CN101303457A - 一种波前重组的光束准直均匀方法及其光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波前重组的光束准直均匀方法及其光源系统，具体为：将光源发出的光通过透镜组会聚，会聚光经由一光纤束导出，并使光纤导出光直接经过准直透镜，得到准直均匀的光束或者在光纤导出光穿射一小孔光阑后，再经过准直透镜，得到准直均匀的光束。本发明通过利用光纤束作为波前重组光波均匀器件，并控制准直度并保证均匀度，得到优化结果。利用该方法设计的光源系统结构简单紧凑，可以应用于对准直度和均匀度要求都很高的光学系统。

Description

一种波前重组的光束准直均匀方法及其光源系统

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其是一种波前重组的光束准直均匀方法及其光源系统。

背景技术

随着近年来发光二极管(LED)光效的不断提高和大功率LED的开发，LED的应用领域也在不断扩展，已开始被应用于仪器光源。它体积小、结构简单、价格低，在仪器的小型化和集成化方面具有很大优势。但是，在很多光学系统中，如光学椭偏成像仪、太阳仿真器的照明系统、可用于农作物培养的生物光源、缺陷检测仪器等，需要采用扩展的平行光照明待测面，不仅要求被照面上有一定的光照强度，还对准直光束截面的光强均匀性要求很高，一般要求均匀度在90％以上。而LED的发散角大，光强呈大致的余弦分布，通常被认为是近似的朗伯光源，这样的光场分布，如果不经过合适的光学系统处理而直接应用于仪器光源，难以满足仪器照明系统所需要达到的性能指标。而且LED的芯片表面有金属电极的接触面，对光发射有一定干扰，容易产生中央暗斑，凸显其芯片表面的不均匀性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能使光源分解，并按一定规律排列，再使光波叠加，从而达到光强分布均匀、准直度高的波前重组的光束准直均匀方法，本发明的进一步目的是提供一种实施上述方法的光源系统。

为实现上述目的，本发明一种波前重组的光束准直均匀方法，具体为：将光源发出的光通过透镜组会聚，会聚光经由一光纤束导出，射出光经过准直透镜的透射后，可得到准直均匀的光束。

进一步，所述光纤导出光经过准直透镜前穿射一小孔光阑。

进一步，所述小孔光阑位于所述准直透镜的焦点上。

一种实施上述方法的波前重组的光束准直均匀光源系统包括LED光源、透镜组、光纤束和准直透镜。LED光源发出光波经过透镜组会聚成光斑，该光斑经由光纤束传输，光纤束输出光直接经过准直透镜后输出准直均匀光束。

进一步，所述系统可添加一小孔光阑，所述光纤束输出光先穿射小孔光阑，该小孔光阑设置在准直透镜的焦点上，小孔光阑输出光再通过准直透镜后输出准直均匀光束。

进一步，所述光纤束采用多模光纤。

进一步，波前重组光波均匀器件也可以是蝇眼透镜、匀光棒等光学元件。

本发明通过利用光纤束作为波前重组光波均匀器件，并能够控制出射光束准直度并保证均匀度。利用该方法设计的光源系统结构简单紧凑，可以应用于对准直度和均匀度要求都很高的光学系统。

附图说明

图1为本发明光波准直均匀方法原理图；

图2为光纤多次全反射匀光原理；

图3为本发明光源系统结构示意图；

图4为准直透镜的光路优化设计图。

具体实施方式

根据波动理论，光波从波源向一定方向传播，在某一时刻，波所到达的空间内，具有同位相的各点所组成的面称为波阵面。离波源最远的波阵面称为波前。根据波前的不同，可以将波动分为不同的形式，如波前为平面的是平面波，波前为球面的是球面波。由普通的发光二级管在近距离得到的光波，波的幅度并不均匀，波前既不是平面也不是球面，其幅度在中心轴线附近最强，离开轴线越远光场越弱。波前重组的光波均匀方法的原理如图1所示，将光波分离为多个波前，并按一定的要求进行排列，使强度分布曲线中高低部分对应叠加，合成后的强度分布在一定范围内。合成波的某些叠加部分光强比较均匀，可近似看作均匀发光点，再由准直透镜将其波前变换为近似平面波。

这种波前重组的均匀方法的特点是有一个能使光源分解，并按一定规律排列的光学部件，本发明中采用光纤束作为光源分解和重新规律排列的光学部件，光纤束结构简单、造价低、均匀性好，并且以其柔软型可在空间内进行很好的布置，易于固定和调试，从而为利用本发明所制备的光源系统提供了可发展的空间。

光纤一般由圆柱状介质组成，其内层纤芯的折射率比外层包层的折射率大，当入射光在光纤内的入射角大于全反射临界角时，在两层界面上发生多次全反射，光从光纤的一端传到另一端。传光光纤一般采用多模光纤，可以同时传输多种模式的光波。它把以光波形式出现的电磁能量，利用全反射的原理约束在其波导内，并引导光波沿着与光纤轴线平行的方向传播。

