專利名稱：一種波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法及其光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法及 其光源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著近年來發(fā)光二極管(LED)光效的不斷提高和大功率LED的開發(fā)， LED的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，已開始被應(yīng)用于儀器光源。它體積小、 結(jié)構(gòu)簡單、價格低，在儀器的小型化和集成化方面具有很大優(yōu)勢。但是， 在很多光學(xué)系統(tǒng)中，如光學(xué)橢偏成像儀、太陽仿真器的照明系統(tǒng)、可用 于農(nóng)作物培養(yǎng)的生物光源、缺陷檢測儀器等，需要采用擴(kuò)展的平行光照 明待測面，不僅要求被照面上有一定的光照強(qiáng)度，還對準(zhǔn)直光束截面的 光強(qiáng)均勻性要求很高， 一般要求均勻度在90%以上。而LED的發(fā)散角大， 光強(qiáng)呈大致的余弦分布，通常被認(rèn)為是近似的朗伯光源，這樣的光場分 布，如果不經(jīng)過合適的光學(xué)系統(tǒng)處理而直接應(yīng)用于儀器光源，難以滿足 儀器照明系統(tǒng)所需要達(dá)到的性能指標(biāo)。而且LED的芯片表面有金屬電極 的接觸面，對光發(fā)射有一定干擾，容易產(chǎn)生中央暗斑，凸顯其芯片表面 的不均勻性。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能使光源分 解，并按一定規(guī)律排列，再使光波疊加，從而達(dá)到光強(qiáng)分布均勻、準(zhǔn)直 度高的波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法，本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種 實(shí)施上述方法的光源系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法，具體 為將光源發(fā)出的光通過透4^且會聚，會聚光經(jīng)由一光纖束導(dǎo)出，射出 光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡的透射后，可得到準(zhǔn)直均勻的光束。進(jìn)一步，所述光纖導(dǎo)出光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡前穿射一小孔光闌。進(jìn)一 步，所述小孔光闌位于所述準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上。一種實(shí)施上述方法的波前重組的光束準(zhǔn)直均勻光源系統(tǒng)包4亂ED光 源、透鏡組、光纖束和準(zhǔn)直透鏡。LED光源發(fā)出光波經(jīng)過透鏡組會聚成光 斑，該光斑經(jīng)由光纖束傳輸，光纖束輸出光直接經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后輸出準(zhǔn) 直均勻光束。進(jìn)一步，所述系統(tǒng)可添加一小孔光闌，所述光纖束輸出光先穿射小 孔光闌，該小孔光闌設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上，小孔光闌輸出光再通過 準(zhǔn)直透鏡后輸出準(zhǔn)直均勻光束。進(jìn)一步，所述光纖束采用多模光纖。進(jìn)一步，波前重組光波均勻器件也可以是蠅眼透鏡、勻光棒等光學(xué) 元件。本發(fā)明通過利用光纖束作為波前重組光波均勻器件，并能夠控制出 射光束準(zhǔn)直度并保證均勻度。利用該方法設(shè)計的光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊， 可以應(yīng)用于對準(zhǔn)直度和均勻度要求都很高的光學(xué)系纟尤


