CN102494299A - 半导体激光照明光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光照明光源。该半导体激光光源包括：半导体激光器，用于产生激光输出；光束准直模块，位于半导体激光器的光路后端，用于将半导体激光器输出激光的进行平行和准直；光斑匀化模块，位于光束准直模块的光路后端，用于将光束准直模块输出的激光的横截面相互垂直的两个方向的光束质量进行均衡，实现光束能量的均匀化重组；耦合输出模块，位于光斑匀化模块的光路后端，用于将光斑匀化模块输出的均匀化重组后的激光耦合输出。本发明半导体激光照明光源具有自适应性强，结构稳定、性能可靠等特点，可以实现远场激光光斑均匀分布，增强了远距离观测目标的清晰程度。

Description

半导体激光照明光源

技术领域

本发明涉及光学行业激光照明技术领域，尤其涉及一种半导体激光照明光源。

背景技术

如今半导体激光照明光源应用已十分广泛，其作为小区监控、森林防火、航海巡逻及空中救援等领域的辅助照明源有着十分重要的作用，并拥有巨大的市场潜力。尤其在周围环境照度低，成像质量需求高的远距离照明条件下，大照明视场与清晰成像则是必不可少的前提。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术的半导体激光照明光源存在如下技术缺陷：由激光多模空间分布不均匀而导致照明视场光强分布不均，导致成像质量降低，从而成像清晰程度却始终未达到最佳效果；此外，对于远距离激光照明来说，视场角度的调节无法对指定目标精确定位。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种半导体激光照明光源，以达到远场光束的均匀化分布，可实现远距离匀化照明及清晰成像。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体激光照明光源。该光源包括：半导体激光器，用于产生激光输出；光束准直模块，位于半导体激光器的光路后端，用于将半导体激光器输出激光的进行平行和准直；光斑匀化模块，位于光束准直模块的光路后端，用于将光束准直模块输出的激光的横截面相互垂直的两个方向的光束质量进行均衡，实现光束能量的均匀化重组；耦合输出模块，位于光斑匀化模块的光路后端，用于将光斑匀化模块输出的均匀化重组后的激光耦合输出。

在本发明优选的实施例中，光斑匀化模块包括：上多梯次平面反射镜，位于光束准直模块的光路后端，其下反射镜面与入射激光呈45度角，用于切割和准直激光光束，并将其分为N份；下多梯次平面反射镜，其与第一多梯次平面反射镜呈垂直上下罗列而成，其平面与入射激光45度角，用于准直光束的平移与重组，从而使出射光束由高斯光能分布的高斯光束转变为均匀分布的平顶光束。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于采用光束准直模块，在光学集成式准直微透镜的作用下，可使发散光斑到平行准直光斑的转变，减小了光束发散夹角，进而实现了光功率的增强；

2、利用本发明，由于采用光斑匀化模块，使激光光能得到了均匀分配，降低了外界杂散光及激光多模特性所带来的视场模糊的影响，提高了远场光斑平均光亮度。所以，使用经激光光斑匀化后的半导体激光光源，可实现指定目标的清晰成像，弥补了目前远距离成像视场范围小、对比度差等方面的不足；

3、利用本发明，由于采用光纤耦合模块，使光束路径得以柔化，利用此种特性，可将光纤盘起固定，方便了各器件之间的布局、安装。

附图说明

图1为本发明实施例半导体激光照明光源的结构示意图；

图2为本发明实施例半导体激光照明光源的系统框图；

图3A为本发明实施例半导体激光照明光源中光斑匀化模块的结构示意图；

图3B为本发明实施例半导体激光照明光源中光斑匀化模块的光斑匀化原理的示意图；

图3C为本发明实施例半导体激光照明光源中光斑匀化模块的光斑能量转换的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

本发明中，采用阵列半导体激光器及多梯次平面反射镜相结合的方式，达到了远场激光光斑均匀分布，增强了远距离观测目标的清晰程度。

在本发明的一个示例性实施例中，提出一种半导体激光照明光源。该半导体激光照明光源包括：半导体激光器，光束准直模块，光斑匀化模块，耦合输出模块及驱动电路模块。图1为本发明实施例半导体激光照明光源的结构示意图。图2为本发明实施例半导体激光照明光源的系统框图。以下结合图1和图2，对本发明的各个组成部分进行详细说明。

如图1和图2所示，本实施例中半导体激光器为阵列半导体激光器，，可实现高功率激光输出。

如图1和图2所示，光束准直模块包括：集成式非球面微透镜阵列6。依据光学折射原理，激光器出射光束经过微透镜阵列作用后，将由发散的椭圆光斑转变成为平行准直的线型光斑。

在光束准直模块作用下，将发散光束转变为平行准直光束，减小了光束发散夹角，进而实现光功率密度增强。光源准直后光斑直径ω₁和准直后发散角θ₁分别由下述关系式给出：

ω₁＝f·tanθ                          (1)

