准直超透镜及设计方法、基于准直超透镜的准直系统与流程

本发明涉及激光测量，具体涉及准直超透镜及设计方法、基于准直超透镜的准直系统。

背景技术：

1、在激光测量领域中，需要对激光光束进行准直，准直效果直接影响了测量精度。例如，利用vcsel阵列测量微反射镜阵列(mma)中每个反射镜偏转角度时，若vcsel阵列出射光斑的发散角较大，则会照射到待测反射镜相邻反射镜上从而产生串扰，影响偏转角度的测量结果。

2、光学凸透镜具有准直效果，在理想情况下，对于位于光学凸透镜焦点上的点光源，发出的光束经过凸透镜后转化为平行光。在实际中，光学凸透镜的准直效果与曲率半径有关。现有的光学凸透镜工艺水平限制了加工光学凸透镜的曲率半径精度，从而限制了光学凸透镜的准直性能。

3、现有的vcsel光束准直方案容易产生串扰，影响偏转角度的测量结果，而光学凸透镜准直性能受曲率半径加工精度限制，且以现有的工艺水平，某些特定曲率半径的光学凸透镜无法加工。

技术实现思路

1、针对现有光束准直技术方案中存在的缺陷，本申请提供一种准直超透镜及设计方法、基于准直超透镜的vcsel阵列准直系统，通过采用特定相位分布的准直超透镜设计方法来突破传统曲率半径加工的限制，通过特定半径尺寸非晶硅圆柱的排布代替传统光学凸透镜的曲面分布，基于高精度的微纳加工工艺，提高准直性能。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、本发明提供一种基于准直超透镜的vcsel阵列准直系统，包括：vcsel阵列和准直超透镜阵列；

4、所述vcsel阵列包括若干个vcsel单元；

5、所述准直超透镜阵列包括若干个准直超透镜，若干个所述准直超透镜与若干个所述vcsel单元一一对应设置，对所述vcsel单元的发射光束进行准直；

6、所述准直超透镜由不同半径的非晶硅圆柱排布组成，其中，各非晶硅圆柱的半径根据所述准直超透镜各位置的位置相位来确定，以使不同半径的非晶硅圆柱根据所述准直超透镜的位置相位分布来排布。

7、进一步优选地，所述准直超透镜各位置的位置相位根据其位置的出射光斑的发散角最小化进行优化设计。

8、进一步优选地，根据所述准直超透镜各位置的位置相位，在不同半径下非晶硅圆柱透射光的目标相位和目标透射率中确定所述位置的非晶硅圆柱半径，其中，所述目标相位连续且范围大于等于2π，所述目标透射率大于等于0.8。

9、进一步优选地，所述准直超透镜设置于所述vcsel单元内。

10、进一步优选地，还包括基底和光束隔离元件；

11、所述准直超透镜设置于所述基底的一侧，所述vcsel单元位于所述基底的另一侧；

12、所述光束隔离元件配合相邻vcsel单元设置于所述基底的另一侧，以对相邻vcsel单元发射的光束进行隔离。

13、进一步优选地，还包括遮光薄膜，所述遮光薄膜配合所述准直超透镜设置于所述基底上除准直超透镜区域之外的空余区域上，以遮挡所述基底上除准直超透镜区域之外的空余区域的出射光束，使出射光束仅从准直超透镜区域透过。

14、本发明还提供一种准直超透镜设计方法，所述准直超透镜由不同半径的非晶硅圆柱排布组成，所述准直超透镜设计方法包括步骤：

15、对所述准直超透镜各位置的位置相位进行优化处理，获取所述准直超透镜各位置的位置相位；

16、模拟不同半径下的非晶硅圆柱透射光的相位和透射率，获取目标相位和目标透射率；

17、根据所述准直超透镜各位置的位置相位，在所述目标相位和目标透射率中确定所述准直超透镜各位置的非晶硅圆柱半径，以获得不同半径非晶硅圆柱的结构排布。

18、进一步优选地，利用相位分布函数对准直超透镜各位置的位置相位进行优化处理，获取所述准直超透镜各位置的位置相位，所述相位分布函数为：

19、

20、其中，(x,y)表示准直超透镜上的位置坐标，表示准直超透镜上的位置相位，r0表示准直超透镜的半径，ai为优化系数，n为优化选取参数。

21、进一步优选地，所述模拟不同半径下的非晶硅圆柱透射光的相位和透射率，获取目标相位和目标透射率，具体包括：

22、模拟预设半径范围内不同半径下的非晶硅圆柱透射光的相位和透射率；

23、根据预设筛选条件对模拟获得的相位和透射率进行筛选，获取目标相位和目标透射率，所述预设筛选条件为：所述目标相位连续且范围大于等于2π，所述目标透射率大于等于0.8。

