CN104076507B - 一种激光旋转扫描照明装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光旋转扫描照明装置，包括驱动反射镜沿反射镜法线旋转的旋转装置、反射镜和激光光源；所述的激光光源出射的激光被所述的反射镜反射，所反射的激光作为扫描照明光源。本发明还公开了一种利用上述激光旋转扫描照明装置进行照明的方法。本发明通过旋转反射镜的方法将激光光源进行扫描，在最后的照射平面上形成多个光斑的快速叠加，在视觉上形成平均的效果，达到消除散斑与条纹的目的。本发明所述的激光旋转扫描照明装置，结构简单，成本低，能量利用率高，特别适用于以光纤输出激光为光源的应用领域中，如激光夜视、安防、激光投影等。

Description

一种激光旋转扫描照明装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种激光旋转扫描照明装置及其应用，属于激光应用的技术领域。

背景技术

激光是一种具有亮度高、相干性与方向性好等特点的特殊光源，由于这种特性，激光科学研究、工程技术及工农业生产中有着十分重要和广泛的应用。激光投影显示和激光红外夜视是把激光作为光源的两个非常重要的应用领域。

激光投影显示采用激光器作为光源代替传统投影显示系统中的光源（如高压汞灯），具有色域空间大、色彩丰富、色饱和度高、颜色表现力强等优点，并且可以实现远距离大尺寸的投影，寿命更是可以达到20000小时以上，目前有关激光投影显示技术的研究方兴未艾，许多发达国家的研究单位和大型公司都在大力研发激光投影显示技术和装置；采用红外激光作为主动照明光源的红外激光夜视技术在军事、公安和安防等方面具有重要应用，特别是远距离照明方面具有突出的优势，能实现数公里的照明。

激光投影显示和主动照明红外激光夜视都需要均匀化的激光束照明，但是半导体发出的光是椭圆或长条型的单模或多模高斯光束，为了实现均匀化的照明需要将半导体激光器的输出光斑转换成特定的形状（如矩形或圆形）且强度尽量均匀的光束，并尽量减小或消除因激光的相干性由干涉和衍射形成的散斑和条纹。

有关降低或消除散斑和背景条纹的原理和方法，文献中已有多种论述，如：采用多波长激光降低激光的时间相干性，采用激光器阵列、光纤束、旋转或振动动散射体、振动光纤、振动屏幕，或超声光栅等方法来降低空间相关性。

目前存在的一些匀化光场的方法的系统非常复杂，成本也比较高，如中国专利文件CN102169239A公开了一种激光投影系统中的散斑图像置乱，提供一种激光投影系统，该激光投影系统包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件，但该系统的装置不够紧凑，元器件较多，可靠性差。中国专利文件CN102103270A公开了一种激光光束匀光整形与消散斑一体化装置，包括机械框架、微型直流电机、全息散射器件、纯相位衍射器件和傅里叶变换透镜，也存在结构复杂，制作成本高，不利于产业化等缺点。

有些基于散射原理的方法，结构上比较简单，但在能量的利用率上往往比较差，如中国专利文件CN201285473A公开了一种基于散射的消相干匀场装置，包括中空波导和散射媒质，激光在散射媒质中的传播过程，通过散射媒质对激光的散射分束并利用波导的混光作用对激光进行匀化。

中国专利CN1458544涉及一种高速激光扫描探测和测量的新技术，即小扇面激光扫描技术方法。采用微凹柱面透镜组将激光光源发射的一束激光拉成具有微小夹角的小扇面，利用反射镜将此激光束透射到由电机驱动的高速旋转多面棱体上，使激光束产生一个小扇形往复激光扫描光平面。这是对高速运动物体的激光扫描探测和捕捉中，有效解决光电传感器频响的一种激光扫描方法。本专利可以相对集中有限的激光作用能量，进行大区域范围的探测。解决了利用激光扫描对高速目标探测和捕捉所存在的关键技术，即光电接收器必须具有过高响应频率的问题。本发明可使激光扫描速度达到预定的要求，可探测和捕捉运动速度更快的物体，但该专利结构较复杂，调整计算步骤繁琐，完全不适用于扫描照明的技术领域。

