CN111880315A

CN111880315A - 一种激光照明设备

Info

Publication number: CN111880315A
Application number: CN202010805483.8A
Authority: CN
Inventors: 付瀚毅; 刘伟奇; 康玉思; 寇伟
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2020-11-03

Abstract

本申请公开了一种激光照明设备，包括：激光器，用于发出激光光束，经耦合进入光纤；光纤，用于传输激光光束；准直光学系统，用于对光纤出射的激光光束进行准直，并照明至随机微透镜阵列的表面；随机微透镜阵列，用于对激光光束进行匀化整形，出射具有固定发散角的光束，并进入角度调整光学系统；角度调整光学系统，用于将随机微透镜阵列出射光束调整为所需发散角后出射。本发明采用随机微透镜阵列对激光光束进行匀化整形，能够使出射光束在固定发散角范围内，提高光能利用率，且一定程度上降低光束的相干性，从而降低散斑效应，进一步提高整形后的光斑质量，同时利用角度调整光学系统对随机微透镜阵列出射光束进行调整，控制最终出射光束角度。

Description

一种激光照明设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种激光照明设备。

背景技术

激光有着亮度高、光谱宽度窄、方向性好等特点，用于照明有着其特有的优势。激光照明技术在国防工程、航天工程、夜视监控、激光显示等领域均有广泛应用，但由于激光单色性好，存在极强的相干性，在照明至物体表面时，会产生激光散斑，同时由于常用的半导体激光器输出的激光快慢轴发散角相差较大，不能够输出均匀的圆形光斑。一般采用耦合入光纤进行输出的方法输出的光斑呈现高斯分布，不能够在所需照明表面呈现较好的均匀性。

鉴于激光照明当中均匀性的问题，目前对激光进行匀化整形的方法主要使用毛玻璃、非球面透镜组、微透镜阵列、衍射光学元件、双折射透镜组以及匀光棒等。毛玻璃通过玻璃表面细微结构形成随机散射对激光进行匀化；非球面透镜组通过一片或多片非球面透镜对高斯光束进行整形后，再由另外一片透镜准直输出；微透镜阵列将入射光束分割成若干子光束，并由多个球面镜将子光束在把面上重叠起来；衍射光学元件通过多台阶相位结构近似全息图的连续浮雕结构加工，利用衍射光学进行光束整形，可以将圆形的高斯光束整形为方形、环形甚至任意形状；匀光棒通过光源在玻璃内部的多次全反射对激光进行匀化。但是，由于毛玻璃随机散射，经非球面透镜和微透镜阵列输出的各子光束相干性较高，散斑现象严重，且衍射光学元件仅能在一定距离范围内实现所需光斑形状和均匀性，整体效果并不理想。

因此，如何减少激光散斑，提高整形后的光斑质量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光照明设备，可以提高光能利用率，降低散斑效应，提升整形后的光斑质量，实现任意发散角的出射光束。其具体方案如下：

一种激光照明设备，包括：

激光器，用于发出激光光束，经耦合进入光纤；

所述光纤，用于传输所述激光光束；

准直光学系统，用于对所述光纤出射的所述激光光束进行准直，并照明至随机微透镜阵列的表面；

所述随机微透镜阵列，用于对所述激光光束进行匀化整形，出射具有固定发散角的光束，并进入角度调整光学系统；

所述角度调整光学系统，用于将所述随机微透镜阵列出射光束调整为所需发散角后出射。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述准直光学系统包括由第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜组成的透镜组。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述随机微透镜阵列的表面一侧为平面，另一侧为具有随机半径的微透镜阵列。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述随机微透镜阵列出射光束的固定发散角范围为1°至20°。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述角度调整光学系统采用近双远心结构。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述角度调整光学系统包括由第一双凸透镜、第二双凸透镜和第四弯月透镜组成的透镜组。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述激光器选用波长的范围为400nm至1500nm，功率范围为0.1W至60W。

优选地，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，所述光纤的直径范围为50μm至400μm，NA范围为0.12至0.25。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种激光照明设备，包括：激光器，用于发出激光光束，经耦合进入光纤；光纤，用于传输激光光束；准直光学系统，用于对光纤出射的激光光束进行准直，并照明至随机微透镜阵列的表面；随机微透镜阵列，用于对激光光束进行匀化整形，出射具有固定发散角的光束，并进入角度调整光学系统；角度调整光学系统，用于将随机微透镜阵列出射光束调整为所需发散角后出射。

本发明采用随机微透镜阵列对激光光束进行匀化整形，能够使出射光束在固定发散角范围内，提高光能利用率，且一定程度上降低光束的相干性，从而降低散斑效应，可在任意距离维持所需形状和均匀性，进一步提高整形后的光斑质量，同时利用角度调整光学系统对随机微透镜阵列出射光束进行调整，控制最终出射光束角度，实现任意发散角的出射光束。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光照明设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明提供一种激光照明设备，如图1所示，包括：

