一种激光光斑整形光学系统的制作方法

本实用新型涉及一种激光光斑整形光学系统。

背景技术：

随着时代的发展，越来越多的光学元件进入到我们的各种电子电器消费产品中，如手机中的人脸3d识别功能就因为衍射光元器件形成光斑阵列，从而依据图像采集处理数据，在车载照相机和手机镜头中，外形尺寸特异的光学元器件也在大量的出现。在光学元件检测中，透过率测试或者衍射光元器件的衍射效率是非常重要的检测项目，随着光学元件的体积朝小型化，不规则化发展，对入射光的口径和尺寸和光束产生了更高的要求，一些衍射光元器件对入射光的光束质量和偏振等特性也有规定，为了获得此种面积较小，能量均匀的激光光斑的激光，可以采用自由曲面压缩激光光束，衍射光元器件等方法获得。衍射光元器件和自由曲面加工难度极高，成本高昂，必须根据入射激光的发散角，光斑口径，波长等特性进行单一适配，如果以上任何某一条件发生改变，则需要重新设计加工上述元件，通用性很差。用光阑截取光束能量时如果光阑形状过小，会造成强烈的夫琅禾费衍射，导致光斑的边缘不清晰，光束能量均匀性变差。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种消除高阶夫琅禾费衍射且能获得均匀激光光斑的激光光斑整形光学系统。

本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括沿同一轴线依次设置的激光器、准直器、扩束镜以及4f低通滤波光学组件，所述激光器通过光纤与所述准直器连接，所述准直器与所述扩束镜连接，所述4f低通滤波光学组件包括沿同一轴线依次设置的第一光阑、第一傅里叶透镜、针孔光阑和第二傅里叶透镜，所述第一傅里叶透镜的后焦点和所述和第二傅里叶透镜的前焦点重合，所述针孔光阑位于所述第一傅里叶透镜的后焦点上，所述第一傅里叶透镜与所述第二傅里叶透镜的焦距相同。

由上述方案可见，从所述激光器发出的激光有很大的发散角，通过所述准直器对激光进行准直，准直器可以是透射式的，也可以是反射式的，其中透射式可以为单片非球面，也可采用三片球面镜结构形式的。经过准直后的光斑能量过于集中，通过设置所述扩束镜使中心的能量变得平滑，通过所述扩束镜后光斑的中心的能量峰值降低，光斑口径变大，光束中心向边缘的能量递减变得更加平缓。通过所述第一光阑截取激光，经过所述第一光阑之后的激光有着比较强烈的夫琅禾费衍射，通过将所述针孔光阑设置在所述第一傅里叶透镜的后焦点和所述和第二傅里叶透镜的前焦点的重合处，拦截所述第一光阑处产生的夫琅禾费衍射，正常的光线则通过所述针孔光阑的针孔，针孔所在的与光轴垂直的面称之为频谱面。所述针孔光阑可以设置为固定尺寸的，也可设置为大小可调的叶片式光阑，也可以是可更换的不同大小的圆孔，所述针孔光阑的中心与4f系统的光轴同心度偏差不大于0.02mm。光线通过所述第二傅里叶透镜的后焦点，也称为最终像面上形成所述第一光阑的像，进而得到得到均匀准直的理想光斑。本实用新型的结构紧凑、稳定，且可调节的部分易调试，不影响光学系统的成像质量，可靠性高，其中可调节部分为激光器、第一光阑和针孔光阑。同时光学元件之间距离合理，可以将整体光学系统进行拆分成模组，运输、安装以及使用方便。

一个优选方案是，所述第一光阑位于所述第一傅里叶透镜的前焦点上。

由上述方案可见，通过将所述第一光阑设置在所述第一傅里叶透镜的前焦点上，使通过的光束在所述针孔光阑处汇集并拦截产生的夫琅禾费衍射。

一个优选方案是，所述扩束镜的放大倍率为二至十倍。

一个优选方案是，所述准直器为反射式激光准直器。

一个优选方案是，所述激光器为光纤激光器，所述光纤为单模保偏光纤。

由上述方案可见，通过采用单模保偏光纤作为输出器材，保证激光器的光束质量和偏振特性。

一个优选方案是，所述针孔光阑为叶片式光阑。

由上述方案可见，通过采用叶片式光阑作为所述针孔光阑使其调节更为方便。

一个优选方案是，所述第一光阑与所述第一傅里叶透镜之间设置有光束变换组件，所述第一光阑与所述第一傅里叶透镜之间的间距为l，l=f+（1-1/n）*d，其中f为所述第一傅里叶透镜的焦距，n为所述光束变换组件在当前激光使用波长下的折射率，d为所述光束变换组件的厚度。

