專利名稱：雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光源，特別是一種雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，是一種適用于檢 測、測量和成像等的光照均勻的平行光激光光源。
背景技術(shù)：
光照均勻的平行光光源在光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像等領(lǐng) 域均有廣泛應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，采用激光光源作為光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物 醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像系統(tǒng)的測試光源越來越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，國內(nèi)外對于 如何有效利用激光特性，合理地解決激光光源本身特性對于光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物醫(yī)學(xué) 分析以及光學(xué)成像等系統(tǒng)影響的研究正在成為光學(xué)領(lǐng)域的熱點研究課題之一。采用激光作為光源具有單色性、單向性和高能量等特點，但是由于激光本身的特 性使得激光作為測試光源也存在其固有的缺點，主要表現(xiàn)為激光輸出光強的高斯分布和光 束輸出的平行度相對較低。輸出光強的高斯分布使得其作為測試光源時系統(tǒng)背景光照成高 斯分布的不均勻照明。另外在高精度分析、檢測與測量中大多需要理想的平行光束，從而可 以通過分析被測物對光束的影響得到需要的測試結(jié)果，因此光束平行度的好壞也是影響測 試結(jié)果的另一關(guān)鍵因素。因此在采用激光作為光源時如何提高光束平行度且使得光照分布 均勻成為研究激光測試光源的主要難點之一。國內(nèi)外對于如何提高激光輸出光束的平行度 都進(jìn)行了深入研究，多是采用光束擴(kuò)束的辦法獲得高質(zhì)量的平行光束，但是光束平行度提 高的同時光束光強的分布還是具有高斯分布的特點，作為測試光源時還不是十分理想。而 對于同時得到高平行度且光照均勻的測試光源少見相關(guān)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生 物醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像系統(tǒng)的雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源。該雙擴(kuò)束均勻化平行光照光 源可為本發(fā)明可為光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像系統(tǒng)光束發(fā)散角達(dá)到 0. Olmrad以下，而且濾除了高頻雜散光的穩(wěn)定可靠的均勻化平行光照光源。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，包括一臺激光器，其特點在于其構(gòu)成是在該激 光器的光束輸出方向，依次是同光軸的凹透鏡組、第一凸透鏡、選光光闌、第二凸透鏡、濾波 光闌和第三凸透鏡，所述的濾波光闌位于所述的第二凸透鏡和第三凸透鏡的共焦平面上， 所述的濾波光闌的光闌中心位于所述的第二凸透鏡和第三凸透鏡的共焦點上。所述的第一凸透鏡的直徑為所述的激光器的輸出光束的直徑的十倍以上。所述的選光光闌的光闌口徑為所述的第二凸透鏡直徑的1/10 1/5。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，由第一次擴(kuò)束、第二次擴(kuò)束、光闌選光、光闌 濾波四部分組成。激光器輸出光束先經(jīng)過第一次擴(kuò)束，第一次提高輸出光束的平行度，第一次擴(kuò)束由兩個透鏡組成，激光束先通過一個凹透鏡組形成發(fā)散光光束，發(fā)散光束經(jīng)過一定 距離后通過第一凸透鏡，該凸透鏡組的直徑要超過激光器直接輸出光束直徑的十倍以上以 便接收經(jīng)過第一個凹透鏡擴(kuò)束后的光束，在第一凸透鏡后形成直徑放大十倍的平行光束， 根據(jù)光學(xué)分析理論可知，經(jīng)過第一次擴(kuò)束后再次形成的平行光束的平行度相對激光器直接 輸出光束的平行度提高了十倍。經(jīng)過第一次擴(kuò)束后的光束平行度提高了，但是光強分布還 是成高斯分布的，為了改變光束的光強分布的不均勻性，本發(fā)明采用選光光闌選光的辦法。 具體是在經(jīng)過一次擴(kuò)束部分后的光束方向上設(shè)置一個選光光闌，該選光光闌僅使整個光束 的中心部分通過光闌窗口，通過選光光闌后由于選光光闌的攔光作用，僅使光強高斯分布 的光束中光強最高且光照均勻度達(dá)到85%以上的光束輸出。