[發明專利]一種激光整形光學元件及其設計方法

有效

• 申請號: 201910173373.1
• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN109814266B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 鄭國興;李子樂;陶金;武霖;余少華
• 申請（專利權）人: 武漢郵電科學研究院有限公司
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/00
• 代理公司: 武漢智權專利代理事務所(特殊普通合伙) 42225
• 代理人: 張凱

本發明公開了一種激光整形光學元件及其設計方法，涉及光學技術領域，激光整形光學元件包括透明基底，透明基底的工作面上刻蝕有納米磚陣列，納米磚陣列包括多個尺寸相同的納米磚，納米磚為半透半反式相位板，各納米磚的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；其中，x表示納米磚的中心點的橫坐標值，ψ(x)為納米磚的相位調制量，Φ(x)為納米磚的轉向角，即納米磚長軸與水平軸的夾角；納米磚陣列中的具有相同x值的納米磚的轉角相同，且相鄰的各納米磚的中心間隔相同。本發明基于簡單的光學結構以及機械結構，實現環形投射效果，為光學領域的應用提供實施基礎。

技術領域

本發明涉及光學技術領域，具體涉及一種激光整形光學元件及其設計方法。

背景技術

激光一字線在工業測量中有著重要的應用，其利用可見激光加整形元件投射出的一條細長激光線，具有投射角度大、亮度高、直線度高等突出優點，因此在建筑、紡織、鋼鐵、機械加工、道路測量、汽車等諸多行業得到重要的應用，現有的激光一字線整形元件一般是基于異型棱鏡、二元光學元件等傳統折射和衍射元件；

然而受其工作原理的限制，目前的激光一字線的投射角度一般不超過120°，這將極大地限制其更加深入的應用，比如，室內物體的三維建模常常是利用三角測量法原理，需要相機配合一字線結構光同步工作；

由于一字線的結構光的投射角不能覆蓋全部的測量空間，因此需要實時移動測量儀器、并需要后續復雜的圖像拼接、校準技術才能完成三維建模；而在建筑測量中，同樣因為一字激光線不能覆蓋全空間而影響作業效率；并且，一字激光線受限于傳統光學技術只能在透射和反射空間中二選一，因此無法完成360°全空間的激光投射，即無法形成環形的激光線；

因此，急需一種新的激光整形光學元件，解決上述問題。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種激光整形光學元件及其設計方法，基于簡單的光學結構以及機械結構，實現環形投射效果，為光學領域的應用提供實施基礎。

為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：

第一方面，本發明提供一種激光整形光學元件，其包括透明基底，所述透明基底的工作面上刻蝕有納米磚陣列，所述納米磚陣列包括多個尺寸相同的納米磚，所述納米磚為半透半反式相位板，各所述納米磚的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；

其中，x表示所述納米磚的中心點的橫坐標值，ψ(x)為所述納米磚的相位調制量，Φ(x)為所述納米磚的轉向角，即納米磚長軸與水平軸(x軸)的夾角；

所述納米磚陣列中的具有相同x值的所述納米磚的轉角相同，且相鄰的各所述納米磚的中心間隔相同；

x和y方向即工作面坐標系xoy的x軸和y軸方向；

所述光學元件用于將垂直所述工作面的入射光線整形為與各所述納米磚垂直的環形光束。

在上述技術方案的基礎上，所述納米磚的透射光與反射光的比例為1:1。

在上述技術方案的基礎上，所述納米磚陣列滿足米氏共振原理。

在上述技術方案的基礎上，所述透明基底為石英玻璃基底。

在上述技術方案的基礎上，所述納米磚為硅薄膜。

在上述技術方案的基礎上，所述納米磚的長軸尺寸、短軸尺寸、高度均為亞波長量級。

在上述技術方案的基礎上，所述入射光線為可見光。

第二方面，本發明還提供一種激光整形光學元件設計方法，其包括以下步驟：

S1、根據工作波長，考慮應用需求，確定襯底和納米磚材料；

S2、納米磚陣列的結構參數優化：