中国专利申请CN1403868公开了一种光路装置，属于激光相机的部件，由支架、激光器、透镜组、电机及反射镜组成，在支架的中部固定激光器，在激光器的前端设置透镜组，电机装在支架上，位于透镜组前，透镜组正对中空状电机轴，在电机轴伸出端一侧装有反射镜，在电机轴伸出端与反射镜相对处开有光反射孔，本专利申请将旋转的激光束投射到胶片上，并能准确定位扫描起始点及扫描终止点，在胶片上形成清晰准确的图像扫描结果，该专利申请是应用于激光相机领域的部件，激光器功率、角度调整等都不适用于激光器照明的技术领域。

美国专利6532244、6810175等所描述的将一定长度的多模光纤进行盘绕或施加分布式的应力，并辅以离轴耦合、将不同直径的光纤对接的方法。但这些方法实施起来不够简便，需要体积比较大的装置和足够长的光纤，安装、调节都不方便，批量制作的时候一致性难以保证。中国专利文件CN101630045A提供了一种改善多模光纤输出光束空间分布的装置，通过给光纤施加应力来改变输出光束空间分布，包括在传输激光的多模光纤上的很短的长度上施加单点、多点或连续分布的的外应力，方法简单方便，对于光斑中的圆环螺旋条纹有明显的效果，但该方法对光场中的散斑问题没有任何的效果。

激光的散斑问题一直是一个影响高质量的激光照明的重要瓶颈之一，若能实现激光散斑问题的有效解决，做到结构紧凑小型化，低成本，将具有重要的意义和实用价值。

发明内容

针对现有技术激光输出光场的不均匀性和干涉散斑的不足，本发明提供一种激光旋转扫描照明装置。

本发明还提供一种上述激光旋转扫描照明装置的应用。本发明能同时达到光斑匀化和消散斑的效果，满足激光作为光源的高质量要求激光均匀化消散斑的方法。

本发明的技术方案如下：

一种激光旋转扫描照明装置，包括驱动反射镜沿反射镜法线旋转的旋转装置、反射镜和激光光源；所述的激光光源出射的激光被所述的反射镜反射，所反射的激光作为扫描照明光源。

根据本发明优选的，所述的旋转装置为沿轴向转动的电机。

根据本发明优选的，所述激光光源为光纤耦合激光器，所述光纤耦合激光器通过光纤、光纤输出端将激光出射在所述的反射镜表面。

根据本发明优选的，所述激光光源为多个光纤耦合激光器的光纤合束。

根据本发明优选的，所述激光光源为半导体激光器。

根据本发明优选的，所述的激光旋转扫描照明装置还包括外壳，在所述的外壳上设置有出光窗口，所述的扫描照明光源沿所述出光窗口照射出。

根据本发明优选的，所述的外壳为圆柱形，所述的出光窗口设置在所述外壳的顶部；在所述外壳内设置有调整架；所述调整架，包括搭设在外壳侧壁和外壳底壁之间的底板，和在电机顶端的反射镜板：所述的电机通过电机调整旋钮设置在所述的底板上，所述电机的角度通过电机调整旋钮进行调整；所述反射镜通过反射镜调整旋钮设置在所述的反射镜板上，所述反射镜的角度通过反射镜调整旋钮进行调整。

