CN105467598A - 用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电通讯领域，尤其涉及一种采用衍射光学元件与半导体激光器结合的激光照明光学系统，包括激光照射光源和衍射光学元件，激光照射光源照射衍射光学元件后，激光照射光源的光场经过该衍射光学元件的光学调制，激光光场沿着特定的角度区域传播，通过设计调整衍射光学元件的微观形貌，实现所需复杂照明光场的发散角设计。本发明通过衍射光学元件对激光照射光源的光场参数的衍射光学设计和光学调制，使得其光强利用效率高，光场分布的形状、光强分布都可以灵活控制，可以根据如监控拍摄、人眼观察等应用系统的需要，实现复杂的照明光场。

Description

用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统

技术领域

本发明属于光电通讯领域，尤其涉及一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统。

背景技术

半导体激光器具备体积小、功率大、电光转换效率高等优点，具备产生照明光场的多项优点，为激光照明领域提供了良好的器件。但由于半导体激光器在光场传播方向上，发散角不对称，且光场强度呈现高斯或超高斯分布，同时其快轴和慢轴方向上M2因子区别很大，传统的照明光场的光学设计系统，无法对半导体激光器的光场进行良好的处理，实现激光照明光场的需要。目前已有的设计方法是使用透镜、反射镜、微透镜阵列、散光片、空间光调制器（如掩膜片、液晶屏等）等方式，实现对半导体激光器光场的调制，实现所需要照明光场的输出。该传统设计方式是通过折射、遮挡、成像的方法，对入射光场进行调制，设计方法的光学元件复杂、数量较多，光利用效率非常低下，且功能单一，无法实现复杂的照明光场，例如对于广泛应用的光强分布非对称矫正、1000米以上远距离照明等应用领域，传统的设计方式都无法实现。同时传统照明光场设计方式，其光学器件尺寸大、成本很高，对应用环境要求很高，光学器件表面的细微灰尘都会造成异形光场的严重缺陷，上述因素为该产品的使用造成了很多不利的因素，严重的限制了产品的市场应用。

现代技术中，随着光电设备、系统的应用发展，各光电产品领域对主动光源发光的照明光场的应用越来越广泛，要求也不断提高，如夜视监控设备、工业照明设备、超广角拍摄设备、超远距离拍摄设备等领域的发展，对主动照明光场都提出了复杂、苛刻的要求，传统的照明光学系统其光学系统复杂，尺寸很大，成本很高，且调节复杂，需要多片透镜的移动、联调，而且光场控制方式简单，不能实现复杂多变的光场分布，已无法满足应用领域的需求，基于衍射光学和激光技术的发展，已经为实现特种照明激光光场提供了技术基础，衍射光学元件是近期才逐渐成熟的新型光学元件，其设计原理与传统的折射光学具备本质区别，是基于光场的波前相位特性进行光场调制设计，属于波长级别的纳米微光学器件，在1毫米尺寸的光场区域内，即可实现亿万量级的光场控制单元，对输入光场进行丰富、灵活的调节，几乎可以实现任何复杂的输出光场的要求，其尺寸小、功能强大、光强利用效率极高，是未来照明领域的重要应用技术。

半导体激光器具备功率大、体积小、电光转换效率高等众多优越的光学性能，是产生照明光场的优选光学配件，但由于其复杂的光学特性，使传统的光学设计方式、器件无法与半导体激光器结合设计实现最终的光学指标，严重的限制了半导体激光器的应用开发。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种可充分利用半导体激光器的光学性能，且光学元件少、尺寸小，光利用效率高，可达到90%以上，光学功能非常丰富，可满足任意形状、光强分布照明光场的需求的用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统。

本发明的技术方案：一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，包括半导体激光器照射光源和衍射光学元件，半导体激光器照射光源照射衍射光学元件后，半导体激光器照射光源的光场经过该衍射光学元件的光学调制，激光光场沿着特定的角度区域传播，通过设计调整衍射光学元件的微观形貌，实现所需复杂照明光场的发散角设计。

