CN102981276A - 一种线状光束整形光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线状光束整形光学系统，包括激光光源、光纤耦合系统、光纤、光束聚焦系统，光束聚焦系统包括透镜组和线状光束整形系统，线状光束整形系统包括一个柱面透镜和一个改进型鲍威尔棱镜；由激光光源发射的激光，经过光纤耦合系统耦合进入光纤，再经光纤传输后，入射到球面透镜组，从球面透镜组出射的光束，经过柱面透镜+改进型鲍威尔棱镜组，在空间上形成一个笤帚状光束，该笤帚型光束在纵向上逐渐聚焦，在横向上则呈扇形发射，在纵向上聚焦点出，最终形成一能量均匀分布，具有一定张角，长度和宽度符合道路探测，轨道检测等应用需要的线状光束。

Description

一种线状光束整形光学系统

技术领域

 本发明涉及一种线状光束整形光学系统，特别是涉及一种道路测量用照明线状光束整形光学系统。

背景技术

建筑工程、道路测量、轨道交通监测等科学工程应用场合均需要合适的线状激光束作为光源，要求该线状光束具有一定的照度、发射角度、发射距离，且线状光束要达到一定的线性度和线宽指标，其激光能量分布要相对均匀。通常，当激光束经过柱面透镜或普通鲍威尔棱镜时，柱面透镜或鲍威尔棱镜均可对激光束在一个方向上进行扩展而形成线状光束，柱面透镜所形成的线状光束具有中间能量分布较高，边缘能量分布较低的特点，鲍威尔棱镜则相反，其形成的线状光束的能量分布具有中间弱，边缘强的特性。

目前的实际系统中，常常使用的要么只是柱面透镜系统，要么只是鲍威尔棱镜系统。但是，激光束无论经过单独的柱面透镜系统或单独的鲍威尔棱镜系统时，所形成的线状光束的能量分布均存在中间与边缘分布不均匀的问题，无法得到能量分布均匀性好的线状光束。

发明内容

发明目的：

针对上述问题，本发明采用了柱面透镜+改进型的鲍威尔棱镜结构，即利用柱面透镜来控制入射到鲍威尔棱镜的光束的入射面积和能量分布，利用鲍威尔棱镜的屋脊夹角来控制线性度发射角，利用所设计的鲍威尔棱镜的屋脊形状为非球面结构来控制输出能量的分布，从而实现线状光束的均匀能量分布。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种线状光束整形光学系统，其特征在于：包括辐射激光的激光光源，激光光源前方设有光纤耦合系统，光纤耦合系统前方设有光纤，激光经过光纤耦合系统耦合到光纤中，光纤前方设有光束聚焦系统，光束聚焦系统包括透镜组和设置在透镜组前方的线状光束整形系统，线状光束整形系统包括一个柱面透镜和一个改进型鲍威尔棱镜，改进型鲍威尔棱镜设置在柱面透镜前方。

所述激光光源所辐射的激光的激光功率为100毫瓦~50瓦。

所述光纤的芯径为100~400微米。

所述柱面透镜的柱面透镜焦距f = 30~80mm，所述改进型鲍威尔棱镜的屋脊面夹角为10~80°。

光束聚焦系统组合焦距f’=80mm~150mm。

所述改进型鲍威尔棱镜的屋脊形状为非球面结构。

本发明结合柱面透镜系统和鲍威尔棱镜系统这两种系统的特点，以鲍威尔棱镜形成的线状光束中间能量分布弱的特点来补偿柱面透镜系统带来的中间能量分布高的缺点，得到均匀性分布非常好的线状光束。

优点及效果： 

本发明是一种线状光束整形光学系统，与现有技术相比具有如下优点：

利用一聚焦系统以及柱面透镜+改进型的鲍威尔棱镜组成一线状光束整形系统，该系统可以避免了普通的柱面透镜成像和普通鲍威尔棱镜所成线状光束的能量分布的不均匀性。

对于道路探测，轨道测量等对于照明光束有比较高的要求的场合，如能量分布均匀性，线宽一致性，长的线长，窄的线宽等等，采用所发明的现状光束整形系统，可以为道路探测，轨道测量等提供优质的线性光源。

附图说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为决定线状光束长度的各种参数的关系示意图。

附图标记说明：

1、激光光源，2、激光，3、光纤耦合系统，4、光纤，5、激光束，6、光束聚焦系统，7、透镜组，8、线状光束整形系统，9、柱面透镜，10、改进型鲍威尔棱镜，11、汇聚光束，12、笤帚状光束，13、线状光束，L为线状光束13的长度，l为产生的线状光束13到光学系统改进型鲍威尔棱镜10的距离，n是改进型鲍威尔棱镜10的光学材料的折射率，α为改进型鲍威尔棱镜10的屋脊面夹角，d为汇聚光束11在柱面透镜9处的光束直径，f为柱面透镜9的焦距。

具体实施方式： 

下面结合附图对本发明技术方案详细叙述如下：

目前激光束经过柱面透镜或鲍威尔棱镜时，其形成的线状光束的能量分布具有中间与边缘存在不均匀分布。针对这一问题，本发明采用了柱面透镜+改进型的鲍威尔棱镜结构，即利用柱面透镜来控制入射到鲍威尔棱镜的光束的入射面积和能量分布，利用鲍威尔棱镜的屋脊夹角来控制线性度发射角，利用所设计的鲍威尔棱镜的屋脊形状为非球面结构来控制输出能量的分布，从而实现线状光束的均匀能量分布。

