CN102121664B - 双扩束均匀化平行光照光源 - Google Patents

Abstract

一种适用于检测、测量和成像的双扩束均匀化平行光照光源，包括一台激光器，特点在于其构成是在该激光器的光束输出方向，依次是同光轴的凹透镜、第一凸透镜、选光光阑、第二凸透镜、滤波光阑和第三凸透镜，所述的选光光阑口径为第一凸透镜直径的1/10～1/5，所述的滤波光阑位于所述的第二凸透镜和第三凸透镜的共焦平面上，所述的滤波光阑的光阑中心位于所述的第二凸透镜和第三凸透镜的共焦点上。本发明光源可向检测、测量以及成像等系统提供光照均匀度大于95％发散角小于0.01mrad的平行光光源，可为检测、测量和成像等系统提供的光源，可排除因光源光束质量误差对测量结果的影响，可有效地保证测量结果的真实可靠。

Description

双扩束均匀化平行光照光源

技术领域

本发明涉及激光光源，特别是一种双扩束均匀化平行光照光源，是一种适用于检测、测量和成像等的光照均匀的平行光激光光源。

背景技术

光照均匀的平行光光源在光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像等领域均有广泛应用。随着激光技术的迅速发展，采用激光光源作为光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像系统的测试光源越来越受到人们的广泛关注。近年来，国内外对于如何有效利用激光特性，合理地解决激光光源本身特性对于光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像等系统影响的研究正在成为光学领域的热点研究课题之一。

采用激光作为光源具有单色性、单向性和高能量等特点，但是由于激光本身的特性使得激光作为测试光源也存在其固有的缺点，主要表现为激光输出光强的高斯分布和光束输出的平行度相对较低。输出光强的高斯分布使得其作为测试光源时系统背景光照成高斯分布的不均匀照明。另外在高精度分析、检测与测量中大多需要理想的平行光束，从而可以通过分析被测物对光束的影响得到需要的测试结果，因此光束平行度的好坏也是影响测试结果的另一关键因素。因此在采用激光作为光源时如何提高光束平行度且使得光照分布均匀成为研究激光测试光源的主要难点之一。国内外对于如何提高激光输出光束的平行度都进行了深入研究，多是采用光束扩束的办法获得高质量的平行光束，但是光束平行度提高的同时光束光强的分布还是具有高斯分布的特点，作为测试光源时还不是十分理想。而对于同时得到高平行度且光照均匀的测试光源少见相关的研究。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像系统的双扩束均匀化平行光照光源。该双扩束均匀化平行光照光源可为本发明可为光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像系统光束发散角达到0.01mrad以下，而且滤除了高频杂散光的稳定可靠的均匀化平行光照光源。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双扩束均匀化平行光照光源，包括一台激光器，其特点在于其构成是在该激光器的光束输出方向，依次是同光轴的凹透镜组、第一凸透镜、选光光阑、第二凸透镜、滤波光阑和第三凸透镜，所述的滤波光阑位于所述的第二凸透镜和第三凸透镜的共焦平面上，所述的滤波光阑的光阑中心位于所述的第二凸透镜和第三凸透镜的共焦点上。

所述的第一凸透镜的直径为所述的激光器的输出光束的直径的十倍以上。

所述的选光光阑的光阑口径为所述的第二凸透镜直径的1/10～1/5。

本发明的技术效果如下：

本发明双扩束均匀化平行光照光源，由第一次扩束、第二次扩束、光阑选光、光阑滤波四部分组成。激光器输出光束先经过第一次扩束，第一次提高输出光束的平行度，第一次扩束由两个透镜组成，激光束先通过一个凹透镜组形成发散光光束，发散光束经过一定距离后通过第一凸透镜，该凸透镜组的直径要超过激光器直接输出光束直径的十倍以上以便接收经过第一个凹透镜扩束后的光束，在第一凸透镜后形成直径放大十倍的平行光束，根据光学分析理论可知，经过第一次扩束后再次形成的平行光束的平行度相对激光器直接输出光束的平行度提高了十倍。经过第一次扩束后的光束平行度提高了，但是光强分布还是成高斯分布的，为了改变光束的光强分布的不均匀性，本发明采用选光光阑选光的办法。具体是在经过一次扩束部分后的光束方向上设置一个选光光阑，该选光光阑仅使整个光束的中心部分通过光阑窗口，通过选光光阑后由于选光光阑的拦光作用，仅使光强高斯分布的光束中光强最高且光照均匀度达到85％以上的光束输出。经过一次扩束和选光光阑后，输出光照均匀度达到85％以上且光束平行度提高十倍。

经过第一次扩束、光阑选光后光束直径小且光照均匀度还不能满足高精度测试或成像光源的要求。因此，系统采用第二次扩束再次提高光束平行度和光照均匀性同时结合光阑滤波作用提高系统抗杂光干扰的能力。具体是：经过选光光阑后的输出光束进入第二次扩束，扩大光束直径提高光照均匀度的同时进一步提高光束平行度。第二次扩束部分由第二凸透镜和第三凸透镜组成，光束经过第二次扩束部分中的第二凸透镜先聚焦，光束经过焦点后再次形成发散光束，发散光束经过与第二凸透镜匹配的距离后通过第三凸透镜再次形成平行光束，经过二次扩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，同时光照均匀性进一步被提高，可达到95％以上。一般激光器直接输出光束发散角为1～5mrad，经过双扩束系统后光束平行度提高了500倍以上，光束发散角达到0.01mrad以下。同时为减小杂散光对光束质量的影响，系统采用滤波光阑滤波滤除杂散光，具体是在二次扩束部分所述的第二凸透镜和第三凸透镜的公共焦平面上的焦点位置上设置小孔光阑形成低通滤波器滤除高频杂散光。

