CN113835232A - 一种消散斑装置、激光投影成像系统及激光照明成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消散斑装置、激光投影成像系统及激光照明成像系统。所述装置包括：沿激光光路依次设置的第一汇聚透镜、旋转散射片组件、第二汇聚透镜、反射式光纤耦合器、多模光纤和振动光纤组件；所述第一汇聚透镜用于将激光发出的平行光汇聚到旋转散射片组件中旋转的散射片上，所述第二汇聚透镜用于将经过散射片的散射光以平行光射出，所述平行光进入反射式光纤耦合器后被耦合进入多模光纤，所述振动光纤组件用于使多模光纤振动。本发明优化消散斑光路和光学元件，解决了目前消散斑的效果有限，不适用于采用激光作为照明光源的成像仪器中的问题。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种消散斑装置、激光投影成像系统及激光照明成像系统。
背景技术
激光是一种受激辐射光源，具有很高的光子简并度，与普通光源相比，激光具有方向性好、单色性佳、相干性强和亮度高等特点。随着激光技术与荧光材料技术的不断发展，激光光源由单一的单色激光器发展成可产生连续光谱的白激光器，进而激光显示、激光测量和激光照明等技术开始被广泛应用。但同时，激光相干性极强的特点也给其在应用中带来了散斑。激光散斑是指当激光经过粗糙表面反射或者经过不均匀介质透射后，在观察点出现的明暗相间的颗粒状图案。因为一般物体表面相对于激光波长的纳米量级而言相当粗糙，所以物体各点的子波到观察点的相位是随机分布的，子波之间就会发生相干叠加，光强便会随机的增强或减弱。
无论是在激光投影显示，还是在以激光为光源的成像仪器中，散斑的存在都会严重影响图像的细节信息，降低图像的清晰度和分辨率，不但会影响观感，也会影响某些依赖图像信息的仪器的精度。因此，研究激光散斑的特性及其影响因素，并采用适当方法抑制散斑就显得尤为重要。
现有消散斑技术中，一类是在成像光路中增加扩散部件，降低激光的相干性，例如中国专利CN108398804A中，通过设置两个静态扩散部件和一个动态扩散部件的方式来实现激光投影消散斑的目的；中国专利CN106569378B中通过在光路中加入锥形镜和散射片，锥形镜用于将激光光束打散匀化整形，散射片用于将光束扩散，同时令散射片做旋转或者平动运动，实现消散斑的目的。另一类是利用波长多样性，例如中国专利CN107153277B中，通过将光耦合进入一个方形匀光管中，无需对激光投影系统做改变，就可以通过非运动方式实现波长多样性、空间和时间平均的激光散斑减少。另外，现有技术中还有利用振动显示屏消散斑的技术。不过以上技术大多都是针对激光投影显示消散斑的技术手段，其消散斑的效果有限，不适用于采用激光作为照明光源的成像仪器中，例如具有高放大倍率物镜或镜头的显微镜、成像椭偏仪和层析散射仪等。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种消散斑装置、激光投影成像系统及激光照明成像系统，其目的在于优化消散斑光路和光学元件，由此解决目前消散斑的效果有限，不适用于采用激光作为照明光源的成像仪器中的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种消散斑装置，包括：沿激光光路依次设置的第一汇聚透镜、旋转散射片组件、第二汇聚透镜、反射式光纤耦合器、多模光纤和振动光纤组件；所述第一汇聚透镜用于将激光发出的平行光汇聚到旋转散射片组件中旋转的散射片上，所述第二汇聚透镜用于将经过散射片的散射光以平行光射出，所述平行光进入反射式光纤耦合器后被耦合进入多模光纤，所述振动光纤组件用于使多模光纤振动。
优选地，所述第一汇聚透镜与散射片之间的距离为第一汇聚透镜的焦距，所述反射式光纤耦合器为抛物面反射式光纤耦合器。
优选地，所述振动光纤组件还包括振动杆，该振动杆一端与多模光纤连接，另一端穿过直线导轨通过连杆与偏心轮连接，所述偏心轮与直流电动机连接。
优选地，所述装置还包括第二汇聚透镜调节组件，所述第二汇聚透镜调节组件为与第二汇聚透镜连接的位移台，所述位移台用于调节第二汇聚透镜在X、Y、Z方向上的位移，使得散射片上的汇聚光斑与第二汇聚透镜的焦点重合。
优选地，所述装置还包括与反射式光纤耦合器连接的五轴调整架，用于调节反射式光纤耦合器在X、Y两个方向的位移和以X、Y、Z轴为法线方向的角度。
优选地，所述旋转散射片组件还包括步进电机和散射片同步器，散射片同步器一端与步进电机的主轴固连，另一端设置散射片。
优选地，所述散射片的转速不低于3000rpm；所述多模光纤的振动频率不低于50Hz。
