CN107367846B - 能够抑制散斑的激光照明光路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够抑制散斑的激光照明光路结构，包括均呈中空结构的调节筒和固定筒，调节筒前端设有成像镜头，调节筒的后端与固定筒连接；固定筒的后端穿设有传光束，传光束由至少两根长度一致的多模光纤组成，固定筒内在传光束的出射光路上设有传光束耦合镜；固定筒内靠近前端的位置竖直设有光阑，光阑处于成像镜头的一倍焦面和二倍焦面之间，光阑孔处于传光束和传光束耦合镜所组成光学系统的出瞳位置，且光阑孔的尺寸小于或等于该光学系统的出瞳尺寸。匀化了多模光纤带入的散斑，同时使照明区域内反射面的散斑对比度下降，改善反射面的成像效果，保持激光照明的相干性，结构稳定，适合主动照明的高速成像过程，具有极大的科研价值。

Description

能够抑制散斑的激光照明光路结构

技术领域

本发明涉及激光照明成像设备技术领域，具体涉及一种能够抑制散斑的激光照明光路结构。

背景技术

相比于普通光源，激光具备单色性好、方向性好及相干性高等特点，使用激光对目标物体进行主动照明，可有效提高后续成像系统在低照度背景光环境下对暗目标及小目标的分辨识别能力。

特别是在超高速成像过程中，使用激光照明可使成像系统捕获功率密度足够大的物体反射或散射光，使得目标物成像清晰且能明显抑制环境本底的干扰。然而，由于具备很高的相干性，激光照明目标物时，物表面并非理想镜面反射，其粗糙程度远大于光波长，物表面相近的不同位置上反射的激光具备一定的干涉条件，即会形成散斑现象，物表面的许多具体细节被散斑覆盖从而造成成像信息丢失。

另外，在许多必须使用光纤传光照明的场合，由于多模光纤的模式众多，模式间传播激光时满足一定的干涉条件，也会在光纤输出端带入明显的散斑。为解决散斑问题，当前主要采用了如下一些方法，如使用能转动的随机相位屏、振动光纤、使用多种光纤以不同角度和不同偏振状态入射照明区域等，或者使用运动漫反射体进行时间平均，但这些方法均不能适应超高速成像过程，有些甚至会影响返回光的相干性。因此，需要发展一种在不影响照明激光相干性的条件下、能适用于高速成像过程的、能够抑制散斑的激光照明光路结构。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够抑制散斑的激光照明光路结构，可在不影响激光相干性的情况下，抑制并匀化激光散斑，适合高速成像。

其技术方案如下：

一种能够抑制散斑的激光照明光路结构，其关键在于：包括均呈中空结构的调节筒和固定筒，所述调节筒前后两端敞口，在其前端敞口位置安装有光阑成像镜筒，所述光阑成像镜筒的前端具有成像镜头，调节筒的后端与固定筒连接；

所述固定筒的后端穿设有传光束，所述传光束由至少两根长度一致的多模光纤组成，其传光束出口端伸入固定筒内，所述固定筒内在传光束的出射光路上设有传光束耦合镜；

所述固定筒内靠近前端的位置竖直设有光阑，光阑处于成像镜头的一倍焦面和二倍焦面之间，所述光阑上的光阑孔处于传光束和传光束耦合镜所组成光学系统的出瞳位置，且光阑孔的尺寸小于或等于该光学系统的出瞳尺寸。

采用以上结构，照明激光从传光束入口端进入，并从传光束出口端后经传光束耦合镜耦合，通过光阑成像镜筒成像到其像方空间，并使光阑的像面成像到待照明区域，形成瞳对窗的照明效果，有效的匀化了各个多模光纤带入的散斑，同时多模光纤带入的散斑在照明区域内的粗糙反射面附近形成多种散斑场，该结构使得散斑场叠加从而降低了散斑的对比度，从而改善反射面的成像效果，保持激光相干性的同时，结构稳定，适合主动照明的高速成像。

作为优选：所述光阑成像镜筒、调节筒和固定筒均呈圆柱状，且光阑成像镜筒的外径与调节筒的内径相适应，调节筒的外径小于固定筒内径。采用以上结构，便于通过三者的轴线来对正安装固定。

作为优选：所述固定筒的后端呈锥筒状结构，其内径沿远离调节筒的方向逐渐减小，所述传光束耦合镜通过耦合镜外框安装在固定筒内靠近后端的位置。采用以上结构，可有效确保传光束耦合镜的稳定性，并且对其起到一定保护作用。

作为优选：所述调节筒的底部沿其轴向设有滑槽，所述光阑成像镜筒的底部固设有与所述滑槽相适应的导轨，所述导轨嵌入滑槽中，并可沿其滑动。采用以上结构，通过导轨在滑槽内滑动，从而带动光阑成像镜筒移动，调整成像镜头与光阑之间的间距，从而调整光阑的成像倍数和成像距离，适应不同的需求。

