1.本发明涉透镜技术领域和激光整形技术领域，尤其涉及一种锥透镜激光整形装置和锥透镜激光整形方法。


背景技术：

2.贝塞尔光束是指横截面上光强沿径向满足第一类贝塞尔函数(first-kind bessel function)的一类光，最早由美国罗切斯特大学drunin等人在1987年首次提出。理想的贝塞尔光束一般由多层圆环(圆筒)状结构组成，且每一层圆环所包含的激光能量均相等。普通的高斯光束的光强只是在焦点附近有限的瑞利长度范围内比较集中，而在沿光束传播方向的剖面上，贝塞尔光束的光强在横截面上的分布并不随着传播距离而发生变化，这一特性被称之为贝塞尔光束的无衍射特性，这也是贝塞尔光束区别于高斯光束的最大特点。贝塞尔光束的另一个特点是如果其中心光束遇到障碍物时，外围的光会在障碍物之后“修复”中心光束的缺失，对于传统的光学显微镜而言，光的衍射性质则是限制光学分辨率的瓶颈，传统高斯波形的脉冲光在经过光学元件和样品时存在一定的衍射现象，因此导致光学分辨率降低，而采用贝塞尔光后则会很好的抑制光的衍射，从而提显微成像高分辨率，此外轴透镜能够获得贝塞尔光束，进而实现长焦深小光斑高功率峰值能量分布。因此现有技术常常通过对激光器产生发出的高斯光束进行整形的方法获得贝塞尔光束。
3.现在技术产生贝塞尔光束的方法包括以下几种：
4.1.利用在传统会聚透镜后焦面加入一个带环形通光孔径的光阑产生贝塞尔光束，采用前述方式的焦深没有传统锥透镜焦深大。
5.2.利用空间光调制器产生贝塞尔光束，采用前述方式的成本高，调制函数复杂。
6.3.利用tag lens产生贝塞尔光束；采用前述方式无法方便快捷的改变锥透镜的最小底角。
7.实际应用中较为普遍的产生方式是将激光器输出的高斯光束通过一个锥透镜生成贝塞尔光束，这种方法产生的贝塞尔光束一般称之为高斯-贝塞尔光束，简称为贝塞尔光束。由于贝塞尔光束的无衍射性和自修复性，使其在激光整形领域有着重要的应用，在具体应用时常常需要根据实际需要快速，实时的调整贝塞尔光束的最大无衍射距离以及焦深，例如在激光加工领域需要根据激光功率大小与样品材料特性来调整激光的焦深。然而使用现有技术的锥透镜产生贝塞尔光束时，由于贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离与锥透镜的最小底角成反比，而传统的锥透镜在制造完成后其最小底角就已经固定，没法改变，因此由锥透镜产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离和焦深也随之固定，无法实现方便，快捷，实时地调整，使贝塞尔-高斯光束应用的范围受到了极大的限制。并且由于传统的锥透镜由于工艺的限制，锥透镜的最小底角受到限制，这严重限制了所产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种锥透镜激光整形装置和锥透镜激光整形方法来解决现有激光整形技术中采用透镜的产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离较短，以及最大无衍射距离和聚焦深度无法方便，快捷，实时调整的问题。
9.为解决上述技术问题，本发明的实施例通过以下技术方案来实现：
10.第一方面，本发明一种锥透镜激光整形装置，包括：
11.锥透镜，用于利用所述激光产生贝塞尔光束；
12.还包括激光器，用于发射激光；
13.所述锥透镜包括液晶透镜元件和电压驱动电路，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；
14.所述电极包括第一电极和第二电极，所述第二电极为圆孔状电极；
15.所述液晶层位于第一电极和第二电极之间；
16.在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为0.1mm至0.7mm；
17.所述电压驱动电路用于为液晶透镜元件提供可调的驱动电压，所述驱动电压包括第一驱动电压v1，所述第一驱动电压v1为第一电极与第二电极之间的电压。
18.优选的，在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为0.2mm至0.5mm；所述第一驱动电压v1的范围为0v至35v。
19.第三方面，本发明提供一种锥透镜激光整形装置，包括：
20.激光器，用于发射激光；
21.锥透镜，用于利用所述激光产生贝塞尔光束；
22.其特征在于，所述锥透镜包括液晶透镜元件和电压驱动电路，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；
23.所述电极包括第一电极和第二电极，所述第二电极为圆孔状电极；
24.所述液晶层位于第一电极和第二电极之间；
25.所述电极还包括第三电极，所述第二电极位于第一电极和第三电极之间，所述液晶层位于第一电极和第二电极之间，在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为d1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为d2，其中0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；
