CN104423047B - 一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置及光斑匀化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，包括具有多层反射透镜层的复合透镜。所述的复合透镜沿反射面由上而下依次设置n层反射透镜层，其中n≥2，自反射面由上而下设置的反射透镜层反射率依次为1/n，1/（n‑1），1/（n‑2）……1/[n‑（n‑1）]。本发明还涉及一种利用上述光斑匀化装置对激光光斑匀化的方法。本发明利用该装置对半导体激光器输出的光斑进行快轴压缩后入射到复合透镜进行折射，然后对压缩后的光斑进行能量重新排列，能同时达到光斑匀化和消减散斑的效果，满足半导体激光作为光源的高质量要求。

Description

一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置及光斑匀化方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置及光斑匀化方法，属于激光应用的技术领域。
背景技术
随着半导体激光器的发展，其应用领域拓展到人类生活的各方各面，国防军事，工业加工，消费娱乐等。应用于民用夜间照明更是半导体激光器发挥优势的重点领域，由于其准直行，夜间远距离照明是不二的选择，寿命比早期应用于近距离照明的发光二级光长几倍，电光转换效率可达60%以上，做到真正的节能环保；波长覆盖范围长，可按照具体要求，实现高效照明或无红爆照明的效果。这些有利优势也使近几年半导体激光器用于红外光源得到迅猛发展。但是半导体激光器由于其最基本的波导结构造成的快轴发散角远大于慢轴发散角，输出光斑远场为条形，与摄像机的接收比例不匹配，大部分光无法接收，所以一般情况下需要对快轴进行有效的压缩，通常用的快轴处理方式为柱透镜快轴压缩，但是采用一般的柱透镜会导致输出光斑分瓣，造成明暗相间的条纹，这种光斑在夜间照明很难达到要求，所以对光斑的匀化是半导体激光器作为夜间照明非常重要的一项工作。
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，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。光源包括至少一个频率变换激光源，该激光源包括波长可调激光二极管和波长变换器件。相位延迟元件被配置成将频率变换激光束的偏振分解成两个正交的线偏分量以使一个偏振分量相对于另一个相位滞后。2D图像帧内的频率变换激光束偏振是各偏振分量相对于彼此滞后的程度的函数并随波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化。2D图像帧中的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱图像斑点图案。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CN102081235A公开了多模光纤中传输光信号均匀化、消偏振以及消相干的方法，将光纤置于超声波振荡器的液体中来实现对光斑的匀化，将光纤缠绕在振荡器中的光纤限定圈中，采用的液体是水。该装置相对简单一些，但由于有液体的存在，使用起来很不方便，而且超声振荡器需要外加高压高频电源，增加了整个系统的体积和成本。
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。该装置相对简单，但由于散射介质以及波导反射层的吸收损耗，效率不高，光功率的损耗较大。
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干涉散斑没有任何的效果，在照明，显示的时候还是会严重影响成像的质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置。该装置能同时达到光斑匀化和消减散斑的效果，满足半导体激光作为光源的高质量要求。
本发明还提供一种利用上述光斑匀化装置对激光光斑匀化的方法。
本发明的技术方案如下：
一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，包括具有多层反射透镜层的复合透镜。
根据本发明优选的，所述的复合透镜沿反射面由上而下依次设置n层反射透镜层，其中n≥2，自反射面由上而下设置的反射透镜层反射率依次为1/n，1/（n-1），1/（n-2）……1/[n-（n-1）]。所述反射透镜层的反射率为每层反射透镜层表面所能反射的光量和入射光量之比，所述反射透镜层的透射率为每层反射透镜层表面所能透射的光量和入射光量之比，本发明中将所述反射透镜层本征吸收光量忽略，即所述每层反射透镜层的反射率与透射率之和为1。
根据本发明优选的，所述多层反射透镜层中，相邻设置的反射透镜层之间无空气间隔。
一种利用上述光斑匀化装置对激光光斑匀化的方法，包括步骤如下：
（1）将半导体激光器输出的光斑进行快轴压缩；
（2）经快轴压缩的激光入射至所述复合透镜的入射面，依次沿第1反射透镜层、第2反射透镜层……第n反射透镜层进行反射和透射：激光沿第1反射透镜层部分反射至光屏形成第一组固定距离间隔光斑，同时，剩余激光沿第1反射透镜层全部折射至第2反射透镜层，激光依次如在第1反射透镜层上进行部分反射，至光屏形成第二组固定距离间隔光斑，剩余激光折射至第3反射透镜层，激光按照上述规律依次在第2反射透镜层到第（n-1）反射透镜层上进行反射和折射，当激光折射到第n反射透镜层上时，所述第n反射透镜层将激光全部反射至所述光屏上形成第n组固定距离间隔光斑。利用本发明所述光斑匀化装置将激光匀化为多组交替排列，在所述光屏上形成光斑匀化的效果。
根据本发明优选的，所述的复合透镜沿反射面由上而下依次设置n层反射透镜层，其中n≥2，自反射面由上而下设置的反射透镜层反射率依次为1/n，1/（n-1），1/（n-2）……1/[n-（n-1）]。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，结构简单，易于加工和操作，可批量作为照明用激光光斑匀化装置。一种半导体激光器用于照明的光斑匀化方法，方法简单、容易操作，能同时达到光斑匀化和消减散斑的效果，满足半导体激光作为光源的高质量要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的光路原理图；
图2为本发明中实施例3所述复合透镜的结构图；
图3为本发明实施例4中各层反射透镜层的光斑逐一叠加的效果示意图：其中a为第一组光斑的示意图、b为第一组光斑和第二组光斑的示意图、c为第一组光斑、第二组光斑和第三组光斑的示意图、d为第一组光斑到第四组光斑的示意图。
图中，1、快轴压缩后的激光光路；2、入射光；3、出射光；4、复合透镜；5、光屏；6、第1反射透镜层；7、第2反射透镜层；8、第3反射透镜层；9、复合透镜层的反射面；10、第4反射透镜层；11、第一组光斑；12、第二组光斑；13、第三组光斑；14、第四组光斑。
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、3所示。
一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，包括具有4层反射透镜层的复合透镜4。
所述的复合透镜4沿反射面由上而下依次设置4层反射透镜层，自反射面由上而下设置的反射透镜层反射率依次为：第1反射透镜层6的反射率1/4；第2反射透镜层7的反射率1/3、第3反射透镜层8的反射率1/2、第4反射透镜层10的反射率1/1。
实施例2、
如实施例1所述的一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，其区别在于，所述4层反射透镜层中，相邻设置的反射透镜层之间无空气间隔。
实施例3、
如图2所示。
如实施例1所述的一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，其区别在于，所述的复合透镜4沿反射面由上而下依次设置3层反射透镜层，自反射面由上而下设置的反射透镜层反射率依次为：第1反射透镜层6的反射率1/3；第2反射透镜层7的反射率1/2、第3反射透镜层8的反射率1/1。
实施例4、
如图1、3所示。
一种利用如实施例1所述光斑匀化装置对激光光斑匀化的方法，包括步骤如下：
（1）将半导体激光器输出的光斑进行快轴压缩；
（2）经快轴压缩的激光入射至所述复合透镜4的入射面9，依次沿第1反射透镜层6、第2反射透镜层7、第3反射透镜层8进行反射和透射：激光沿第1反射透镜层6部分反射至光屏形成第一组固定距离间隔光斑，如图3中a所示，同时，剩余激光沿第1反射透镜层6全部折射至第2反射透镜层7，激光依次如在第1反射透镜层6上进行部分反射，至光屏形成第二组固定距离间隔光斑，与所述第一组光斑交错排列，如图3中b所示，剩余激光折射至第3反射透镜层，激光按照上述规律依次在第2反射透镜层到第4反射透镜层上进行反射和折射，所述第3反射透镜层将激光部分反射至所述光屏上形成第三组固定距离间隔光斑，如图3中c所述；当激光折射到第4反射透镜层上时，所述第4反射透镜层将激光全部反射至所述光屏上形成第四组固定距离间隔光斑，如图3中d所述。

