CN115963646A - 一种光源光束的整形投射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源光束的整形投射系统及方法，所述整形投射系统包括光源，用于发出光束；光源调制器件组，用于将所述光束折射后形成具有独立发散角的光束；扫描器件组，用于将具有独立发散角的光束根据一定规律改变传播方向并实现扫描；场镜，用于将所述扫描器件组反射的光束进行再次聚焦或发散；工作平台，用于接收经过场镜再次聚焦或发散的光束的投射。本发明在保证较高激光利用效率的前提下，实现任意形状的光斑投射，并且能够实现瞬时高功率密度激光投射。

Description

一种光源光束的整形投射系统及方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其是涉及将激光整形后投射到目标区域的技术，具体地说，涉及一种光源光束的整形投射系统及方法。

背景技术

激光在科研和医学诊疗中的应用极为广泛，在激光成像、光热治疗、光动力学治疗、上转换成像等过程中，都需要将激光整形后投射到目标区域。激光成像也是材料科学等学科中的一种重要表征方法。通过透镜等光学器件对激光光斑扩束较容易实现，但仍然无法实现任意形状的扩束。而通常光学扩束方法产生的光斑瞬时光子密度较低，难以满足上转换成像技术的需求。

若采用凸透镜或凹透镜等透镜组合对光纤激光器进行扩束，当对光纤输出的激光进行准直时，光斑形状取决于光纤截面形状。无论如何调节光斑形状始终为圆形或椭球型，且光强分布中心强，四周弱。当需要特定形状光斑时，只能通过对应形状的遮罩对激光进行遮挡。然而，这会使得其他区域的激光无法得到利用，从而降低光源利用效率。

若采用激光聚焦为线形通过调节，平移扫描，目前采用的平移台移动光斑的方法速度较慢，不能实现高频率扫描，这使得这样的技术难以应用到成像和激光诊疗领域。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种光源光束的整形投射系统及方法，在保证较高激光利用效率的前提下，实现任意形状的光斑投射，并且能够实现瞬时高功率密度激光投射。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

第一方面，一种光源光束的整形投射系统，包括：

光源，用于发出光束；

光源调制器件组，用于将所述光束折射后形成具有独立发散角的光束；

扫描器件组，用于将具有独立发散角的光束根据一定规律改变传播方向并实现扫描；

场镜，用于将所述扫描器件组反射的光束进行再次聚焦或发散；

工作平台，用于接收经过场镜再次聚焦或发散的光束的投射。

在上述任一方案中优选的实施例，所述光源调为输出耦合光纤的激光器，光纤输出为发散光。

在上述任一方案中优选的实施例，所述光源调制器件组，包括：

光源准直透镜组，所述光源光纤发出的光束穿设所述光源准直透镜组的中心并获得平行光；

光阑，所述光源准直透镜射出的平行光经过光阑调节光束形状、光强。

发散角调节透镜组，用于改变经过所述光源准直透镜组与光阑调整后的光束的发散角；

一维平移台，设置于所述发散角调节透镜组下方，并用于调节所述发散角调节透镜组的相对位置以控制发散角。

在上述任一方案中优选的实施例，所述光源包括任意色温、波长的激光器、卤素灯以及发光二极管。

在上述任一方案中优选的实施例，所述光源调制器件组包括多面凸透镜、多个柱透镜、平移台以及光阑进行组合，以实现形成纵向、横向具有独立发散角的光束。

在上述任一方案中优选的实施例，所述发散角包括纵向发散角和横向发散角，其中，纵向发散角范围为±160°，横向发散角范围为±160°。

在上述任一方案中优选的实施例，所述扫描器件组采用的是激光振镜，扫描频率为2～500Hz。

在上述任一方案中优选的实施例，所述光源调制器件组包括凸透镜、柱透镜组、平移台和光阑，以实现其中一个方向平行，另一方向具有可调发散角的光束，其发散维度发散角为±160°。

