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一、設計原則

基于DOE的打標光場整形系統的功能結構主要包括預整形系統和DOE整形系統，如圖1所示。該系統通過雙鏡組預整形系統減小入射光的發散度，通過DOE整形系統的后調制實現固定距離的遠距離場成像。利用優化的平滑算法計算DOE，得到成像均勻性和成像強度的最優解。

基于DOE的激光工程系統設計

圖1

增加預整形系統的目的是減小激光的初始發散角，在整形前對光束進行準直。減小光束的發散角將使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。預成型系統采用雙透鏡組結構。與鏡筒或錐透鏡相比，這種結構成本低，但效果是一樣的。

二、預成型系統設計

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

基于DOE的激光工程系統設計

表1

從表1可以看出，最終設計的預成型系統結構小巧緊湊，有效減小了整個系統的體積。對于整個系統來說，采用上述結構的預整形系統大大優化了DOE子系統的預整形環境，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，根據參數，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、能量轉化率高。但考慮到長距離整形，非現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化算法。

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

四.仿真和實驗結果及分析

1.仿真結果與分析

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，預整形系統得到的直徑為0.4mm，以常見的室內大氣環境為外部環境。計算了500個初始相位，衍射光場采樣點數為429× 333。G-S算法和二次循環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.實驗結果和分析

根據計算結果，制作光學系統的部件，組成光學系統，如圖9所示。將基于DOE的標記光場整形系統置于暗室中進行系統檢測實驗。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據采集。激光器采用國內常用的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%和能量轉化率大于90%的指標。實踐證明，所選光學系統模型和所提出的二次循環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。