作为优选：所述调节筒前端端部对应导轨的位置固设有调节头，所述调节头上可转动地设有调节手轮，调节手轮的调节轴正对导轨底部的位置套设有齿轮，所述导轨底壁沿其轴向设有与能够与所述齿轮啮合的啮合齿。采用以上方案，通过调节手轮可以更稳定更准确的移动成像镜头，提高结构的可靠性。

作为优选：所述多模光纤采用熔石英制成。采用以上结构，可以满徐紫外激光的照明需求，以及可以获得较高的传输效率。

作为优选：所述固定筒的侧壁前端设有圆形的沉台，所述光阑嵌设在该沉台上，并与沉台的台阶面抵接，所述调节筒侧壁后端端部具有水平向外延伸的凸缘，所述凸缘与沉台的大小相适应，凸缘嵌入所述沉台中，并与光阑抵接。采用以上结构，可使光阑安装更稳定，进一步防止瞬时振动带来的影响，提高装置的稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的能够抑制散斑的激光照明光路结构，匀化了多模光纤带入的散斑，同时使照明区域内反射面的散斑对比度下降，改善反射面的成像效果，同时保持激光照明的相干性，结构稳定，适合主动照明的高速成像过程，可进一步推动成像系统的发展，具有极大的科研价值。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例的内部结构示意图；

图3为调节头调节结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1至图3所示的能够抑制散斑的激光照明光路结构，主要包括均呈中空圆柱结构的调节筒2和固定筒3，并且二者水平同轴连接，均由金属材料制成。

调节筒2的前后两端(此处及下文中所指前后均与图2中所示方向一致，左边为前端，右边为后端)均敞口，调节筒2的前端安装有光阑成像镜筒1，且光阑成像镜筒1也呈圆柱状，其外径与调节筒2的内径相适应，调节筒2的前端套接在光阑成像镜筒1的后端，光阑成像镜筒1的前端具有圆形的成像镜头11，本实施例中成像镜头11采用设计良好的短焦距反摄远镜头，光阑成像镜筒1的后端与调节筒2内的光路连通。

固定筒3的后端呈内径逐渐变小的锥筒状结构，最后端的内径最小，且具有水平向后端延伸的圆柱形延伸段，该延伸段上沿其轴线开设有与固定筒3内部连通的安装孔，在该安装孔的位置穿设有传光束6，传光束6的传光束出口端61与安装孔的前端端面齐平。

固定筒3内竖直安装有传光束耦合镜5，传光束耦合镜5通过耦合镜外框51安装在固定筒3内后端的锥筒状范围之内，如图2所示，固定筒3的锥形内壁上设有台阶，而耦合镜外框51的外部设有向外延伸呈圆盘状的固定座，耦合镜外框51通过固定座安装在台阶上。

本实施例中，传光束耦合镜5处于传光束6的投射光路上，同时传光束耦合镜5采用短焦距大数值孔径的镜头，以确保能将传光束6出射的激光无损失地耦合进入镜头中，提高耦合效率，从而保持激光的相干性。

固定筒3的前端敞口，其侧壁在前端端部位置设有沉台，在该沉台位置处嵌设有圆形的光阑4，光阑4上设有贯穿其前后两侧的光阑孔40，光阑孔40可以是圆形也可以是方形的，根据照明需求来设计。

值得注意的是，在安装光阑4时要注意其位置，需要根据成像镜头11和传光束耦合镜5的参数位置来确定，即是说当成像镜头11和传光束耦合镜5位置确定之后，光阑4的位置也就固定了，光阑4的设置需要满足一下原则：即光阑4需要处于成像镜头11的一倍焦面和二倍焦面之间，同时光阑孔40处于传光束6和传光束耦合镜5二者所组成的光学系统的出瞳位置，且光阑孔40的尺寸小于或等于传光束6和传光束耦合镜5组成的光学系统的出瞳尺寸。

为使光阑4的状态稳定，本实施例中，调节筒2的后端端部具有沿其端面向外水平延伸的凸缘22，凸缘22呈圆形，并与固定筒3前端的沉台相适应，凸缘22嵌入沉台中，凸缘22的后端面与沉台的台阶面一起实现对光阑4的夹持，从而可提高光阑4的稳定性。

本结构中还有一个关键点在于传光束6的设置，本申请中传光束6至少由两根长度一致的多模光纤组成，即将两根或两根以上的多模光纤端部对齐后捆扎在一起形成，一般由数十根组成，这样传光束6的端面直径可达到数毫米至数十毫米，长度约数米，而当某些情况下，我们需要紫外激光照明或向获取较高的传输效率时，则可选取熔石英材料制成的多模光纤所组成的传光束6，这样即可使装置满足更特殊的需求。

为增加本装置的适应性，在调节筒2上还设有调节头7，通过调节头7可以移动光阑成像镜筒1，使其伸出或收缩进调节筒2内，从而调整成像镜头11与光阑4之间的间距，从而改变光阑的成像倍数和成像距离。