按照本发明的另一方面，提供一种激光投影成像系统，所述系统包括消散斑装置。
按照本发明的再一方面，提供一种激光照明成像系统，所述系统包括消散斑装置。
优选地，所述激光照明成像系统为显微镜、成像椭偏仪或层析散射仪。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明利用旋转的散射片使得光强分布更为均匀，利用振动光纤进一步平均光强，使得本发明提供的装置能够达到更优异的消散斑效果，能够应用于消散斑要求更高的激光照明成像系统。本发明并不是将散射片与光纤进行简单的叠加，而是需要装置中各光学元件的协同配合。首先，本发明巧妙地采用反射式结构的耦合器，使得不同波长下的激光拥有相同的耦合效果，如果用透镜式耦合器则会出现不同波长的光线对应的折射率不同，进而导致不同波长的光对应的耦合效果不同。其次，由于反射式光纤耦合器对光线入射角度很敏感，稍有偏差就会影响耦合效果，并且激光通常为平行光，直接采用平行光照向散射片，散射片散射后的激光发散度大，难以转换为平行光，或者转换为平行光需要多个光学元件进行多次调整，增加了整个装置复杂性。因此本发明巧妙地采用了第一汇聚透镜先将激光汇聚到散射片上，然后再采用第二汇聚透镜将经过散射片的散射光转换为平行光，从而能够进入反射式结构的耦合器实现最佳的耦合效果。
(2)光纤的耦合效果对最终的照明效果影响较大，并且耦合的好坏也严重影响本装置的光损失率。为了尽可能提高照明效果，均匀化照明分布，最大限度降低光的传播损失，本发明对第二汇聚透镜和光纤耦合器的空间位置做精细化微调，消除零件机械加工和光学元件的位置安装误差。由于反射式光纤耦合器的耦合效果对入射光线的角度十分敏感，因此本发明对第二汇聚透镜和光纤耦合器空间位置的微调可以保证耦合器取得较佳的耦合效果。
(3)本发明可以消除具有大数值孔径和高放大倍率物镜光路下的散斑，在高放大倍率下，散斑也会被放大，普通的消散斑装置不能完全消除高放大倍率物镜成像下的散斑，因此在高放大倍率下，消散斑分辨率就要求更高，本方案的设计具有较高的消散斑分辨率，可用于装有高放大倍率物镜或镜头的显微系统中，具有与无物镜系统同样的消散斑效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的消散斑装置的光路原理示意图；
图2是本发明实施例提供的消散斑装置中旋转散射片组件结构示意图；
图3是本发明实施例提供的消散斑装置中振动光纤组件结构示意图；
图4是本发明实施例提供的消散斑装置中支撑五轴调整架的微调部件支架结构示意图；
图5是本发明实施例提供的消散斑装置中散射片同步器的结构示意图；
图6A是未采用消散斑装置激光成像的图像；
图6B是采用了市购的消散斑装置激光成像的图像；
图7A是未采用消散斑装置激光成像的图像；
图7B是仅采用旋转的散射片消散斑装置激光成像的图像；
图7C是仅采用振动光纤消散斑装置激光成像的图像；
图7D是采用本发明实施例提供的消散斑装置激光成像的图像。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-支撑底座、2-光源出光口支架、3-第一汇聚透镜、4-第一汇聚透镜支架、5-步进电机、6-电机控制器、7-步进电机支架、8-散射片同步器、9-散射片、10-第二汇聚透镜、11-第二汇聚透镜调节组件、12-五轴调整架、13-微调部件支架、14-反射式光纤耦合器、15-多模光纤、16-直线导轨、17-振动杆、18-偏心轮、19-直流电动机、20-连杆、I-旋转散射片组件、II-振动光纤组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种消散斑装置，包括：沿激光光路依次设置的第一汇聚透镜3、旋转散射片组件I、第二汇聚透镜10、反射式光纤耦合器14、多模光纤15和振动光纤组件II；所述第一汇聚透镜3用于将激光发出的平行光汇聚到旋转散射片组件I中旋转的散射片9上，所述第二汇聚透镜10用于将经过散射片9的散射光以平行光射出，所述平行光进入反射式光纤耦合器14后被耦合进入多模光纤15，所述振动光纤组件II用于使多模光纤15振动。
其中，所述第一汇聚透镜3与散射片9之间的距离为第一汇聚透镜3的焦距，所述反射式光纤耦合器14为抛物面反射式光纤耦合器。所述振动光纤组件III还包括振动杆17，该振动杆17一端与多模光纤15连接，另一端穿过直线导轨16通过连杆20与偏心轮18连接，所述偏心轮18与直流电动机19连接。激光光源由光源出光口支架2支撑，第一汇聚透镜3由第一汇聚透镜支架4支撑，步进电机支架7上连接步进电机5和电机控制器6。
