CN103955063B - 光束均匀化方法及光束均匀化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光束均匀化方法，其特征在于，在入射光束的传播路径上设置多个分光膜，入射光束透射分光膜后形成第一光束、经分光膜反射后形成第二光束；第一光束与第二光束成一夹角；所述第一光束方向与所述入射光束方向相同；所述多个分光膜沿所述第二光束传输方向排列。本发明提供的光束均匀化方法，通过设有分光面的光束均匀化装置对入射光束进行重新分配，使其转换为均匀分布的出射光束。

Description

光束均匀化方法及光束均匀化装置

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种光束均匀化方法及光束均匀化装置。

背景技术

随着科技的发展，人们对于设备的智能化要求越来越高，继而通过机器代替人眼来做测量和判断的机器视觉系统应运而生，并广泛应用于智能交通、基于人脸识别的考勤和门禁、工业现场智能监控和检测等领域。机器视觉系统采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度等，再根据预设条件输出结果，实现自动识别功能。为了提高识别精准度和识别灵敏度，采用CCD照相机拍摄的图像必须具有高的对比度、亮度和低的失真度。为了实现这个要求，在拍摄图像时，对目标的照明要尽可能的均匀，且具有高的抗外界干扰能力。

目前常用LED（Light Emitting Diode，发光二极管）作为照明光源使用，为进一步增加抗外界干扰能力，采用LED阵列的形式，形成一个光源面来提高光源的发光强度。LED阵列排布后，各LED发射的光束存在部分叠加，导致光束的强度分布不均匀，进一步导致成像质量下降。目前常规的光束均匀化的方法，有的使用磨砂玻璃来匀化光束，但磨砂玻璃会造成较大的光能损失，导致照明强度减弱；有的通过调节LED排布情况来得到均匀光束，但效果并不明显。使用较多的均匀化方法，是采用蝇眼光束均匀器对光束进行均匀化处理，但蝇眼光束均匀器的结构复杂，使用的光学镜片较多，导致调试的难度也增加，容易产生误差，影响光束均匀效果，制造成本和制造难度也相应增加，无法实现批量生产，自动化程度较低。另一方面，采用蝇眼光束均匀器对光束进行均匀化处理，对目标物的摆放位置有严格要求，目标物与光源需要保持指定的距离，对于表面不平整的目标物存在较大的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种方便使用的光束均匀化方法。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

光束均匀化方法，其特征在于，在入射光束的传播路径上设置多个分光膜，入射光束透射分光膜后形成第一光束、经分光膜反射后形成第二光束；第一光束与第二光束成一夹角；所述第一光束方向与所述入射光束方向相同；所述多个分光膜沿所述第二光束传输方向排列。

优选地是，所述多个分光膜的分光率不相同。

优选地是，所述多个分光面相互平行，沿直线排列。

优选地是，所述夹角为90°。

优选地是，设置至少两组分光膜，两组分光膜对所述入射光束反射后的光束方向相反。

本发明的另一个目的是提供一种结构简单的光束均匀化装置。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

光束均匀化装置，其特征在于，包括至少一个基片；所述基片包括至少两个分光面；当入射光束照射于所述基片时，所述入射光束透射分光面后形成第一光束、经分光面反射后形成第二光束；所述第一光束与所述入射光束传输方向相同；所述第二光束与所述入射光束具有一夹角；所述至少两个分光面按照第二光束的传输方向排列。

优选地是，所述多个分光面相互平行，沿直线排列。

优选地是，所述分光面设有分光膜。

优选地是，所述基片由多个棱镜组成；所述分光面位于相邻两个棱镜的接触面上；所述分光面上设置有分光膜。

优选地是，所述基片包括至少两个分光镜；每个所述分光镜包括两个直角棱镜；所述两个直角棱镜的斜面接触；所述分光膜设置于组成一个分光镜的两个直角棱镜中其中一个或两个的所述斜面上。

优选地是，所述直角棱镜为等腰直角棱镜。

优选地是，所述直角棱镜的直角面上设置有增透膜。

优选地是，所述两个以上的分光面的分光率不同。

优选地是，所述夹角为90°。

优选地是，包括两个所述基片；两个所述基片对称地设置；两个基片上的分光面对所述入射光束的反射方向相反。

本发明提供的光束均匀化方法，通过设有分光膜的光束均匀化装置对入射光束进行重新分配，使其转换为均匀分布的出射光束（第一光束）；较传统的光束均匀化方法，光能损失少，光能利用率≥99%，使出射光束维持入射光束的光照强度，提高了出射光束的使用性能；操作简单，避免多个光学器件的复杂调试，提高了均匀化效果和精准度。另一方面，本发明提供的光束均匀化方法，可以在较短的距离完成对入射光束的均匀化处理，对目标物与光源之间的距离无特殊要求，提高了灵活性；同时可形成相互平行的出射光束，提高了出射光束的使用性能。

