基于微透鏡陣列的激光整形照明器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外光學系統(tǒng)設計領域，涉及一種基于微透鏡陣列的激光整形照明 器。
【背景技術】
[0002] 自從第一臺激光器問世以來，各種類型的激光器相繼被研制出來，而未來的激光 技術將會面臨更大的機遇和創(chuàng)新空間。
[0003] 對于大多數(shù)的激光來說，在光束的傳播途徑上，激光傳輸方向呈雙曲線型，在垂直 于傳輸路徑的橫截面上，激光的光強分布呈高斯曲線型。然而在激光的大部分應用中，需要 均勻的光強分布。高功率的入射激光光束，由于高斯型的光強分布，能量集中在光束的中 心，從而導致激光加工物質(zhì)的損壞。而光強呈平頂分布的激光束，則會較大幅度地提高激光 的損傷閾值。
[0004] 目前，廣泛使用的激光整形器件有液晶空間光調(diào)制器、二元光學元件、雙折射透鏡 組、隨機相位板、非球面透鏡、微透鏡陣列等。
[0005] 微透鏡陣列現(xiàn)已經(jīng)廣泛用于照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)中，其具有體積小、質(zhì)量輕、傳輸 損耗小等特點，構成的整形系統(tǒng)結(jié)構簡單、使用靈活，得到了廣泛的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于微透鏡陣列的激光整形照明器，應用本系統(tǒng)對非均 勻光源進行整形能夠?qū)崿F(xiàn)光強分布均勻化，并在盡可能減少能量損失的情況下，于遠場獲 得一定形狀的照明面積，均勻度能夠達到90%以上。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的：
[0008] 一種基于微透鏡陣列的激光整形照明器，由激光擴束準直系統(tǒng)、微透鏡陣列組和 后置擴束系統(tǒng)構成，激光光源發(fā)出的光強非均勻分布的激光光束經(jīng)過激光擴束準直系統(tǒng)后 壓縮發(fā)散角，形成近似平行光束，通過微透鏡陣列組，對非均勻分布光束進行微分再積分的 過程，在遠場能夠形成均勻照明效果，后置擴束系統(tǒng)能夠縮小照明區(qū)域面積，最后在遠場形 成與距離成正比的照明區(qū)域面積。
[0009] 本發(fā)明中，所述激光光源為激光光源或其它截面光強分布不均勻的平行光源。
[0010] 本發(fā)明中，所述激光擴束準直系統(tǒng)為兩片鏡片組成的單波長擴束系統(tǒng)，其形式為 伽利略望遠系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明中，所述微透鏡陣列組子口徑形狀決定了照明區(qū)域的形狀。微透鏡陣列組 的子口徑形狀為正方形，填充率達到最高，照明區(qū)域形狀為正方形。
[0012] 本發(fā)明中，所述后置擴束系統(tǒng)用于克服系統(tǒng)的衍射效應限制，縮短系統(tǒng)縱向尺寸， 后置擴束準直系統(tǒng)為兩片鏡片組成的單波長擴束系統(tǒng)，其形式為伽利略望遠系統(tǒng)。
[0013] 本發(fā)明中，所述激光擴束準直系統(tǒng)和微透鏡陣列組以及微透鏡陣列組與后置擴束 系統(tǒng)的間距沒有嚴格要求。
[0014] 本發(fā)明中，所述激光整形照明器適用目標波段為單波長紅外激光波段，全部鏡片 使用熔融石英材料構成。
[0015] 本發(fā)明提供的基于微透鏡陣列的激光整形照明器是為實現(xiàn)為非均勻光束整形，在 遠場實現(xiàn)一定面積和形狀的均勻照明而研制的，主要用于激光或其它非均勻光強平行光 源，其核心設計為微透鏡陣列組，以獲得遠場均勻照明效果。相比于現(xiàn)有技術，具有如下優(yōu) 占.
[0016] 1、能夠用于各種單波長紅外激光的光源；
[0017] 2、能夠?qū)θ魏喂鈴姺植嫉钠叫泄庠催M行整形，對光源的光強分布沒有要求；
[0018] 3、應用本系統(tǒng)在遠場對目標截面進行照明能達到90%以上的均勻度；
[0019] 4、通過照明器的光通量集中于照明區(qū)域內(nèi)，能量損失少，能量利用率高；
[0020] 5、系統(tǒng)使用后置擴束系統(tǒng)極大地縮短了系統(tǒng)尺寸；
[0021] 6、系統(tǒng)為照明系統(tǒng)，屬于非成像設計，加工安裝的公差不高，裝調(diào)容易，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0022] 圖1為基于微透鏡陣列的激光整形照明器的結(jié)構圖；
[0023] 圖2為基于微透鏡陣列的激光整形照明器的平面圖；
[0024] 圖3為基于微透鏡陣列的激光整形照明器的照明均勻度仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0026] 如圖1-2所示，本發(fā)明提供的基于微透鏡陣列的激光整形照明器由激光擴束準直 系統(tǒng)1、微透鏡陣列組2和后置擴束系統(tǒng)3構成。光源為激光或近平行光光源，光強非均勻 分布的激光光束經(jīng)過激光擴束準直系統(tǒng)1后壓縮發(fā)散角，形成近似平行光束，通過微透鏡 陣列組2,非均勾分布光束經(jīng)過微分再積分，在由后置擴束系統(tǒng)3改變光束角度，最后子光 束在遠場疊加形成均勻照明效果。
[0027] 上述系統(tǒng)中，為避免高功率激光脈沖聚焦，激光擴束準直系統(tǒng)1和后置擴束準直 系統(tǒng)3均采用伽利略望遠系統(tǒng)結(jié)構，由兩片鏡片組成，透鏡焦距與有效通光口徑之比較大， 引入波前畸變量小。