26.所述电极用于接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极与第二电极之间的电压，所述第二驱动电压v2为第二电极和第三电极之间的电压。
27.优选的，其中v1和v2满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30，其中v1和v2的单位为v。
28.优选的，锥透镜激光整形装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路用于接收驱动电压的值，并控制驱动电路按照接收的电压值输出相应的驱动电压。
29.优选的，所述激光整形装置还包括最大无衍射距离转换模块，所述最大无衍射距离转换模块用于接收最大无衍射距离，所述最大无衍射距离转换模块将接收的最大无衍射距离转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给驱动控制电路。
30.优选的，所述最大无衍射距离转换转模块包括驱动电压查询单元，所述驱动电压
查询单元用于根据映射表查询与最大无衍射距离对应的驱动电压的值；其中所述映射表用于记录最大无衍射距离与驱动电压值之间的映射关系。
31.第三方面，本发明的提供一种锥透镜激光整形方法，包括：
32.第一方面的锥透镜接收驱动电压；
33.使激光光束通过所述锥透镜产生贝塞尔光束；
34.通过调整驱动电压的值来调整所述贝塞尔光束的最大无衍射距离。
35.优选的，所述第一驱动电压v1的范围为0v至35v。
36.本发明提供的另一种锥透镜激光整形方法，包括：
37.第一方面的锥透镜接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；
38.使激光光束通过所述锥透镜产生贝塞尔光束；
39.通过调整驱动电压的值来调整贝塞尔光束的最大无衍射距离，其中中v1和v2满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30，其中v1和v2的单位为v。
40.本发明的有益效果：本发明的液晶透镜激光整形装置和液晶透镜激光整形方法通过为液晶透镜元件加上驱动电压后使液晶透镜具有良好的锥透镜的特性，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。激光器所发射的激光经过该液晶锥透镜的干涉和衍射后产生贝塞尔光束。本发明可以通过调整提供给液晶透镜元件的驱动电压的大小来快速，实时地调整贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离。此外本发明的液晶锥透镜的最小底角不受加工工艺的限制，可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。
附图说明
41.图1是本发明实施例1中液晶透镜元件的结构示意图。
42.图2是本发明实施例3中液晶锥透镜元件的结构示意图。
43.图3是本发明实施例1的结构框图。
44.图4是本发明实施例5的结构框图。
45.图5是本发明实施例6的结构框图。
46.图6是本发明实施例7的结构框图。
47.图7是本发明实施例8的方法流程图。
48.图8是本发明实施例10的方法流程图。
49.主要元件符号说明：第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明基板13、第一电极21、第二电极22、第三电极23、液晶层3、绝缘层4、间隔子5。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
52.实施例1
53.如图3所示，本实施例的锥透镜激光整形装置，包括：
54.激光器，用于发射激光；
55.锥透镜，用于利用所述激光产生贝塞尔光束；
56.所述锥透镜包括液晶透镜元件和电压驱动电路，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层3；
57.如图1所示，所述电极包括第一电极21和第二电极22，所述第二电极22为圆孔状电极；
58.所述液晶层3位于第一电极21和第二电极22之间；
59.在沿第一电极21的平面的法向方向上，所述第一电极21与第二电极22之间的距离为0.1mm至0.7mm；
60.所述电压驱动电路用于为液晶透镜元件提供可调的驱动电压，所述驱动电压包括第一驱动电压v1，所述第一驱动电压v1为第一电极21与第二电极22之间的电压。