第二方面，一种光源光束的整形投射方法，应用于光源光束的整形投射系统中，所述整形投射方法，包括以下步骤：

步骤1：对光源发生的光束进行整形，以形成多个维度具有独立发散角的光束；

步骤2：通过扫描器件组反射，调整光束方向并实现扫描；

步骤3：将反射后的光束汇入场镜后进行聚焦。

在上述任一方案中优选的实施例，在步骤1中，所述光源输出为激光器，优选的，输出采用尾光纤输出的激光器，更优选的，输出采用的是稳态激光器。

在上述任一方案中优选的实施例，在步骤1中，所述光源调制器件组包括凸透镜、柱透镜、平移台、光阑进行组合，实现纵向、横向具有独立发散角的光束。其纵向发散角为±160°，其横向发散角范围为±160°。

在上述任一方案中优选的实施例，在步骤2中，所述的扫描器件组作用具体是指，光束根据一定规律改变传播方向，所述改变传播方向具体指：将入射的光束通过折射或反射，使其最终传播方向与原始传播方向不同，所述的扫描器件组在一种优选方案中，采用的是激光振镜，扫描面积范围为±300mm²，更优选的，所述扫描器件组采用的是保护银反射镜制成的二维激光振镜。

在上述任一方案中优选的实施例，在步骤3中，所述的聚焦场镜作用具体是指，将入射的光线进行再次聚焦或发散，采用的方案为f-θ透镜。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

通过对光源发生的光束进行整形，以形成多个维度具有独立发散角的光束，然后通过扫描器件组反射，调整光束方向并实现扫描，并将反射后的光束汇入场镜后进行聚焦，仅需要通过将不同维度具有不同发散角的光束，通过激光振镜、场镜以及其他光学器件的组合，实现在目标区域投射特定形状的光斑，并进行单维度或二维度扫描，使光源能够覆盖一定形状，本发明既可以快速调节光斑形状而不降低光源的利用效率，又可以获得高于直接照射方法的瞬时功率密度。

本发明的技术方案中，成品仪器相对传统光学聚焦设备调试简单，瞬时功率密度高，经实际实验验证，本发明的技术方案针对多种面积以及多种形状的设定均能投射出表现良好的光斑，与传统光学的光斑整形方案相比具有相似的光热性能以及更均匀的光斑。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：

图1是本发明光源光束的整形投射系统基本原理示意图。

图2为本发明的一种优选案例中的三维光路示意图。

图3是本发明的一种优选案例中图2的俯视图。

图4为本发明的一种优选案例的测试1中的投射光斑形照片示意图。

图5为本发明的一种优选案例的测试2中光斑形状与红外热成像图片示意图。

图中：1-光源，2-光源调制器件组，201-光源准直透镜组，202-光阑，203-发散角调节透镜组，204-透镜调节平移台，3-扫描器件组，301-x振镜，302-y振镜，4-场镜，5-工作平台。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本申请下述实施例以光源光束的整形投射系统及方法为例进行详细说明本申请的方案，但是此实施例并不能限制本申请保护范围。

如图1至3所示，一种光源光束的整形投射系统，包括：

光源1，用于发出光束；

光源调制器件组2，用于将所述光束遮蔽、折射后形成具有一定形状、独立发散角的光束；

扫描器件组3，用于将具有独立发散角的光束根据一定规律改变传播方向；

场镜4，用于将所述扫描器件组3反射的光束进行再次聚焦或发散；

工作平台5，用于接收经过场镜4再次聚焦或发散的光束的投射。

在本发明实施例所述的光源光束的整形投射系统中，所述光源包括任意色温、波长的激光器、卤素灯、发光二极管等任意光源。优选的，输出采用光纤输出的激光器，更优选的，输出采用的是稳态激光器，其中，激光器(Laser)的增益介质无限制。

