CN103926706A - 基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备及其方法 - Google Patents

Abstract

基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备及其方法，设备设有激光器光源，特征是光路上还设有单模光纤、准直扩束系、多通光路调制装置、半反半透镜片；该半反半透镜片后方的光路分为两路：其一：聚焦透镜和CCD-A探测器；另一：显微物镜、多模光纤、CCD-B和探测器；多通光路调制装置的结构是：第一平面反射镜、成对设置的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B及第二平面反射镜；在成对设置的高反射率平面镜A和B之间设有由旋转电机驱动的相位板，由电源及转速控制装置控制。本发明极大提高了激光散斑间的非相关性。制作工艺简单，结构设计方便，光束通过率高，能量损失少，易于复制。可用于激光投影显示及激光照明等领域，应用广泛。

Description

基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备及其方法

技术领域：

本发明属于激光探测和光学成像领域，涉及基于随机相位板多通光路设计结构对入射光束多倍频相位调制和消除激光散斑的设备。本发明还涉及这种设备的工作方法。

背景技术

激光由于其具有的高亮度、高相干性和高准直性等特点，在工业、军事、通信、医学、科学研究及社会生活等领域发挥了独特而至关重要的作用。当激光照射在粗糙表面或在折射率无规则涨落的媒质中传播时，粗糙表面上每一点都要散射光，这些具有高度相干性且振幅和位相不相同的光束，在空间各点形成无规则分布的颗粒状斑纹——激光散斑。

激光散斑作为一种随机过程，是伴随激光器使用而必然存在的客观物理现象。在光学成像系统中，激光散斑常被认为是附加在平滑光场上的噪声，不仅造成了能量损失，同时也成为限制图像质量，降低图像分辨率和对比度的主要因素，如目前在研究和应用的激光投影显示技术中（LCD，LCOS，DLP），激光散斑成为限制激光显示实现真正实用化的关键；在天文学领域，光学频率梳技术作为目前世界上定标精度最高的光源，为天文探测视向速度测量精度达到cm/s量级提供了技术支持和保证，但激光散斑存在不仅造成了光学频率梳的能量损耗，同时极大降低光梳信号的信噪比，限制了光梳信号的定标精度和视向速度测量精度的提高。因此保持激光独特性质的同时，减少散斑中的光损耗，最大限度的抑制散斑，不仅在光学成像系统中，同时在显微镜成像、光通信传播及激光显示系统中也是亟需解决的重点问题。

目前关于消除激光散斑的方法多种多样，总体而言可分为两类：其一是静态消散斑法。如降低激光器腔长或在光路中对入射光束分束后再合束，降低入射光束相干性。该方法操作复杂，光路连接稳定性低；其二是动态散斑法。对激光散斑进行动态处理，利用时间平均抑制散斑。如旋转或振动散射体（毛玻璃、液晶装置、相位板）、振动光纤、超声波法等。中国专利CN 102122081A公开的《激光光束匀光整形消散斑装置》采用将纯相位衍射器件在电磁振动装置驱动下完成匀光整形和消散斑功能；中国专利CN101950087A公开的《一种消除激光散斑效应的方法》将入射光束通过振动的可通光的液体对光束相位进行破坏而消除激光散斑效应；使用动态散斑法时，散斑变化频率越快，散斑间相关性越小，在时间平均后散斑抑制效果越好，目前散斑消除中，散斑频率控制范围有限，相位调节深度小使得散斑相关性较大，以上因素降低了散斑抑制效果，同时入射光束通过液晶装置和毛玻璃能量利用率较低，能量损失大，并且伴随着角度扩散现象，影响了系统的性能。

发明内容

为了克服上述已有技术存在的缺陷，本发明目的在于设计一种简便可行、能量损失少、适用于激光散斑消除的基于随机相位板的多通光路设备，以及这种基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备的工作方法，将激光散斑通过时间平均方式最大限度的进行抑制。

本发明要解决的技术问题是：通过多通光路结构设计装置，实现对入射光束进行多倍频相位调制，故而降低激光散斑间的相关性。该装置结构简单、能量损失少、相位调制深度随光束通过相位板次数多倍频增加。

