CN108037589A - 一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统 - Google Patents

一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，主要解决现有相邻微透镜阵列之间传输的光束发生干涉，干涉效果会造成严重的散斑效果，使光束质量恶化的问题。该系统包括依次设置的激光器、双列微透镜阵列、终端发光导光棒和光束准直透镜；双列微透镜阵列包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列结构、大小相同，均包括多个子透镜；第一微透镜阵列设置在激光器出光口外，第二微透镜阵列放置在第一微透镜阵列的后焦面上；终端发光导光棒前表面为毛面，后表面为光面，光线射入终端发光导光棒前表面后，从后表面射出进入光束准直透镜，光线经过光束准直透镜的准直作用后，变为平行出射的光束射出。

Description

一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统
技术领域
本发明涉及激光照明领域，具体涉及一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，用于提高激光照明的光照均匀性和降低散斑效果。
背景技术
由于激光具有单色性好、亮度高、能量大等多种特点，被广泛应用在显示和照明领域，特别在水下成像领域，由于水体对自然光存在强烈的吸收和散射，采用自然光作为照明光源时光能的能量衰减大，传输距离短。因此在水下成像相机系统中，多采用激光光源进行照明，但激光器直接出射的光斑服从高斯分布，能量分布不均匀，呈现中心能量大，边缘能量低的特征，采用这种光源进行照明，会影响水下相机的成像效果，无法直接使用，需要对激光直接出射的光斑整形为平顶光束，使其整个光斑的能量均匀分布。微透镜阵列是由近百个尺寸仅有毫米级的微小透镜组合而成的透镜阵列，能够将高斯光束整形为平顶光束，在光束整形领域已有较为广泛的应用。但由于微透镜阵列的尺寸较小，相邻微透镜阵列之间传输的光束会发生一定干涉，特别是在对高相干激光光源进行整形时，干涉效果会造成严重的散斑效果，使光束质量恶化。
发明内容
本发明的目的是解决现有相邻微透镜阵列之间传输的光束发生干涉，干涉效果会造成严重的散斑效果，使光束质量恶化的问题，提供一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，该系统采用微透镜阵列将高斯光束整形为平顶光束，并通过终端发光导光棒降低光束的散斑效果，在提高光斑均匀性的同时有效抑制了激光散斑。
本发明的技术方案是：
一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，包括依次设置的激光器、双列微透镜阵列、终端发光导光棒和光束准直透镜；所述双列微透镜阵列包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列结构、大小相同，均包括多个子透镜，多个子透镜紧密排列且相互之间无缝隙设置；所述第一微透镜阵列设置在激光器出光口外，所述第二微透镜阵列放置在第一微透镜阵列的后焦面上，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间的相对距离等于第一微透镜阵列的后焦距；所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列均与激光传播方向垂直设置，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列在水平方向对齐设置，保证由第一微透镜阵列中的子透镜出射的光束只能射入第二微透镜阵列的对应子透镜；所述终端发光导光棒是截面为任意形状的柱体，前表面为毛面，后表面为光面，前、后表面与激光传播方向垂直设置；光线射入终端发光导光棒前表面后，在内部不断发生全反射，从后表面射出进入光束准直透镜，光线经过光束准直透镜的准直作用后，变为平行光束射出。
进一步地，所述终端发光导光棒的前表面与第二微透镜阵列之间的间距小于第二微透镜阵列的后焦距，将终端发光导光棒放置在第二微透镜阵列的后焦距以内，可以使更多的光线射入终端发光导光棒，提高光线的能量利用率。
进一步地，所述光束准直透镜与终端发光导光棒的后表面之间的间距等于光束准直透镜的前焦距，采用此距离设置时光线经过光束准直透镜后会平行出射，准直性最好。
进一步地，所述子透镜形状为正方形或六边形，采用正方形或六边形的子透镜，可以使多个子透镜紧密排布，在微透镜阵列尺寸一定的情况下最大程度提高子透镜个数，提高光斑匀化率。
进一步地，所述子透镜的边长不大于0.5mm，个数不小于1000个，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的厚度不大于2mm。
进一步地，所述终端发光导光棒的截面为圆形，与水下相机配套的照明系统光斑大部分为圆形，采用圆形截面导光棒可以直接得到圆形光斑，不用再在光路中添加其他光阑。
进一步地，所述光束准直透镜为平凸透镜，也可多个透镜组成的光束准直透镜组，采用平凸透镜结构简单，价格低廉。
本发明的优点为：
1.本发明同时采用双列微透镜阵列和终端发光导光棒对激光出射的高斯光束整形为能量均匀的平顶光束，不仅提高了激光的光照均匀性，同时抑制了由于微透镜相邻孔径之间光干涉引起的散斑，得到了高均匀性和低散斑的激光光束。