如图1至3所示，所述光源调制器件组2，包括：

光源准直透镜组201，所述光源1发出的光束穿设所述光源准直透镜组201的中心；

光阑202,用于改变经过所述光源准直透镜组201聚焦后的光束的形状、光强。

发散角调节透镜组203，用于改变经过所述光源准直透镜组201与光阑202调整后的光束的发散角；

一维平移台204，设置于所述发散角调节透镜组203下方，并用于调节所述发散角调节透镜组的相对的位置。

在本发明实施例所述的光源光束的整形投射系统中，所述的光源调制器件组包括凸透镜、凹透镜、凹面镜、凸面镜、柱透镜、平移台、光阑一种或几种进行组合，实现的功能包括形成纵向、横向具有独立发散角的光束。其纵向发散角为±160°，其横向发散角范围为±160°。优选的，所述光源光束整形使用的器件使用凸透镜、柱透镜组、平移台、光阑，实现其中一个方向平行、另一方向具有可调发散角的光束。其发散维度发散角为±160°，其中，凸透镜是根据光的折射原理制成的。凸透镜是中央较厚，边缘较薄的透镜。凸透镜分为双凸、平凸和凹凸(或正弯月形)等形式，凸透镜有会聚光线的作用故又称会聚透镜，较厚的凸透镜则有望远、会聚等作用，这与透镜的厚度有关。其中，所述凹透镜亦称为负球透镜，镜片的中间薄，边缘厚，呈凹形，所以又叫凹透镜。凹透镜对光有发散作用；其中，凹面镜(concavemirror)，即凹面的抛物面镜。平行光照于其上时，通过其反射而聚在镜面前的焦点上，反射面为凹面，焦点在镜前，当光源在焦点上，所发出的光反射后形成平行光束，也叫凹镜，会聚镜。

如图1至3所示，所述扫描器件组3采用的是激光振镜，扫描频率为2～500Hz。

在本发明实施例所述的光源光束的整形投射系统中，所述的扫描器件组作用具体是指，能够将光束根据一定规律改变传播方向。所述改变传播方向具体指：周期性地将具入射的光束通过折射或反射，使其最终传播方向与原始传播方向不同。更优选的，采用的是二维激光振镜，扫描频率为2～500Hz。更优选的，扫描器件组采用的是保护银反射镜制成的二维激光振镜。

其中，激光扫描器也叫激光振镜，由X-Y光学扫描头,电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头,从而在X-Y平面控制激光束的偏转。

在激光演示系统中,光学扫描的波形是一种矢量扫描,系统的扫描速度,决定激光图形的稳定性。最近几年来,人们已经开发出高速的扫描器,扫描速度达到45000个点/秒,因此能够演示复杂的激光动画。

扫描原理：扫描图案是二维效果图案，所以扫描电机采用X、Y两个电机控制，一个时刻确定一个点的位置，通过扫描频率控制不同时刻点的位置达到整个扫描图案的变换，扫描频率(速度)越低图案闪烁越明显，可以用电影的原理方式来理解。

一种光源光束的整形投射方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将光源发射的光束进行整形调制，以形成多个维度具有独立发散角的光束。

在本发明实施例所述的光源光束的整形投射方法中，所述光源包括任意色温、波长的激光器、卤素灯、发光二极管等任意光源，优选的，光源为单色连续激光器，所述的光源调制器件组包括凸透镜、凹透镜、凹面镜、凸面镜、柱透镜、平移台、光阑进行组合，实现的功能包括形成纵向、横向具有独立发散角的光束。其纵向发散角为±160°，其横向发散角范围为±160°。更优选的，所述光源光束整形使用的器件使用凸透镜、柱透镜组、平移台、光阑，实现其中一个方向平行、另一方向具有可调发散角的光束。其发散维度发散角为±160°。

步骤2：通过扫描器件组反射，调整光源光束方向并实现扫描。

在本发明实施例所述的光源光束的整形投射方法中，所述的扫描器件组作用具体是指，能够将光束根据一定规律改变传播方向，所述改变传播方向具体指：周期性地将具入射的光束通过折射或反射，使其最终传播方向与原始传播方向不同，优选的，采用的是激光振镜，扫描频率为2～500Hz，更优选的，扫描器件组采用的是保护银反射镜制成的二维激光振镜。

步骤3：将反射后的光束聚焦场镜后实现对光束的再次调整。

下面结合具体实施方案对本发明做进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部分会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。本发明实施例中，所用激光振镜型号为世纪桑尼S-9320，场镜型号为昊量光电FT-254。经实际验证，对矩形光斑在均匀性分布上优于光纤准直器输出的准直光斑。