优选地，所述衍射光学元件是针对半导体激光照射光源的发散角性能，进行光场发散角调制的设计，用于实现光学系统所需的光场分布。

优选地，所述衍射光学元件是针对半导体激光照射光源的光强分布性能，进行光场分布的调制设计，用于实现光学系统所需的光场分布。

优选地，所述衍射光学元件根据输出照明光场的光强分布要求，对已调制的半导体激光器的光场，进行再次光场分布的调制设计，用于实现光学系统所需的光场分布。

优选地，所述半导体激光器照射光源与衍射光学元件实现所需异形光场的设计，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定光强分布、特定发散角的光场。

优选地，所述衍射光学元件为菲涅尔衍射光学元件或者夫琅禾费衍射光学元件。

优选地，所述衍射光学元件具备对入射光场的X和Y方向发散角分别调至的功能，将入射光场的发散角进行均匀化处理，实现所需激光照明的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发散角的光场。

优选地，所述衍射光学元件具备对入射光场的X和Y方向的发光尺寸分别调至的功能，将入射光场的发光尺寸进行均匀化处理，实现所需激光照明的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发光尺寸的光场。

优选地，所述衍射光学元件具备针对入射光场的波前特性进行相位调制的设计将入射光场的波前相位进行调至处理，实现所需激光照明的异形光场的设计优化。

衍射光学元件是通过对入射光场的波前调制，实现出射光场的光强分布设计，其任意形状、发散角的照明光场的产生原理与传统设计有本质区别，使用一片衍射光学元件即可取代传统方法中的多种光学装置的功能，光学元件少、尺寸小，光利用效率大幅度提高，可达到90%以上，光学功能非常丰富，可满足任意形状、光强分布的照明场的需求。

本发明的的衍射光学元件，是基于半导体激光器的光学参数，针对光学系统使用需要，设计出输出照明光场分布；该衍射光学元件内融入了入射光发散角压缩的设计因素，调节衍射光学元件的位置，与半导体激光器的光场位置配合调节，可精确的调节输出的照明光场的参数。

激光配合衍射光学元件的激光照明系统，通过激光光场与衍射光学元件的结合设计，可以实现任意复杂、具有特殊意义的激光照明光场。

本发明所应用的衍射光学元件，首先针对半导体激光器的发散角不对称、M2因子不对称的特性，通过衍射光学元件对半导体激光器的快轴和慢轴方向的光设计有相应的不同的角度压缩因子，该性能可将半导体激光器的光场进行角度方向的均匀化；同时还针对半导体激光器光强分布的高斯或超高斯特性，进行分区域的光强处理，该设计性能实现对半导体激光器的光强分布的均匀化；在上述两项设计的基础上，半导体激光器的入射光场已经被衍射光学元件调制为发光角度对称、光强分布均匀的光场，衍射光学元件再针对输出光场的要求，对已调制的光场再加入新的光场调制，实现所需要的输出光场。

衍射光学元件具备体积小、安装简单、成本低的特点，可大幅度的缩小光学系统的体积，降低光学产品的成本；同时衍射光学元件具备光学指标容差较大，相对于空间光调制器，其通光区域的细小灰尘、脏污对异形光场的影响很小，对应用环境的要求较低，可适应复杂多样的应用环境，完全实现了光场的高光利用效率、低成本、光学结构设计简单、尺寸小、高精度发散角调节系统，极大的提升了光学系统的功能和可应用性。

本发明通过衍射光学元件对半导体激光器照射光源的光场参数的衍射光学设计和光学调制，使得其可充分利用半导体激光器的光学性能，且光学元件少、尺寸小，光利用效率高，可达到90%以上，光学功能非常丰富，可满足任意形状、光强分布照明光场的需求。