2.本发明双列微透镜阵列用于将激光器出射的高相干性高斯光束整形为平顶光束；终端发光导光棒用于降低平顶光束的散斑；光束准直透镜用于将发散的光斑重新汇聚，得到所需的光斑尺寸，本发明提供系统可用于提高水下相机配套照明激光光源的光照均匀性和降低散斑效果。
3.本发系统不仅可用于水下相机的照明光源系统，也可应用于其他激光照明和激光显示等对激光光源均匀性要求较高的应用场合，而且系统成本较低，装配简单。
附图说明
图1为本发明激光光束整形系统结构图；
图2为本发明光线经过双列微透镜阵列的传播方向示意图；
图3为光线在终端发光导光棒中的传播示意图。
附图标记：101-激光器，102-第一微透镜阵列，103-第二微透镜阵列，104-终端发光导光棒，105-光束准直透镜；201-光线，202-终端发光导光棒的前表面，301-双列微透镜入射的光线，302-在终端发光导光棒表面漫反射的光线，303-光线，304-光束。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，能够应用于水下主动照明高清相机、水下距离选通相机、水下激光扫描相机等多种采用主动激光照明方式工作的水下成像系统，该系统通过双列微透镜阵列将高斯光束整形为平顶光束，并通过终端发光导光棒降低光束的散斑效果，在提高光斑均匀性的同时有效抑了激光散斑。
如图1所示的一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，包括依次设置的激光器101、双列微透镜阵列、终端发光导光棒104和光束准直透镜105；双列微透镜阵列包括两个整体尺寸、子透镜个数、子透镜尺寸等参数完全相同的第一微透镜阵列102和第二微透镜阵列103，第一微透镜阵列102和第二微透镜阵列103结构相同，均包括多个子透镜，多个子透镜紧密排列且相互之间无缝隙设置。
第一微透镜阵列102设置在激光器101出光口外，第二微透镜阵列103放置在第一微透镜阵列102的后焦面上，第一微透镜阵列102和第二微透镜阵列103之间的相对距离等于第一微透镜阵列102的后焦距；第一微透镜阵列102和第二微透镜阵列103均与激光传播方向垂直设置，且在水平和垂直方向完全对齐设置，保证由第一微透镜阵列102中的子透镜出射的光束只能射入第二微透镜阵列103的对应子透镜。
终端发光导光棒104放置在双列微透镜阵列之后，终端发光导光棒104是截面为任意形状的柱体，前表面为毛面，后表面为光面，前后表面与激光传播方向垂直设置；光线射入终端发光导光棒104前表面后，在内部不断发生全反射，只能从后表面出射进入光束准直透镜105，光线经过光束准直透镜105的准直作用后，变为平行出射的光束射出。
两个微透镜阵列中的子透镜形状均为正方形或六边形，微透镜阵列的整体尺寸一定时，其中包含的子透镜个数越多，对光斑的匀化程度越高，采用正方形或六边形的子透镜，可以使多个子透镜紧密排布，在微透镜阵列尺寸一定的情况下最大程度提高子透镜个数，提高光斑匀化率；子透镜的边长不大于0.5mm，个数不小于1000个，微透镜阵列厚度不大于2mm。
终端发光导光棒104的前表面与第二微透镜阵列103之间的间距小于第二微透镜阵列103的后焦距，由第二微透镜阵列出射的光线具有一定的发散角，若第二微透镜阵列与终端发光导光棒的距离过远，会导致有一部分光无法射入终端发光导光棒，将终端发光导光棒放置在第二微透镜阵列103的后焦距以内，可以使更多的光线射入终端发光导光棒，提高光线的能量利用率。
光束准直透镜105为平凸透镜，也可采用单个凸透镜或多个透镜组成的光束准直透镜组，采用平凸透镜的优点在于本发明是针对照明光源的光束进行匀化，对像差的要求不高，采用平凸透镜结构简单，价格低廉。
单个平凸透镜放置在终端发光导光棒104之后，光束准直透镜105与终端发光导光棒104的后表面之间的间距等于光束准直透镜105的前焦距。由终端发光导光棒出射的光线为发散光，若距离设置大于平凸透镜的前焦距，则出射光线仍会具有一定的发散角，光线准直性不好；若距离设置小于平凸透镜的前焦距，则出射光会发生汇聚，准直性不好，只有采用此距离设置时光线经过平凸透镜后会平行出射，准直性最好。
终端发光导光棒104的截面为圆形或正方形，优选为圆形，与水下相机配套的照明系统光斑大部分为圆形，采用圆形截面导光棒可以直接得到圆形光斑，不用再在光路中添加其他光阑。
如图2所示，激光器101发出的光线201服从高斯分布，发散角极小，可等效为平行光入射，光线201入射到第一微透镜阵列102后，被分为若干个细光束，第一微透镜阵列102与第二微透镜阵列103之间的间距等于第一微透镜阵列102后焦距，光线被汇聚在第二微透镜阵列103的前表面，随后经过第二微透镜阵列103的作用后光线发散，若干个细光束均照射到终端发光导光棒的前表面202上，相互叠加，光束由高斯光束被整形为带有强烈散斑的平顶光束。
如图3所示，双列微透镜出射的光线301传输到终端发光导光棒104前表面时，由于前表面为毛面，漫反射作用使得光线发生漫反射，一部分为在终端发光导光棒表面漫反射的光线302，另一部分光线改变原有的传播防线射入终端发光导光棒104内部的光线303，不同入射角的光线303在终端发光导光棒104内的传播距离不同，破坏了光线间原有的干涉条件，散斑得到抑制。由终端发光导光棒104后表面出射的光线传播方向各异，可等效为点光源，终端发光导光棒104与光束准直透镜105之间的间距等于光束准直透镜105的前焦距，光线303经过光束准直透镜105的准直作用后，变为平行出射的光束304。

