CN102095086A - 匀光器及其光纤面板的用途 - Google Patents

Abstract

匀光器及其光纤面板的用途。使用焦距等于或大于16mm的CCD摄像机，近场标志器在较近距离范围内成像后有可能出现花瓣，均匀性不能满足要求。要解决花瓣问题，特别是近场标志器，必须在原设计的基础上增加匀光器。本产品的组成包括：圆筒形壳体(6)，所述的圆筒形壳体一端安装高均匀性光学纤维面板(7)，另一端安装发光组合，所述的发光组合包括电路板(4)和一组发光器件(1)。本产品是用于近场标志器解决其均匀性问题的重要设施。

Description

匀光器及其光纤面板的用途

技术领域：

本发明涉及一种主动光学(目标)标志的匀光设备。 

背景技术：

一种主动光学(目标)标志器，为了具有体积小、重量轻和功耗少的优点，同时保障可靠性高、寿命长，并且满足辐射功率大的要求，标志器的光源优选数只或数十只LEDs/IREDs器件组成，但是其中每个器件都是点光源。这样的标志器辐射光强的空间分布是不均匀的，在作为CCD光学成像敏感器合作目标的应用中，在较近距离范围内成像后会出现花瓣。尽管标志器的近场花瓣问题与摄像机的焦距有关，但是最根本的原因还是标志器的光源是数个或数十个点光源组成的，而且彼此之间又必须有一定的距离，只要摄像机焦距足够长，例如焦距等于或大于16mm，如果不加特别措施，成像后必然出现花瓣。如果LEDs/IREDs器件的工作电流过小，使其处于欠辐射状态，也是出现花瓣的一个可能的原因。 

显然，为了保证标志器辐射波束单峰、平滑和对称的要求，在采用圆柱形结构后，还必须消除上述花瓣问题，其简单易行的方法有二：一是尽可能减少发光器件发光点间的距离，发光点间距离越小，花瓣越轻微；二是保障发光器件工作是处于正常工作状态。但是，由于LEDs/IREDs器件有一定尺寸，且考虑散热问题，器件之间必须有一定的距离，因此真正解决花瓣问题，特别是近场标志器，必须在原设计的基础上增加匀光器。 

现有匀光器方案是在由下列五种匀光器方案的融合和优选出来的，即 

1.基于积分球原理的方案：在理论上该方案可实现的匀光性能最好，但是试验表明：效率差，结构较复杂，实现较困难，不能保持体积、重量和功耗都比较小的优点。 

2.使用菲涅尔透镜和复眼镜的方案：复眼镜的小透镜不能做得足够小，匀光性受到限制，不能满足要求，体积也比较大。 

3.基于微粒导光板的方案：微粒导光板又称匀光板，在可见光波段且对均匀性要求不高的情况下可以使用，目前国内尚无近红外波段的匀光板。 

4.软光纤方案：每根光纤相当于复眼镜的一个小透镜，而光纤的直径只有几～几十微米，将数万根的光纤适当排布后可以实现所要求的匀光性。但是，由于手工排布，能够实现的发光面较小，精度较差，当发光面较大时，输入端与LEDs/IREDs的耦合也有困难，会降低传输效率。 

5.硬光纤方案：硬光纤即光学纤维面板，简称光纤面板，是由光学纤维与特种玻璃材料溶结而成。 

光纤面板可以实现点光源到扩展面光源的转变，同时具有光的聚集和增强作用。在积分球的输出口面上加上光纤面板，不但能增强辐射光束的均匀性，而且能增强所用波束范围内的光强，在保持单峰、平滑、对称前提下，可以简化发光组件与积分球的耦合，保持体积、重量和功耗都比较小的优点，并且对LEDs/IREDs器件一致性和机械加工精度要求大幅度降低。 

发明内容：

本发明的目的是针对近场标志器光束成像后的花瓣问题，提供一种匀光器，能实现标志器数个点光源向扩展面光源的转变，使其发光面上的亮度逼近均匀分布，成像后像斑的空间分布不出现不可接受的花瓣，并且单峰、平滑与对称。 

