CN110058418A - 一种激光照明装置及光路调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光照明装置，包括光纤激光器、光束整形聚焦模块和二次配光漫反射模块。所述光束整形聚焦模块由准直透镜和平凸透镜组成，所述二次配光漫反射模块包括椭球面和匀光片，所述光纤激光器发射的光束通过所述准直透镜后平行射出之后通过所述平凸透镜将准直后的光束聚焦到所述椭球腔的第一焦点（左焦点）处，聚焦后的光斑射出后通过具有漫反射特性的椭球面光束以第二焦点（右焦点）为中心发射出去。本发明的光路调整方法将所述光纤激光器的出光口中心、光束整形聚焦模块的中心和二次配光漫反射模块的第一焦点（左焦点）位于同一直线上，本发明采用的椭球面二次配光的激光照明装置，具有结构简单、提高光束发散角和照射局部范围均匀等特点。

Description

一种激光照明装置及光路调整方法

技术领域

本发明属于光学设计技术领域，特别涉及一种激光照明装置及光路调整方法。

背景技术

高炉作为炼铁的关键设备，是一个多变量、非线性的冶炼系统，在其生产过程中，涉及固、液、气三态物质的交换。实时掌控高炉炉内生产状况对保证高炉炼铁的安全、环保、高效生产具有重大意义。然而，在很长一段时间内，高炉炼铁生产过程对于高炉操作工来说，相当于一个黑匣子。

为实现高炉可视化技术，目前主要的技术有红外扫描仪、微波扫描仪、毫米波雷达技术、6点雷达料面综合成像，以及激光在线扫描检测技术。这些方式主要通过间接的测量方式获取高炉内料面情况，比如激光在线检测技术通过激光网络测量料流轨迹，分析料面数据。相对于目前技术，通过进一步改进了照明方式，直接照明高炉炉内，直接监测高炉内情况，可以减少后期图像处理带来的误差，将有利于高炉工作者直观的分析高炉炉况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种激光照明装置及光路调整方法，解决高炉密闭环境照明的问题，该照明装置具有实现增大激光光束的发散角和照射局部范围均匀等特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：采用一种激光照明装置，包括光纤激光器，所述光纤激光器波长为808纳米，光束发散角为10°至12°，其特征在于，还包括光束整形聚焦模块和二次配光漫反射模块，通过所述平凸透镜的球面中心，并与镜面垂直的直线称为主光轴。所述各组件之间设有间隔，各组件与所述椭球面的第一焦点（左焦点）位于主光轴上。

所述的光束整形聚焦模块包括准直透镜和平凸透镜。所述准直透镜用于将具有发散角的激光光束变为平行光，从所述准直透镜出射的平行光束经所述平凸透镜实现光束的聚焦。

所述准直透镜的焦距为70毫米，与光纤激光器的距离为70毫米至75毫米，从所述准直透镜出来的光束直径最大为29.76毫米。

所述平凸透镜为左凸右平，曲率半径为20.4毫米，孔径大小为15.7毫米，焦距为39.6毫米。

所述二次配光漫反射椭球面模块，包括椭球面和匀光片，所述椭球面选用材质为陶瓷，表面厚度为5至7毫米，所述椭球面第一焦点、第二焦点所在平面与光轴的夹角范围为25°至27°，所述椭球面的第一焦点(左焦点)位于所述平凸透镜的焦点处，以所述椭球腔第一焦点所在的垂直于所述椭球面第一焦点、第二焦点所在平面的平面做切割处理，利用相对应尺寸的匀光片封合所述椭球面第一焦点、第二焦点所在平面，所述椭球面的第一焦距为5毫米、7.5毫米、10毫米、12.5毫米或15毫米，对应的第二焦距为135毫米、132.5毫米、130毫米、127.5毫米或125毫米。

基于上述的激光照明装置提供该照明装置的光路调整方法，包括如下步骤：

①将所述光纤激光器放置到二维调整台上，并将该位置记录为初始位置；

②将所述准直透镜和所述平凸透镜通过空心圆柱体固定在一起，组成光束整形聚焦模块，将所述光束整形聚焦模块放置到二维调整台上，调整所述光纤激光器的出光孔与所述准直透镜的距离为70毫米至75毫米范围内；

③在所述平凸透镜的焦点处垂直放置一块挡光板，调整所述光束整形聚焦模块的上下浮动，直至所述光纤激光器出射光线经过所述光束整形聚焦模块后，在所述平凸透镜的焦点处的挡板上实现光束汇聚，固定所述光束整形聚焦模块的位置；

④所述漫反射椭球面放置到二维调整台上，将所述漫反射椭球面的第一焦点（左焦点）放置到所述平凸透镜的焦点位置，以所述漫反射椭球面的第一焦点（左焦点）为旋转中心点，调整所述漫反射椭球面与二维调整台的水平夹角范围为25°至27°之间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.该光学系统装置结构设计和安装方法简单，各部分组件可拆卸更换；

2.通过所述椭球面的二次配光后，相较于直接光纤激光照明，可以提高光束发散角和照射局部范围均匀度。

附图说明

图1所示为本发明的激光照明装置的结构示意图。其中：101—光纤激光器，201—准直透镜，202—平凸透镜，301—漫反射椭球面，302-匀光片，401-连接装置。

图2所示为本发明的光束整形聚焦模块的结构示意图。其中：101—光纤激光器，201—准直透镜，202—平凸透镜。

具体实施方式

参照图1，本发明创造的一种采用椭球腔二次配光的激光照明装置，通过波长为808纳米的光纤激光器101出射发散角为12度的光束，由准直透镜201和平凸透镜202组成的光束整形聚焦模块的对激光光束进行整形、聚焦。椭球面301的第一焦点（左焦点）F₁位于平凸透镜的焦点处，所述椭球面301的第一焦点（左焦点）和第二焦点（右焦点）所在平面为一块匀光片302，光束聚焦到F₁处的光斑出射后通过具有漫反射特性的椭球面301以第二焦点（右焦点）F₂为中心发射出去。

