CN104991347A - 基于微透镜阵列的激光整形照明器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微透镜阵列的激光整形照明器，其所述激光整形照明器由激光扩束准直系统、微透镜阵列组和后置扩束系统构成，激光光源发出的光强非均匀分布的激光光束经过激光扩束准直系统后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组，对非均匀分布光束进行微分再积分的过程，在远场能够形成均匀照明效果，后置扩束系统能够缩小照明区域面积，最后在远场形成与距离成正比的照明区域面积。应用本系统对非均匀光源进行整形能够实现光强分布均匀化，并在尽可能减少能量损失的情况下，于远场获得一定形状的照明面积，均匀度能够达到90％以上。

Description

基于微透镜阵列的激光整形照明器

技术领域

本发明属于红外光学系统设计领域，涉及一种基于微透镜阵列的激光整形照明器。

背景技术

自从第一台激光器问世以来，各种类型的激光器相继被研制出来，而未来的激光技术将会面临更大的机遇和创新空间。

对于大多数的激光来说，在光束的传播途径上，激光传输方向呈双曲线型，在垂直于传输路径的横截面上，激光的光强分布呈高斯曲线型。然而在激光的大部分应用中，需要均匀的光强分布。高功率的入射激光光束，由于高斯型的光强分布，能量集中在光束的中心，从而导致激光加工物质的损坏。而光强呈平顶分布的激光束，则会较大幅度地提高激光的损伤阈值。

目前，广泛使用的激光整形器件有液晶空间光调制器、二元光学元件、双折射透镜组、随机相位板、非球面透镜、微透镜阵列等。

微透镜阵列现已经广泛用于照明系统和成像系统中，其具有体积小、质量轻、传输损耗小等特点，构成的整形系统结构简单、使用灵活，得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微透镜阵列的激光整形照明器，应用本系统对非均匀光源进行整形能够实现光强分布均匀化，并在尽可能减少能量损失的情况下，于远场获得一定形状的照明面积，均匀度能够达到90％以上。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于微透镜阵列的激光整形照明器，由激光扩束准直系统、微透镜阵列组和后置扩束系统构成，激光光源发出的光强非均匀分布的激光光束经过激光扩束准直系统后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组，对非均匀分布光束进行微分再积分的过程，在远场能够形成均匀照明效果，后置扩束系统能够缩小照明区域面积，最后在远场形成与距离成正比的照明区域面积。

本发明中，所述激光光源为激光光源或其它截面光强分布不均匀的平行光源。

本发明中，所述激光扩束准直系统为两片镜片组成的单波长扩束系统，其形式为伽利略望远系统。

本发明中，所述微透镜阵列组子口径形状决定了照明区域的形状。微透镜阵列组的子口径形状为正方形，填充率达到最高，照明区域形状为正方形。

本发明中，所述后置扩束系统用于克服系统的衍射效应限制，缩短系统纵向尺寸，后置扩束准直系统为两片镜片组成的单波长扩束系统，其形式为伽利略望远系统。

本发明中，所述激光扩束准直系统和微透镜阵列组以及微透镜阵列组与后置扩束系统的间距没有严格要求。

本发明中，所述激光整形照明器适用目标波段为单波长红外激光波段，全部镜片使用熔融石英材料构成。

本发明提供的基于微透镜阵列的激光整形照明器是为实现为非均匀光束整形，在远场实现一定面积和形状的均匀照明而研制的，主要用于激光或其它非均匀光强平行光源，其核心设计为微透镜阵列组，以获得远场均匀照明效果。相比于现有技术，具有如下优点：

1、能够用于各种单波长红外激光的光源；

2、能够对任何光强分布的平行光源进行整形，对光源的光强分布没有要求；

3、应用本系统在远场对目标截面进行照明能达到90％以上的均匀度；

4、通过照明器的光通量集中于照明区域内，能量损失少，能量利用率高；

5、系统使用后置扩束系统极大地缩短了系统尺寸；

6、系统为照明系统，属于非成像设计，加工安装的公差不高，装调容易，易于实现。

附图说明

图1为基于微透镜阵列的激光整形照明器的结构图；

图2为基于微透镜阵列的激光整形照明器的平面图；

图3为基于微透镜阵列的激光整形照明器的照明均匀度仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-2所示，本发明提供的基于微透镜阵列的激光整形照明器由激光扩束准直系统1、微透镜阵列组2和后置扩束系统3构成。光源为激光或近平行光光源，光强非均匀分布的激光光束经过激光扩束准直系统1后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组2，非均匀分布光束经过微分再积分，在由后置扩束系统3改变光束角度，最后子光束在远场叠加形成均匀照明效果。