24、本发明还提供一种准直超透镜，所述准直超透镜由不同半径的非晶硅圆柱排布组成，不同半径非晶硅圆柱的结构排布采用上述的准直超透镜设计方法设计。

25、依据上述实施例的准直超透镜及设计方法、基于准直超透镜的vcsel阵列准直系统，由于采用特定相位分布的准直超透镜设计方法来设计准直超透镜，突破了传统曲率半径加工的限制，通过特定尺寸非晶硅圆柱的排布代替了传统光学凸透镜的曲面分布，提高了准直性能。

技术特征：

1.一种基于准直超透镜的vcsel阵列准直系统，其特征在于，包括：vcsel阵列和准直超透镜阵列；

2.如权利要求1所述的vcsel阵列准直系统，其特征在于，所述准直超透镜各位置的位置相位根据其位置的出射光斑的发散角最小化进行优化设计。

3.如权利要求1所述的vcsel阵列准直系统，其特征在于：根据所述准直超透镜各位置的位置相位，在不同半径下非晶硅圆柱透射光的目标相位和目标透射率中确定所述位置的非晶硅圆柱半径，其中，所述目标相位连续且范围大于等于2π，所述目标透射率大于等于0.8。

4.如权利要求1-3任一项所述的vcsel阵列准直系统，其特征在于，所述准直超透镜设置于所述vcsel单元内。

5.如权利要求1-3任一项所述的vcsel阵列准直系统，其特征在于，还包括基底和光束隔离元件；

6.如权利要求5所述的vcsel阵列准直系统，其特征在于，还包括遮光薄膜，所述遮光薄膜配合所述准直超透镜设置于所述基底上除准直超透镜区域之外的空余区域上，以遮挡所述基底上除准直超透镜区域之外的空余区域的出射光束，使出射光束仅从准直超透镜区域透过。

7.一种准直超透镜设计方法，其特征在于，所述准直超透镜由不同半径的非晶硅圆柱排布组成，所述准直超透镜设计方法包括步骤：

8.如权利要求7所述的准直超透镜设计方法，其特征在于，利用相位分布函数对准直超透镜各位置的位置相位进行优化处理，获取所述准直超透镜各位置的位置相位，所述相位分布函数为：

9.如权利要求7所述的准直超透镜设计方法，其特征在于，所述模拟不同半径下的非晶硅圆柱透射光的相位和透射率，获取目标相位和目标透射率，具体包括：

10.一种准直超透镜，其特征在于，所述准直超透镜由不同半径的非晶硅圆柱排布组成，不同半径非晶硅圆柱的结构排布采用权利要求7-9任一项所述的方法设计。

技术总结
准直超透镜及设计方法、基于准直超透镜的准直系统，其中，基于准直超透镜的准直系统，包括：VCSEL阵列和准直超透镜阵列；VCSEL阵列包括若干个VCSEL单元；准直超透镜阵列包括若干个准直超透镜，若干个准直超透镜与若干个VCSEL单元一一对应设置，对VCSEL单元的发射光束进行准直；准直超透镜由不同半径的非晶硅圆柱排布组成，其中，各非晶硅圆柱的半径根据准直超透镜各位置的位置相位来确定，以使不同半径的非晶硅圆柱根据准直超透镜的位置相位分布来排布。通过采用特定相位分布的准直超透镜设计方法来突破传统曲率半径加工的限制，通过特定半径尺寸非晶硅圆柱的排布代替传统光学凸透镜的曲面分布，基于高精度的微纳加工工艺，提高准直性能。

技术研发人员：刘爽,胡敬佩,杨增辉,曾爱军,黄惠杰
受保护的技术使用者：上海镭望光学科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15