根据本发明优选的，在所述出光窗口的前端设置有同步变焦系统。所述出光窗口用以保护该装置内部不受外界干扰，其前端所集成的同步变焦系统用以实现更高端的照明应用。

根据本发明优选的，所述反射镜的形状为圆形。此处设计的目的在于，保证激光器的输出光都能够被反射镜接收，优选的，该反射镜的直径范围是5～20mm。

根据本发明优选的，所述反射镜是平面反射镜、凹面反射镜或凸面反射镜，其材质为对所使用激光光源波段吸收率低的金属反射镜或镀有高反膜的镜片。

一种利用上述激光旋转扫描照明装置进行照明的方法，包括步骤如下：

（1）调整所述电机的放置角度，利用底板和电机调整旋钮调整所述电机的角度，以配合激光光源出射方向，完成对整个扫描照明光源出光方向的调整；

（2）调整所述反射镜的放置角度，利用反射镜调整旋钮和反射镜板对反射镜的放置角度进行调整，实现对扫描后激光光斑大小的调整和激光光斑之间的叠加优化；

（3）调整激光光源的位置；调整激光光源出射角度及其与所述反射镜之间的距离；

整个装置的调整要根据整个扫描照明光源的光斑的情况进行调整：当所述光斑中间有空心时，则减小反射镜法线与电机转轴之间的夹角；当所述光斑为椭圆时，则配合调整电机与底板夹角以及激光光源出射光的角度；

（4）开启电源，激光光源经过旋转的反射镜反射，形成一个圆形轨迹的扫描光束。

本发明的有益效果：

1.本发明所述的激光旋转扫描照明装置，通过旋转反射镜的方法将激光光源进行扫描，在最后的照射平面上形成多个光斑的快速叠加，在视觉上形成平均的效果，达到消除散斑与条纹的目的。

2.本发明所述的激光旋转扫描照明装置，结构简单，成本低，能量利用率高，特别适用于以光纤输出激光为光源的应用领域中，如激光夜视、安防、激光投影等。

3.本发明对于多根光纤合束的光纤耦合激光器也不需要对接单根粗跳线，避免了在这里的对接损耗和发热问题；同时，本发明对于快轴压缩整形之后的激光器不需要进行光纤耦合直接可以应用于照明，输出光斑圆形，解决了因多模激光器而产生的暗纹的情况。

4.本发明不但将光斑匀化和消散斑统一考虑并实现，而且结构简单、体积小、实现方便、成本低、易于批量生产，可以很方便的实现和照明器镜头的集成，并且电机可采用直流低压电源，可靠性好，还可以和激光器并联使用激光器电源，本方法对光功率几乎没有影响，光功率利用率大于99%。

附图说明

图1为本发明实施例1、2的结构示意图；

图2为本发明实施例3的结构示意图；

图1-2中：1、电机；2、反射镜；3、出光窗口；4、光纤输出端；5、光纤；6、光纤耦合激光器；7、反射镜调整旋钮；8、底板；9、电机调整旋钮；10、半导体激光器；11、反射镜板；12、外壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。一种激光旋转扫描照明装置，包括驱动反射镜沿反射镜法线旋转的旋转装置、反射镜2和激光光源；所述的激光光源出射的激光被所述的反射镜2反射，所反射的激光作为扫描照明光源。所述的旋转装置为沿轴向转动的电机1。所述反射镜2为圆形的、镀有高反膜的平面反射镜。

所述激光光源为光纤耦合激光器6，所述光纤耦合激光器6通过光纤5、光纤输出端4将激光出射在所述的反射镜2表面。

所述的激光旋转扫描照明装置还包括外壳12，在所述的外壳12上设置有出光窗口3，所述的扫描照明光源沿所述出光窗口3照射出。所述的外壳12为圆柱形，所述的出光窗口3设置在所述外壳12的顶部；在所述外壳12内设置有调整架；所述调整架，包括搭设在外壳侧壁和外壳底壁之间的底板8，和在电机顶端的反射镜板11：所述的电机1通过电机调整旋钮9设置在所述的底板8上，所述电机1的角度通过电机调整旋钮9进行调整；所述反射镜2通过反射镜调整旋钮7设置在所述的反射镜板11上，所述反射镜2的角度通过反射镜调整旋钮7进行调整。