上述系统中，为避免高功率激光脉冲聚焦，激光扩束准直系统1和后置扩束准直系统3均采用伽利略望远系统结构，由两片镜片组成，透镜焦距与有效通光口径之比较大，引入波前畸变量小。

上述系统中，使用微透镜阵列积分器的原理，将光束进行先微分后积分的处理能够满足系统使用要求。微透镜将高斯光束分割为微元光束，每束光束各自的均匀性远好于高斯光束均匀性。每束微元光通过远场在目标截面上成像位置基本相同，经过叠加后实现高斯光束平顶化。

上述系统中，由于照明区域是平行微元光束经微透镜在工作距离处所成的像，则工作距离处照明形状由微透镜阵列子透镜形状决定，方形阵列具有填充率高的优点，微透镜阵列选用方形阵列。

上述系统中，微透镜阵列组2中第一片微透镜阵列对入射激光光束作微元化处理，微分越细，照明均匀性越好。但微元面积存在最小值，因此要提高微元数量，需要对出射光斑进行扩束。后置扩束系统3能够缩小照明区域面积，并缩短系统长度。

上述系统中，设微透镜阵列子口径为p，焦距为f’，可得微透镜阵列F/#及未经后置扩束系统的光束出射角度为θ₁，计算公式如下：

$F/\#=\frac{f^{\′}}{p}$

${\mathrm{\θ}}_1=\±\frac{p}{2f^{\′}}=\±\frac{1}{2(F/\#)}$

上述系统中，子口径为p的微透镜阵列造成的衍射角θ_衍为：

λ为红外激光匀光照明探测系统所使用的单色激光波长。

θ_衍与θ₁需满足如下关系：

即：p≥2.44λ(F/#)。

由以上公式可知，F/#决定了p的大小，F/#又与工作距离处照明面积成反比，越小的照明面积，子口径p越大；p越大，有效微元数越少，对均匀性的影响也就越大。此时，在满足|θ_衍|≤|θ₁|的情况下，通过后置扩束系统的加入，使得微透镜阵列F/#不变，衍射角不增大的情况下减小照明面积。

上述系统中，微透镜阵列组2中两片微透镜阵列参数完全相同，间距为微透镜阵列焦距f’。激光扩束准直系统1和微透镜阵列组2以及微透镜阵列组2与后置扩束系统3的间距没有严格要求。

整体系统经过对接之后通过程序仿真得到工作距离处的照度图如图3所示，除去边缘外的照度分布均匀度达到90％以上。

Claims (9)

1.一种基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述激光整形照明器由激光扩束准直系统、微透镜阵列组和后置扩束系统构成，激光光源发出的光强非均匀分布的激光光束经过激光扩束准直系统后压缩发散角，形成近似平行光束，通过微透镜阵列组，对非均匀分布光束进行微分再积分的过程，在远场能够形成均匀照明效果，后置扩束系统能够缩小照明区域面积，最后在远场形成与距离成正比的照明区域面积。

2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述激光光源为激光光源或其它截面光强分布不均匀的平行光源。

3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述激光扩束准直系统为两片镜片组成的单波长扩束系统，其形式为伽利略望远系统。

4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述微透镜阵列组的子口径形状决定了照明区域的形状。

5.根据权利要求4所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述微透镜阵列组的子口径形状为正方形，填充率达到最高，照明区域形状为正方形。

6.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述后置扩束系统为两片镜片组成的单波长扩束系统，其形式为伽利略望远系统。

7.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述激光扩束准直系统和微透镜阵列组以及微透镜阵列组与后置扩束系统的间距没有严格要求。

8.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述激光整形照明器适用目标波段为单波长红外激光波段。

9.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光整形照明器，其特征在于所述激光整形照明器的全部镜片使用熔融石英材料构成。