通过在入射光束传播路径设置至少两组分光膜，其中两组分光膜对入射光束反射后的第二光束方向相反。当两组分光膜对称设置时，对入射光束起到发散或聚焦的处理效果，使该方法适用于更多种类的非均匀入射光束，达到均匀化效果。当两组分光膜沿入射光束传播路径依次设置时，可实现沿不同方向对入射光束进行两次均匀化处理，扩大了均匀化的出射光束的覆盖面积，提高了均匀化效率和出射光束的使用性能。

本发明提供的光束均匀化装置，采用直角棱镜叠加的方法形成相互平行的分光面，较传统的光束均匀器，结构简单，无需复杂调试即可达到均匀光束的效果。同时制造成本和制造难度也大大降低，可实现批量生产，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明实施例1中光束均匀化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中第一基片的分光镜的结构示意图；

图3为本发明实施例1中第二基片的分光镜的结构示意图；

图4为本发明实施例1中光束均匀化装置的工作原理示意图

图5为本发明实施例2中光束均匀化装置的结构主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的描述：

实施例1

如图1-3所示，光束均匀化装置包括两个基板，分别为第一基片1和第二基片2。其中，第一基片1和第二基片2对称设置在同一竖直面上。

第一基片1和第二基片2的结构相同。以第一基片1为例，第一基片1包括8个大小相等的分光镜，从上至下分别为分光镜11、分光镜12、分光镜13、分光镜14、分光镜15、分光镜16、分光镜17和分光镜18。以分光镜11为例，分光镜11由两个等腰直角棱镜111组成，等腰直角棱镜111相对叠加使其斜面接触，形成分光面113。分光面113上设置分光膜（图中未示出）。各分光镜的分光面沿垂直于入射光束的传播方向排列，相互平行且等距设置。各等腰直角棱镜111的直角面上设有增透膜（图中未示出），并在分光面113的左侧形成入射面，在分光面113的右侧形成出射面，入射面和出射面相互平行。

以第二基片2为例，第二基片1包括8个大小相等的分光镜，从下至上分别为分光镜21、分光镜22、分光镜23、分光镜24、分光镜25、分光镜26、分光镜27和分光镜28。以分光镜21为例，分光镜21由两个等腰直角棱镜211组成，等腰直角棱镜211相对叠加使其斜面接触，形成分光面213。分光面213上设置分光膜（图中未示出）。各分光镜的分光面沿垂直于入射光束的传播方向排列，相互平行且等距设置。各等腰直角棱镜211的直角面上设有增透膜（图中未示出），并在分光面213的左侧形成入射面，在分光面213的右侧形成出射面，入射面和出射面相互平行。

如图2-4所示，上述光束均匀化装置的使用方法，即光束均匀化方法：将入射光束5经入射面垂直射入第一基片1，并射向第一基片1的分光镜11，经分光镜11的分光面113透射形成第一光束51，经分光镜11的分光面113反射形成第二光束52。第一光束51与第二光束52成90°。第一光束51方向与入射光束5方向相同，穿透第一基片1从出射面射出。第二光束52方向与入射光束5方向垂直，射向位于分光镜11下方的分光镜12。经分光镜12的分光面123的分光处理，第二光束52一部分的光束形成第一光束6，其余部分光束穿透分光面123继续射向分光镜12下方的分光镜。射向分光镜12下方分光镜的光束经各分光面的层层分光处理，光强越来越弱，当传播至分光镜18时，经分光镜18的分光面183全反射，形成第一光束51，而无光束穿透分光面183继续向下传播。到此，完成入射光束5向数个第一光束51的转化，实现对入射光束5的再分配处理。

上述过程中，可通过分光面上设置的分光膜来控制入射光束5或第二光束52在分光面上的分光率，即调节每个分光面上产生的第一光束51的强度。入射面和出射面上设置的增透膜将入射光束5的能量损失降到1%以内，较传统的磨砂玻璃，大大提高了光束的转换效率，起到均匀化作用的同时，将光照强度的损失降到最低。

一条平行于入射光束5，且与入射光束5无重叠部分的入射光束6经入射面垂直射入第二基片2，并射向第二基片2的分光镜21，经分光镜21的分光面213透射形成第一光束61，经分光镜21的分光面213反射形成第二光束62。第一光束61与第二光束62成90°。第一光束61方向与入射光束6方向相同，穿透第二基片2从出射面射出。第二光束62方向与入射光束6方向垂直，且与第一基片1产生的第二光束52方向相反。第二光束62射向位于分光镜21上方的分光镜22。经分光镜22的分光面223的分光处理，第二光束62一部分的光束形成第一光束61，其余部分光束穿透分光面223继续射向分光镜22上方的分光镜。射向分光镜22上方的光束经各分光面的层层处理，光强越来越弱，但传播至分光镜28时，经分光镜28的分光面283全反射，形成第一光束61，而无光束穿透分光面283继续向上传播。到此，完成入射光束6向数个第一光束61的转化，实现对入射光束6的再分配处理。

上述过程中，可通过分光面上设置的分光膜来控制入射光束6或第二光束62在分光面上的分光率，即调节每个分光面上产生的第一光束61的强度。入射面和出射面上设置的增透膜将入射光束6的能量损失降到1%以内，较传统的磨砂玻璃，大大提高了光束的转换效率，起到均匀化作用的同时，将光照强度的损失降到最低。

