CN103293680A - 一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，包括：球腔，开有一对轴线相交的侧孔，而球腔的内表面为反射面；激光光源装置，安装于所述球腔的一侧孔处，从该侧孔处向球腔内出射激光；以及整形光学镜组，安装于所述球腔的另一侧孔轴向外侧，用于对从该侧孔出射的激光进行整形。本发明制作难度低且能够实现较高质量匀化。

Description

一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置

技术领域

本发明属于激光光束整形技术领域，具体是涉及一种激光照明匀光照明装置。

背景技术

在激光照明领域中，常常需要光强均匀分布的激光光束。公知的，激光由于其高单色性以及高亮度等优点，得到广泛的应用，但在很多领域，如显示、全息、平板印刷、光存储等应用领域，常常需要均匀性好的光束。然而，由于激光光束的光强一般并不是均匀分布的，其光强分布遵循高斯分布，因而，激光光束在此条件下叫做高斯光束。为了满足具体应用的需求，需要对高斯光束进行整形输出，以便得到均匀性好的光束，此即激光光束整形的目的，最常用的激光光束整形是激光光束匀化或者激光光束匀光技术。

因而，激光光束整形技术的一般定义是指改变入射激光束的强度分布为所需要的强度分布，同时调整它的相位分布以控制其传播特性。

在这里，先简单了解激光匀化的历程。早期所使用的方法是先将激光光束扩束，然后将扩束后的光束通过光栅出射，光栅只允许光束中光强分布较为均匀的部分通过，从而可以得到相对均匀分布光强的光束。这种方法虽然简单，但由于没有被允许通过的部分能量完全损失，造成能量损失非常严重。

进一步地，利用不同透射率的光学元件对于光束光强大的地方有较低的通过率，对光强小的地方有较高的通过率，从而使得激光光束通过不同的透射率而在被投射后具有相对均匀光强的特点，显然，这也是以牺牲能量消耗为代价的方式。

1965年，Frieden提出了最早的无能量损失的相位型光束整形系统，该系统为非球面透镜组系统将强度为高斯分布的激光光束整形为均匀光束。系统由平-凹非球面镜和平-凸非球面镜组成，如何光束经过前一透镜调制后在后者平面初涉得到强度分布均匀的光束，后者平面的作用是保证均匀光束平行出射。

对于非球面，其设计原理是：首先根据能量守恒定理，建立入射光线与两非球面交点之间的映射关系，从而确定折射光线的方向余弦。依据前一非球面相位函数的导数等于相应光线的方向余弦，建立微分方程，求解即可得到相位函数。由于前一非球面的调整使得各折射光线传播方向不再平行，为使最终出射光束仍为平行光，利用后一透镜重新调整相位分布，直接利用对应两平面间各光线光程相等的条件可求得后一非球面的相位函数。

 Frieden提出的双分离透镜系统具有能量转换率高、可实现任何波前变换及同轴等优点，但当时的技术很难实现复杂的非球面加工。后期的改进工作主要侧重于透镜制造难度的选择上，如Shafer利用双胶合球面镜替代系统中的非球面镜，但这种做法影响输出光束的质量。

在一些实现中，采用为透镜阵列整形系统，系统由两部分组成，前透镜是由多个焦距和尺寸相同的小透镜组成的微透镜阵列（习惯上称为蝇眼透镜），后透镜为球面聚焦透镜。前者将入射激光光束分割成若干子束，后者则把这些子束在靶面上重叠起来。不过微透镜边缘会发生菲涅耳衍射，能量会因此产生损失。同时叠加本身不可避免的会在靶面上产生干涉斑纹。

现有半导体激光匀化技术多采用光纤匀化和和开放式透射匀光技术。

对于后一种实现的改进，通过改变小偷静的相位分布来缓解干涉斑纹的影响，然而这种做法制作难度特别大，提高了制作成本。

在一些实现中，采用衍射光学元件，在较新的一些实现中有双折射透镜组方法，以及液晶空间调制器方法，在此不再一一阐述。

当前，光纤匀化技术要求半导体激光器的光线要耦合进入光纤，因此其工艺要求较高、所需设备复杂、成本投入较大等缺陷，不利于普通的应用推广。

开放式透射匀光技术，一般采用片式匀光装置使得光线透过匀光装置即可实现光斑匀化，为了达到好的匀光效果，一般会存在较大的光功率损耗，光损耗会转化为热能，由于匀化装置的紧凑性，从而不利于有效散热，近而影响系统稳定性，不利于大功率使用，不利于长时间使用。另外在实际的使用中，由于两种匀光都是需要保证光源与匀光装置的同轴，因此对其相关的结构件加工和装调都需要很高的技术要求，不利于普遍使用和普通技术人员操作维修等工作。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种制作难度低且能够实现较高质量匀化的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置。

