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一、設計原則

基于DOE的打標光場整形系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要包括預整形系統(tǒng)和DOE整形系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)通過雙鏡組預整形系統(tǒng)減小入射光的發(fā)散度，通過DOE整形系統(tǒng)的后調(diào)制實現(xiàn)固定距離的遠距離場成像。利用優(yōu)化的平滑算法計算DOE，得到成像均勻性和成像強度的最優(yōu)解。

基于DOE的激光工程系統(tǒng)設計

圖1

增加預整形系統(tǒng)的目的是減小激光的初始發(fā)散角，在整形前對光束進行準直。減小光束的發(fā)散角將使DOE整形后的最終整形光場的光斑更加會聚，光場的均勻性更高。預成型系統(tǒng)采用雙透鏡組結(jié)構(gòu)。與鏡筒或錐透鏡相比，這種結(jié)構(gòu)成本低，但效果是一樣的。

二、預成型系統(tǒng)設計

雙反射鏡預整形系統(tǒng)可以減小激光束的發(fā)散角。選擇負前透鏡組，使系統(tǒng)更緊湊，后透鏡組為正透鏡組。系統(tǒng)的角度放大率如下:

基于DOE的激光工程系統(tǒng)設計

表1

從表1可以看出，最終設計的預成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧緊湊，有效減小了整個系統(tǒng)的體積。對于整個系統(tǒng)來說，采用上述結(jié)構(gòu)的預整形系統(tǒng)大大優(yōu)化了DOE子系統(tǒng)的預整形環(huán)境，預整形后的光束不僅對光束進行了擴展和準直，還進一步減小了發(fā)散度，可以使最終整形后的光場的光痕光斑更加會聚和密集。

三.DOE設計的算法描述

基于DOE的標記光場整形系統(tǒng)，根據(jù)參數(shù)，屬于遠距離大光場的光束整形。特別是應用于大光場的主動照明和光識別，要求整形后的光場圖案清晰、能量轉(zhuǎn)化率高。但考慮到長距離整形，非現(xiàn)場噪聲對整形器的應用影響不大，噪聲束會隨著距離的增加而嚴重衰減。因此，在設計DOE時，應選擇在期望光場中具有足夠高均勻性的優(yōu)化算法。

為了提高信號窗口內(nèi)輸出光束的均勻性，長距離大光場DOE整形成像不需要考慮場外噪聲的影響，DOE的設計采用了優(yōu)化的二次平滑校正方法。

四.仿真和實驗結(jié)果及分析

1.仿真結(jié)果與分析

輸入光束的波長為532nm，直徑為2mm，成像場距離聚焦透鏡1m。預計將獲得360毫米×288毫米的矩形光場。DOE階為4，預整形系統(tǒng)得到的直徑為0.4mm，以常見的室內(nèi)大氣環(huán)境為外部環(huán)境。計算了500個初始相位，衍射光場采樣點數(shù)為429× 333。G-S算法和二次循環(huán)平滑校正方法分別用于1000次迭代。

最后計算出GS算法的成像光場均勻性為10.8%，能量損失率為5.2%。采用優(yōu)化的平滑校正算法，成像光場的非均勻性為1.09%，能量損失率為8.31%。

2.實驗結(jié)果和分析

根據(jù)計算結(jié)果，制作光學系統(tǒng)的部件，組成光學系統(tǒng)，如圖9所示。將基于DOE的標記光場整形系統(tǒng)置于暗室中進行系統(tǒng)檢測實驗。由于成像視場大，成像面直接在墻上成像，采用1300萬像素攝像頭進行數(shù)據(jù)采集。激光器采用國內(nèi)常用的532nm激光標記器，光束直徑2mm，初始光束直徑1mm。

通過實驗，驗證了基于DOE的標記光場整形系統(tǒng)達到了預期的設計指標。它可以將532nm激光在1米距離處形成360mm×288mm的光場，成像光場能量轉(zhuǎn)化率為90.92%，成像均勻性為97.23%。滿足均勻度大于97%和能量轉(zhuǎn)化率大于90%的指標。實踐證明，所選光學系統(tǒng)模型和所提出的二次循環(huán)平滑校正算法是一種很好的長距離光場整形新設計方法，可應用于實際工程實踐。