解决技术问题的技术方案为：一种基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，设有激光器光源，其特征在于，光路上还设有单模光纤、准直扩束系统、多通光路调制装置、半反半透镜片；该半反半透镜片后方的光路分为两路：其一为：聚焦透镜和CCD-A探测器；另一路为：显微物镜、多模光纤及CCD-B探测器；其中所述多通光路调制装置的结构是：第一平面反射镜、成对设置的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B及第二平面反射镜；在所述成对设置的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B之间，设有由旋转电机驱动的相位板（也称为随机相位板）；该旋转电机由电源及其转速控制装置控制。

以上发明的优化方案有：

所述CCD-A探测器与CCD-B探测器的型号为HV1351UC，像素为1024×1280。

所述相位板为纯相位调制相位板，石英材质。

所述相位板的转速通过电流控制，转动速度在0-50r/s之间。

所述多通光路结构中的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B采用高反射率的镀银反射镜，能量损失在1%以内。

所述第一平面反射镜、高反射率平面镜A、高反射率平面镜B及第二平面反射镜，均设置在精密光学镜架上，通过调整两个高反射率平面镜之间夹角控制光束在高反射率平面镜之间的反射次数。

完成本申请第二个发明任务的方案是，上述基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.激光光源在单模光纤出射后经准直扩束系统后变为孔径较小的准直光；

⑵.构建多通光路反射腔结构：

在入射激光光束准直扩束后与显微物镜间，放入多通光路调制装置，该结构由平面反射镜组成：入射准直光束经第一平面反射镜入射到高反射率平面镜A后，在高反射平面镜A和高反射平面镜B所组成的腔内多次反射后入射到第二平面反射镜，然后入射到显微物镜中；

⑵-1.调整第一平面反射镜和第二平面反射镜的角度可精确调整入射光束和反射光束的方向；

⑵-2.精确调整第一平面反射镜、高反射率平面镜A和高反射平面镜B间的位置和两者之间的平行度，可控制光束在镜面腔内反射次数及光束的反射密集程度；

⑶.对反射腔内置入相位板：将具有相位调制相位板安放在高反射率平面镜A和高反射率平面镜B组成的反射腔内，综合调节相位板放入位置和高反射率平面镜A和高反射率平面镜B之间的平行度，可以调节入射光束通过相位板次数，进而控制入射光束相位调制幅度，减小激光散斑间的相关性；

⑷.在准直光束耦合到多模光纤过程中，通过CCD-A实时检测和控制耦合条件的变化（如离焦，偏角入射等），以确保准直光束正入射到多模光纤中；

⑸.孔径较小的准直光通过显微物镜聚焦耦合到多模光纤中，CCD-B探测出射散斑场的变化。

以上步骤⑷与步骤⑸的序号，并不表示该两个步骤的时间顺序。

    具体地说，本发明的设备结构与工作原理是：

构建检测激光散斑消除效果的实验装置，如图1所示，包括激光器光源1，单模光纤2，准直扩束系3，半反半透镜片4，聚焦透镜5，CCD-A探测器6，显微物镜7、多模光纤8、CCD-B探测器9，激光光源在单模光纤出射后经准直扩束系统后变为孔径较小的准直光，通过显微物镜聚焦耦合到多模光纤中，CCD-B探测出射散斑场的变化。在入射激光光束准直扩束后与显微物镜间，放入多通光路调制装置，如图2所示，多通光路结构是由平面反射镜A10，高反射率平面镜A11和高反射率平面镜B12，平面反射镜B13组成，入射准直光束经平面反射镜A10入射到高反射率平面镜B12后，在高反射平面镜A11和B12所组成的腔内多次反射后入射到平面镜B13，然后入射到显微物镜中。对反射腔内置入相位板，图3所示为光束通过相位板10通次。相位板置入位置决定了入射光束通过相位板的次数，光束通过相位板次数越多，对入射光束相位调制深度也越大，在反射腔内光束的反射频率越密集，在相位板置入位置不变时光束通过相位板次数越多。控制相位板转速和入射光束通过相位板通过次数，实现对入射光束相位进行多倍频相位调制，以消除激光散斑。相位板及其转速控制如图4所示，其中包括随机相位板14，旋转电机15，电源及其转速控制16，固定螺钉17，将相位板通过固定螺钉固定在旋转电机15上，通过电机带动相位板旋转，实现对激光散斑的动态叠加处理。