61.其中激光器在一些实施例中可以是he-ne激光器或者飞秒激光器，其中第一电极21、第三电极23可以是透明电极，第二电极22可以是透明电极或者非透明电极。其中第一电极2121可选用透明电极。透明电极可以选用ito电极、azo电极、fto电极,izo电极、igzo电极等。非透明电极可以是金属电极，也可以选用合金、金属材料的氮化物、金属材料的氧化物、金属材料的氮氧化物、或是金属材或是金属材料与其它导电材料的堆叠层作为电极。其中金属电极材料包括但不限于al、pt、cr。
62.还可以在第一电极21和第二电极22之间以及第二电极22和第三电极23之间设置绝缘部件，其中在第一电极21和第二电极22之间的绝缘部件为绝缘层4，通过绝缘层4将第一电极21和第二电极22有效阻隔开，防止两个电极之间短路。其中，第二电极22和第三电极23之间的绝缘部件为设置在液晶层3中的间隔子5。间隔子5设置在液晶层3的边缘处，一方面将液晶层3支撑起预设的厚度，另一方面在第二电极22和第三电极23之间起到绝缘作用。还可以增加第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明基板13，其中第一电极21设置在第一透明基板11上，第二电极22设置在第二透明基板12上，第三电极23设置在第三透明基板13上。三块透明基板可以对三个电极起到很好的支撑和保护的作用，使液晶锥透镜的结构和性能更加稳固。
63.本实施例的电压驱动电路为第一电极21和第二电极22之间加上驱动电压后，在周围空间形成电场，在电场作用下液晶层3的液晶分子的光轴以特定方式排列，进而使液晶透镜具有良好的锥透镜的特性，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。激光器所发射的激光经过该液晶锥透镜的干涉和衍射后产生贝塞尔光束。该液晶锥透镜的最小底角，以及所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离都由第一驱动电压的值决定。因此本实施例可以通过调整提供给液晶透镜元件的驱动电压的大小，来调整空间电场的分布，从而调整液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离。当对本实施的液晶透镜元件的驱动电
压进行连续，实时地调整的时候，液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离也随之快速地，实时地，连续地调整，而无需改变液晶透镜元件的结构或者外形。此外，当本实例的第一驱动电压为0的时候，液晶锥透镜的最小底角也为0，逐步增加第一驱动电压的值，液晶锥透镜的最小底角值也由0开始逐步增大，因此本实施例的液晶锥透镜的最小底角不受加工工艺的限制，本实施例可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。
64.实施例2
65.本实施例在实施例1的基础上，在沿第一电极21的平面的法向方向上，所述第一电极21与第二电极22之间的距离为0.2mm至0.5mm；所述第一驱动电压v1的范围为0v至35v。在前述距离和电压范围内液晶分子的光轴排列使液晶透镜的特性最接近圆锥形透镜，因此使用该锥透镜可以产生更加理想的贝塞尔光束，从而提高激光整形的效果。
66.实施例3
67.本实施例中的，锥透镜激光整形装置液晶锥透镜，将实施例1中液晶锥透镜替换为另一种结构的液晶透镜元件，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；
68.所述电极包括第一电极21和第二电极22，所述第二电极22为圆孔状电极；
69.所述液晶层位于第一电极21和第二电极22之间；
70.所述电极还包括第三电极23，所述第二电极22位于第一电极21和第三电极23之间，所述液晶层位于第一电极21和第二电极22之间，在沿第一电极21的平面的法向方向上，所述第一电极21与第二电极22之间的距离为d1，所述第二电极22的与第三电极23之间的距离为d2，其中0＜d2＜0.4，d2/2+0.3＜d1＜-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；
71.所述电极用于接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极21与第二电极22之间的电压，所述第二驱动电压v2为第二电极和第三电极23之间的电压。
72.本实施例增加了第三电极23，并使第一电极21，第二电极22第三电极23之间的距离满足0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm。本实施例可以为液晶锥透镜同时提供第一驱动电压和第二驱动电压，采用前述结构后，在第一驱动电压和第二驱动电压的综合作用下，液晶分子成圆锥形排布，使所有通过液晶层3的入射光线都以—个相同的角度进行折射。