本发明消散斑的过程的本质是利用相机曝光时间内的光强积分效应或人眼的视觉暂留效应，由于散斑的视觉本质是光强分布不均匀，那么理论上在相机的曝光时间内或人演的视觉暂留时间内令散斑图案快速变化，尽量覆盖到画面的每一个像素，这样就可以得到光强效果较为平均的图像
激光经过散射片9的随机粗糙表面散射后，会改变激光的干涉分布，当散射片9开始旋转时，由于旋转的连续性，会产生无数种干涉分布情况，也就对应着不同的散斑图案，散射片旋转一周，散斑图案变化完成一个周期，这个周期内散斑位置随机变化，光强高的区域尽可能填满图像。当散射片的旋转周期大于或等于相机的曝光时间或人眼的视觉留存时间，消散斑效果达到理论最优。另外，多模光纤15中传播的光线的路径会随着光纤的弯曲程度而发生变化，产生出多种光纤模式，这是多模光纤的特性，利用这一特性，当多模光纤的形状曲率快速变化时，散斑图案也会快速变化，同样的，在相机的曝光时间或人眼的视觉留存时间内，快速变化的散斑图案会产生积分效应从而平均化光强，达到消散斑的效果，当多模光纤的振动周期大于或等于相机的曝光时间或人眼的视觉留存时间，消散斑效果达到理论最优。
在一种可行的方式中，所述装置还包括第二汇聚透镜调节组件11，所述第二汇聚透镜调节组件11为与第二汇聚透镜10连接的位移台，所述位移台用于调节第二汇聚透镜10在X、Y、Z方向上的位移，使得散射片9上的汇聚光斑与第二汇聚透镜10的焦点重合。所述装置还包括与反射式光纤耦合器14连接的五轴调整架12，用于调节反射式光纤耦合器14在X、Y两个方向的位移和以X、Y、Z轴为法线方向的角度。
光纤的耦合效果对最终的照明效果影响较大，并且耦合的好坏也严重影响本装置的光损失率。为了尽可能提高照明效果，均匀化照明分布，最大限度降低光的传播损失，需要对第二汇聚透镜10和反射式光纤耦合器14的空间位置做精细化微调，消除零件机械加工和光学元件的位置安装误差。第二汇聚透镜10与第二汇聚透镜调节组件11相连接，通过调节该位移台上的三个微调旋钮，可以改变第二汇聚透镜10相对于散射片9上激光汇聚点的XYZ三个方向的距离，使激光汇聚点恰好位于第二汇聚透镜10的焦点处。光纤耦合器14与五轴调整架12相连接，通过调节调整架上的五个微调旋钮，可以改变耦合器14相对于第二汇聚透镜10的XY两个方向的距离和以XYZ三轴为法线方向的角度。耦合器14的耦合效果对入射光线的角度十分敏感，因此对XYZ三轴方向角度的微调可以保证耦合器取得较佳的耦合效果，提高照明均匀化程度，尽可能降低光损失。
图4是微调部件支架13结构示意图，微调部件支架13的设计要求具有较好稳固性，来保证两个微调部件的相对位置的稳定，对保证消散斑的效果也会起到重要影响。
所述旋转散射片组件I还包括步进电机5和散射片同步器8，散射片同步器8一端与步进电机5的主轴固连，另一端设置散射片9，该步进电机5为空心轴步进电机。图5是散射片同步器8的结构示意图，散射片同步器8的同时保证了安装的便捷性和紧固后与电机主轴具有较好同轴度，否则在高速旋转下，整个装置会产生较大震动，影响精密仪器的测量精度。
作为一个示例，散射片为1200目，在CCD积分时间不小于20ms的情况下，转速不低于3000rpm；多模光纤的内径600um，在CCD积分时间不小于20ms的情况下，振动频率不低于50Hz。
本实施例提供的装置在初次使用时按照下列步骤进行调整：(1)安装好激光器的出射端口，调整到合适的位置尽量让激光汇聚到散射片9中心。(2)对第二汇聚透镜调节组件11和五轴调整架12进行粗调，使激光大概以平行光的形式进入反射式光纤耦合器14中心。(3)打开步进电机5并调整转速观察图像消散斑效果至最佳，再逐个对第二汇聚透镜调节组件11和五轴调整架12的每个调节旋钮进行微调，直到观察到显示屏上的图像达到最均匀，亮度最高。(4)打开直流电动机19调整转速，使光纤按一定的频率振动，使消散斑效果达到最佳。调整完毕之后的使用步骤仅需打开两个电机和激光器即可实现本发明的消散斑功能。
将本发明实施例提供的消散斑装置与市购型号为Optptune LSR 3005的散斑衰减器消散斑效果进行对比，该市购的消散斑装置采用的是激光直接以平行光入射到散射片的方式，参见图6A-图6B，其为市购消散斑装置的散斑消除效果，参见图7A-图7D，其分别为无消散斑、仅采用旋转的散射片消散斑、仅采用振动光纤消散斑、本发明实施例提供的消散斑装置的消散斑效果图，可以看出，不论是市购的还是仅采用旋转的散射片消散斑、仅采用振动光纤消散斑的消散斑效果均不及本发明实施例提供的消散斑装置的消散斑效果。本发明实施例提供的消散斑装置尤其适用于对消散斑要求更高的激光照明成像系统。
本发明另一个实施例提供了一种激光投影成像系统，所述系统包括上文所述的消散斑装置。