第一基片1转换得到的第一光束51和第二基片2转换得到的第一光束61平行且等距设置，组成了均匀分布的第一出射光束7。第二基片2转换得到的第二光束62与第一基片1转换得到的第二光束52的相向传播，将光束部分分配到入射光束5和入射光束6之间的空隙，填补了空隙无照明的缺陷，起到了光束均匀化的作用。当入射光束5和入射光束6部分重叠时，重叠部分的光照强度大于未重叠部分的光照强度，这时，可通过改变第一基片1和第二基片2的摆放位置，使第二基片2转换得到的第二光束62与第一基片1转换得到的第二光束52的相背传播，将重叠部分的光束部分分配到未重叠部分，使光照强度均匀分布。

各基片的分光镜大小可以不等，即在保持同一基片中的分光面相互平行的情况下，可根据入射光束的分布情况调节分光面之间的间距，以完成光束匀化处理。

各基片的分光镜数量可调，即可根据入射光束的光强和需要转换得到的出射光束的覆盖面积增减各基片的分光镜的数量，提高了光束均匀化装置的灵活性，扩大了其应用范围。

实施例2

如图5所示，光束均匀化装置包括四个基板，分别为第一基片1、第二基片2、第三基片3和第四基片4。其中，第一基片1和第二基片2对称设置在同一平面上。第三基片3和第四基片4对称设置在同一平面上。第一基片1、第二基片2、第三基片3和第四基片4的结构相同。

第三基片3和第四基片4设置于第一出射光束7的传播路径上，第一出射光束7垂直射入第三基片3和第四基片4后进行第二次分光处理。第三基片3转换得到的第二光束（图中未示出）和第四基片4转换得到的第二光束（图中未示出）相向传播。第三基片3转换得到的第二光束（图中未示出）和第一基片1转换得到的第二光束52的传播方向相互垂直。通过第三基片3和第四基片4对第一出射光束7进行二次匀化，进一步转换为第二出射光束8。较第一出射光束7，第二出射光束8的覆盖面积进一步扩大，提高了均匀化效率和均匀化光束的使用性能。

除上述结构外，本实施例的其他结构均与实施例1相同。

本发明中的上、下、左、右均以图1为参考，为清楚地说明本发明而使用的相对概念。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.光束均匀化方法，其特征在于，在入射光束的传播路径上设置多个分光镜，每一个分光镜包括两个等腰直角棱镜，该两个等腰直角棱镜相对叠加使其斜面接触，形成分光面；在入射光束的传播路径上设置多个分光膜，且所述分光膜设置在所述分光面上；入射光束透射分光膜后形成第一光束、经分光膜反射后形成第二光束；第一光束与第二光束成一90°夹角；所述第一光束方向与所述入射光束方向相同；所述多个分光膜沿所述第二光束传输方向排列；设置至少两组分光膜，其中第一组分光膜包括第一多个分光膜，第二组分光膜包括第二多个分光膜，两组分光膜对所述入射光束反射后的光束方向相反。

2.根据权利要求1所述的光束均匀化方法，其特征在于，所述多个分光膜的分光率不相同。

3.根据权利要求1所述的光束均匀化方法，其特征在于，设置多个分光面，每一个分光面上均设置有一个所述分光膜；所述第一多个分光膜相互平行，且沿直线排列；所述第二多个分光膜相互平行，且沿所述直线排列；所述第一多个分光膜与所述第二多个分光膜轴对称设置。

4.光束均匀化装置，其特征在于，包括至少一个基片；所述基片包括至少两个分光面；当入射光束照射于所述基片时，所述入射光束透射分光面后形成第一光束、经分光面反射后形成第二光束；所述第一光束与所述入射光束传输方向相同；所述第二光束与所述入射光束具有一90°夹角；所述至少两个分光面按照第二光束的传输方向排列；包括两个所述基片；两个所述基片对称地设置；两个基片上的分光面对所述入射光束的反射方向相反。

5.根据权利要求4所述的光束均匀化装置，其特征在于，其中一个基片上的至少两个分光面相互平行，沿直线排列；另一个基片上的至少两个分光面相互平行，沿所述直线排列。

6.根据权利要求4所述的光束均匀化装置，其特征在于，所述分光面设有分光膜。

7.根据权利要求4所述的光束均匀化装置，其特征在于，所述基片由多个棱镜组成；所述分光面位于相邻两个棱镜的接触面上；所述分光面上设置有分光膜。

8.根据权利要求4所述的光束均匀化装置，其特征在于，所述基片包括至少两个分光镜；每个所述分光镜包括两个直角棱镜；所述两个直角棱镜的斜面接触；所述分光膜设置于组成一个分光镜的两个直角棱镜中其中一个或两个的所述斜面上。

9.根据权利要求8所述的光束均匀化装置，其特征在于，所述直角棱镜为等腰直角棱镜。

10.根据权利要求8所述的光束均匀化装置，其特征在于，所述直角棱镜的直角面上设置有增透膜。

11.根据权利要求8所述的光束均匀化装置，其特征在于，所述两个以上的分光面的分光率不同。