Claims (3)

1.一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，其特征在于，该装置包括具有多层反射透镜层的复合透镜；
所述的复合透镜沿反射面由上而下依次设置n层反射透镜层，其中n≥2，自反射面由上而下设置的反射透镜层反射率依次为1/n，1/（n-1），1/（n-2）……1/[n-（n-1）]。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器用于照明的光斑匀化装置，其特征在于，所述多层反射透镜层中，相邻设置的反射透镜层之间无空气间隔。
3.一种利用如权利要求1-2任意一项所述光斑匀化装置对激光光斑匀化的方法，包括步骤如下：
（1）将半导体激光器输出的光斑进行快轴压缩；
（2）经快轴压缩的激光入射至所述复合透镜的入射面，依次沿第1反射透镜层、第2反射透镜层……第n反射透镜层进行反射和透射：激光沿第1反射透镜层部分反射至光屏形成第一组固定距离间隔光斑，同时，剩余激光沿第1反射透镜层全部折射至第2反射透镜层，激光依次如在第1反射透镜层上进行部分反射，至光屏形成第二组固定距离间隔光斑，剩余激光折射至第3反射透镜层，激光按照上述规律依次在第2反射透镜层到第（n-1）反射透镜层上进行反射和折射，当激光折射到第n反射透镜层上时，所述第n反射透镜层将激光全部反射至所述光屏上形成第n组固定距离间隔光斑。
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