圖1為本發(fā)明光波準(zhǔn)直均勻方法原理圖； 圖2為光纖多次全反射勻光原理； 圖3為本發(fā)明光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為準(zhǔn)直透鏡的光路優(yōu)化設(shè)計圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)波動理論，光波從波源向一定方向傳播，在某一時刻，波所到 達(dá)的空間內(nèi)，具有同位相的各點(diǎn)所組成的面稱為波陣面。離波源最遠(yuǎn)的 波陣面稱為波前。根據(jù)波前的不同，可以將波動分為不同的形式，如波 前為平面的是平面波，波前為球面的是球面波。由普通的發(fā)光二級管在 近距離得到的光波，波的幅度并不均勻，波前既不是平面也不是球面， 其幅度在中心軸線附近最強(qiáng)，離開軸線越遠(yuǎn)光場越弱。波前重組的光波 均勻方法的原理如圖1所示，將光波分離為多個波前，并按一定的要求 進(jìn)行排列，使強(qiáng)度分布曲線中高低部分對應(yīng)疊加，合成后的強(qiáng)度分布在 一定范圍內(nèi)。合成波的某些疊加部分光強(qiáng)比較均勻，可近似看作均勻發(fā)光點(diǎn)，再由準(zhǔn)直透鏡將其波前變換為近似平面^L這種波前重組的均勻方法的特點(diǎn)是有一個能使光源分解，并按一定 規(guī)律排列的光學(xué)部件，本發(fā)明中采用光纖束作為光源分解和重新規(guī)律排 列的光學(xué)部件，光纖束結(jié)構(gòu)簡單、造價低、均勻性好，并且以其柔軟型 可在空間內(nèi)進(jìn)行很好的布置，易于固定和調(diào)試，從而為利用本發(fā)明所制 備的光源系統(tǒng)提供了可發(fā)展的空間。光纖一般由圓柱狀介質(zhì)組成，其內(nèi)層纖芯的折射率比外層包層的折 射率大，當(dāng)入射光在光纖內(nèi)的入射角大于全反射臨界角時，在兩層界面 上發(fā)生多次全反射，光從光纖的一端傳到另一端。傳光光纖一^:采用多 模光纖，可以同時傳輸多種模式的光波。它把以光波形式出現(xiàn)的電磁能 量，利用全反射的原理約束在其波導(dǎo)內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著與光纖軸線平 4亍的方向傳l番。光束在單根光纖內(nèi)傳播時，從入射面上實(shí)際光點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過反 射后，在幾何上可以看作是從一個虛光泉發(fā)出的光線。如圖2所示，從 入射面上點(diǎn)A發(fā)出的光線經(jīng)反射后的BC段，等同于從A1發(fā)出的光線A1C， 并且A與Al相對于反射截面對稱。這樣入射面上每個光點(diǎn)經(jīng)同一次反射 所對應(yīng)的虛光點(diǎn)組成了與入射光斑類似的虛光源。隨著反射次數(shù)的增多， 虛光源的個數(shù)也增多，并對稱分布，即光纖起到了將入射光波的波前分 割的作用。經(jīng)過不同的路線，多列波傳播最后均在后端面重合，光波又 疊加起來。光纖輸出面上的每個點(diǎn)都將得到來自光源的不同角度光照射， 入射面的光能量被重新分布。光纖束是將若干根乃至上萬根光纖集束， 兩端端面經(jīng)過光學(xué)研磨拋光，外加保護(hù)套管制成，由于光纖^t量多，可 以達(dá)到更高的傳光效率。而且組成傳光光纖束的光纖是無序排列的，入 射面的每根光纖都得到來自光源一定角度范圍的光照射，相當(dāng)于光源被 分割為多部分，并經(jīng)過不同的路線傳播。隨著光波的傳輸，出射端的光 纖隨機(jī)排列，出射光強(qiáng)疊加起來，即入射面的光能量被重新組合，出射 光束截面光強(qiáng)分布較為均勻。由于光纖的直徑與長度的比值很小，光線 在光纖中經(jīng)過的反射次數(shù)多，更好地發(fā)揮波前重組的優(yōu)勢，并且具有傳 光效率高、數(shù)值孔徑大、可將光能量經(jīng)彎曲、長距離地傳輸?shù)忍匦浴＠靡陨喜ㄇ爸亟M的準(zhǔn)直均勻方法，使LED光源發(fā)光轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)均 勻的光斑，再通過優(yōu)化準(zhǔn)直光路，可以得到光強(qiáng)分布均勻、準(zhǔn)直度高、結(jié)構(gòu)簡單的平行光照明系統(tǒng)。如圖3所示，LED光源發(fā)出的光束被透鏡組 會聚成光斑，并入射到光纖束。入射光在光纖內(nèi)經(jīng)過多次反射，匯聚于 出射面。此時入射光波的波前已被重新組合，光強(qiáng)重新分布，得到均勻 出射的光點(diǎn)。光纖出射端可置一個小孔光闌，位于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)，經(jīng) 過準(zhǔn)直透鏡后將光束平行出射。實(shí)際應(yīng)用中光纖束可替換為蠅眼透鏡、 勻光棒等能使光源分解、并按一定要求排列、再進(jìn)行組合疊加的光學(xué)元 件。小孔光闌在這里作為空間濾波器，僅使低頻光通過，遮擋雜散光。 通過減小光闌可以提高光路的準(zhǔn)直度和均勻免但光能利用率下降，而 且由于LED表面電極的影響，當(dāng)光闌變小時，LED芯片表面的不均勻性顯 現(xiàn)出來，給成像帶來新的光強(qiáng)分布不均勻問逸為了平衡這幾個參量的 關(guān)系，光闌直徑范圍在0. 3 mm - 1 mm之間。得到均勻出射的光點(diǎn)后，還需經(jīng)過準(zhǔn)直光路使光束準(zhǔn)直。