光束在单根光纤内传播时，从入射面上实际光点发出的光线经过反射后，在几何上可以看作是从一个虚光点发出的光线。如图2所示，从入射面上点A发出的光线经反射后的BC段，等同于从A1发出的光线A1C，并且A与A1相对于反射截面对称。这样入射面上每个光点经同一次反射所对应的虚光点组成了与入射光斑类似的虚光源。随着反射次数的增多，虚光源的个数也增多，并对称分布，即光纤起到了将入射光波的波前分割的作用。经过不同的路线，多列波传播最后均在后端面重合，光波又叠加起来。光纤输出面上的每个点都将得到来自光源的不同角度光照射，入射面的光能量被重新分布。光纤束是将若干根乃至上万根光纤集束，两端端面经过光学研磨抛光，外加保护套管制成，由于光纤数量多，可以达到更高的传光效率。而且组成传光光纤束的光纤是无序排列的，入射面的每根光纤都得到来自光源一定角度范围的光照射，相当于光源被分割为多部分，并经过不同的路线传播。随着光波的传输，出射端的光纤随机排列，出射光强叠加起来，即入射面的光能量被重新组合，出射光束截面光强分布较为均匀。由于光纤的直径与长度的比值很小，光线在光纤中经过的反射次数多，更好地发挥波前重组的优势，并且具有传光效率高、数值孔径大、可将光能量经弯曲、长距离地传输等特性。

利用以上波前重组的准直均匀方法，使LED光源发光转变为光强均匀的光斑，再通过优化准直光路，可以得到光强分布均匀、准直度高、结构简单的平行光照明系统。如图3所示，LED光源发出的光束被透镜组会聚成光斑，并入射到光纤束。入射光在光纤内经过多次反射，汇聚于出射面。此时入射光波的波前已被重新组合，光强重新分布，得到均匀出射的光点。光纤出射端可置一个小孔光阑，位于准直透镜的焦点，经过准直透镜后将光束平行出射。实际应用中光纤束可替换为蝇眼透镜、匀光棒等能使光源分解、并按一定要求排列、再进行组合叠加的光学元件。

小孔光阑在这里作为空间滤波器，仅使低频光通过，遮挡杂散光。通过减小光阑可以提高光路的准直度和均匀度，但光能利用率下降，而且由于LED表面电极的影响，当光阑变小时，LED芯片表面的不均匀性显现出来，给成像带来新的光强分布不均匀问题。为了平衡这几个参量的关系，光阑直径范围在0.3mm-1mm之间。

得到均匀出射的光点后，还需经过准直光路使光束准直。由于准直透镜的像差影响出射光束中心光线的平行度和光束的准直角，从而也会影响截面光强的均匀性，所以还需要通过光学设计优化准直光路。为了缩短结构尺寸，准直透镜应具有较小的焦距和较大的相对孔径，以收集更多的光能。这里只采用一个单片透镜，第二面采用非球面，使结构紧凑，并可以有效减小球差，提高准直度。利用光学设计软件可以方便地对透镜的准直效果进行模拟和优化，得到合适的透镜参数。为了得到符合要求的光强分布，可以通过控制准直透镜后出射光线的高度，保证光线的实际高度与理想高度尽可能一致，以控制准直度、保证均匀度。设计完成后的光路图如图4所示。

准直光束的发散角θ可由下式确定：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{D}{2f}$

其中D为光阑直径，f为准直透镜焦距。

Claims (7)

1、一种波前重组的光束准直均匀方法，具体为：将光源发出的光通过透镜组会聚，会聚光经由一光纤束导出，并使光纤导出光经过准直透镜，得到准直均匀的光束。

2、如权利要求1所述的一种波前重组的光束准直均匀方法，其特征在于，所述光纤导出光经过准直透镜前穿射一小孔光阑。

3、如权利要求2所述的波前重组的光束准直均匀方法，其特征在于，所述小孔光阑位于所述准直透镜的焦点上。

4、如权利要求1所述的波前重组的光束准直均匀方法，其特征在于，所述光纤束可替换为蝇眼透镜、匀光棒等能使光源分解、并按一定要求排列、再进行组合叠加的光学元件。

5、一种实施权利要求1所述方法的波前重组的光束准直均匀光源系统，其特征在于，该系统包括LED光源、透镜组、光纤束和准直透镜，LED光源发出光波经过透镜组会聚成光斑，该光斑经由光纤束传输，光纤束输出光直接通过准直透镜后输出准直均匀光束。

6、如权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述光纤束采用多模光纤。

7、如权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述系统可添加一小孔光阑，所述光纤束输出光先穿射小孔光阑，该小孔光阑设置在准直透镜的焦点上，小孔光阑输出光再通过准直透镜后输出准直均匀光束。

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