經(jīng)過一次擴(kuò)束和選光光闌后， 輸出光照均勻度達(dá)到85%以上且光束平行度提高十倍。經(jīng)過第一次擴(kuò)束、光闌選光后光束直徑小且光照均勻度還不能滿足高精度測試或 成像光源的要求。因此，系統(tǒng)采用第二次擴(kuò)束再次提高光束平行度和光照均勻性同時結(jié)合 光闌濾波作用提高系統(tǒng)抗雜光干擾的能力。具體是經(jīng)過選光光闌后的輸出光束進(jìn)入第 二次擴(kuò)束，擴(kuò)大光束直徑提高光照均勻度的同時進(jìn)一步提高光束平行度。第二次擴(kuò)束部分 由第二凸透鏡和第三凸透鏡組成，光束經(jīng)過第二次擴(kuò)束部分中的第二凸透鏡先聚焦，光束 經(jīng)過焦點后再次形成發(fā)散光束，發(fā)散光束經(jīng)過與第二凸透鏡匹配的距離后通過第三凸透鏡 再次形成平行光束，經(jīng)過二次擴(kuò)束部分后光束再次放大五十倍以上，光束平行度由于又提 高了五十倍，同時光照均勻性進(jìn)一步被提高，可達(dá)到95%以上。一般激光器直接輸出光束 發(fā)散角為1 5mrad，經(jīng)過雙擴(kuò)束系統(tǒng)后光束平行度提高了 500倍以上，光束發(fā)散角達(dá)到 0. Olmrad以下。同時為減小雜散光對光束質(zhì)量的影響，系統(tǒng)采用濾波光闌濾波濾除雜散光， 具體是在二次擴(kuò)束部分所述的第二凸透鏡和第三凸透鏡的公共焦平面上的焦點位置上設(shè) 置小孔光闌形成低通濾波器濾除高頻雜散光。綜上所述，本發(fā)明可為光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像系統(tǒng)提供 光束發(fā)散角0. Olmrad以下，而且還濾除了高頻雜散光的穩(wěn)定可靠的均勻化平行光照光源。


圖1是本發(fā)明雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源的光路2是本發(fā)明雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源用于理想光源測試的成像系統(tǒng)光路圖
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖1，圖1為雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源的光路圖，由圖可見，本發(fā)明雙 擴(kuò)束均勻化平行光照光源由一次擴(kuò)束、二次擴(kuò)束、光闌選光、光闌濾波四部分組成。圖1也 是本發(fā)明雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源實施例，包括一臺激光器7，特點在于其構(gòu)成是 在該激光器7的光束輸出方向，依次是同光軸的凹透鏡6、第一凸透鏡5、選光光闌4、第二凸 透鏡3、濾波光闌2和第三凸透鏡1，所述的濾波光闌2位于所述的第二凸透鏡3和第三凸 透鏡1的共焦平面上，所述的濾波光闌的光闌中心位于所述的第二凸透鏡和第三凸透鏡的
4共焦點上。所述的第一凸透鏡5的直徑為所述的激光器7的輸出光束的直徑的十倍以上。 所述的選光光闌4的光闌口徑為所述的第一凸透鏡5的直徑的1/3。圖1中，激光器7輸出發(fā)散角在1 5mrad光強成高斯分布的激光束經(jīng)過第一次 擴(kuò)束部分?jǐn)U束輸出后照射在選光光闌4上，一次擴(kuò)束部分由凹透鏡6和第一凸透鏡5組成， 激光器7輸出光束先經(jīng)過凹透鏡6擴(kuò)束成發(fā)散光束，經(jīng)過一定距離后再經(jīng)過第一凸透鏡組 5匯聚成平行光束照射在選光光闌4上。經(jīng)過一次擴(kuò)束照射在選光光闌4上的光束擴(kuò)束了 10倍，平行度提高了 10倍，光強分布成高斯分布。光束經(jīng)過選光光闌4后，光束被選取了擴(kuò) 束后光束的中心部分，出射光束光強分布均勻性得到改善，光照均勻性達(dá)到85%以上。平行度提高了 10倍且光照均勻性達(dá)到85%以上的平行光束經(jīng)過選光光闌4后，進(jìn) 入二次擴(kuò)束部分。二次擴(kuò)束部分由第二凸透鏡3和第三凸透鏡1組成。經(jīng)過選光光闌4的 光束先經(jīng)過第二凸透鏡3聚焦后再發(fā)散輸出，使得光束二次擴(kuò)束輸出。發(fā)散光束經(jīng)過與第 二凸透鏡3匹配的距離后通過第三凸透鏡1再次匯聚成平行光束輸出，經(jīng)過二次擴(kuò)束后的 光束平行度再次提高50倍以上，結(jié)合一次擴(kuò)束部分的作用，經(jīng)過第三凸透鏡1輸出的平行 光束平行度相對激光器7直接輸出光束的平行度提高了 500倍以上，當(dāng)激光器7直接輸出 光束發(fā)散角為1 5mrad時，經(jīng)過第三凸透鏡1的輸出光束發(fā)散角約為0. 