由于準(zhǔn)直 透鏡的像差影響出射光束中心光線的平行度和光束的準(zhǔn)直角，從而也會 影響截面光強(qiáng)的均勻性，所以還需要通過光學(xué)設(shè)計優(yōu)化準(zhǔn)直光路。為了 縮短結(jié)構(gòu)尺寸，準(zhǔn)直透鏡應(yīng)具有較小的焦距和較大的相對孔徑，以收集 更多的光能。這里只采用一個單片透鏡，第二面采用非球面，使結(jié)構(gòu)緊 湊，并可以有效減小球差，提高準(zhǔn)直度。利用光學(xué)設(shè)計軟件可以方便地 對透鏡的準(zhǔn)直效果進(jìn)行模擬和優(yōu)化，得到合適的透鏡參數(shù)。為了得到符 合要求的光強(qiáng)分布，可以通過控制準(zhǔn)直透鏡后出射光線的高度，保證光 線的實(shí)際高度與理想高度盡可能一致，以控制準(zhǔn)直度、保證均勻度。設(shè) 計完成后的光路圖如圖4所示。準(zhǔn)直光束的發(fā)散角e可由下式確定其中"為光闌直徑， /為準(zhǔn)直透^:焦距。
權(quán)利要求
1、一種波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法，具體為將光源發(fā)出的光通過透鏡組會聚，會聚光經(jīng)由一光纖束導(dǎo)出，并使光纖導(dǎo)出光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，得到準(zhǔn)直均勻的光束。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法，其特征在 于，所述光纖導(dǎo)出光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡前穿射一小孔光闌。
3、 如權(quán)利要求2所述的波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法，其特征在于， 所述小孔光闌位于所述準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上。
4、 如權(quán)利要求l所述的波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法，其特征在于， 所述光纖束可替換為蠅眼透鏡、勻光棒等能使光源分解、并按一定 要求排列、再進(jìn)行組合疊加的光學(xué)元件。
5 、 一種實(shí)施權(quán)利要求l所述方法的波前重組的光束準(zhǔn)直均勻光源系 統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括LED光源、透鏡組、光纖束和準(zhǔn)直透 鏡，LED光源發(fā)出光波經(jīng)過透鏡組會聚成光斑，該光斑經(jīng)由光纖束 傳輸，光纖束輸出光直接通過準(zhǔn)直透鏡后輸出準(zhǔn)直均勻光束。
6、 如權(quán)利要求5所述的光源系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖束采用多模 光纖。
7、 如權(quán)利要求5所述的光源系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)可添加一小 孔光闌，所述光纖束輸出光先穿射小孔光闌，該小孔光闌設(shè)置在準(zhǔn) 直透鏡的焦點(diǎn)上，小孔光闌輸出光再通過準(zhǔn)直透#^輸出準(zhǔn)直均勻 光束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種波前重組的光束準(zhǔn)直均勻方法及其光源系統(tǒng)，具體為將光源發(fā)出的光通過透鏡組會聚，會聚光經(jīng)由一光纖束導(dǎo)出，并使光纖導(dǎo)出光直接經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，得到準(zhǔn)直均勻的光束或者在光纖導(dǎo)出光穿射一小孔光闌后，再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，得到準(zhǔn)直均勻的光束。本發(fā)明通過利用光纖束作為波前重組光波均勻器件，并控制準(zhǔn)直度并保證均勻度，得到優(yōu)化結(jié)果。利用該方法設(shè)計的光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以應(yīng)用于對準(zhǔn)直度和均勻度要求都很高的光學(xué)系統(tǒng)。
文檔編號G02B6/32GK101303457SQ20081011591
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者羅一丹, 剛 靳 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所