本发明涉及一种线状光束整形光学系统，包括激光光源、光纤耦合系统，传输光纤，球面透镜组，柱面透镜+改进型鲍威尔棱镜组。由激光光源发射的激光，经过光纤耦合系统耦合进入光纤，再经光纤传输后，入射到球面透镜组，从球面透镜组出射的光束，经过柱面透镜+改进型鲍威尔棱镜组，在空间上形成一个笤帚状光束，该笤帚型光束在纵向上逐渐聚焦，在横向上则呈扇形发射，在纵向上聚焦点出，最终形成一能量均匀分布，具有一定张角，长度和宽度符合道路探测，轨道检测等应用需要的线状光束。

如图1中所示，本发明这种线状光束整形光学系统，包括辐射激光2的激光光源1，激光光源1前方设有光纤耦合系统3，光纤耦合系统3前方设有光纤4，激光2经过光纤耦合系统3耦合到光纤4中，光纤4前方设有光束聚焦系统6，光束聚焦系统6包括透镜组7和设置在透镜组7前方的线状光束整形系统8，线状光束整形系统8包括一个柱面透镜9和一个改进型鲍威尔棱镜10，改进型鲍威尔棱镜10设置在柱面透镜9前方。

所述激光光源1所辐射的激光2的激光功率为100毫瓦~50瓦，激光2的波长可以覆盖所有可见光到中红外的任何激光波长，例如可以为808nm、980nm或者1064nm。

所述光纤4的芯径为100~400微米。

所述柱面透镜9的柱面透镜焦距f = 30~80mm，所述改进型鲍威尔棱镜10的屋脊面夹角为10~80°。柱面透镜9的焦距和鲍威尔棱镜10的屋脊面夹角的确定是根据在某个距离处所需要产生的线状光束的长度来确定的。产生的线状光束的长度发生变化，这两组数据也需要相应变化。它们的关系为：

其中，L为线状光束13的长度，l为产生的线状光束13到光学系统鲍威尔棱镜10的距离，n是鲍威尔棱镜10的光学材料的折射率，α为鲍威尔棱镜10的屋脊面夹角，d为汇聚光束11在柱面透镜9处的光束直径，f为柱面透镜9的焦距。如图2所示，图2为决定线状光束长度的各种参数的关系示意图。

光束聚焦系统6组合焦距f’=80mm~150mm。

所述改进型鲍威尔棱镜的屋脊形状为专门设计的非球面结构，以得到输出能量分布均匀性好的线状光束。

本发明的工作原理如下：

本发明是一种线状光束整形光学系统，如图1中所示，包含一个激光光源1，该激光光源1辐射激光2，激光2功率为100毫瓦~50瓦，激光2波长为808nm、980nm或者1064nm，激光2经过光纤耦合系统3耦合到光纤4中，光纤4的芯径为100~400微米，激光2经过光纤4传输后，形成具有平顶能量分布的激光束5，激光束5入射到光束聚焦系统6，光束聚焦系统6包含透镜组7和线状光束整形系统8，线状光束整形系统8包括一个柱面透镜9（柱面透镜焦距f = 30~80mm）和一个改进型鲍威尔棱镜10（屋脊面夹角为10~80°）。激光束5经过透镜组7后，形成一汇聚光束11，该汇聚光束11经过线状光束整形系统8，形成一笤帚状光束12，光束在横向上，成扇形分布，在纵向上，成聚焦形状；最后在纵向聚焦点处，形成一能量均匀分布的线状光束13。

本发明构思新颖，设计合理，可以有效克服普通柱面透镜成像和普通鲍威尔棱镜成像所带来的线状光束的能量不均匀的缺陷。为轨道交通，道路检测提供所需要的线状光束：长的线状光束长度，窄的线状光束宽度，线状光束的均匀性能量分布。本发明可以广泛应用于道路检测，轨道交通所需要的线状光束系统，也可应用于建筑测绘等其他应用场合。

Claims (6)

1.一种线状光束整形光学系统，其特征在于：包括辐射激光（2）的激光光源（1），激光光源（1）前方设有光纤耦合系统（3），光纤耦合系统（3）前方设有光纤（4），激光（2）经过光纤耦合系统（3）耦合到光纤（4）中，光纤（4）前方设有光束聚焦系统（6），光束聚焦系统（6）包括透镜组（7）和设置在透镜组（7）前方的线状光束整形系统（8），线状光束整形系统（8）包括一个柱面透镜（9）和一个改进型鲍威尔棱镜（10），改进型鲍威尔棱镜（10）设置在柱面透镜（9）前方。

2.根据权利要求1所述的一种线状光束整形光学系统，其特征在于：所述激光光源（1）所辐射的激光（2）的激光功率为100毫瓦~50瓦。

3.根据权利要求1所述的一种线状光束整形光学系统，其特征在于：所述光纤（4）的芯径为100~400微米。

4.根据权利要求1所述的一种线状光束整形光学系统，其特征在于：所述柱面透镜（9）的柱面透镜焦距f = 30~80mm，所述改进型鲍威尔棱镜（10）的屋脊面夹角为10~80°。

5.根据权利要求1所述的一种线状光束整形光学系统，其特征在于：光束聚焦系统（6）组合焦距f’=80mm~150mm。

6.根据权利要求1或4所述的一种线状光束整形光学系统，其特征在于：所述改进型鲍威尔棱镜的屋脊形状为非球面结构。

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