002 0. Olmrad0 同時經(jīng)過二次擴(kuò)束后的光束光強分布得到進(jìn)一步的改善，光照均勻度達(dá)到95%以上。在二 次擴(kuò)束部分中，為了提高系統(tǒng)抗雜光干擾能力，在第二凸透鏡3后光束匯集的焦點上設(shè)置 濾波光闌2，濾波光闌2起到低通空間濾波器的作用，有效的濾除空間高頻雜散光對系統(tǒng)的 干擾。光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像系統(tǒng)均需要通過分析被測物體 對于標(biāo)準(zhǔn)光源的影響來得到測試結(jié)果，因此得到理想的標(biāo)準(zhǔn)光源的同時還需要對采用理想 光源進(jìn)行測試的結(jié)果進(jìn)行成像檢驗。作為檢測、測量以及成像等系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光源，最終的檢測結(jié)果的獲得均需要通過 成像系統(tǒng)成像后進(jìn)行分析獲得。該成像系統(tǒng)通過共光路分光成像部分實現(xiàn)對被測結(jié)果的成 像。該成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在二次擴(kuò)束部分的第二凸透鏡3和第三凸透鏡1之間設(shè) 置分光鏡10，將帶有被測物體的反射光束反射至成像光路，經(jīng)過分光鏡10反射分光后，像 光束再經(jīng)過成像鏡頭9將測試結(jié)果成像在光電探測器8的成像面上。采用由被測物體11、 分光鏡10、成像鏡頭9和光電探測器8組成的共光路分光成像系統(tǒng)來實現(xiàn)測試結(jié)果的成像。 具體實現(xiàn)是經(jīng)過雙擴(kuò)束系統(tǒng)從第三凸透鏡1輸出的標(biāo)準(zhǔn)平行光束照射在被測物體11上， 光束經(jīng)過被測物體11反射后，帶有被測物體11信息的反射光經(jīng)過第三凸透鏡1與照明光 束共光路的返回經(jīng)過所述的分光鏡10反射后進(jìn)入成像鏡頭9和光電探測器8，其中分光鏡 10鍍有對激光波長對應(yīng)的半透半反膜層。經(jīng)過所述的分光鏡10反射的被測光經(jīng)過成像鏡 頭9成像在所述的光電探測器8上。在光電探測器8上的成像結(jié)果是幾乎消除了所有光束 質(zhì)量誤差后被測物體信息的真實反映。實驗表明，本發(fā)明可為光學(xué)檢測、光學(xué)測量、生物醫(yī)學(xué)分析以及光學(xué)成像系統(tǒng)提供 光束發(fā)散角0. Olmrad以下，而且還濾除了高頻雜散光的穩(wěn)定可靠的均勻化平行光照光源。
權(quán)利要求
1.一種雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，包括一臺激光器(7)，特征在于其構(gòu)成是在該激 光器(7)的光束輸出方向，依次是同光軸的凹透鏡(6)、第一凸透鏡(5)、選光光闌、第 二凸透鏡(3)、濾波光闌( 和第三凸透鏡(1)，所述的濾波光闌( 位于所述的第二凸透 鏡C3)和第三凸透鏡(1)的共焦平面上，所述的濾波光闌的光闌中心位于所述的第二凸透 鏡和第三凸透鏡的共焦點上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，其特征在于所述的第一凸透鏡 (5)的直徑為所述的激光器(7)的輸出光束直徑的十倍以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，其特征在于所述的選光光闌 (4)的光闌口徑為所述的第一凸透鏡(3)直徑的1/10 1/5。
全文摘要
一種適用于檢測、測量和成像的雙擴(kuò)束均勻化平行光照光源，包括一臺激光器，特點在于其構(gòu)成是在該激光器的光束輸出方向，依次是同光軸的凹透鏡、第一凸透鏡、選光光闌、第二凸透鏡、濾波光闌和第三凸透鏡，所述的選光光闌口徑為第一凸透鏡直徑的1/10～1/5，所述的濾波光闌位于所述的第二凸透鏡和第三凸透鏡的共焦平面上，所述的濾波光闌的光闌中心位于所述的第二凸透鏡和第三凸透鏡的共焦點上。本發(fā)明光源可向檢測、測量以及成像等系統(tǒng)提供光照均勻度大于95％發(fā)散角小于0.01mrad的平行光光源，可為檢測、測量和成像等系統(tǒng)提供的光源，可排除因光源光束質(zhì)量誤差對測量結(jié)果的影響，可有效地保證測量結(jié)果的真實可靠。
文檔編號F21V5/04GK102121664SQ20101060106
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者林大健, 葛瑞紅, 趙智亮, 陳立華 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心, 成都太科光電技術(shù)有限責(zé)任公司