由上述方案可见，一些被测物体对偏振态有着特殊的要求，通过在光路中增加所述光束变换组件来控制激光的偏振态，增加所述光束变换组件后通过上述公式改变所述第一光阑与所述第一傅里叶透镜以满足对光路的要求。

一个优选方案是，所述光束变换组件为分光棱镜或偏振片或波片。

由上述方案可见，通过设置分光棱镜能够对系统总能量进行实时监测，将分光棱镜引出一束能量作为检测使用；通过设置偏振片改变激光的偏振方向；通过设置波片将线偏振激光改变为圆偏振激光。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是实施例二中所述4f低通滤波光学组件的第一状态的结构示意图；

图3是实施例二中所述4f低通滤波光学组件的第二状态的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，在本实施例中，本实用新型包括沿同一轴线依次设置的激光器1、准直器2、扩束镜3以及4f低通滤波光学组件4，所述激光器1通过光纤5与所述准直器2连接，所述准直器2与所述扩束镜3连接，所述4f低通滤波光学组件4包括沿同一轴线依次设置的第一光阑41、第一傅里叶透镜42、针孔光阑43和第二傅里叶透镜44，所述第一傅里叶透镜42的后焦点和所述和第二傅里叶透镜44的前焦点重合，所述针孔光阑43位于所述第一傅里叶透镜42的后焦点上，所述第一傅里叶透镜42与所述第二傅里叶透镜44的焦距相同。

所述第一傅里叶透镜42与所述第二傅里叶透镜44可以为单个球面镜，可以为多个球面镜组成的透镜组，也可为单个非球面镜；其中透镜组可以为胶合镜，也可以为空气间隔透镜组。

所述第一光阑41位于所述第一傅里叶透镜42的前焦点上。

所述第一光阑41的通光部分的中心与所述第一光阑41的中心。所述第一光阑41的通光部分的边缘无毛刺，所述第一光阑41的厚度在0.1mm以内，光阑的外径以确保除通光口径以外的光线不能通过为宜，进而防止引入杂光。

所述扩束镜3的放大倍率为二至十倍。

所述准直器2为反射式激光准直器。所述准直器2也可以是透射式的，透射式可以为单片非球面，也可采用三片球面镜结构形式的。

所述激光器1为光纤激光器，所述光纤5为单模保偏光纤。

所述针孔光阑43为叶片式光阑。所述针孔光阑43也可以是固定尺寸的，也可以是可更换的不同大小的圆孔。

光束质量可以通过针孔进行调节，光斑的大小可以通过更换光阑改变。

若需要所述第一光阑41的通光孔和光斑的放大比例β不为1，所述第一傅里叶透镜42的焦距f1和所述第二傅里叶透镜44的焦距f2需要成一定比例关系，其关系为β=d2/d1=f1/f2，其中d1为获得的激光光斑的口径，d2为所述第一光阑41通光孔的口径。

本实用新型的工作流程：

从所述激光器1发出的激光有很大的发散角，通过所述准直器2对激光进行准直。经过准直后的光斑能量过于集中，所述扩束镜3使中心的能量变得平滑，通过所述扩束镜3后光斑的中心的能量峰值降低，光斑口径变大，光束中心向边缘的能量递减变得更加平缓。光束到达所述第一光阑41时，所述第一光阑41截取激光形成特定横截面形状的光束，经过所述第一光阑41之后的激光有着比较强烈的夫琅禾费衍射，所述针孔光阑43拦截所述第一光阑处产生的夫琅禾费衍射，正常的光线则通过所述针孔光阑43的针孔，光线通过所述第二傅里叶透镜44后，在所述第二傅里叶透镜44的后焦点也称为最终像面上形成所述第一光阑41的像，进而得到均匀准直的理想光斑。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：所述第一光阑41与所述第一傅里叶透镜42之间设置有光束变换组件6，所述第一光阑41与所述第一傅里叶透镜42之间的间距为l，l=f+（1-1/n）*d，其中f为所述第一傅里叶透镜42的焦距，n为所述光束变换组件6在当前激光使用波长下的折射率，d为所述光束变换组件6的厚度。

所述光束变换组件6为分光棱镜或偏振片或波片。

如图3所示，当需要增加所述光束变换组件6的数量时，每增加一个所述光束变换组件6需要在原有的基础上增大所述第一光阑41与所述第一傅里叶透镜42之间的间距l，其中增大的数值e=（1-1/ne）*de,其中ne为所增加的所述光束变换组件6在此使用波长下的折射率，de为所增加的所述光束变换组件6的厚度，故增加所述光束变换组件6后的所述第一光阑41与所述第一傅里叶透镜42之间的间距le=l+e。

本实用新型应用于激光光斑整形的技术领域。

虽然本实用新型的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本实用新型含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。