[發明專利]基于自由曲面透鏡的光束整形結構的設計方法在審
| 申請號： | 202010334804.0 | 申請日： | 2020-04-24 |
| 公開（公告）號： | CN111443483A | 公開（公告）日： | 2020-07-24 |
| 發明（設計）人： | 劉冬明;龍潛;李語強 | 申請（專利權）人： | 中國科學院云南天文臺 |
| 主分類號： | G02B27/00 | 分類號： | G02B27/00;G02B27/09 |
| 代理公司： | 北京睿博行遠知識產權代理有限公司 11297 | 代理人： | 龔家驊 |
| 地址： | 650216 云*** | 國省代碼： | 云南;53 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 基于 自由 曲面 透鏡 光束 整形 結構 設計 方法 | ||
1.一種基于自由曲面透鏡的光束整形結構的設計方法，所述光束整形結構由第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡組成，其特征在于，所述設計方法包括：
S1：沿準直光束傳播方向依次設置第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡，并根據初始的設計參數設計第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡的面型；第一自由曲面透鏡的面型為：沿光束傳播方向，第一自由曲面透鏡的前表面為平面，第一自由曲面透鏡的后表面為自由曲面；第二自由曲面透鏡的面型為：沿光束傳播方向，第二自由曲面透鏡的前表面為自由曲面，第二自由曲面透鏡的后表面為平面；
S2：在第一自由曲面透鏡的自由曲面上取任意一條母線劃分為多個子線段，所述子線段可視為直線；
S3：以準直光束傳播方向和與準直光束傳播方向相垂直的垂線作為坐標平面xoz建立笛卡爾坐標系，準直光束傳播方向與z軸平行，根據折射定律得到第一自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據；
S4：基于第一自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據，根據等光程原理計算得到第二自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據；
S5：對第一自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點進行曲線擬合得到第一自由曲面透鏡的自由曲面的第一母線；將所述第一母線旋轉，經曲面擬合得到第一自由曲面透鏡的自由曲面面型；對第二自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點進行曲線擬合得到第二自由曲面透鏡的自由曲面的第二母線；將所述第二母線旋轉，經曲面擬合得到第二自由曲面透鏡的自由曲面面型。
2.如權利要求1所述的設計方法，其特征在于，在S3中，以準直光束傳播方向和與準直光束傳播方向相垂直的垂線作為坐標平面xoz建立笛卡爾坐標系，準直光束傳播方向與z軸平行，根據折射定律得到第一自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據，具體為：
確定第一自由曲面透鏡的自由曲面上任意一點的坐標表示為P(px,pz)，準直光束入射后經第一自由曲面透鏡偏折后與第二自由曲面透鏡相交于點Q(qx,qz)；入射光束上與點P對應的光源點S的坐標表示為S(sx,sz)，目標接收區域上經第二自由曲面透鏡上的點Q的偏折后的對應點的坐標表示為T(tx,tz)；矢量SP表示由光源點指向點P的矢量，矢量PQ表示由點P指向點Q的矢量，矢量QT表示由點Q指向點T的矢量；矢量I表示入射光束的單位方向向量，矢量N表示點P在經S2中的操作后所在的線段的單位法矢，矢量R表示矢量PQ的單位向量，矢量O表示為出射光束的單位方向向量；
根據折射定律R＝wI+pN得到第一自由曲面透鏡的自由曲面的坐標點，其中，w＝ni/no，p＝w*cosθ1-cosθ2，cosθ1＝-N·I，ni和no分別是自由曲面光學元件所用材料的折射率和自由曲面光學元件周圍介質的折射率，θ1是矢量I與第一自由曲面透鏡的自由曲面的入射角，θ2是矢量R與第一自由曲面透鏡的自由曲面的出射角；
在S4中，基于第一自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據，根據等光程原理計算得到第二自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據，具體為：
根據等光程原理，第二自由曲面透鏡的自由曲面的離散坐標點數據的計算公式為：
ni*|SiPi|+no*|PiQi|+ni*|QiTi|＝ni*|Si-1Pi-1|+no*|Pi-1Qi-1|+ni*|Qi-1Ti-1|
式中，|SP|表示點S到點P的路徑長度，|PQ|表示點P到點Q的路徑長度，|QT|表示點Q到點T的路徑長度，i是選取的離散點下標，i＝1、2、3...n。
3.如權利要求1或1所述的設計方法，其特征在于，第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡為折射型光學元件；第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡設置在目標接收區域前，準直光束經第一自由曲面透鏡的偏折后形成發散光束，再經第二自由曲面透鏡偏折后得到準直的環形光束。
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