激光器，用于发出激光光束，经耦合进入光纤1；

光纤1，用于传输激光光束；

准直光学系统2，用于对光纤1出射的激光光束进行准直，并照明至随机微透镜阵列3的表面；

随机微透镜阵列3，用于对激光光束进行匀化整形，出射具有固定发散角的光束，并进入角度调整光学系统4；

角度调整光学系统4，用于将随机微透镜阵列3出射光束调整为所需发散角后出射。

在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，激光器发出激光光束经耦合进入光纤一端，通过光纤另一端输出，再经过准直光学系统准直照明随机微透镜阵列后表面，经过随机微透镜阵列对光束进行整形后出射具有固定发散角的光束，再经过角度调整光学系统控制光束出射，这样采用随机微透镜阵列对激光光束进行匀化整形，能够使出射光束在固定发散角范围内，提高光能利用率，且一定程度上降低光束的相干性，从而降低散斑效应，可在任意距离维持所需形状和均匀性，进一步提高整形后的光斑质量，同时利用角度调整光学系统对随机微透镜阵列出射光束进行调整，控制最终出射光束角度，实现任意发散角的出射光束。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，如图1所示，准直光学系统2可以包括由第一弯月透镜21、第二弯月透镜22、第三弯月透镜23组成的透镜组。优选地，该透镜组的焦距可以为28.64mm，准直后发散角可以为1°。需要说明的是，准直光学系统2根据所选用的光纤不同达到准直角≤2°的作用，具体设计参数可以根据实际情况而定，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，如图1所示，随机微透镜阵列3的表面一侧可以设置为平面，另一侧可以设置为具有随机半径的微透镜阵列。具体地，随机微透镜阵列3出射光束的固定发散角范围可以为1°至20°，也就是说，随机微透镜阵列3发散角可在1°～20°间任意选择，厚度和直径没有具体要求。优选地，随机微透镜阵列发散角全角为10°，其形状为圆形，厚度为2mm，直径为13mm，材料为石英玻璃。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，为了保证随机微透镜阵列出射的光斑均匀性在经过角度调整光学系统后保持不变，角度调整光学系统4可以采用近双远心结构。如图1所示，角度调整光学系统4可以包括由第一双凸透镜41、第二双凸透镜42和第四弯月透镜43组成的透镜组。优选地，角度调整光学系统4出射角度为全角30°，出射窗口为3.73mm。这样的角度调整光学系统按照物方(随机微透镜阵列一侧)远心，和像方近似远心结构尽心设计，能够维持随机微透镜阵列出射光斑的亮度均匀性不变。需要说明的是，角度调整光学系统根据选择的随机微透镜阵列的尺寸和出射光束发散角以及最终所需的出射光束发散角不同可选用不同的具体设计参数。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，激光器选用波长的范围可以为400nm至1500nm，功率范围可以为0.1W至60W，也就是说，激光器选用波长可从400nm至1500nm中任意选取，功率可在0.1W至60W区间任意选取。优选地，激光器选用波长为850nm，功率为1W。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光照明设备中，光纤的直径范围可以为50μm至400μm，NA范围可以为0.12至0.25，也就是说，光纤直径可在50μm至400μm间任意选取，NA可在0.12至0.25间任意选取。优选地，光纤的芯径为100μm，NA值为0.22。

本发明实施例提供的一种激光照明设备，包括：激光器，用于发出激光光束，经耦合进入光纤；光纤，用于传输激光光束；准直光学系统，用于对光纤出射的激光光束进行准直，并照明至随机微透镜阵列的表面；随机微透镜阵列，用于对激光光束进行匀化整形，出射具有固定发散角的光束，并进入角度调整光学系统；角度调整光学系统，用于将随机微透镜阵列出射光束调整为所需发散角后出射。本发明采用随机微透镜阵列对激光光束进行匀化整形，能够使出射光束在固定发散角范围内，提高光能利用率，且一定程度上降低光束的相干性，从而降低散斑效应，可在任意距离维持所需形状和均匀性，进一步提高整形后的光斑质量，同时利用角度调整光学系统对随机微透镜阵列出射光束进行调整，控制最终出射光束角度，实现任意发散角的出射光束。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的激光照明设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种激光照明设备，其特征在于，包括：

激光器，用于发出激光光束，经耦合进入光纤；

所述光纤，用于传输所述激光光束；

2.根据权利要求1所述的激光照明设备，其特征在于，所述准直光学系统包括由第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜组成的透镜组。

3.根据权利要求1所述的激光照明设备，其特征在于，所述随机微透镜阵列的表面一侧为平面，另一侧为具有随机半径的微透镜阵列。

4.根据权利要求3所述的激光照明设备，其特征在于，所述随机微透镜阵列出射光束的固定发散角范围为1°至20°。

5.根据权利要求1所述的激光照明设备，其特征在于，所述角度调整光学系统采用近双远心结构。

6.根据权利要求5所述的激光照明设备，其特征在于，所述角度调整光学系统包括由第一双凸透镜、第二双凸透镜和第四弯月透镜组成的透镜组。

7.根据权利要求1所述的激光照明设备，其特征在于，所述激光器选用波长的范围为400nm至1500nm，功率范围为0.1W至60W。

8.根据权利要求1所述的激光照明设备，其特征在于，所述光纤的直径范围为50μm至400μm，NA范围为0.12至0.25。