[0028] 上述系統(tǒng)中，使用微透鏡陣列積分器的原理，將光束進行先微分后積分的處理能 夠滿足系統(tǒng)使用要求。微透鏡將高斯光束分割為微元光束，每束光束各自的均勻性遠好于 高斯光束均勻性。每束微元光通過遠場在目標截面上成像位置基本相同，經(jīng)過疊加后實現(xiàn) 高斯光束平頂化。
[0029] 上述系統(tǒng)中，由于照明區(qū)域是平行微元光束經(jīng)微透鏡在工作距離處所成的像，則 工作距離處照明形狀由微透鏡陣列子透鏡形狀決定，方形陣列具有填充率高的優(yōu)點，微透 鏡陣列選用方形陣列。
[0030] 上述系統(tǒng)中，微透鏡陣列組2中第一片微透鏡陣列對入射激光光束作微元化處 理，微分越細，照明均勻性越好。但微元面積存在最小值，因此要提高微元數(shù)量，需要對出射 光斑進行擴束。后置擴束系統(tǒng)3能夠縮小照明區(qū)域面積，并縮短系統(tǒng)長度。
[0031] 上述系統(tǒng)中，設微透鏡陣列子口徑為P，焦距為f'，可得微透鏡陣列F/#及未經(jīng)后 置擴束系統(tǒng)的光束出射角度為0 i，計算公式如下：
[0032]
[0033]
[0034] 上述系統(tǒng)中，子口徑為p的微透鏡陣列造成的衍射角0 ?為：
[0035]
[0036] A為紅外激光勻光照明探測系統(tǒng)所使用的單色激光波長。
[0037] 0衍與9丨需滿足如下關系：
[0038]
[0039] 即：p 彡 2. 44 人（F,~。
[0040] 由以上公式可知，F(xiàn)/#決定了 p的大小，F(xiàn)/#又與工作距離處照明面積成反比，越小 的照明面積，子口徑P越大；P越大，有效微元數(shù)越少，對均勻性的影響也就越大。此時，在 滿足I 0^| < I 0」的情況下，通過后置擴束系統(tǒng)的加入，使得微透鏡陣列F/#不變，衍射 角不增大的情況下減小照明面積。
[0041] 上述系統(tǒng)中，微透鏡陣列組2中兩片微透鏡陣列參數(shù)完全相同，間距為微透鏡陣 列焦距f'。激光擴束準直系統(tǒng)1和微透鏡陣列組2以及微透鏡陣列組2與后置擴束系統(tǒng)3 的間距沒有嚴格要求。
[0042] 整體系統(tǒng)經(jīng)過對接之后通過程序仿真得到工作距離處的照度圖如圖3所示，除去 邊緣外的照度分布均勻度達到90%以上。
【主權項】
1. 一種基于微透鏡陣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擴 束準直系統(tǒng)、微透鏡陣列組和后置擴束系統(tǒng)構成，激光光源發(fā)出的光強非均勻分布的激光 光束經(jīng)過激光擴束準直系統(tǒng)后壓縮發(fā)散角，形成近似平行光束，通過微透鏡陣列組，對非均 勻分布光束進行微分再積分的過程，在遠場能夠形成均勻照明效果，后置擴束系統(tǒng)能夠縮 小照明區(qū)域面積，最后在遠場形成與距離成正比的照明區(qū)域面積。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述激光光 源為激光光源或其它截面光強分布不均勻的平行光源。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述激光擴 束準直系統(tǒng)為兩片鏡片組成的單波長擴束系統(tǒng)，其形式為伽利略望遠系統(tǒng)。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述微透鏡 陣列組的子口徑形狀決定了照明區(qū)域的形狀。5. 根據(jù)權利要求4所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述微透鏡 陣列組的子口徑形狀為正方形，填充率達到最高，照明區(qū)域形狀為正方形。6. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述后置擴 束系統(tǒng)為兩片鏡片組成的單波長擴束系統(tǒng)，其形式為伽利略望遠系統(tǒng)。7. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述激光擴 束準直系統(tǒng)和微透鏡陣列組以及微透鏡陣列組與后置擴束系統(tǒng)的間距沒有嚴格要求。8. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述激光整 形照明器適用目標波段為單波長紅外激光波段。9. 根據(jù)權利要求1所述的基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其特征在于所述激光整 形照明器的全部鏡片使用熔融石英材料構成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微透鏡陣列的激光整形照明器，其所述激光整形照明器由激光擴束準直系統(tǒng)、微透鏡陣列組和后置擴束系統(tǒng)構成，激光光源發(fā)出的光強非均勻分布的激光光束經(jīng)過激光擴束準直系統(tǒng)后壓縮發(fā)散角，形成近似平行光束，通過微透鏡陣列組，對非均勻分布光束進行微分再積分的過程，在遠場能夠形成均勻照明效果，后置擴束系統(tǒng)能夠縮小照明區(qū)域面積，最后在遠場形成與距離成正比的照明區(qū)域面積。應用本系統(tǒng)對非均勻光源進行整形能夠?qū)崿F(xiàn)光強分布均勻化，并在盡可能減少能量損失的情況下，于遠場獲得一定形狀的照明面積，均勻度能夠達到90％以上。
【IPC分類】G02B27/09
【公開號】CN104991347
【申請?zhí)枴緾N201510418889
【發(fā)明人】范志剛, 陳婷, 薛文慧, 陳守謙, 張旺
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月16日