CN108020925A - 一种利用led光源产生焦散光束的方法和光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用LED光源产生焦散光束的方法，这种方案的设计思路是基于交叉谱密度函数及菲涅尔‑基尔霍夫衍射理论。LED光源经过小孔光阑和长距离传输后变成部分相干光，再倾斜入射轴棱锥产生LED焦散光束。该设计方案具有操作简单，安全环保，成本低等特点，且光学系统搭建过程中对所需的光学元件型号大小没有特殊要求。这就使得该方案灵活性更大，应用范围更广。焦散光束的自愈特性在相干断层扫描、微粒子操控等领域具有潜在的应用。因此，该设计方案在焦散光束实际应用中具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体是一种产生焦散光束的方法。
背景技术
无衍射光束是自由空间标量波动方程的一组特解，自1987年美国J.Durin教授在实验室内产生第一束无衍射Bessel光束后，就迅速引起了广泛关注。而焦散光束的发现主要是源于对Bessel光束的研究。实验中轴棱锥的椭圆误差或光束斜入射都能对Bessel光束产生显著的影响，导致Bessel光束中心向外环分裂，从而产生焦散光束。
自从1998年Zhao等对焦散光束初步研究开始，不断有学者对此光束进行探索。然而目前对焦散光束的研究都是以激光作为光源，且研究范围仅局限于相干光领域。LED作为一种成本较低的新型且易获得的非相干光源,与激光光源相比,其发出的光经过一段距离传输后变成的部分相干光同样具有良好的方向性。并且LED具有节能环保、寿命长、安全可靠性强、高亮度低热量等特点,因此被广泛应用于医疗、通信和工业照明等领域,其相关光学特性越来越受到研究者的重视。因此对以LED为光源产生焦散光束的方法的研究是有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用LED光源产生焦散光束的方法和光学系统，其简单有效且成本较低。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用LED光源产生焦散光束的方法，LED光源通过聚光筒产生光强均匀的非相干面光源，此非相干面光源依次经过小孔光阑和准直扩束系统，再经过一定距离传输后，倾斜入射轴棱锥产生LED焦散光束；其中，从所述小孔光阑到所述轴棱锥的传输距离不小于1.2m。
所述倾斜入射的入射角为15°－30°。
上述小孔光阑的直径为0.2mm～0.5mm。
上述准直扩束系统由短焦距透镜和长焦距透镜组成，上述短焦距透镜和上述长焦距透镜的焦点重合，该准直扩束系统的放大倍数通过选取不同的透镜焦距来调节。
上述轴棱锥是传统的折射型轴棱锥。
一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，包括LED光源，以及沿LED光源的光路依次设置的聚光筒、小孔光阑、准直扩束系统和轴棱锥，且扩束系统的出射光以一定角度倾斜入射轴棱锥的入光面；其中，所述小孔光阑到所述轴棱锥的距离不小于1.2m。
所述倾斜入射的入射角为15°－30°。
上述小孔光阑的直径为0.2mm～0.5mm。
上述准直扩束系统由短焦距透镜和长焦距透镜组成，上述短焦距透镜和上述长焦距透镜的焦点重合，该准直扩束系统的放大倍数通过选取不同的透镜焦距来调节。
上述轴棱锥是传统的折射型轴棱锥。
采用上述技术方案后，本发明一种利用LED光源产生焦散光束的方法和光学系统，其优点在于：LED具有节能环保、寿命长、成本较低等特点，用LED光源产生焦散光束不仅有效降低了成本，而且把焦散光束的研究范围由相干光拓展到了部分相干光的LED领域。且丰富了焦散光束的内涵，为LED焦散光束的实际应用提供了实验依据。故本发明为产生焦散光束提供了一种简洁，有效的新途径。因此，在焦散光束的实际应用中具有广泛的市场前景。
附图说明
图1为本发明光学系统的结构示意图；
图2为本发明光学系统的光路示意图；
图3为本发明光学系统的实验光斑图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
本发明的一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，如图1所示，包括光学平台1，固定光学支架2，LED灯珠3，聚光筒4，小孔光阑5，短焦距透镜6，长焦距透镜7，轴棱锥8和CCD成像系统9； LED灯珠3、聚光筒4、小孔光阑5、短焦距透镜6、长焦距透镜7、轴棱锥8和CCD成像系统9分别通过固定光学支架2支设于光学平台 1上，且聚光筒4、小孔光阑5、短焦距透镜6、长焦距透镜7、轴棱锥8和CCD成像系统9依次设置于LED灯珠3的光路上。