Claims (7)

1.一种应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：包括依次设置的激光器(101)、双列微透镜阵列、终端发光导光棒(104)和光束准直透镜(105)；
所述双列微透镜阵列包括第一微透镜阵列(102)和第二微透镜阵列(103)，所述第一微透镜阵列(102)和第二微透镜阵列(103)结构、大小相同，均包括多个子透镜，多个子透镜紧密排列且相互之间无缝隙设置；
所述第一微透镜阵列(102)设置在激光器(101)出光口外，所述第二微透镜阵列(103)放置在第一微透镜阵列(102)的后焦面上，所述第一微透镜阵列(102)和第二微透镜阵列(103)之间的相对距离等于第一微透镜阵列(102)的后焦距；所述第一微透镜阵列(102)和第二微透镜阵列(103)均与激光传播方向垂直设置，所述第一微透镜阵列(102)和第二微透镜阵列(103)在水平方向对齐设置，保证由第一微透镜阵列(102)中的子透镜出射的光束只能射入第二微透镜阵列(103)的对应子透镜；
所述终端发光导光棒(104)是截面为任意形状的柱体，前表面为毛面，后表面为光面，前、后表面与激光传播方向垂直设置；光线射入终端发光导光棒(104)前表面后，在内部不断发生全反射，从后表面射出进入光束准直透镜(105)，光线经过光束准直透镜(105)的准直作用后，变为平行光束射出。
2.根据权利要求1所述的应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：所述终端发光导光棒(104)的前表面与第二微透镜阵列(103)之间的间距小于第二微透镜阵列(103)的后焦距。
3.根据权利要求2所述的应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：所述光束准直透镜(105)与终端发光导光棒(104)的后表面之间的间距等于光束准直透镜(105)的前焦距。
4.根据权利要求1或2或3所述的应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：所述子透镜形状为正方形或六边形。
5.根据权利要求4所述的应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：所述子透镜的边长不大于0.5mm，个数不小于1000个，第一微透镜阵列(102)和第二微透镜阵列(103)的厚度不大于2mm。
6.根据权利要求5所述的应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：所述终端发光导光棒(104)的截面为圆形。
7.根据权利要求6所述的应用于水下相机照明系统的激光光束整形系统，其特征在于：所述光束准直透镜(105)为平凸透镜。
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