本发明又一个实施例提供了一种激光照明成像系统所述系统包括上文所述的消散斑装置。其中，所述系统为显微镜、成像椭偏仪或层析散射仪。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种消散斑装置，其特征在于，包括：沿激光光路依次设置的第一汇聚透镜(3)、旋转散射片组件(I)、第二汇聚透镜(10)、反射式光纤耦合器(14)、多模光纤(15)和振动光纤组件(II)；
所述第一汇聚透镜(3)用于将激光发出的平行光汇聚到旋转散射片组件(I)中旋转的散射片(9)上，所述第二汇聚透镜(10)用于将经过散射片(9)的散射光以平行光射出，所述平行光进入反射式光纤耦合器(14)后被耦合进入多模光纤(15)，所述振动光纤组件(II)用于使多模光纤(15)振动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一汇聚透镜(3)与散射片(9)之间的距离为第一汇聚透镜(3)的焦距，所述反射式光纤耦合器(14)为抛物面反射式光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振动光纤组件(III)还包括振动杆(17)，该振动杆(17)一端与多模光纤(15)连接，另一端穿过直线导轨(16)通过连杆(20)与偏心轮(18)连接，所述偏心轮(18)与直流电动机(19)连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二汇聚透镜调节组件(11)，所述第二汇聚透镜调节组件(11)为与第二汇聚透镜(10)连接的位移台，所述位移台用于调节第二汇聚透镜(10)在X、Y、Z方向上的位移，使得散射片(9)上的汇聚光斑与第二汇聚透镜(10)的焦点重合。
5.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与反射式光纤耦合器(14)连接的五轴调整架(12)，用于调节反射式光纤耦合器(14)在X、Y两个方向的位移和以X、Y、Z轴为法线方向的角度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转散射片组件(I)还包括步进电机(5)和散射片同步器(8)，散射片同步器(8)一端与步进电机(5)的主轴固连，另一端设置散射片(9)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散射片(9)的转速不低于3000rpm；所述多模光纤(15)的振动频率不低于50Hz。
8.一种激光投影成像系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-7所述的消散斑装置。
9.一种激光照明成像系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-7所述的消散斑装置。
10.根据权利要求9所述的激光照明成像系统，其特征在于，所述系统为显微镜、成像椭偏仪或层析散射仪。
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| CN202111161012.9A Pending CN113835232A (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种消散斑装置、激光投影成像系统及激光照明成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113835232A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114397759A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-26 | 天津凌视科技有限公司 | 无源激光匀化装置及流式显微高速成像系统 |
| CN114779486A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-22 | 安徽大学 | 一种平顶光斑调控方法 |
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-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111161012.9A patent/CN113835232A/zh active Pending
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