上述的目的通过以下的技术方案实现： 

匀光器，其组成包括：圆筒形壳体，所述的圆筒形壳体一端安装高均匀性光学纤维面板，另一端安装发光组合，所述的发光组合包括电路板和一组发光器件。 

所述的匀光器，所述的发光器件为发光二极管或者为近红外发光二极管。 

所述的匀光器，所述的发光器件的排列方式为一只发光器件安装在中心，其余发光器件安装在围绕中心发光器件呈圆形布局且其轴向与中心发光器件轴向之间具有一定倾角。 

所述的匀光器，所述的发光器件之间具有LED骨架，所述的LED骨架 下面具有LED支撑架，所述的电路板外围具有挡环。 

一种光纤面板在实现点光源到扩展面光源的转变上的应用。 

有益效果： 

1.本发明发光器件使用发光二极管(LEDs)或近红外发光二极管(IREDs)，规格为T-13/4(Φ5mm)，其体积小、重量轻、功耗少、作用范围大、稳定性高、可靠性强，并且对其工作状态进行了I类降额，寿命长(大于10年)。发光器件使用IREDs，容易消除阳光及其它杂散光的干扰。 

2.本发明的圆柱形的主体结构，容易实现圆锥形的辐射波束，且具有单峰、平滑和对称的特点，并且波束形状容易调整，可根据应用要求确定。 

3.本发明采用的高均匀性光学纤维面板即光纤面板是由数千万根的光导纤维规则排列后加温、加压熔合而成的，它在光学上具有零厚度，具有很高的集光能力和分辨率，是性能优良的光电成像和图像传输元件。在结构成分中，减少原有的吸收材料和适当增加原缺少的抗辐照材料，可以提高所传输光波的均匀性，并且可以工作在强辐照等恶劣环境中。 

4.本发明采用的高均匀性光学纤维面板即光纤面板，其主要特性如下： 

纤维直径：6±1μm 

膨胀系数：(89±3)×10-7/℃ 

理论数值孔径：NA＞1 

真空气密性：≤5×10-9乇·升/秒 

光谱透过范围：400～1200nm光谱透过率差值≤15％ 

准直透射比＞72％，漫射透射比＞65％ 

透射比均匀性：有效面积内任意两处透射比之差不大于5％ 

允许的鸡丝数和污点数：尽可能少，且不集中分布 

剪切畸变：≤30μm；蛇形畸变：≤40μm；像位移：≤100μm 

在匀光器应用中的光透过率：≥85％ 

在总剂量15Krad(Si)辐照后其900～1100nm波段光透过率的下降≤3.5％能在-60℃-70℃温度环境中正常工作 

光纤面板可以实现点光源到扩展面光源的转变，同时具有光路的聚集和增强作用。在积分球的输出口面上加上光纤面板，不但能增强辐射光束的均匀性，而且能增强所用波束范围内的光强，在保持单峰、平滑、对称前提下，可以简化发光组件与积分球的耦合，保持体积、重量和功耗都比较小的优点。与原方案比较，这种方案除增加匀光器外，其它结构不变，对IREDs器件一致性和机械加工精度要求大幅度降低，所以更简单易行，试验表明其性能满足指标要求。可以实现将所用数只或数十只LEDs/IREDs的点光源到扩展面光源的转变，同时具有光路的聚集和增强作用。不但能增强辐射光束的均匀性，而且使匀光区的损失小，能增强所用波束范围内的光强，在保持单峰、平滑、对称前提下，可以简化发光组件与积分球的耦合，保持体积、重量和功耗都比较小的优点。 

5.从附图3可以看出，采用光纤面板，无论几个IREDs器件工作，只要工作电流不小于40mA，成像面上的像班都是很好的圆，可以精确地确定形(质)心。当工作电流为40mA时，辐射功率约为4.8mW，输出功率潜力大。 

6.从附图4可以看出，当摄像机不允许饱和时，通过减小光圈或减少积分时间或加衰减器等方法，硬光纤方案仍能满足工作要求，更有利于反杂光干扰；即使相对姿态达到22.5度，或者发光器件出现故障，成像仍然是很好的圆，单峰对称，可以精确地确定形(质)心。 