本发明采用以下技术方案：

一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，包括：

球腔，开有一对轴线相交的侧孔，而球腔的内表面为反射面；

激光光源装置，安装于所述球腔的一侧孔处，从该侧孔处向球腔内出射激光；以及

整形光学镜组，安装于所述球腔的另一侧孔轴向外侧，用于对从该侧孔出射的激光进行整形。

依据本发明，利用球腔内的反射面对进入其中的激光光线进行反射，然后通过一个侧孔出射，在经整形光学镜组进行照明角度的调整，其中利用球腔至少一次的反射能够使出射光斑尽可能的均匀，而球腔制作相对也比较容易，从而实现在制作难度比较低的条件下实现较高质量的光斑匀化。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，两侧孔轴线垂直相交，匹配激光光源装置和整形光学镜组的安装，结构紧凑，且也比较容易获得质量较高的匀化光斑，能量损耗相对也比较小。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，为减少损耗，两侧孔均通过玻璃窗口进行密封，进而匹配构成激光光源装置侧的转接密封玻璃窗和整形光学镜组侧的整形玻璃窗口。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，所述整形玻璃窗口中的玻璃含有进行激光初步整形的透镜组，以保证后续调整的简洁性。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，所述整形玻璃窗口与球腔的直径比小于1：100，以获得高质量的匀化光斑。

进一步地，上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，在获得较高质量的匀化光斑的条件下，应尽可能的减少光能的损失，为此，所述整形玻璃窗口与球腔的直径比大于等于1：150。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，为了提高反射质量，所述玻璃窗口的内表面构成球腔被该内表面截得的底。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，所述激光光源装置包括装配于球腔相应侧孔处的光源固定散热装置和安装在该光源固定散热装置上的半导体激光光源，其中，光源固定散热装置匹配相应侧孔开有与该侧孔同轴同时与半导体激光光源出光口同轴的定位孔，半导体激光光源通过所述定位孔定位。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，为方便装配，包括一螺纹套件，用于定位孔、对应侧孔和半导体激光光源的转接。

上述用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，为方便调整，所述整形光学镜组配有在光轴方向上调整的调整机构。

附图说明

图1为依据本发明的一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置的原理图。

图2为依据本发明的一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置结构示意图。

图3为一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置的外形的轴测图。

图中：1、半导体激光光源，2、光源固定散热装置，3、固定件转接装置，4、转接金属件，5、转接密封玻璃窗，6、腔内反射匀化装置，7、整形出光窗口，8、出光金属结构件，9、整形玻璃窗口，10、角度整形镜组。

具体实施方式

参照说明书附图1，利用腔内反射，出光孔出射，然后通过角度整形镜组10的角度调整，获得高质量的匀化光斑。

如图1所示的一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其基本结构应，包括：

球腔，如图1所示的墙内反射匀化装置6，开有一对轴线相交的侧孔，如图2中所示的上侧孔和右侧孔，而球腔的内表面为反射面。

配置激光光源装置，安装于所述球腔的一侧孔处，如图2所示的上侧孔处，从该侧孔处向球腔内出射激光。应当理解，由于激光光源装置为被匀化对象，因此，其基本配置可以理解为已知，本领域的技术人员对此应有清楚的理解。

进而还需要配置整形光学镜组，如图1和2所示的角度整形镜组10，安装于所述球腔的另一侧孔轴向外侧，用于对从该侧孔出射的激光进行整形。

这里的外侧，应以球腔为参考系，其内部为内侧，相应地，在方位上，外侧应是清楚地，为更清楚的理解，可以考虑在此基础上的径向的向心侧和离心侧，以球腔为参考对应于离心侧。

角度整形镜组10的光轴必然要与图1中所示的整形出光窗口7的轴线同轴线。

关于球腔的反射面根据需要可以选用高反射面，也可以选用如积分球所使用的漫反射面。

关于高反射面，是在不同的历史时期具有不同的基准的，当前技术条件下，高反射面是借助高反射膜来定义的，高反射膜是指要达到如HR-94(400~700微米波长平均达到94%以上,成像通用标准)的标准，HR-780-B （红外线波长达到97%以上）。

对于积分球（integrating sphere），是具有高反射性内表面的空心球体。用来对处于球内或放在球外并靠近某个窗口处的试样对光的散射或发射进行收集的一种高效率器件。球上的小窗口可以让光进入并与检测器靠得较近。积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳。内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀。光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。

图1为用于激光照明的腔内反射匀光照明装置的原理图，在图中，两侧孔轴线垂直相交，腔内反射匀化装置6内的直线表示光线，可以看出，光线一般要经历至少一次反射后从整形出光窗口7出射，当两侧孔轴线不垂直时，仍然能够满足所需要的出射角度，两者相交就可以获得匀化效果。