综上所述，本发明可为光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像系统提供光束发散角0.01mrad以下，而且还滤除了高频杂散光的稳定可靠的均匀化平行光照光源。

附图说明

图1是本发明双扩束均匀化平行光照光源的光路图

图2是本发明双扩束均匀化平行光照光源用于理想光源测试的成像系统光路图

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为双扩束均匀化平行光照光源的光路图，由图可见，本发明双扩束均匀化平行光照光源由一次扩束、二次扩束、光阑选光、光阑滤波四部分组成。图1也是本发明双扩束均匀化平行光照光源实施例的结构示意图。

本发明双扩束均匀化平行光照光源实施例，包括一台激光器7，特点在于其构成是在该激光器7的光束输出方向，依次是同光轴的凹透镜6、第一凸透镜5、选光光阑4、第二凸透镜3、滤波光阑2和第三凸透镜1，所述的滤波光阑2位于所述的第二凸透镜3和第三凸透镜1的共焦平面上，所述的滤波光阑的光阑中心位于所述的第二凸透镜和第三凸透镜的共焦点上。所述的第一凸透镜5的直径为所述的激光器7的输出光束的直径的十倍以上。所述的选光光阑4的光阑口径为所述的第一凸透镜5的直径的1/3。

图1中，激光器7输出发散角在1～5mrad光强成高斯分布的激光束经过第一次扩束部分扩束输出后照射在选光光阑4上，一次扩束部分由凹透镜6和第一凸透镜5组成，激光器7输出光束先经过凹透镜6扩束成发散光束，经过一定距离后再经过第一凸透镜组5汇聚成平行光束照射在选光光阑4上。经过一次扩束照射在选光光阑4上的光束扩束了10倍，平行度提高了10倍，光强分布成高斯分布。光束经过选光光阑4后，光束被选取了扩束后光束的中心部分，出射光束光强分布均匀性得到改善，光照均匀性达到85％以上。

平行度提高了10倍且光照均匀性达到85％以上的平行光束经过选光光阑4后，进入二次扩束部分。二次扩束部分由第二凸透镜3和第三凸透镜1组成。经过选光光阑4的光束先经过第二凸透镜3聚焦后再发散输出，使得光束二次扩束输出。发散光束经过与第二凸透镜3匹配的距离后通过第三凸透镜1再次汇聚成平行光束输出，经过二次扩束后的光束平行度再次提高50倍以上，结合一次扩束部分的作用，经过第三凸透镜1输出的平行光束平行度相对激光器7直接输出光束的平行度提高了500倍以上，当激光器7直接输出光束发散角为1～5mrad时，经过第三凸透镜1的输出光束发散角约为0.002～0.01mrad。同时经过二次扩束后的光束光强分布得到进一步的改善，光照均匀度达到95％以上。在二次扩束部分中，为了提高系统抗杂光干扰能力，在第二凸透镜3后光束汇集的焦点上设置滤波光阑2，滤波光阑2起到低通空间滤波器的作用，有效的滤除空间高频杂散光对系统的干扰。

光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像系统均需要通过分析被测物体对于标准光源的影响来得到测试结果，因此得到理想的标准光源的同时还需要对采用理想光源进行测试的结果进行成像检验。

作为检测、测量以及成像等系统的标准光源，最终的检测结果的获得均需要通过成像系统成像后进行分析获得。该成像系统通过共光路分光成像部分实现对被测结果的成像。该成像系统结构如图2所示，在二次扩束部分的第二凸透镜3和第三凸透镜1之间设置分光镜10，将带有被测物体的反射光束反射至成像光路，经过分光镜10反射分光后，像光束再经过成像镜头9将测试结果成像在光电探测器8的成像面上。采用由被测物体11、分光镜10、成像镜头9和光电探测器8组成的共光路分光成像系统来实现测试结果的成像。具体实现是：经过双扩束系统从第三凸透镜1输出的标准平行光束照射在被测物体11上，光束经过被测物体11反射后，带有被测物体11信息的反射光经过第三凸透镜1与照明光束共光路的返回经过所述的分光镜10反射后进入成像镜头9和光电探测器8，其中分光镜10镀有对激光波长对应的半透半反膜层。经过所述的分光镜10反射的被测光经过成像镜头9成像在所述的光电探测器8上。在光电探测器8上的成像结果是几乎消除了所有光束质量误差后被测物体信息的真实反映。

实验表明，本发明可为光学检测、光学测量、生物医学分析以及光学成像系统提供光束发散角0.01mrad以下，而且还滤除了高频杂散光的稳定可靠的均匀化平行光照光源。

Claims (3)

1.一种双扩束均匀化平行光照光源，包括一台激光器（7），特征在于其构成是在该激光器（7）的光束输出方向，依次是同光轴的凹透镜（6）、第一凸透镜（5）、选光光阑（4）、第二凸透镜（3）、滤波光阑（2）和第三凸透镜（1），所述的滤波光阑（2）位于所述的第二凸透镜（3）和第三凸透镜（1）的共焦平面上，所述的滤波光阑的光阑中心位于所述的第二凸透镜和第三凸透镜的共焦点上，所述的激光器（7）输出光束先经过凹透镜（6）扩束成发散光束，经过一定距离后再经过第一凸透镜组（5）汇聚成平行光束照射在所述的选光光阑（4）上。

2.根据权利要求1所述的双扩束均匀化平行光照光源，其特征在于所述的第一凸透镜（5）的直径为所述的激光器（7）的输出光束直径的十倍以上。

3.根据权利要求1所述的双扩束均匀化平行光照光源，其特征在于所述的选光光阑（4）的光阑口径为所述的第一凸透镜（3）直径的1/10～1/5。

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