CN210038347U - 光斑匀化扩束装置及成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束装置及成像装置，涉及光斑匀化扩束技术领域。该光斑匀化扩束装置包括：激光器，该激光器为消相干连续可见光波长激光器，用于发出激光；输入端与激光器连接的光纤，该光纤为多模光纤，用于对激光进行第一匀化处理，以生成第一匀化激光；位于光纤的输出端的汇聚镜，用于对第一匀化激光进行汇聚处理；位于汇聚镜远离光纤一侧的匀化器，用于对经过汇聚处理的第一匀化激光进行第二匀化处理，以生成第二匀化激光；位于匀化器远离汇聚镜一侧的准直扩束镜，用于对第二匀化激光进行准直和扩束处理，以将该第二匀化激光转换为平行光束输出。通过上述设置，可以改善高功率激光中容易出现散斑及干涉条纹的问题。

Description

光斑匀化扩束装置及成像装置

技术领域

本实用新型涉及光斑匀化扩束领域，具体而言，涉及一种光斑匀化扩束装置及成像装置。

背景技术

高速摄影是研究高速运动过程的一种方法，它能够将被观测瞬态事件的时间过程放大，直观形象地反映高速过程瞬态变化的信息。

但是，经发明人研究发现，在现有技术中，高速摄影在对目标进行拍摄过程中，由于高功率激光为相干光，直接扩束后存在大量散斑及干涉条纹。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种光斑匀化扩束装置及成像装置，以改善现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：

一种光斑匀化扩束装置，该光斑匀化扩束装置包括：

激光器，该激光器为消相干连续可见光波长激光器，用于发出激光；

输入端与所述激光器连接的光纤，该光纤为多模光纤，用于对所述激光进行第一匀化处理，以生成第一匀化激光；

位于所述光纤的输出端的汇聚镜，用于对所述第一匀化激光进行汇聚处理；

位于所述汇聚镜远离所述光纤一侧的匀化器，用于对经过汇聚处理的所述第一匀化激光进行第二匀化处理，以生成第二匀化激光；

位于所述匀化器远离所述汇聚镜一侧的准直扩束镜，用于对所述第二匀化激光进行准直和扩束处理，以将该第二匀化激光转换为平行光束输出。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述汇聚镜包括第一汇聚镜和第二汇聚镜；

其中，所述第一汇聚镜设置于所述光纤的输出端，用于对所述第一匀化激光进行第一汇聚处理；

所述第二汇聚镜设置于所述第一汇聚镜和所述匀化器之间，用于对所述第一匀化激光进行第二汇聚处理。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述第一汇聚镜、所述第二汇聚镜、所述匀化器及所述准直扩束镜的法线处于同一直线上。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述匀化器设置于所述第二汇聚镜的焦点。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述第一汇聚镜和第二汇聚镜为正透镜。

在本实用新型实施例较佳的选择中，该光斑匀化扩束装置还包括：

设置于所述第一汇聚镜和所述第二汇聚镜之间的快门，用于在打开时使经过所述第一汇聚镜处理的所述第一匀化激光传输至所述第二汇聚镜。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述多模光纤的长度大于或等于10m。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述匀化器为衍射镜。

在本实用新型实施例较佳的选择中，所述准直扩束镜为长焦距、大口径镜头。

本实用新型实施例还提供了一种成像装置，用于对放置于该成像装置的被摄目标进行成像，该成像装置包括成像物镜、滤光器、光电相机和上述的光斑匀化扩束装置：

其中，所述光斑匀化扩束装置用于将输出的平行光束传输至所述被摄目标；

所述成像物镜位于所述被摄目标远离所述光斑匀化扩束装置的准直扩束镜一侧，用于对携带被摄目标的识别信息的平行光束进行成像处理；

所述滤光器位于所述成像物镜远离所述被摄目标一侧，用于对经过成像处理的光束进行滤光处理；

所述光电相机位于所述滤光器远离所述成像物镜一侧，用于接收经过滤光处理的光束，并生成携带所述被摄目标的识别信息的图像。

本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束装置及成像装置，通过消相干连续可见光波长激光器发出激光至连接的多模光纤，通过多模光纤对激光进行第一匀化处理，通过匀化器对激光进行第二匀化处理，通过准直扩束镜对激光进行准直和扩束处理，以将激光转换为平行光束输出，以改善高功率激光中容易出现散斑及干涉条纹的问题。

进一步地，在使用该平行光束对被摄目标进行成像处理时，通过滤光器过滤被摄目标的自发光，可以保证具有较高的成像质量，进而保证获取的图像信息可靠有效，有利于高速运动过程的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束装置的另一结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束装置的另一结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供的成像装置的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束方法的流程示意图。