7.从附图5可以看出，在每个位置的成像都是单峰对称的，有利于质心的精确确定。 

8.从附图6可以看出，光纤面板的空间光强分布曲线呈单峰平滑对称，发散角足够宽，22.5度亮度相对值为85.6％＞84％，满足任务书要求。 

附图说明：

附图1是本发明的主视结构示意图。 

附图2是本发明的俯视结构示意图。 

附图3是摄像机允许饱和时硬光纤样灯在2米远处发光器件故障状态的试验结果，图中(a)是8只管工作，工作电流是20mA；(b)是7只管工作， 工作电流是30mA；(c)是6只管工作，工作电流是40mA；(d)是1只管工作，工作电流是40mA；(e)是2只管工作，工作电流是40mA；(f)是4只管工作，工作电流是40mA。 

附图4是摄像机不允许饱和时硬光纤样灯在2米远处发光器件故障状态的试验结果，图中(a)是8只管工作，样灯相对于摄像机的姿态是0度；(b)是8只管工作，样灯相对于摄像机的姿态是左22.5度；(c)是8只管工作，样灯相对于摄像机的姿态是右22.5度；(d)是6只管工作；(e)是4只管工作；(f)是7只管工作，工作电流都是400mA，辐射功率约为48mW。 

附图5是硬光纤样灯相对于摄像机0度至40度的试验结果，图中(a)是0度；(b)是+5度；(c)是+10度；(d)是+15度；(e)是+20度；(f)是+22.5度；(g)是-5度；(h)是-10度；(i)是-15度；(j)是-20度；(k)是-22.5度；(l)是+25度；(m)是+30度；(n)是+35度；(o)是+40度；(p)是-25度；(q)是-30度；(r)是-35度；(s)是-40度。 

附图6是硬光纤样灯的空间光强分布曲线。 

具体实施方式：

实施例1： 

匀光器，其组成包括：圆筒形壳体6，所述的圆筒形壳体一端安装高均匀性光学纤维面板7，另一端安装发光组合，所述的发光组合包括电路板4和一组发光器件1。所述的发光器件为发光二极管。 

一种本产品为光纤面板在实现点光源到扩展面光源的转变上的应用的特例，光纤面板还可以应用到其他的用途。 

实施例2： 

上述的匀光器，所述的发光器件之间具有LED骨架2，所述的LED骨架下面具有LED支撑架3，所述的电路板外围具有挡环5。 

所述的发光器件为为近红外发光二极管。 

原件特性要求： 

在发光组合使用一组IREDs且满足I类降额的条件下，主要光电特性如 下： 

(1)正向电流IF：I_F＝120～140mA； 

(2)正向电压V_F：V_F＝2.2～2.6V(在电路板上测量)； 

(3)峰值波长λ_p： ${\mathrm{\λ}}_p={\mathrm{\λ}}_{p_0}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_p$ |Δλ_p|≤2nm； 

(4)谱线宽度Δλ_0.5：Δλ_0.5≤52nm； 

(5)辐射光束特点：呈圆锥形，单峰，平滑，对称； 

(6)总辐射功率P₀：P₀≥30mW； 

(7)辐亮度指标Len： 

Claims (6)

1.一种匀光器，其组成包括：圆筒形壳体，其特征是：所述的圆筒形壳体一端安装高均匀性光学纤维面板，另一端安装发光组合，所述的发光组合包括电路板和一组发光器件。

2.根据权利要求1所述的匀光器，其特征是：所述的发光器件为发光二极管或者为近红外发光二极管。

3.根据权利要求1或2所述的匀光器，其特征是：所述的发光器件的排列方式为一只发光器件安装在中心，其余发光器件安装在围绕中心发光器件呈圆形布局且其轴向与中心发光器件轴向之间具有一定倾角。

4.根据权利要求1或2所述的匀光器，其特征是：所述的发光器件之间具有LED骨架，所述的LED骨架下面具有LED支撑架，所述的电路板外围具有挡环。

5.根据权利要求3所述的匀光器，其特征是：所述的发光器件之间具有LED骨架，所述的LED骨架下面具有LED支撑架，所述的电路板外围具有挡环。

6.一种光纤面板在实现点光源到扩展面光源的转变上的应用。 

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