如图2和图3所示，为方便调节头7的调节，在光阑成像镜筒1的底壁沿其轴向设有呈齿条结构的导轨12，且导轨12上的啮合齿120竖直朝下，而调节筒2的侧壁内部对应位置设有与导轨12相适应的凹槽21，导轨12可沿凹槽21的轴向滑动，在使用过程中，可在凹槽21内加入润滑脂，可以有利于导轨12滑动，防止卡死。但是需要注意的是，在设计导轨12移动行程时候，需要确保成像镜头11与光阑4之间的距离在固定的范围值内，即光阑4始终是在成像镜头11的一倍焦面和二倍焦面之间相对运动。

调节头7固设在调节筒2的前端部下方对应导轨12的位置，其上可转动地穿设有调节手轮71，调节手轮71处于导轨12的下方，其正对导轨12的位置套设有齿轮710，齿轮710与导轨12上的啮合齿120相互啮合，这样当转动调节手轮71时，则可使导轨12向前或向后移动，并且通过调节手轮71可以更为精准平稳的进行调节，提高结构的稳定性。

本实施例中，为防止导轨12与调节手轮71上的齿轮710脱离后，光阑成像镜筒1从调节筒2中脱出或处于调节筒2内不能出来的情况发生，导轨12上的啮合齿120与导轨12的端部之间均留有间隙。

本发明的工作过程如下：

照明激光经传光束入口端62进入，后从传光束出口端61出射，出射激光被传光束耦合镜5完全耦合，由于多根不同多模光纤出射的激光在传光束耦合镜5的出瞳位置重合，即可有效匀化各个多模光纤所带入的散斑；

经过耦合后的激光经过成像镜头11的反摄远成像方式，将其成像到像方空间，并使光阑4的像面成像到待照明区域，因为光阑4位置的特殊性，使得在照明区域形成瞳对窗的照明效果，即在照明区域内同时具有来自多条多模光纤的光斑，这些光斑在照明区域内的粗糙反射面附近形成多种散斑场，多个散斑场叠加后降低了散斑对比度，从而改善了反射面的成像效果。

同时因为采用的是长度一致的多模光纤，这样照明激光的相干性也会得以保持，在使用过程中，可以通过旋转调节手轮71改变成像镜头11和光阑4之间的间距，控制放大倍数和成像距离，可以满足不同照明区域的需求，结构稳定，不含瞬时振动或转动部件，适合主动照明的高速成像过程，有利于推进成像系统的发展。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种能够抑制散斑的激光照明光路结构，其特征在于：包括均呈中空结构的调节筒(2)和固定筒(3)，所述调节筒(2)前后两端敞口，在其前端敞口位置安装有光阑成像镜筒(1)，所述光阑成像镜筒(1)的前端具有成像镜头(11)，调节筒(2)的后端与固定筒(3)连接；

所述固定筒(3)的后端穿设有传光束(6)，所述传光束(6)由至少两根长度一致的多模光纤组成，其传光束出口端(61)伸入固定筒(3)内，所述固定筒(3)内在传光束(6)的出射光路上设有传光束耦合镜(5)；

所述固定筒(3)内靠近前端的位置竖直设有光阑(4)，光阑(4)处于成像镜头(11)的一倍焦面和二倍焦面之间，所述光阑(4)上的光阑孔(40)处于传光束(6)和传光束耦合镜(5)所组成光学系统的出瞳位置，且光阑孔(40)的尺寸小于或等于该光学系统的出瞳尺寸；

所述光阑成像镜筒(1)、调节筒(2)和固定筒(3)均呈圆柱状，且光阑成像镜筒(1)的外径与调节筒(2)的内径相适应，调节筒(2)的外径小于固定筒(3)内径；

所述多模光纤采用熔石英制成。

2.根据权利要求1所述的能够抑制散斑的激光照明光路结构，其特征在于：所述固定筒(3)的后端呈锥筒状结构，其内径沿远离调节筒(2)的方向逐渐减小，所述传光束耦合镜(5)通过耦合镜外框(51)安装在固定筒(3)内靠近后端的位置。

3.根据权利要求1或2所述的能够抑制散斑的激光照明光路结构，其特征在于：所述调节筒(2)的底部沿其轴向设有滑槽(21)，所述光阑成像镜筒(1)的底部固设有与所述滑槽(21)相适应的导轨(12)，所述导轨(12)嵌入滑槽(21)中，并可沿其滑动。

4.根据权利要求3所述的能够抑制散斑的激光照明光路结构，其特征在于：所述调节筒(2)前端端部对应导轨(12)的位置固设有调节头(7)，所述调节头(7)上可转动地设有调节手轮(71)，调节手轮(71)的调节轴正对导轨(12)底部的位置套设有齿轮(710)，所述导轨(12)底壁沿其轴向设有与能够与所述齿轮(710)啮合的啮合齿(120)。

5.根据权利要求1所述的能够抑制散斑的激光照明光路结构，其特征在于：所述固定筒(3)的侧壁前端设有圆形的沉台，所述光阑(4)嵌设在该沉台上，并与沉台的台阶面抵接，所述调节筒(2)侧壁后端端部具有水平向外延伸的凸缘(22)，所述凸缘(22)与沉台的大小相适应，凸缘(22)嵌入所述沉台中，并与光阑(4)抵接。