本發(fā)明涉及非成像聚光，具體是指一種基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
1、目標(biāo)照度不均勻及照度動(dòng)態(tài)范圍大是影響成像質(zhì)量關(guān)鍵因素，均勻照明系統(tǒng)可以有效消除背景干擾，將目標(biāo)從復(fù)雜的背景中提取，改善成像質(zhì)量，減少圖像處理難度，提高信息提取速度和成像質(zhì)量。由于激光能量分布呈高斯分布，對(duì)于直接照明帶來許多不良影響，通過激光光束整形技術(shù)將能量呈高斯分布的激光整形為能量呈超高斯或者平頂分布激光束，可以有效提高激光照明質(zhì)量。
2、現(xiàn)有的激光整形技術(shù)通常采用非球面透鏡組整形法、微透鏡陣列整形法、衍射光學(xué)元件等方法，非球面透鏡組整形法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單并且光能損失很小，但需要足夠高的階次才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜照明，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的精確調(diào)控；微透鏡陣列整形法均化程度較高，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且能量損失較大；衍射光學(xué)元件具有設(shè)計(jì)自由度大、衍射效率高，但是制作難度較大；且目前常用的激光整形技術(shù)多應(yīng)用于小視場下均勻照明，對(duì)于大視場下均勻照明多采用光源陣列結(jié)構(gòu)和自由曲面設(shè)計(jì)，其中，陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，但存在體積大，均勻性差等問題；自由曲面結(jié)構(gòu)多樣、設(shè)計(jì)自由度大，但在設(shè)計(jì)過程需要較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法。
3、鑒于現(xiàn)有激光束勻光技術(shù)因存在設(shè)計(jì)復(fù)雜，小孔徑大視場的均勻照明效果不佳的問題，難以滿足激光加工、激光照明應(yīng)用需求，本設(shè)計(jì)提出一種基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
3、一種基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)，激光光源與目標(biāo)接收面之間依次前后同軸設(shè)置有雙錐面透鏡和復(fù)合橢球腔，目標(biāo)接收面垂直于光軸，雙錐面透鏡的前端面為凸錐面，后端面為凹錐面，凹錐面的錐度大于凸錐面錐度，激光光源的光線經(jīng)雙錐面透鏡折射后，在其后方形成具有一定焦深的環(huán)形匯聚光線，復(fù)合橢球腔為離焦結(jié)構(gòu)，其焦點(diǎn)分布與雙錐面透鏡的焦點(diǎn)分布相對(duì)應(yīng)，環(huán)形匯聚光線由復(fù)合橢球腔反射和整形，在目標(biāo)接收面上形成均勻光斑。
4、進(jìn)一步地，雙錐面透鏡滿足且式中：ɑ1為凹錐面與光軸夾角，ɑ2為凹錐面與光軸夾角；δ為激光光源光路與光軸夾角，h為雙錐面透鏡半徑，f為激光光源到凹錐面頂點(diǎn)的距離。
5、一種基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其包括以下內(nèi)容：
6、一、在激光光源和雙錐面透鏡之間建立虛擬坐標(biāo)系，求解經(jīng)雙錐面透鏡折射后環(huán)形匯聚光線的焦點(diǎn)變化坐標(biāo)公式；
7、激光光源在凹錐面上的坐標(biāo)為(xk，yk)，其坐標(biāo)關(guān)系如公式(1)所示：
8、
9、其中，fn為激光光源到坐標(biāo)原點(diǎn)距，fk為激光光源到凹錐面頂點(diǎn)距；
10、建立雙錐面透鏡內(nèi)的折射光線方程(2)，折射光線與光軸夾角β＝90°-ɑ1-γ2；
11、y＝tan(β)x+yk-tan(β)xk???(2)
12、根據(jù)幾何關(guān)系，建立凸錐面方程(3)；
13、y＝-tan(a2)x+(fk+d)tan(a2)???(3)
14、其中，d為凹錐面頂點(diǎn)和凸錐面頂點(diǎn)間距；
15、由折射光線方程(2)和凸錐面方程(3)，求解凸錐面上折射光線的折射點(diǎn)坐標(biāo)公式(4)；
16、
17、根據(jù)幾何關(guān)系，并聯(lián)立公式(1)和(4)，獲得雙錐面透鏡折射后環(huán)形匯聚光線的焦點(diǎn)變化坐標(biāo)公式(5)；
18、
19、其中，θ為環(huán)形匯聚光線的光路與光軸的夾角。
20、二、基于sqm的復(fù)合橢球腔的設(shè)計(jì)算法：
21、以雙錐面透鏡每一光路的焦點(diǎn)作為復(fù)合橢球腔微橢面設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)，同時(shí)，設(shè)定目標(biāo)接收面上數(shù)個(gè)連續(xù)映射光斑環(huán)的寬度和中心徑r′i，將環(huán)形匯聚光線分割成數(shù)個(gè)連續(xù)的增量光束，光束中心與光軸夾角為θ'i，根據(jù)公式(5)可由θ'i求解獲得微橢面的焦點(diǎn)fi，根據(jù)光路特性和橢圓的光學(xué)特性，利用目標(biāo)接收面到原點(diǎn)的距離l，中心徑r′i，光束中心與光軸夾角θ'i和焦點(diǎn)fi求解每一微橢面eqi的相關(guān)參數(shù)。
