本体100的中心区域，圆环光斑产生于折射光学元件本体100的中心区域之外的外围区域。一束平行光垂直入射到折射光学元件本体100的入射面，此平行光均匀分布且辐照度为E(单位为w/str)，f为折射光学元件本体100到接收面的距离；R₂为折射光学元件本体100上形成圆形光斑所对应的区域半径；d₁、d₂分别为圆形光斑和圆环光斑的半径。若圆形光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量分布相等，根据能量均分原理可得：

折射光学元件本体100的各圆环12的齿形倾角与各圆环12的齿高可通过方程(7)和(8)求得：

n₁为折射光学元件本体100的折射率；

n₂为空气的折射率；

a_p为折射光学元件本体100上形成圆形光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

a_q为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

α_p为折射光学元件本体100上形成圆形光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

α_q为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

h_p为折射光学元件本体100上形成圆形光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

h_q为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

r_p为折射光学元件本体100上形成圆形光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离；

r_q为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离。

实施例三：产生双圆环光斑的组合光斑图案

本实施例如图4所示，折射光学元件本体100产生同轴且不同半径的内、外两个圆环光斑的光斑组合，所述内圆环光斑产生于折射光学元件本体100的中心区域，所述外圆环光斑产生于折射光学元件本体100的中心区域之外的外围区域。一束平行光垂直入射到折射光学元件本体100的入射面，此平行光均匀分布且辐照度为E(单位为w/str)，f为折射光学元件本体100到接收面的距离；R₃为折射光学元件本体100上形成内圆环光斑所对应的区域半径；d₃、d₄分别为内、外圆环光斑的半径。若内、外圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量分布相等，根据能量均分原理可得：

折射光学元件本体100的各圆环12的齿形倾角与各圆环12的齿高可通过方程(11)和(12)求得：

n₁为折射光学元件本体100的折射率；

n₂为空气的折射率；

a_u为折射光学元件本体100上形成内圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

a_v为折射光学元件本体100上形成外圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

α_u为折射光学元件本体100上形成内圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

α_v为折射光学元件本体100上形成外圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

h_u为折射光学元件本体100上形成内圆形光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

h_v为折射光学元件本体100上形成外圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

r_u为折射光学元件本体100上形成内圆环光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离；

r_v为折射光学元件本体100上形成外圆环光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离。

实施例四：

本发明的一个优选方案，把折射光学元件本体分为若干个区域，以产生点光斑和圆环光斑的组合光斑图案为例，形成点光斑对应的区域数量为m，m为正整数，形成点光斑对应的区域的总面积为S_m；形成圆环光斑对应的区域数量为n，n为正整数，形成圆环光斑对应的区域的总面积为S_n；一束平行光垂直入射到折射光学元件本体的入射面，此平行光均匀分布且辐照度为E(单位为w/str)，f为折射光学元件本体到接收面的距离；d₅为圆环光斑的半径。若点光斑和圆环光斑沿折射光学元件本体的中心轴的截面能量分布相等，根据能量均分原理可得：

若点光斑与圆环光斑沿中心轴的截面能量分布比值为a:b，则根据能量等比分配原理可得：

折射光学元件本体的各圆环的齿形倾角与各圆环的齿高可通过方程(15)和(16)求得：

n₁为折射光学元件本体100的折射率；

n₂为空气的折射率；

α_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

a_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形宽度；

α_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

α_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿形倾角；

h_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

h_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域中各圆环12的齿高；

r_i为折射光学元件本体100上形成点光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离；

r_j为折射光学元件本体100上形成圆环光斑所对应的区域的中心至折射光学元件本体100的中心轴的距离。

上述同样适用于圆形光斑与圆环形光斑组合和双圆环光斑组合。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合具体的参数，对本发明中各实施例的具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。

令本发明的折射光学元件设计参数如下：材料PMMA(n＝1.4935)(或是SOG透镜，Silicon on Glass,硅胶折射率约1.41)制成；面型起膜角为0°；采用等宽不等高设计，即各个圆环12的齿形宽度为0.5mm；孔径D＝60mm；焦距f＝150mm，设计入射光的波长为587nm。