图6为本实用新型实施例提供的步骤S300的流程示意图。

图标：10-成像装置；11-光斑匀化扩束装置；12-被摄目标；100-激光器；200-光纤；300-汇聚镜；310-第一汇聚镜；320-第二汇聚镜；400-匀化器；500-准直扩束镜；600-快门；700-成像物镜；800-滤光器；900-光电相机。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种光斑匀化扩束装置11，可以包括激光器100、光纤200、汇聚镜300、匀化器400、准直扩束镜500。

详细地，所述激光器100为消相干连续可见光波长激光器，用于发出激光。所述光纤200的输入端与所述激光器100连接，以获取所述激光器100发出的激光，且该光纤200为多模光纤，用于对所述激光进行第一匀化处理，以生成第一匀化激光。所述汇聚镜300位于所述光纤200的输出端，用于对所述第一匀化激光进行汇聚处理。所述匀化器400位于所述汇聚镜300远离所述光纤200一侧，用于对经过汇聚处理的所述第一匀化激光进行第二匀化处理，以生成第二匀化激光。所述准直扩束镜500位于所述匀化器400远离所述汇聚镜300一侧，用于对所述第二匀化激光进行准直和扩束处理，以将该第二匀化激光转换为平行光束输出。

通过以上设置，通过消相干连续可见光波长激光器发出激光以初步去除散斑及干涉条纹，通过多模光纤对激光进行第一匀化处理以去除散斑，通过匀化器400对激光进行第二匀化处理以去除干涉条纹，从而改善高功率激光中容易出现散斑及干涉条纹的问题。

其中，所述消相干连续可见光波长激光器采用光学补偿和衍射光学软边光阑等技术进行非相干处理，使得发出激光的激光散斑和干涉条纹得到初步控制。所述多模光纤可以传播多种模式的光，具体地，所述多模光纤中传输的激光的入射角度和传输路径可以不同。

可选地，所述多模光纤的具体长度不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述多模光纤的长度可以大于或等于10m，以使所述激光在所述多模光纤中进行多次折射，以对所述激光进行第一匀化处理，从而生成第一匀化激光，以匀化激光光斑。

可选地，所述汇聚镜300的具体设置不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述汇聚镜300可以包括第一汇聚镜310和第二汇聚镜320，以使激光经过所述第一汇聚镜310汇聚之后再次经过所述第二汇聚镜320汇聚到所述匀化器400进行第二匀化处理。

结合图2，所述第一汇聚镜310设置于所述光纤200的输出端，用于对所述第一匀化激光进行第一汇聚处理。所述第二汇聚镜320设置于所述第一汇聚镜310和所述匀化器400之间，用于对所述第一匀化激光进行第二汇聚处理。

可选地，所述第一汇聚镜310和第二汇聚镜320的具体种类不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述第一汇聚镜310和第二汇聚镜320可以是正透镜。

通过上述设置，使得所述第一匀化激光可以经过两次汇聚处理，从而使得所述第一匀化激光较大程度地汇聚到所述匀化器400。

进一步地，所述第一汇聚镜310、所述第二汇聚镜320、所述匀化器400及所述准直扩束镜500的法线处于同一直线上，以使所述激光器100发出的激光的中心光路位于同一直线上，以保证匀化效果。

可选地，所述匀化器400的具体种类不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述匀化器400可以是衍射镜，以使经过汇聚处理的所述第一匀化激光在衍射镜进行衍射，以去除经过汇聚处理的所述第一匀化激光的干涉条纹，从而生成第二匀化激光。

可选地，所述匀化器400的具体位置不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述匀化器400可以设置于所述第二汇聚镜320的焦点，以使经过所述第二汇聚镜320汇聚处理的所述第一匀化激光通过所述匀化器400进行第二匀化处理，以保证匀化效果。

可选地，所述准直扩束镜500的焦距和口径不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。例如，在本实施例中，所述准直扩束镜500可以为长焦距、大口径镜头，以得到更好的准直和扩束效果。

可选地，所述长焦距的具体范围不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述长焦距的具体范围可以是大于0、小于或等于16m的焦距。

可选地，所述大口径的具体范围不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述大口径的具体范围可以是大于0、小于或等于800mm的口径。

结合图3，所述光斑匀化扩束装置11还可以包括快门600，所述快门600设置于所述第一汇聚镜310和所述第二汇聚镜320之间，用于在打开时使经过所述第一汇聚镜310处理的所述第一匀化激光传输至所述第二汇聚镜320。并且，在所述快门600关闭时，可以阻挡所述第一匀化激光，以避免在所述激光器100发出的连续激光长时间照射成像的相机时，使相机发生损坏。并且，可以在需要对所述被摄目标12进行成像时，控制所述快门600开启，在不需要对所述被摄目标12进行成像时，控制所述快门600关闭。