本发明工作原理：通过基于随机相位板的多通光路消除激光散斑，本质是利用相位板转动实现激光散斑连续变化，使多个不相关的激光散斑在积分时间内高速叠加并在视觉上形成平均效果。依据散斑理论，如果屏幕上的散斑随时间和空间不断变化，若在一个积分时间内探测到N种散斑结构，这N种散斑结构叠加会使散斑对比度减弱到静态时的                                                。散斑减弱程度由这N个散斑结构的相关性决定，当N种散斑结构完全相关时, 对比度与静态时相同；当N种散斑结构相互独立时, 对比度减少至静态时的，其他情况下, 对比度的减弱程度在这两个值之间。多通光路相位板设计结构使入射光束多次通过相位板，当n次通过后入射光束相位调制量为单次相位板调制深度的n倍频，相位调制增加从而减小了激光散斑间的相关性，故而多通光路相位板结构设计使得相位调制深度较小的相位板实现对入射光束多倍频相位调制。在该系统中，影响激光散斑消除效果的主要因素包括： 1.相位调制深度。动态散斑叠加消除激光散斑时，相位调制深度越大，散斑间的非相关性越大，散斑消除效果越明显。多通光路相位板结构实现了相位板调制深度进行多倍频的提高，满足使用调制深度较小相位板减小激光散斑的目的。2.相位板转动速度。相位板转动速度越大，积分时间内激光散斑叠加次数越多，散斑效果越为明显。3.积分时间。积分时间与探测器和系统性能相关，该参数与发明的多通光路结构无直接关联。

本发明积极效果在于：

1.      多通光路相位板结构对激光散斑进行消除，实现了通过相位调节深度较小的相位板对入射光束多倍频相位调制的目的，极大提高了激光散斑间的非相关性。

2.      多通光路中相位板选取材料多样，采用光学微加工工艺制作，制作工艺简单，相位调制结构设计方便，光束通过率高，能量损失少，易于复制，成本低。

3.      多通光路相位板设计结构简单，调整方便，经济实用，该结构可用于激光投影显示及激光照明等领域，应用广泛。

附图说明

图1 激光散斑检测装置；

图2 多通光路结构设计示意图；

图3 基于随机相位板的多通光路结构图（10通次）；

图4 相位板转速控制装置；

图5 基于随机相位板的多通光路激光散斑消除装置图。

具体实施方式

实施例1，参照图1-图5：本发明具体实施按照图1、2、3、5所示光路装置和调整结构，第一，配套检测激光散斑消除效果的实验装置。如图1所示，实验装置包括激光器光源1，单模光纤2，准直扩束系3，半反半透镜片4，聚焦透镜5，CCD-A探测器6，显微物镜7、多模光纤8、CCD-B探测器9； 显微物镜将准直光束聚焦并耦合到多模光纤中，CCD-A探测出射散斑场变化，在准直光束耦合到多模光纤过程中，通过CCD-A实时检测和控制耦合条件的变化（如离焦，偏角入射等），以确保准直光束正入射到多模光纤中。第二，构建多通光路反射腔结构。该结构由平面反射镜组成，所有反射镜放置在高精度调整镜架上，具体结构如图2所示。包括平面反射镜A10，高反射率平面镜A11和B12，平面反射镜B13，入射准直光束经平面反射镜A10入射到高反射率平面镜B12后，在高反射平面镜A11和高反射平面镜B12所组成的腔内多次反射后入射到平面镜B13，然后入射到显微物镜中。调整平面反射镜A10和13的角度可精确调整入射光束和反射光束的方向，精确调整平面反射镜A10、高反射率平面镜A11和高反射平面镜B12间的位置和两者之间的平行度，可控制光束在镜面腔内反射次数及光束的反射密集程度。第三，对反射腔内置入相位板。将具有相位调制相位板安放在高反射率平面镜A11和B12组成的反射腔内，综合调节相位板放入位置和高反射率平面镜A11和高反射平面镜B12之间的平行度，可以调节入射光束通过相位板次数，进而控制入射光束相位调制幅度，减小激光散斑间的相关性，图3为多通光路10次通过相位板示意图。最后的消除散斑装置如图5所示，对散斑控制手段主要有两个，其一，通过控制相位板转速控制散斑叠加次数。通过电源控制电机的旋转速度，从而实现对激光散斑变化的调节；其二，对多通光路和相位板位置进行调节，控制入射光束通过相位板次数，增加入射光束相位调制深度，减小散斑间的相关性。利用以上两个控制手段对激光散斑进行动态处理，进而在积分时间内对激光散斑通过时间平均效果进行消除。