实施例2、

利用如实施例1所述激光旋转扫描照明装置进行照明的方法，包括步骤如下：

（1）调整所述电机2的放置角度：将电机1倾斜固定在底板8上，使电机轴向角度与水平面之间的夹角范围：50°～75°；

（2）调整所述反射镜2的放置角度：在电机1转子上固定一个倾斜的平面反射镜2，镜面法线方向和电机轴的夹角范围：0°～15°；

（3）调整激光光源的位置：光纤耦合激光器6的光纤输出端4与平面反射镜2之间的距离范围：10～40mm，所述激光出射光和反射镜法线方向成15°～40°的角度，倾斜入射到反射镜2的中央；

（4）开启电源，激光光源经过旋转的反射镜2反射，形成一个圆形轨迹的扫描光束。所述电机的转速范围：600～7200转/分钟。

实施例3、

如图2所示。如实施例1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其区别在于，所述激光光源为半导体激光器10。

实施例4

如实施例1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其区别在于，所述激光光源为多个光纤耦合激光器的光纤合束。

实施例5、

如实施例1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其区别在于，所述的反射镜2为镀高反膜的凸面反射镜。

实施例6、

如实施例1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其区别在于，在所述出光窗口3的前端设置有同步变焦系统。

Claims (7)

1.一种激光旋转扫描照明装置，其特征在于，该装置包括驱动反射镜沿反射镜法线旋转的旋转装置、反射镜和激光光源；所述激光光源出射的激光被所述反射镜反射，所反射的激光作为扫描照明光源；所述激光旋转扫描照明装置还包括外壳，在所述外壳上设置有出光窗口，所述扫描照明光源沿所述出光窗口照射出；所述外壳为圆柱形，所述出光窗口设置在所述外壳的顶部；在所述外壳内设置有调整架；所述调整架，包括搭设在外壳侧壁和外壳底壁之间的底板，和在电机顶端的反射镜板；所述电机通过电机调整旋钮设置在所述底板上，所述电机的放置角度通过电机调整旋钮进行调整；所述反射镜通过反射镜调整旋钮设置在所述反射镜板上，所述反射镜的角度通过反射镜调整旋钮进行调整；

所述旋转装置为沿轴向转动的电机；

电机轴向角度与水平面之间的夹角范围：50°~75°；

所述反射镜的镜面法线方向和电机轴向夹角范围：0°~15°；

所述激光光源的出射光和反射镜法线方向成15°~40°的角度。

2.根据权利要求1所述一种激光旋转扫描照明装置，其特征在于，所述激光光源为光纤耦合激光器，所述光纤耦合激光器通过光纤和光纤输出端将激光出射在所述反射镜表面。

3.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其特征在于，所述激光光源为半导体激光器。

4.根据权利要求2所述的一种激光旋转扫描照明装置，其特征在于，所述激光光源为多个光纤耦合激光器的光纤合束。

5.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其特征在于，在所述出光窗口的前端设置有同步变焦系统。

6.根据权利要求1所述的一种激光旋转扫描照明装置，其特征在于，所述反射镜的形状为圆形；所述反射镜是平面反射镜、凹面反射镜或凸面反射镜，其为对所使用激光光源波段吸收率低的金属反射镜或镀有高反膜的镜片。

7.一种利用如权利要求1所述激光旋转扫描照明装置进行照明的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

（1）调整所述电机的放置角度，利用底板和电机调整旋钮调整所述电机的放置角度，以配合激光光源出射方向，完成对整个扫描照明光源出光方向的调整；

（2）调整所述反射镜的放置角度，利用反射镜调整旋钮和反射镜板对反射镜的放置角度进行调整，实现对扫描后激光光斑大小的调整和激光光斑之间的叠加优化；

（3）调整激光光源的位置；

（4）开启电源，激光光源经过旋转的反射镜反射，形成一个圆形轨迹的扫描光束。