参照图2，所述准直透镜201用于将具有发散角的激光光束变为平行光，从所述准直透镜201出射的平行光束经所述平凸透镜202实现聚焦。所述准直透镜201的焦距为70毫米，与所述光纤激光器101的距离为70毫米至75毫米，根据公式（1）可求得L，从所述准直透镜201出来的光束直径最大为29.76毫米。

L=2F*tag(β) （1）

L为从所述准直透镜201出来的光束直径。

所述平凸透镜202为左凸右平，曲率半径为20.4毫米，孔径大小为15.7毫米，焦距为39.6毫米。

所述二次配光漫反射椭球面301，选用材质为陶瓷，表面厚度为5至7毫米，所述椭球面301第一焦点、第二焦点所在平面与光轴的夹角范围为25°至27°，所述椭球面301的第一焦点(左焦点)位于所述平凸透镜202的焦点处，以所述椭球面301第一焦点所在的垂直于所述椭球面301第一焦点、第二焦点所在平面的平面做切割处理，利用相对应尺寸的所述匀光片302封合所述椭球面301第一焦点、第二焦点所在平面，所述椭球面的第一焦距为5毫米、7.5毫米、10毫米、12.5毫米或15毫米，对应的第二焦距为135毫米、132.5毫米、130毫米、127.5毫米或125毫米。

基于上述的激光照明装置提供该照明装置的光路调整方法，包括：

①将所述光纤激光器101放置到二维调整台上，并将该位置记录为初始位置；

②将所述准直透镜201和所述平凸透镜202通过空心圆柱体固定在一起，组成光束整形聚焦模块，将所述光束整形聚焦模块放置到二维调整台上，调整所述光纤激光器101的出光孔与所述准直透镜201的距离为70毫米至75毫米范围内；

③在所述平凸透镜202的焦点处垂直放置一块挡光板，调整所述光束整形聚焦模块的上下浮动，直至所述光纤激光器101出射光线经过所述光束整形聚焦模块后，在所述平凸透镜202的焦点处的挡板上实现光束汇聚，固定所述光束整形聚焦模块的位置；

④所述漫反射椭球面301放置到二维调整台上，将所述漫反射椭球面301的第一焦点（左焦点）放置到所述平凸透镜202的焦点位置，以所述漫反射椭球面301的第一焦点（左焦点）为旋转中心点，调整所述漫反射椭球面301与二维调整台的水平夹角范围为25°至27°之间。

Claims (6)

1.一种激光照明装置，包括光纤激光器，所述光纤激光器波长为808纳米，光束发散角为10°~12°，其特征在于，还包括光束整形聚焦模块和二次配光漫反射椭球面模块。

2.根据权利要求1所述的采用椭球面二次配光的激光照明装置，其特征在于，所述光束整形聚焦模块包括准直透镜和平凸透镜，所述准直透镜用于将具有发散角的激光光束变为平行光，从所述准直透镜出射的平行光束经所述平凸透镜实现光束的聚焦。

3.根据权利要求2所述的采用椭球面二次配光的激光照明装置，其特征在于，所述准直透镜的焦距为70毫米，与所述光纤激光器的距离为70毫米至75毫米，从所述准直透镜出来的光束直径最大为29.76毫米。

4.根据权利要求2所述的采用椭球面二次配光的激光照明装置，其特征在于，所述平凸透镜为左凸右平，曲率半径为20.4毫米，孔径大小为15.7毫米，焦距为39.6毫米。

5.根据权利要求1所述的采用椭球面二次配光的激光照明装置，其特征在于，所述二次配光漫反射椭球面模块，包括椭球面和匀光片，所述椭球面选用材质为陶瓷，表面厚度为5~7毫米，所述椭球面第一焦点、第二焦点所在平面与主光轴的夹角范围为25°至27°，所述椭球面的第一焦点(左焦点)位于所述平凸透镜的焦点处，以所述椭球腔第一焦点所在的垂直于所述椭球面第一焦点、第二焦点所在平面的平面做切割处理，利用相对应尺寸的匀光片封合所述椭球面第一焦点、第二焦点所在平面，所述椭球面的第一焦距为5毫米、7.5毫米、10毫米、12.5毫米或15毫米，对应的第二焦距为135毫米、132.5毫米、130毫米、127.5毫米或125毫米。

6.一种实现权利要求1所述的激光照明装置的光路调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

①将所述光纤激光器放置到二维调整台上，并将该位置记录为初始位置；

②将所述准直透镜和所述平凸透镜通过空心圆柱体固定在一起，组成光束整形聚焦模块，将所述光束整形聚焦模块放置到二维调整台上，调整所述光纤激光器的出光孔与所述准直透镜的距离为70毫米至75毫米范围内；

③在所述平凸透镜的焦点处垂直放置一块挡光板，调整所述光束整形聚焦模块的上下浮动，直至所述光纤激光器出射光线经过所述光束整形聚焦模块后，在所述平凸透镜的焦点处的挡板上实现光束汇聚，固定所述光束整形聚焦模块的位置；

④所述漫反射椭球面放置到二维调整台上，将所述漫反射椭球面的第一焦点（左焦点）放置到所述平凸透镜的焦点位置，以所述漫反射椭球面的第一焦点（左焦点）为旋转中心点，调整所述漫反射椭球面与二维调整台的水平夹角范围为25°至27°之间。