本发明的实施例一中，令圆环光斑的半径d＝6mm，点光斑与圆环光斑沿中心轴的截面能量为等能量分布。

根据能量均分定量，折射光学元件本体100的中心区域(产生点光斑的区域)的半径R₁由下式决定：

由已知设计参数可得R₁＝4.82mm。根据上述(3)、(4)式可求得每个圆环12的齿形倾角及对应的齿高。图5为实施例一中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图。由图5可知：圆环光斑四周光场分布均匀，点光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量分布大致相等，光斑之间几乎无杂散光，圆环光斑截面光强半高宽大约为1mm，整体光效可达到92.5％。

本发明的实施例二中，令圆形光斑的半径d₁＝3mm，圆环光斑的半径d₂＝6mm，圆形光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量为等能量分布。

根据能量均分定量，折射光学元件本体100的中心区域(产生圆形光斑的区域)的半径R₂由下式决定

由此可得R₂＝19.64mm。根据上面的(7)、(8)式可求得每个圆环12的齿形倾角及对应的齿高。图6为实施例二中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图。由图6可知：圆形光斑区域以及圆环光斑四周光场分布都较为均匀，圆形光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量分布大致相等，圆形光斑与圆环光斑之间几乎无杂散光，圆环光斑截面光强半高宽大约为1mm，光效可达到92.5％。

本发明的实施例三中，令内、外圆环光斑的半径分别为d₃＝3mm，d₄＝6mm，内、外圆环光斑沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量为等能量分布。

根据能量均分定量，折射光学元件本体100的中心区域(产生内圆环光斑的区域)的半径R₃由下式决定：

由此可得R₃＝17.32mm。根据上面的(11)、(12)式求得每个圆环12的齿形倾角及对应的齿高。图7为实施例三中通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图。由图7可知：内、外圆环光斑四周光能场分布都较为均匀，沿折射光学元件本体100的中心轴的截面能量分布大致相等，内、外圆环光斑之间几乎无杂散光，内圆环光斑截面光强半高宽大约为1mm，光效可达到92.5％。

本发明的实施例四中，如图8所示，将折射光学元件本体分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区3个区域，令Ⅰ区与Ⅲ区均形成圆环光斑，且Ⅰ区半径为R_Ⅰ,Ⅲ区外环半径为R_Ⅲ；Ⅱ区形成点光斑图案，对应的外环半径为R_Ⅱ。令R_Ⅰ＝6mm，圆环光斑半径d＝6mm。

入射光为一束均匀分布且辐照度为E(单位为w/str)的平行光，若点光斑与圆环光斑沿中心轴的截面能量分布相等，则根据能量均分原理可得：

由已知设计参数可得折射光学元件本体上形成点光斑的区域的外环半径R_Ⅱ＝7.69mm。根据上面的(15)、(16)式求得每个圆环的齿形倾角及对应的齿高。图9为实施例四中点光斑与圆环光斑沿中心轴的截面能量分布相等时通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图。由图9可知：圆环光斑四周光能量分布均匀，圆环光斑与中心点光斑照度大致相等，圆环与中心之间几乎无杂散光，圆环光斑截面光强半高宽大约为1mm，光效可达到92.5％。

若点光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体的中心轴的截面能量分布比值为a:b＝2:1，则根据能量等比分配原理可得：

由已知设计参数可得折射光学元件本体上形成点光斑的区域的外环半径R_Ⅱ＝9.02mm。根据上面(15)、(16)式求得每个圆环的齿形倾角及对应的齿高。图10为实施例四中，点光斑与圆环光斑沿折射光学元件本体的中心轴的截面能量分布比值为a:b＝2:1时通过计算所得模型产生的二维与三维辐照度分布图。由图10可知：圆环光斑四周光能量分布均匀，圆环光斑与中心点光斑照度大致相等，圆环与中心之间几乎无杂散光，圆环光斑截面光强半高宽大约为1mm，中心点光斑截面光强大小为环形光斑的2倍，整体光效可达到92.5％。