多通光路结构中使用高反射率的镀银反射镜，能量损失在1%以内，反射镜放置在精密光学镜架上，通过调整两个高反射镜之间夹角控制光束在反射镜之间的反射次数。CCD-A、CCD-B型号为HV1351UC，像素为1024×1280。相位板为纯相位调制相位板，石英材质，相位满足随机分布统计规律，调制深度较大，其相位板转速通过电流控制，转动速度在0-50r/s之间。在使用过程中，通过控制相位板的转速、入射光束通过相位板的次数，得到理想的消除激光散斑的效果。

Claims (8)

1.一种基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，设有激光器光源，其特征在于，光路上还设有单模光纤、准直扩束系统、多通光路调制装置、半反半透镜片；该半反半透镜片后方的光路分为两路：其一为：聚焦透镜和CCD-A探测器；另一路为：显微物镜、多模光纤及CCD-B探测器；其中所述多通光路调制装置的结构是：第一平面反射镜、成对设置的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B及第二平面反射镜；在所述成对设置的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B之间，设有由旋转电机驱动的相位板；该旋转电机由电源及其转速控制装置控制。

2.根据权利要求1所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，其特征在于，所述CCD-A探测器与CCD-B探测器的型号为HV1351UC，像素为1024×1280。

3.根据权利要求1所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，其特征在于，所述相位板为纯相位调制相位板，石英材质。

4.根据权利要求1所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，其特征在于，所述相位板的转速通过电流控制，转动速度在0-50r/s之间。

5.根据权利要求1所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，其特征在于，所述多通光路结构中的高反射率平面镜A和高反射率平面镜B采用高反射率的镀银反射镜，能量损失在1%以内。

6. 根据权利要求1-5之一所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备，其特征在于，所述第一平面反射镜、高反射率平面镜A、高反射率平面镜B及第二平面反射镜，均设置在精密光学镜架上，通过调整两个高反射镜之间夹角控制光束在反射镜之间的反射次数。

7.权利要求1所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.激光光源在单模光纤出射后经准直扩束系统后变为孔径较小的准直光；

⑵.构建多通光路反射腔结构：

在入射激光光束准直扩束后与显微物镜间，放入多通光路调制装置，该结构由平面反射镜组成：入射准直光束经第一平面反射镜入射到高反射率平面镜A后，在高反射平面镜A和高反射平面镜B所组成的腔内多次反射后入射到第二平面反射镜，然后入射到显微物镜中；

⑵-1.调整平面反射镜A和平面反射镜B的角度可精确调整入射光束和反射光束的方向；

⑵-2.精确调整第一平面反射镜、高反射率平面镜A和高反射平面镜B间的位置和两者之间的平行度，可控制光束在镜面腔内反射次数及光束的反射密集程度；

⑶.对反射腔内置入相位板：将具有相位调制相位板安放在高反射率平面镜A和高反射率平面镜B组成的反射腔内，综合调节相位板放入位置和高反射率平面镜A和高反射率平面镜B之间的平行度，可以调节入射光束通过相位板次数，进而控制入射光束相位调制幅度，减小激光散斑间的相关性；

⑷.在准直光束耦合到多模光纤过程中，通过CCD-A实时检测和控制耦合条件的变化，以确保准直光束正入射到多模光纤中；

⑸.孔径较小的准直光通过显微物镜聚焦耦合到多模光纤中，CCD-B探测出射散斑场的变化。

8.根据权利要求7所述的基于随机相位板消除激光散斑的多通光路设备的工作方法，其特征在于，步骤⑷中所述的通过CCD-A实时检测和控制耦合条件的变化，是指检测和控制离焦与偏角入射。