可选地，所述快门600的具体种类不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述快门600可以是电磁快门。

具体地，所述电磁快门可以与外部的控制器连接，以基于该控制器输出的控制信号进行打开与关闭的切换。

其中，所述控制器的具体类型不受限制，可以根据实际应用需求进行选择。例如，在一种可以替代的示例中，可以由单片机和周围相关电路(晶振电路、复位电路等)组成。

结合图4，本实用新型实施例还提供了成像装置10，可以包括成像物镜700、滤光器800、光电相机900及上述的光斑匀化扩束装置11。

其中，所述光斑匀化扩束装置11用于将输出的平行光束传输至被摄目标12。所述成像物镜700位于所述被摄目标12远离所述光斑匀化扩束装置11的准直扩束镜500一侧，用于对携带被摄目标12的识别信息的平行光束进行成像处理。所述滤光器800位于所述成像物镜700远离所述被摄目标12一侧，用于对经过成像处理的光束进行滤光处理。所述光电相机900位于所述滤光器800远离所述成像物镜700一侧，用于接收经过滤光处理的光束，并生成携带所述被摄目标12的识别信息的图像。

通过上述设置，可以实现对被摄目标12的高质量成像，从而保证基于该成像进行的高速运动过程研究具有较高的可靠性。

可选地，所述滤光器800的具体种类不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述滤光器800可以是窄带滤光片。

详细地，所述窄带滤光片的中心波长与所述激光器100发出的激光的中心波长对应。可选地，所述窄带的具体范围不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在本实施例中，所述窄带的具体范围可以指10nm内的光谱，即所述窄带滤光片可以允许经过成像处理的光束的中心波长10nm内的光束通过。

详细地，高速摄影在对被摄目标12进行拍摄过程中，由于拍摄频率高，曝光时间短，常常需要对被摄目标12进行补充照明。目前常用的照明光源主要有氙灯光源、爆炸光源等，但其都为宽光谱。采用激光器100进行照明相比氙灯照明、爆炸光源穿透力强，单色性好，成像质量佳。同时由于被摄目标12产生的自发光通常是宽光谱，采用所述窄带滤光片进行滤光可有效过滤自发光，进而有效解决因被摄目标12的自发光造成的图像过度曝光问题。

结合图5，本实用新型实施例还提供了一种光斑匀化扩束方法，可以包括步骤S100、步骤S200、步骤S300、步骤S400及步骤S500。

步骤S100，通过激光器100发出激光至连接的光纤200。

其中，该激光器100为消相干连续可见光波长激光器，该光纤200为多模光纤。在本实施例中，关于步骤S100的具体描述可以参照前文对所述激光器100的描述。

步骤S200，通过所述光纤200对所述激光进行第一匀化处理，并将得到的第一匀化激光传输至与输出端对应设置的汇聚镜300。

详细地，在本实施例中，关于步骤S200的具体描述可以参照前文对所述光纤200的描述。

步骤S300，通过所述汇聚镜300对所述第一匀化激光进行汇聚处理，并将汇聚处理后的所述第一匀化激光传输至匀化器400。

详细地，在本实施例中，关于步骤S300的具体描述可以参照前文对所述汇聚镜300的描述。

步骤S400，通过所述匀化器400对接收到的所述第一匀化激光进行第二匀化处理，并将得到的第二匀化激光传输至准直扩束镜500。

详细地，在本实施例中，关于步骤S400的具体描述可以参照前文对所述匀化器400的描述。

步骤S500，通过所述准直扩束镜500对所述第二匀化激光进行准直和扩束处理，以将该第二匀化激光转换为平行光束输出。

详细地，在本实施例中，关于步骤S500的具体描述可以参照前文对所述准直扩束镜500的描述。

通过以上设置，通过消相干连续可见光波长激光器发出激光以初步去除散斑及干涉条纹，通过多模光纤对激光进行第一匀化处理以去除散斑，通过匀化器400对激光进行第二匀化处理以去除干涉条纹，从而改善高功率激光中容易出现散斑及干涉条纹的问题。