22、進(jìn)一步地，考慮目標(biāo)接收面上映射疊加均勻性，通過等差數(shù)列方式對(duì)環(huán)形匯聚光線進(jìn)行分割，如公式(6)所示，
23、
24、則θ′i＝(θi+θi+1)/2。
25、更進(jìn)一步地，在θi與θi+1夾角內(nèi)光束的輻射通量近似高斯分布，其輻射峰值位于θ′i處，對(duì)應(yīng)映射至目標(biāo)接收面的峰值位置為r′i，其映射光斑環(huán)外徑為ri，內(nèi)徑為ri+1，映射光斑環(huán)的寬度等于目標(biāo)接收面上高斯光束峰值的半高寬，且相鄰映射光斑環(huán)輻射高峰區(qū)和輻射低谷區(qū)，即r′i作為下一映射光斑環(huán)的外徑，ri+1作為下一映射光斑環(huán)的中心徑，依此，求解每一微橢面eqi的相關(guān)參數(shù)。
26、進(jìn)一步地，引入調(diào)節(jié)因子ξ，修正光軸最鄰域的映射光斑環(huán)自身的疊加均勻度，rn+1＝ltan(ξ×θn)。
27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法具有以下的有益效果：
28、該照明系統(tǒng)通過雙錐面透鏡將點(diǎn)光源的中心積聚能量向邊緣區(qū)域轉(zhuǎn)移形成具有特定離焦量的環(huán)形輻照度分布，克服了傳統(tǒng)同軸照明系統(tǒng)中由高斯光束透射能量梯度引發(fā)的光斑中心能量積聚效應(yīng)，配合設(shè)計(jì)的復(fù)合橢球腔將環(huán)形輻照能量均勻分布在目標(biāo)接收面上，該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)和加工，光路精簡，在整形和均布過程中能量損失較小，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源的大視場均勻照明；
29、該照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)算法依據(jù)雙錐面透鏡和橢面的光學(xué)特性以及幾何光學(xué)方法，最大限度上降低光線傳輸和整形過程中的輻射能量損耗，并提高整形光斑均勻度，復(fù)合橢球腔采用sqm方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡化自由曲面設(shè)計(jì)算法和優(yōu)化算法。
1.一種基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)，其特征在于：激光光源與目標(biāo)接收面之間依次前后同軸設(shè)置有雙錐面透鏡和復(fù)合橢球腔，所述目標(biāo)接收面垂直于光軸，所述雙錐面透鏡的前端面為凸錐面，后端面為凹錐面，所述凹錐面的錐度大于所述凸錐面錐度，所述激光光源的光線經(jīng)所述雙錐面透鏡折射后，在其后方形成具有一定焦深的環(huán)形匯聚光線，所述復(fù)合橢球腔為離焦結(jié)構(gòu)，其焦點(diǎn)分布與所述雙錐面透鏡的焦點(diǎn)分布相對(duì)應(yīng)，所述環(huán)形匯聚光線由所述復(fù)合橢球腔反射和整形，在所述目標(biāo)接收面上形成均勻光斑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)，其特征在于：所述雙錐面透鏡滿足且式中：ɑ1為所述凹錐面與光軸夾角，ɑ2為所述凹錐面與光軸夾角；δ為所述激光光源光路與光軸夾角，h為所述雙錐面透鏡半徑，f為所述激光光源到所述凹錐面頂點(diǎn)的距離。
3.一種照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于權(quán)利要求1或2所述的基于雙錐面透鏡與復(fù)合橢球腔的照明系統(tǒng)，其特征在于，包括以下內(nèi)容：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：考慮所述目標(biāo)接收面上映射疊加均勻性，通過等差數(shù)列方式對(duì)所述環(huán)形匯聚光線進(jìn)行分割，如公式(6)所示，
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：θi至θi+1夾角內(nèi)光束的輻射通量近似高斯分布，其輻射峰值位于θ′i處，對(duì)應(yīng)映射至所述目標(biāo)接收面的峰值位置為r′i，其映射光斑環(huán)外徑為ri，內(nèi)徑為ri+1，映射光斑環(huán)的寬度等于所述目標(biāo)接收面上高斯光束峰值的半高寬，且相鄰所述映射光斑環(huán)的輻射高峰區(qū)和輻射低谷區(qū)重疊，即r′i作為下一映射光斑環(huán)的外徑，ri+1作為下一映射光斑環(huán)的中心徑，依此，求解每一微橢面eqi的相關(guān)參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：引入調(diào)節(jié)因子ξ，修正光軸最鄰域的所述映射光斑環(huán)自身的疊加均勻度，rn+1＝ltan(ξ×θn)。