在本发明实施例所述的光源光束的整形投射方法中，评价标准为：

瞬时功率密度：ρ＝P/Si*100％，其中，P光斑总功率，Si瞬时光斑面积，所述激光器均采用750nm半导体激光器。

实施例1：

步骤1：对光源产生的光束进行整形，以形成多个维度具有独立发散角的光束，激光光源为200μm光纤输出的750nm半导体激光器1。如图2所示，光源光束整型调制器件包括凸透镜201、光阑202、柱透镜组203、一维平移台204，所述激光器光纤为0.22NA的石英光纤，在空气中发散角为±12.7°，凸透镜尺寸为10*10mm方形，焦距为25mm，经过凸透镜准直与光阑整形，输出光斑约为10*10mm的正方形光斑，输出的平行光斑经过焦距150mm柱透镜聚焦后，再次通过连接在平移台上的第二面50mm焦距的柱透镜改变发散角，输出y方向发散角可调，z方向平行的光束，其中平移台204调节的是焦距为150mm的柱透镜的位置。

步骤2：通过扫描器件组反射，调整光源光束方向并实现扫描；所用的扫描器件组为二维激光振镜3，步骤1中输出的光束首先通过x激光振镜301，使在x轴方向上改变方向在y向传播，然后通过y激光振镜302，将光束反射为z方向向下传播。其中x激光振镜与y激光振镜距离为20mm。

步骤3：将反射后的光束汇入光学再整形器件(即场镜)后实现对光束的再次调整。如图2所示，将步骤2产生的向下传播的，x方向发散、y方向平行的光束照入FT-254场镜4中，其中y激光振镜302位于场镜第一工作点，x激光振镜301位于场镜的第二工作点，成像平面位于场镜工作平面位置(300mm)。并通过激光振镜控制软件与平移台，产生不同形状光斑。

在步骤3中，测试1设定的光斑形状为7*7cm正方形、2*2cm正方形、V形、w形。功率为1.33W。测试2设定光斑形状为7*7cm正方形与光纤准直器输出的5cm直径的光斑。测试二中所有光斑中心功率密度均调节为为50mW/cm²

在测试1中，根据本发明提供的方法的实施案例1中，如图4所示，本发明均完成了光斑的投射，并未改变光斑的输出总功率，即光源利用率无降低。

在测试2中，根据本发明方法提供的实施案例1中，光纤输出经过光纤准直器后输出的光斑为圆形，实施案例1仪器投射的光斑为矩形，光斑均投射到黑色卡纸上，并用红外热成像仪观测温度。从热成像图像可以看到，在相同功率密度下，升温最高点二者没有明显区别(见图5)，而在光源均匀度方面，本发明提供的方案优于常规的准直器输出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光源光束的整形投射系统，其特征在于，包括：

光源(1)，用于发出光束；

光源调制器件组(2)，用于将所述光束折射或反射后形成具有独立发散角的光束；

扫描器件组(3)，用于将具有独立发散角的光束根据一定规律改变传播方向；

场镜(4)，用于将所述扫描器件组(3)反射的光束进行再次聚焦或发散；

工作平台(5)，用于接收经过场镜(4)再次聚焦或发散的光束的投射。

2.根据权利要求1所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述光源包括任意色温、波长的激光器、卤素灯以及发光二极管。

3.根据权利要求1所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述光源调制器件组可对光源产生的光束的发散角进行调制，以产生形成纵向、横向具有独立发散角的光束。

4.根据权利要求3所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述发散角包括纵向发散角和横向发散角，其中，纵向发散角范围为±160°，横向发散角范围为±160°。

5.根据权力要求4所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述光源调制器件组包括凸透镜、凹透镜、凹面镜、凸面镜、柱透镜、平移台以及光阑一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述扫描器件组(3)采用的是激光振镜，扫描频率为2～500Hz。

7.根据权利要求6所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述扫描器件组(3)为一维扫描或二维扫描或多维度扫描。

8.根据权利要求7所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，还包括：将入射的光束通过扫描器件组折射或反射，使光束最终传播方向与原始传播方向不同；所述扫描器件组扫描面积范围为0～300mm²。

9.根据权利要求1所述的光源光束的整形投射系统，其特征在于，所述场镜和光学器件为能够获得平场像面的光学器件，所述光学器件至少为f-θ透镜、远心透镜中的一种。

10.一种光源光束的整形投射方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9中的任一项所述的光源光束的整形投射系统中，所述整形投射方法，包括以下步骤：

对光源发生的光束进行整形，以形成多个维度具有独立发散角的光束；

通过扫描器件组反射，调整光束方向并实现扫描；

将反射后的光束汇入场镜后进行聚焦。

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