一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件制造技术

本发明专利技术提出一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件，其具有折射光学元件本体，折射光学元件本体的入射面为平面，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。本发明专利技术的折射光学元件可以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，本发明专利技术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。

A refractive optical element for generating rotationally symmetric combined focused light fields

The invention provides a method for producing rotationally symmetric refractive optical element combination focusing light field, which has a body refractive optical element, the incident plane body refractive optical element is a flat body refractive optical element emitting surface is provided with a plurality of serrated concentric ring distribution; to change the transmission direction of the incident light through the tooth the angle adjustment of each ring, to form a rotationally symmetric combination of focal spot pattern. The refracting optical element of the invention can be directly processed on the acrylic plate by using the five axis ultra precision numerical control machine tool, and the processing and manufacturing process is relatively simple. With the maturing of the processing technology, the invention has obvious advantages in cost compared to the freeform lens and the diffractive optical element. At the same time the Fresnel refractive optical element \is a planar structure design, the thickness can reach 0.65 1.5mm, the whole mechanical structure can effectively reduce the optical system.

【技术实现步骤摘要】
一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件
本专利技术涉及光学领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术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，本专利技术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为本专利技术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为本专利技术中实施例一的光路示意图；图3为本专利技术中实施例二的光路示意图；图4为本专利技术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为本专利技术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。具体实施方式本专利技术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；ai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；aj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；αi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；αj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；hi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；hj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；ri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；rj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；ap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；aq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；αp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；αq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；hp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；hq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；rp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；rq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1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件，其特征在于：一束平行光垂直入射到所述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，所述折射光学元件本体产生点光斑与圆环光斑的组合光斑图案，所述点光斑与所述圆环光斑关于光轴中心对称；已知f为所述折射光学元件本体到接收面的距离；D为所述折射光学元件本体的孔径；R1为所述折射光学元件本体上形成所述点光斑所对应的区域半径；d为所述圆环光斑的半径；若所述点光斑与所述圆环光斑沿所述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：所述折射光学元件本体的各所述圆环的齿形倾角与各所述圆环的齿高通过方程(3)和(4)求得：n1，n2分别为所述折射光学元件本体与空气的折射率；aj，aj分别为所述折射光学元件本体上形成所述点光斑与所述折射光学元件本体上形成所述圆环光斑所对应的区域中各所述圆环的齿形宽度；αi，αj分别为所述折射光学元件本体上形成所述点光斑与所述折射光学元件本体上形成所述圆环光斑所对应的区域中各所述圆环的齿形倾角；hi，hj分别为所述折射光学元件本体上形成所述点光斑与所述折射光学元件本体上形成所述圆环光斑所对应的区域中各所述圆环的齿高；ri，rj分别为所述折射光学元件本体上形成所述点光斑与所述折射光学元件本体上形成所述圆环光斑所对应的区域的中心至所述折射光学元件本体的中心轴的距离。3.根据权利要求1所述的一种产生旋转对称组合聚焦光场的折射光学元件，其特征在于：一束平行光垂直入射到所述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，所述折射光学元件本体产生圆形光斑与圆环光斑的组合光斑图案，所述圆形光斑与所述圆环光斑关于光轴中心对称；已知f为所述折射光学元件本体到接收面的距离；D为所述折射光学元件本体的孔径；R2为所述折射光学元件本体上形成所述圆形光斑所对应的区域半径；d1、d2分别为所述圆形光斑和所述圆环光斑的半径；若所述圆形光斑与所述圆环光斑沿所述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：所述折射光学元件本体的各所述圆环的齿形倾角与各所述圆环的齿高通过方程(7)和(8)求得：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄启禄，廖廷俤，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：福建,35