基于半导体激光器的线性整形自由曲面反射镜设计
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第 35 卷 第 2 期
2015 年 2 月
Vol. 35, No. 2
February, 2015
光 学 学 报
ACTA OPTICA SINICA
0208002-
基于半导体激光器的线性整形自由曲面反射镜设计
唐 舰 杨 波
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
摘要 在许多测量系统以及激光焊接 的系统 中，拥有一字线图案的激光器发挥 着重要 的作用。为了提高传统一字
线激 光器光学系 统的光能利 用率和改善 光学照明效 果，研究设计了 一种自由曲 面反射镜，使 得光线在细 线的宽度
方向 准直出射，在 长度方向以 大角度扩散 ，同时也保证 照度均匀性 。通过建 立自由曲面 模型、构建偏 微分方程，得
到自由曲 面 点 云 的 数值解，从 而拟合得到 自 由 曲 面面型。仿 真 结 果 表明，发 散 角 在高达 150°时 ，照度均匀 性 高 达
90%，在不考虑反射率损失时能量利用率在 99%以上。
关键词 光学设计；自由曲面设计；一字线图案；非成像光学；点云；照度；半导体激光器
中图分类号 O439 文献标识码 A
doi: 10.3788/AOS201535.0208002
Free-Form Reflector Design for Beam Shaping of Laser Diode
Tang Jian Yang Bo
School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology,
Shanghai 200093, China
Abstract Laser with straight- line light pattern and uniform illumination is required in many measurement
systems and laser welding systems. Instead of the traditional methods using diffractive optical elements and
cylindrical lens, a free- form surface design method for laser diode source is proposed to improve the
utilization efficiency of the light energy and the optical lighting effect, utilizing a free- form reflector to
distribute the light uniformly in one direction and collimate the light in the orthogonal direction. Through the
establishment of free surface model, constructing the partial differential equation, and solving the point cloud
of surface, the shape of the freeform surface is obtained. Compared with the traditional methods in the line
pattern design, the efficiency and uniformity are both significantly enhanced by this method. The simulation
result shows that an illuminance uniformity is about 90% and an efficiency about 99% (without considering the
reflectance loss) are achieved within 150° of the spread angle.
Key words optical design; free-form surface design; straight-line light pattern; nonimaging optics; point cloud;
illumination; laser diode
OCIS codes 080.4228; 080.4298; 220.2945
收稿日期: 2014-08-04; 收到修改稿日期: 2014-09-17
基金项目: 国家自然科学基金(61205015，61108051)、国家重大科学仪器设备开发专项 (2012YQ170004)
作者简介: 唐 舰（1989—），男，硕士研究生，主要从事自由曲面设计方面的研究。E-mail: tl_tj_jan@hotmail.com
导师简介: 杨 波（1977—），男，博士，副教授，主要从事光学工程、自由曲面设计方面的研究。E-mail: yangbo@usst.edu.cn
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1 引 言
目前，随着半导 体激光器 (LD)技术的成熟以及其相比发 光二极管(LED)光源而言所 具有的光 效率高、体
积小、重量轻等优势，半导体激光器在光纤通信、光电测量、军用武器等领域得到越来越多的应用。比如，在
光电测量领域中，常需要用 LD 光源投出一条笔直的细线作为参考线。还有在激光焊接领域中，通常需要一
条照度均匀的激光细线，从而可以明显有效的提高焊接的效率。在现有的设计方法中激光细线大多采用衍
射光学器 件（DOE）或者柱面镜来实现。采 用 DOE 器件会较大程度的损失光能 量，并且其加工工艺复 杂，要
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