73.本实施例可以通过对第一驱动电压或者第二驱动电压的搭配来增加锥透镜最小底角调节的灵活性，还可以通过对第一驱动电压或者第二驱动电压之间相对大小的设置来使锥透镜在正锥透镜和负锥透镜两种状态之间进行方便快速地切换。例如当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1大于v2时，液晶透镜为正锥透镜，当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1小于v2时，液晶透镜为负锥透镜。由于锥透镜的最小底角可以随着驱动电压v1或者v2的改变而快速改变，因此本实施例可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，通过调第一驱动整驱动电压v1或/和第二驱动电压v2来方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整，从而实现对锥透镜产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离快速，实时地调整。并且由于本实施例的液晶锥透镜的最小底角是利用驱动电压来调节的，因此不会受到加工工艺的限制，所以采用本实施例可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。
74.实施例4
75.本实施例在实施例3的基础上将v1和v2的取值范围进一步限定为0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30，其中v1和v2的单位为v。本实施例在实施例3的基础上，将第一驱动电压和第二驱动电压之间的差值限制在前述范围内时，液晶分子的光轴排列使液晶透镜的特性最接近圆锥形透镜，因此使用该锥透镜可以产生更加理想的贝塞尔光束，从而提高激光整形的效果。
76.实施例5
77.如图4所示，本实例的锥透镜激光整形装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路用于接收驱动电压的值，并控制驱动电路按照接收的电压值输出相应的驱动电压。
78.当采用实施例1中的透镜元件时，电压控制电压用于接收第一驱动电压v1的值，并控制电路按照接收的v1值进行输出，这样通过改变发送给驱动控制电路的v1的值就可以方便，快速，实时地改变锥透镜的最小底角值，从而改变贝塞尔光束的最大无衍射距离。当利用驱动控制电路连续改变v1的设定值，锥透镜的最小底角以及贝塞尔光束的最大无衍射距离也随电压一起连续改变。
79.当采用实施例2中的透镜元件时，驱动控制电路用于接收第一驱动电压v1的值和第二驱动电压v2的值，并控制驱动电路按照接收的电压值输出的第一驱动电压v1和第二驱动电压v2。本实施例可以向驱动控制电路发送预先设定的v1和v2的值，驱动控制电路控制驱动电路按照设定的驱动电压输出，这样只需要改变发送给驱动控制电路的v1或/和v2的设定值就可以方便，快捷，实时地改变锥透镜的最小底角值，从而改变锥贝塞尔光束的最大无衍射距离，调整激光整形的效果。当利用驱动控制电路连续改变v1或/和v2的设定值，锥透镜的最小底角以及贝塞尔光束的最大无衍射距离也随电压一起连续改变。
80.实施例6
81.如图5所示，本实施例的锥透镜激光整形装置还包括最大无衍射距离转换模块，所述最大无衍射距离转换模块用于接收最大无衍射距离，所述最大无衍射距离转换模块将接收的最大无衍射距离转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给驱动控制电路。
82.本实施例的锥透镜激光整形装置在实施例5的基础上还增加了最大无衍射距离转换模块，所述最大无衍射距离转换模块用于接收最大无衍射距离，所述最大无衍射距离转换模块将接收的最大无衍射距离转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给驱动控制电路。由于最大无衍射距离和成像的景深直接相关，而本实例可以直接接收设定的最大无衍射距离，由最大无衍射距离转换模块转换成对应的驱动电压后输出到电极上，从而将锥透镜所产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离调整为预设的最大无衍射距离。这样可以使本装置对成像景深的调整更加方便。其中最大无衍射距离转换模块可以通过在处理器上运行相应程序实现。
83.实施例7
84.如图6所示，本实施例在实施例6的大无衍射距离转换模块基础上还增加了驱动电压查询单元，所述驱动电压查询单元用于根据映射表查询与最大无衍射距离对应的驱动电压的值；其中所述映射表用于记录最大无衍射距离与驱动电压值之间的映射关系。本实例的成像装置制作完成后，对锥透镜所产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离和驱动电压进行
测量，测量出一系列最大无衍射距离相和其相对应的驱动电压的值，形成映射表，映射表可以存储在存储介质中。计算机执行查询查询程序，由映射表查询到与指定最大无衍射距离相对应的驱动电压值，驱动电路按查询到的驱动电压值输出，使锥透镜所产生的贝塞尔光束具备指定的最大无衍射距离。