附图说明

图1为本发明半导体激光器快轴发散角的等效示意图；

图2为本发明半导体激光器慢轴发散角的等效示意图；

图3为本发明中半导体激光器照射光源和衍射光学元件X方向的等效示意图；

图4为本发明中半导体激光器照射光源和衍射光学元件Y方向的等效示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，衍射光学元件的功能是：入射光束为一平行或发散状的激光光束，入射光束照射衍射光学元件实现一出射光场，该衍射光学元件是根据入射光场的光学特性，进行针对性设计，调节入射光场的波前，实现入射光场到所需要出射光场的傅里叶变换。激光光源与衍射光学元件位置固定，只通过一片衍射光学元件的调节，即可实现所需复杂照明光场的发散角设计，光学功能强大，同时可以大幅度缩小照明系统的尺寸，降低照明系统的成本，扩展了激光照明系统的应用领域和应用方式。

如图2和3所示，本发明的衍射光学元件的功能1：由于I_θ以及dx和dy的影响，X和Y方向的真实的球面波汇聚焦点并不位于激光发光面上，而是沿着球面波反向传播的交点，如图所示其X方向和Y方向的聚焦点到衍射光学元件的距离分别是fx和fy。衍射光学元件内部的X方向具备对θx角度进行压缩（类似于一个焦距为fx的透镜系统），衍射光学元件内部的y方向具备对θy角度进行压缩（类似于一个焦距为fy的透镜系统），发散光束经过该衍射光学元件调制后形成X、Y方向的光束发散角均匀化，θox和θoy比例约为1:1，以用于实现后续激光照明的光场处理需要。

本发明专利的衍射光学元件的功能2：设计融入了同时针对dx和dy的均匀化处理设计，假设dx小于dy，衍射光学元件内部的X方向具备对dx进行尺寸处理（类似于一个尺寸为dx的透镜），衍射光学元件内部的y方向具备对dy进行尺寸处理（类似于一个尺寸为dy的透镜），激光的光束经过该衍射光学元件调制后形成X、Y方向的光束尺寸均匀化，显著改善了光斑尺寸的比例，以用于实现后续激光照明光场需要。

Claims (9)

1.一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：其包括半导体激光器照射光源和衍射光学元件，半导体激光器照射光源照射衍射光学元件后，半导体激光器照射光源的光场经过该衍射光学元件的光学调制，激光光场沿着特定的角度区域传播，通过设计调整衍射光学元件的微观形貌，实现所需复杂照明光场的设计。

2.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件是针对半导体激光照射光源的发散角性能，进行光场发散角调制的设计；用于实现光学系统所需的光场分布。

3.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件是针对半导体激光照射光源的光强分布性能，进行光场分布的调制设计；用于实现光学系统所需的光场分布。

4.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件根据输出照明光场的光强分布要求，对已调制的半导体激光器的光场，进行再次光场分布的调制设计，用于实现光学系统所需的光场分布。

5.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：所述半导体激光器照射光源与衍射光学元件实现所需异形光场的设计，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定光强分布、特定发散角的光场。

6.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于:所述衍射光学元件为菲涅尔衍射光学元件或者夫琅禾费衍射光学元件。

7.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于:所述衍射光学元件具备对入射光场的X和Y方向发散角分别调至的功能，将入射光场的发散角进行均匀化处理，实现所需激光照明的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发散角的光场。

8.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件具备对入射光场的X和Y方向的发光尺寸分别调至的功能，将入射光场的发光尺寸进行均匀化处理，实现所需激光照明的异形光场的设计优化，光源照射衍射光学元件后，形成具备整体光学系统需要的特定发光尺寸的光场。

9.根据权利要求1所述的一种用半导体激光器与衍射光学元件结合的激光照明光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件具备针对入射光场的波前特性进行相位调制的设计将入射光场的波前相位进行调至处理，实现所需激光照明的异形光场的设计优化。