小孔光阑5的直径为非固定值，可根据需要调节，但是不宜过大，不然对提高光场的相干性效果作用较小，本发明中，小孔光阑5的直径选取0.2mm～0.5mm。
短焦距透镜6的焦点和长焦距透镜7的焦点重合，由短焦距透镜 6和长焦距透镜7构成一个准直扩束系统，准直扩束系统的放大倍数可以根据需要通过选取不同的透镜焦距来调节。
轴棱锥8采用传统的折射型轴棱锥。
本发明的一种利用LED光源产生焦散光束的方法，如图2所示，LED灯珠3产生的光源通过聚光筒4产生光强均匀的非相干面光源，再经过小孔光阑5提高光场的相干性，再经短焦距透镜6和长焦距透镜7组成的准直扩束系统。经一定距离传输后获得部分相干光，此部分相干光倾斜入射轴棱锥8产生LED焦散光束。
由范西特-泽尼克定理可知，光从一个扩展的单色非相干光源出发经过一段传输距离L后的光场相干长度为式中，从小孔光阑5到轴棱锥8的传输距离L与非相干光源的线度φ共同决定光场相干长度δ。因此可根据实验需要自由选取传输距离L，一般建议选取不小于1.2m的距离，焦散光斑的成像效果较好。根据公式计算便可得出光场相干长度，其中非相干光源的线度φ在实验中可近似为小孔光阑5的直径。
上述中，部分相干光倾斜入射的入射角大小没有固定的要求，可根据需要选取，一般选取15度～30度之间效果较好。
作为实施例，我们选择中心波长为λ＝628.6nm的红光LED作为光源；小孔光阑5的直径φ＝0.2mm；短焦距透镜6的焦距f1＝15mm、长焦距透镜7的焦距f2＝300mm；轴棱锥8的底角γ＝1o，折射率 n＝1.457，倾斜角θ＝20°；传输距离约为L＝1.5×103mm；利用公式计算得到光场相干长度δ＝5.75mm。实验时，根据图2的光路搭建光路系统，在轴棱锥8后一定距离处用CCD成像系统9拍摄，拍摄结果如图3所示。实验结果与理论模拟基本符合。
Claims (10)
1.一种利用LED光源产生焦散光束的方法，其特征在于：LED光源通过聚光筒产生光强均匀的非相干面光源，此非相干面光源依次经过小孔光阑和准直扩束系统，再经过一定距离传输后，倾斜入射轴棱锥产生LED焦散光束；其中，从所述小孔光阑到所述轴棱锥的传输距离不小于1.2m。
2.如权利要求1所述的一种利用LED光源产生焦散光束的方法，其特征在于：所述倾斜入射的入射角为15°－30°。
3.如权利要求1所述的一种利用LED光源产生焦散光束的方法，其特征在于：上述小孔光阑的直径为0.2mm～0.5mm。
4.如权利要求1所述的一种利用LED光源产生焦散光束的方法，其特征在于：上述准直扩束系统由短焦距透镜和长焦距透镜组成，上述短焦距透镜和上述长焦距透镜的焦点重合，该准直扩束系统的放大倍数通过选取不同的透镜焦距来调节。
5.如权利要求1所述的一种利用LED光源产生焦散光束的方法，其特征在于：上述轴棱锥是传统的折射型轴棱锥。
6.一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，其特征在于：包括LED光源，以及沿LED光源的光路依次设置的聚光筒、小孔光阑、准直扩束系统和轴棱锥，且扩束系统的出射光以一定角度倾斜入射轴棱锥的入光面；其中，所述小孔光阑到所述轴棱锥的距离不小于1.2m。
7.如权利要求6所述的一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，其特征在于：所述倾斜入射的入射角为15°－30°。
8.如权利要求6所述的一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，其特征在于：上述小孔光阑的直径为0.2mm～0.5mm。
9.如权利要求6所述的一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，其特征在于：上述准直扩束系统由短焦距透镜和长焦距透镜组成，上述短焦距透镜和上述长焦距透镜的焦点重合，该准直扩束系统的放大倍数通过选取不同的透镜焦距来调节。
10.如权利要求6所述的一种利用LED光源产生焦散光束的光学系统，其特征在于：上述轴棱锥是传统的折射型轴棱锥。
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