85.此外最大无衍射距离转换单元包括驱动电压计算单元，所述驱动电压计算单元用于根据接收的最大无衍射距离计算出对应的驱动电压的值。驱动电压的计算可以在成像装置制作完成后对其最大无衍射距离和驱动电压进行测量，测量出一系列最大无衍射距离和其相对应的驱动电压的值，根据测得的系列值拟合出最大无衍射距离和驱动电压值的曲线，然后将拟合的曲线的公式作为由最大无衍射距离计算驱动电压值的公式，并可以通过增加测试数据的密度来提供拟合曲线的精度，从而提高计算的精度。本实施例可以按照任意指定的最大无衍射距离对锥透镜的所产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离行连续调整，可以更加直观，方便地调节激光整形的效果。
86.实施例8
87.如图7所示，本实施例的锥透镜激光整形方法，包括：
88.s1、实施例1至7中的锥透镜接收驱动电压；
89.s2、使激光光束通过所述锥透镜产生贝塞尔光束；
90.s3、通过调整驱动电压的值来调整所述贝塞尔光束的最大无衍射距离。
91.当锥透镜接收到驱动电压后，锥透镜的电极在周围空间形成电场，在电场作用下液晶层3的液晶分子的光轴以特定方式排列，进而使液晶透镜具有良好的锥透镜的特性，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。激光器所发射的激光经过该液晶锥透镜的干涉和衍射后产生贝塞尔光束。因此本实施例通过调整提供给液晶透镜元件的驱动电压的大小，来调整空间电场的分布，从而调整液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离。当对本实施的液晶透镜元件的驱动电压进行连续，实时地调整的时候，液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离也随之快速地，实时地，连续地调整，而无需改变液晶透镜元件的结构或者外形。此外本实施例的液晶锥透镜的最小底角可以通过改变驱动电压来调节，而不会像现有技术的锥透镜一样受加工工艺的限制，因此本实施例可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。
92.实例9
93.本实施例在实施例8的基础上将第一驱动电压v1限制在为0v至35v范围内时液晶分子的光轴排列使液晶透镜的特性最接近圆锥形透镜，因此使用该锥透镜可以产生更加理想的贝塞尔光束，从而提供激光整形的效果。
94.实施例10
95.如图8所示，本实施例的锥透镜激光整形方法，包括：
96.s4、实施例3至7的锥透镜接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；
97.s5、使激光光束通过所述锥透镜产生贝塞尔光束；
98.s6、通过调整驱动电压的值来调整贝塞尔光束的最大无衍射距离，其中v1和v2满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30，其中v1和v2的单位为v。
99.当锥透镜接收到接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，锥透镜的电极在周围空间形成电场，在电场作用下液晶层3的液晶分子的光轴以特定方式排列，进而使液晶透镜具
有良好的锥透镜的特性，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。激光器所发射的激光经过该液晶锥透镜的干涉和衍射后产生贝塞尔光束。因此本实施例通过调整提供给液晶透镜元件的第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的大小，来调整空间电场的分布，从而调整液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离。当对本实施的液晶透镜元件的驱动电压进行连续，实时地调整的时候，液晶锥透镜所产生的贝塞尔光束的焦深和最大无衍射距离也随之快速地，实时地，连续地调整，而无需改变液晶透镜元件的结构或者外形。此外本实施例的液晶锥透镜的最小底角可以通过改变驱动电压来调节，而不会像现有技术的锥透镜一样受加工工艺的限制，因此本实施例可以获得比现有技术的液晶锥透镜更小的最小底角，从而使产生的贝塞尔光束的最大无衍射距离更长。第一驱动电压和第二驱动电压之间满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30时，液晶分子的光轴排列使液晶透镜的特性最接近圆锥形透镜，因此使用该锥透镜可以产生更加理想的贝塞尔光束，从而提高激光整形的效果。
100.实施例11
101.本实施例的锥透镜激光整形装置还包括偏振单元，所述偏振单元设置在激光器和锥透镜之间的光路上。偏振单元可以将自然光分为液晶锥透镜摩擦方向相同的线偏光。偏振单元可以选用偏振片。本实例还可以在锥透镜的光线射出一侧设置有扩束镜。本实施方式利用扩束镜扩展激光束的直径并减小激光束的发散角。
102.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。