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基于DOE的激光工程系统设计

编辑:必威官网登录咨询    分类:必威官网工具    时间:2017-06-22 09:18:58

随着激光工程应用在越来越多的领域,需要激光能够适应不同的工程需求,对激光束进行整形的研究也应运而生。近年来,人们对DOE在光场整形上的研究不断深入,从理论上说,DOE几乎可以在物理实际条件允许范围内,将任意光束进行光场变换得到所需要的任意光束。

 

一、设计原理

基于DOE的标识光场整形系统的功能结构主要包括预整形系统和DOE整形系统,如图1所示。该系统通过双镜组预整形系统减小入射光的发散度,并通过对DOE整形系统的后期调制实现在固定距离的长距离场成像。通过使用优化平滑算法计算DOE,得到成像均匀度和成像光强的最优解。


 成像均匀度和成像光强的最优解

图1

 

加入预整形系统的目的是为了减小激光初始的发散角,同时对整形前光束进行准直处理。光束减少发散角后会使经DOE整形后得到的最终整形光场的光斑更为汇聚、光场均匀度更高。预整形系统采用双镜组结构。这种结构相对于透镜圆锥镜或锥透镜等结构,成本低,但效果相同。

 

二、预整形系统设计

采用双镜组的预整形系统可减小激光束发散角。选取负的前镜组使系统变得更紧凑,后镜组为正镜组,系统的角放大率如下式:


 设计结果

表1

 

通过表1可以看出,最终设计的预整形系统,结构小而紧凑,有效的降低了整系统的尺寸。对于整系统来说,加入如上结构的预整形系统大幅优化了DOE分系统的整形前环境,预整形后的光束不仅扩束准直,也进一步的减小了发散度,可以使最终整形光场的光标识光斑更为汇聚和密集。

 

三、DOE设计的算法描述

基于DOE的标识光场整形系统,通过参数指标来看,属于远距离大光场的光束整形。特别是应用在大光场的主动照明和光标识上,要求整形后的光场,图案清晰,能量转换率足够高。而考虑远距离的整形,其场外噪声对整形器应用的实际影响不大,噪声光束会随着距离的增加而严重衰减。所以在DOE设计时要选取一种预期光场内均匀度足够高的优化算法。

 

为了改善输出光束在信号窗内的均匀性,对远距离大光场的DOE整形成像,无需考虑场外噪声的影响,DOE的设计采用一种优化的二次平滑修正法。


 数据3.jpg


四、仿真与实验的结果和分析

1、 仿真结果与分析

输入光束波长为532nm,直径2mm,成像场距离聚焦透镜1m,预期得到360mm×288mm的矩形光场。DOE阶数为4,经过预整形系统后得到的直径为0.4mm,以常见室内大气环境为外环境。计算选取500个初始相位,衍射光场取样点数为429× 333,分别用G-S算法和二次循环平滑修正法进行1000次迭代。

 

最终计算出采用GS算法的成像光场不均匀度为10.8%,能量损耗率为5.2%。采用优化平滑修正算法,得到的成像光场不均匀度为1.09%,能量损耗率为8.31%。

 

2、实验结果与分析

根据计算结果制作了光学系统的元件,并组成光学系统,如图9所示。将基于DOE的标识光场整形系统置于暗室进行系统的检测实验,由于成像场尺寸较大,成像面直接在墙上成像,使用1300万像素照相机进行了数据采集。激光器选用常用的国产532nm激光标识器,光束直径2mm,初始光束直径1mm。

 

通过实验,验证了基于DOE的标识光场整形系统符合预期的设计指标,可以在1m距离上将532nm的激光整形成360mm×288mm的光场,成像光场的能量转换率为90.92%,成像均匀度为97.23%。满足均匀度大于97%,能量转换率大于90%的指标。证明选择的光学系统模型和提出的二次循环平滑修正算法是一种较好的可用于远距离光场整形的设计新方法,能够应用在实际的工程实践中。



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