在图3所示的结构中可以看出，这种结构更容易配置辅助结构，如广元固定散热装置2的装配，整形出光窗口7的安装和角度整形镜组10的调整。

在图2所示的结构中，两侧孔均通过玻璃窗口进行密封，进而匹配构成激光光源装置侧的转接密封玻璃窗5和整形光学镜组侧的整形玻璃窗口9，这样可以保证球腔内的密封效果。

另一方面，大多数的物质均具有一定的折射率，可以对一定角度的入射光线全反射，因此，上述结构中的如整形玻璃窗口9在入射光线角度大于折射角时会被反射点继续进行球腔内的反射，只有在小于某个角度时，透射出的光线才会比较强。因此整形玻璃窗口可以保证出射光线具有一定的出射角度，方便后续的整形。

进一步地，如图2中整形玻璃窗口9所处的位置，所述整形玻璃窗口中的玻璃含有进行激光初步整形的透镜组，可以进一步的规整出射光线。

出射角度受出光孔大小和球形腔体的尺寸的影响，出光孔的大小与反射腔体直径的比值至少小于1:100。以保证出光的均匀程度，也即是出光角度控制在0.3°以内，从而保证出光均匀性。

基本原理就是如采用积分球对光线的整形匀化原理，保证匀化的出光角度如上所述为0.3°以内，为实现实际照明需求，在整形出光窗口加入角度整形透镜组10，可以是负透镜直接将出光角度发散，也可以是正透镜会聚出射光后发散，从而满足照明时角度整形镜组对光线的发散角度需求。

由于照明式角度发散是确定的，因此，据此可以推知角度整形透镜组10的选择。

虽然球形整形腔体上的出光窗口直径与腔体直径比例小于1：100，比例越小匀化效果越好，但比例越小，光能损失也会越大，为了平衡两个指标，所述整形玻璃窗口与球腔的直径比大于等于1：150。

如图2所示，所述玻璃窗口的内表面构成球腔被该内表面截得的底，也就是玻璃窗口，如整形玻璃窗口9的内表面恰好与球腔球面在对应侧孔处的球冠底面重合，可以减少光能损失，同时，也有利于提高匀化效果。

激光器一般都要配置散热装置，对于一些功率比较大的激光器甚至还需要配置强制冷却装置，在如图3所示的结构中，所述激光光源装置包括装配于球腔相应侧孔处的光源固定散热装置2和安装在该光源固定散热装置上的半导体激光光源1，其中，光源固定散热装置2匹配相应侧孔开有与该侧孔同轴同时与半导体激光光源出光口同轴的定位孔，半导体激光光源1通过所述定位孔定位，这种结构相对比较紧凑，并且散热效果也可以保证。

在一些应用中，如图2所示，包括一螺纹套件，也就适图2中所示的转接金属件4，用于定位孔、对应侧孔和半导体激光光源的转接，包括金属连接件4，以其为连接基础通过螺纹连接，连接结构简单，方便维护。

优选地，所述整形光学镜组配有在光轴方向上调整的调整机构，方便调整光斑。整形光学镜组与反射装置的出射光束同轴，通过改变其与前面装置的间隔位置实现出光角度的变化。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，包括：

球腔，开有一对轴线相交的侧孔，而球腔的内表面为反射面；

激光光源装置，安装于所述球腔的一侧孔处，从该侧孔处向球腔内出射激光；以及

整形光学镜组，安装于所述球腔的另一侧孔轴向外侧，用于对从该侧孔出射的激光进行整形。

2.根据权利要求1所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，两侧孔轴线垂直相交。

3.根据权利要求1或2所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，两侧孔均通过玻璃窗口进行密封，进而匹配构成激光光源装置侧的转接密封玻璃窗和整形光学镜组侧的整形玻璃窗口。

4.根据权利要求3所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，所述整形玻璃窗口中的玻璃含有进行激光初步整形的透镜组。

5.根据权利要求3所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，所述整形玻璃窗口与球腔的直径比小于1：100。

6.根据权利要求5所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，所述整形玻璃窗口与球腔的直径比大于等于1：150。

7.根据权利要求3所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，所述玻璃窗口的内表面构成球腔被该内表面截得的底。

8.根据权利要求1所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，所述激光光源装置包括装配于球腔相应侧孔处的光源固定散热装置和安装在该光源固定散热装置上的半导体激光光源，其中，光源固定散热装置匹配相应侧孔开有与该侧孔同轴同时与半导体激光光源出光口同轴的定位孔，半导体激光光源通过所述定位孔定位。

9.根据权利要求8所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，包括一螺纹套件，用于定位孔、对应侧孔和半导体激光光源的转接。

10.根据权利要求1所述的用于激光照明的腔内反射匀光照明装置，其特征在于，所述整形光学镜组配有在光轴方向上调整的调整机构。

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