结合图6，所述步骤S300可以包括步骤S310和步骤S320。

步骤S310，通过第一汇聚镜310对所述第一匀化激光进行第一汇聚处理，并将处理后的第一匀化激光传输至第二汇聚镜320。

详细地，在本实施例中，关于步骤S310的具体描述可以参照前文对所述第一汇聚镜310的描述。

步骤S320，通过所述第二汇聚镜320对接收到的所述第一匀化激光进行第二汇聚处理。

详细地，在本实施例中，关于步骤S320的具体描述可以参照前文对所述第二汇聚镜320的描述。

通过上述方法，使得所述第一匀化激光可以经过两次汇聚处理，从而使得所述第一匀化激光完全汇聚到所述匀化器400。

进一步地，所述第一汇聚镜310与所述第二汇聚镜320之间还设置有快门600。

其中，所述将处理后的第一匀化激光传输至第二汇聚镜320的步骤，具体可以为：

控制所述快门600开启，以使经过第一汇聚处理后的第一匀化激光传输至第二汇聚镜320。

详细地，由于被摄目标12处于高速运动中，通过控制所述激光器100的开启或闭合时间间隔过长，并不能满足要求，在所述激光器100长时间开启时，所述激光器100发出的连续激光会使成像的所述光电相机900发生损坏。因此，可以在需要对所述被摄目标12进行成像时，控制所述快门600开启，在不需要对所述被摄目标12进行成像时，控制所述快门600关闭，以避免所述激光器100发出的连续激光使成像的所述光电相机900发生损坏，从而影响成像质量。

综上所述，本实用新型实施例提供的光斑匀化扩束装置11及成像装置10，通过消相干连续可见光波长激光器发出激光至连接的多模光纤，通过多模光纤对激光进行第一匀化处理，通过匀化器400对激光进行第二匀化处理，通过准直扩束镜500对激光进行准直和扩束处理，以将激光转换为平行光束输出，以改善高功率激光中容易出现散斑及干涉条纹的问题。

进一步地，在使用该平行光束对被摄目标12进行成像处理时，通过滤光器800过滤被摄目标12的自发光，可以保证具有较高的成像质量，进而保证获取的图像信息可靠有效，有利于高速运动过程的研究。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光斑匀化扩束装置，其特征在于，该光斑匀化扩束装置包括：

激光器，该激光器为消相干连续可见光波长激光器，用于发出激光；

输入端与所述激光器连接的光纤，该光纤为多模光纤，用于对所述激光进行第一匀化处理，以生成第一匀化激光；

位于所述光纤的输出端的汇聚镜，用于对所述第一匀化激光进行汇聚处理；

位于所述汇聚镜远离所述光纤一侧的匀化器，用于对经过汇聚处理的所述第一匀化激光进行第二匀化处理，以生成第二匀化激光；

位于所述匀化器远离所述汇聚镜一侧的准直扩束镜，用于对所述第二匀化激光进行准直和扩束处理，以将该第二匀化激光转换为平行光束输出。

2.如权利要求1所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述汇聚镜包括第一汇聚镜和第二汇聚镜；

其中，所述第一汇聚镜设置于所述光纤的输出端，用于对所述第一匀化激光进行第一汇聚处理；

所述第二汇聚镜设置于所述第一汇聚镜和所述匀化器之间，用于对所述第一匀化激光进行第二汇聚处理。

3.如权利要求2所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述第一汇聚镜、所述第二汇聚镜、所述匀化器及所述准直扩束镜的法线处于同一直线上。

4.如权利要求2所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述匀化器设置于所述第二汇聚镜的焦点。

5.如权利要求2所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述第一汇聚镜和第二汇聚镜为正透镜。

6.如权利要求2-5任意一项所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，该光斑匀化扩束装置还包括：

设置于所述第一汇聚镜和所述第二汇聚镜之间的快门，用于在打开时使经过所述第一汇聚镜处理的所述第一匀化激光传输至所述第二汇聚镜。

7.如权利要求1-5任意一项所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述多模光纤的长度大于或等于10m。

8.如权利要求1-5任意一项所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述匀化器为衍射镜。

9.如权利要求1-5任意一项所述的光斑匀化扩束装置，其特征在于，所述准直扩束镜为长焦距、大口径镜头。

10.一种成像装置，其特征在于，用于对放置于该成像装置的被摄目标进行成像，该成像装置包括成像物镜、滤光器、光电相机和权利要求1-9任意一项所述的光斑匀化扩束装置：

其中，所述光斑匀化扩束装置用于将输出的平行光束传输至所述被摄目标；

所述成像物镜位于所述被摄目标远离所述光斑匀化扩束装置的准直扩束镜一侧，用于对携带被摄目标的识别信息的平行光束进行成像处理；

所述滤光器位于所述成像物镜远离所述被摄目标一侧，用于对经过成像处理的光束进行滤光处理；

所述光电相机位于所述滤光器远离所述成像物镜一侧，用于接收经过滤光处理的光束，并生成携带所述被摄目标的识别信息的图像。

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