基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法

YNAO OpenIR > 应用天文研究组

	基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法
	刘冬明; 龙潜; 李语强
申请（专利权）人	中国科学院云南天文台
专利号	ZL202010334804.0
申请号	CN202010334804.0
	2020-04-24
申请日期	2020-04-24
公开（公告）号	CN111443483A
公开日期	2020-07-24
IPC 分类号	G02B27/00 ; G02B27/09
授权国家	中国
专利类型	发明
专利状态	公开
学科领域	物理学 ; 光学
摘要	本发明的基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法包括：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，在第一自由曲面透镜的自由曲面上取母线并划分子线段；以准直光束传播方向和与其相垂直的垂线作为坐标平面建立笛卡尔坐标系，由折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点，经曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；由等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点，经曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将第一母线、第二母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型和第二自由曲面透镜的自由曲面面型。基于该方法设计的光束整形结构能够产生环形光束。
主权项	1.一种基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法，所述光束整形结构由第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜组成，其特征在于，所述设计方法包括： S1：沿准直光束传播方向依次设置第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，并根据初始的设计参数设计第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜的面型；第一自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第一自由曲面透镜的前表面为平面，第一自由曲面透镜的后表面为自由曲面；第二自由曲面透镜的面型为：沿光束传播方向，第二自由曲面透镜的前表面为自由曲面，第二自由曲面透镜的后表面为平面； S2：在第一自由曲面透镜的自由曲面上取任意一条母线划分为多个子线段，所述子线段可视为直线； S3：以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据； S4：基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据； S5：对第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面的第一母线；将所述第一母线旋转，经曲面拟合得到第一自由曲面透镜的自由曲面面型；对第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点进行曲线拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面的第二母线；将所述第二母线旋转，经曲面拟合得到第二自由曲面透镜的自由曲面面型。 2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在S3中，以准直光束传播方向和与准直光束传播方向相垂直的垂线作为坐标平面xoz建立笛卡尔坐标系，准直光束传播方向与z轴平行，根据折射定律得到第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：确定第一自由曲面透镜的自由曲面上任意一点的坐标表示为P(px,pz)，准直光束入射后经第一自由曲面透镜偏折后与第二自由曲面透镜相交于点Q(qx,qz)；入射光束上与点P对应的光源点S的坐标表示为S(sx,sz)，目标接收区域上经第二自由曲面透镜上的点Q的偏折后的对应点的坐标表示为T(tx,tz)；矢量SP表示由光源点指向点P的矢量，矢量PQ表示由点P指向点Q的矢量，矢量QT表示由点Q指向点T的矢量；矢量I表示入射光束的单位方向向量，矢量N表示点P在经S2中的操作后所在的线段的单位法矢，矢量R表示矢量PQ的单位向量，矢量O表示为出射光束的单位方向向量；根据折射定律R＝wI+pN得到第一自由曲面透镜的自由曲面的坐标点，其中，w＝ni/no，p＝wcosθ1-cosθ2，cosθ1＝-N·I，ni和no分别是自由曲面光学元件所用材料的折射率和自由曲面光学元件周围介质的折射率，θ1是矢量I与第一自由曲面透镜的自由曲面的入射角，θ2是矢量R与第一自由曲面透镜的自由曲面的出射角；在S4中，基于第一自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，根据等光程原理计算得到第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据，具体为：根据等光程原理，第二自由曲面透镜的自由曲面的离散坐标点数据的计算公式为： ni\|SiPi\|+no\|PiQi\|+ni\|QiTi\|＝ni\|Si-1Pi-1\|+no\|Pi-1Qi-1\|+ni*\|Qi-1Ti-1\| 式中，\|SP\|表示点S到点P的路径长度，\|PQ\|表示点P到点Q的路径长度，\|QT\|表示点Q到点T的路径长度，i是选取的离散点下标，i＝1、2、3...n。 3.如权利要求1或1所述的设计方法，其特征在于，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为折射型光学元件；第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜设置在目标接收区域前，准直光束经第一自由曲面透镜的偏折后形成发散光束，再经第二自由曲面透镜偏折后得到准直的环形光束。
语种	中文
专利代理人	韩战涛
代理机构	西安东灵通专利代理事务所(普通合伙) 61242
文献类型	专利
条目标识符	http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/23557
专题	应用天文研究组南方基地
作者单位	中国科学院云南天文台, 云南省昆明市官渡区羊方旺396号
第一作者单位	中国科学院云南天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	刘冬明,龙潜,李语强. 基于自由曲面透镜的光束整形结构的设计方法. ZL202010334804.0[P]. 2020-04-24.

条目包含的文件
文件名称/大小	文献类型	版本类型	开放类型	使用许可
CN111442854A - 一种用于太（806KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文