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{\mathrm{\ω}}{f}\right)---\left(2\right)$

公式(1)和(2)中，θ为准直前发散角，ω为准直前光斑直径，f扩束准直镜焦距。

图3A为本发明实施例半导体激光照明光源中光斑匀化模块的结构示意图。如图3A所示，光斑匀化模块为两块多梯次平面反射镜组7。其两块多梯次平面反射镜呈垂直上下罗列分布，可称为下多梯次反射镜面2与下上多梯次反射镜面1。另外，两块反射镜的镜面分别都与垂直Y方向成45度倾角。该两块多梯次平面反射镜组7利用金属框架装置进行固定，形成上下分离式排列的多梯次反射镜组。

图3B为本发明实施例半导体激光照明光源中光斑匀化模块的光斑匀化原理的示意图。如图3B所示，所述的光束准直模块作用所得到的两轴光束质量并不均衡，Y方向光束质量远大于X方向光束质量。此时利用光斑匀化模块，可使线形光束照射至下反射镜面，光束分割成N份，随后反射至上反射镜面。经上反射镜面反射后，发生N份光束平移并发生光束重新组合，从而使平行准直的线形光斑转变为矩形光斑。

图3C为本发明实施例半导体激光照明光源中光斑匀化模块的光斑能量转换的示意图。如图3C所示，通过光斑匀化模块作用后，使Y方向光束质量降低至原来的N倍，而X方向光束质量提升至原来的1/N倍。经此过程，光斑能量得到了重新分配，光束质量得到均衡，从而实现光源照射至目标处的光能量分布，由高斯光束转变成平顶光束。

经准直后的光束，通过光斑匀化模块作用后，激光光源光束质量得到均衡并实现两个方向光束的再组合，进而使光斑匀化清晰成像。在光斑匀化之前，两个方向上光束质量BPP_X、BPP_Y及折叠次数N分别由以下公式给出：

N²＝BPP_X/BPP_Y                           (3)

光斑匀化后，激光光源两个方向上的光束质量满足以下关系式

BPP′_X＝BPP_X/N                          (4)

BPP′_Y＝BPP_Y·N                         (5)

公式(4)及公式(5)中，BPP′_X为折叠后的X轴光束质量，BPP′_Y为折叠后Y轴光束质量。

如图1和图2所示，耦合输出模块包括：E2C(Ellipse to Circle)透镜、非球面聚焦透镜11、多模光纤12、光学变焦镜头13。由上述光斑匀化模块出射的激光，经E2C光学透镜作用，可把均匀的方形光斑转变成为圆形光斑，随之光束通过非球面聚焦透镜13，可把圆形光斑会聚成为点光斑。此时，将多模光纤12放置于聚焦透镜的前焦点处，使光束充分耦合至光纤当中。最后，光学变焦镜头13实现对光纤输出光束发散角度的可变调节。该耦合输出模块中，通过光纤耦合模块的应用，可使光路柔化，便于实际照明的架设与调节。如图2所示，E2C光学透镜为由平凸柱面镜、凹凸镜和平凸镜组成的透镜组。

在本模块中，光束通过光学系统变换，聚焦至光纤时需满足折叠后光源光束质量小于光纤光束质量BPP_f，即

$\sqrt{{\mathrm{BPP}}_X^{\&prime;2}+{\mathrm{BPP}}_Y^{\&prime;2}}<{\mathrm{BPP}}_f---\left(6\right)$

如图1和图2所示，驱动控制电路模块由驱动控制电路板4及控制单元3组成。控制单元3给予驱动电路板4控制命令，达到所需要输出的激光器功率。同时，又可实时给予伺服电机电信号，使光学变焦镜头13中的变焦物镜在固定导轨前后移动，以实现电控变焦，从而调节出射光束的发散角度。

本发明实施例半导体激光照明光源的整体框架(装配方式)如下：1)把激光光源模块正、负两端与光学变焦装置的接线连接于驱动模块上的激光器控制接触点上；2)将光束准直模块按要求固定在激光光源模块前端；3)将固定好的光斑匀化模块框架放于光束准直模块规定距离位置，从而实现光束匀化与光路偏转；4)将E2C、非球面聚焦透镜安置在透镜夹具的卡口之上，同时调节透镜相应的水平位置与高度，并固定于系统装置拖盘上；5)利用支架将多模光纤架起，使接收面处于非球面透镜的前焦点处；6)将光纤输出端接入光学变焦镜头的插口处旋紧固定，此时即可利用双胶合变焦物镜对所需光束照射角度进行调节；7)利用金属外壳16对整套光源系统进行机械封装。

本发明实施例半导体激光照明光源的工作过程如下：

步骤S01，将电信号端输入光源系统，按照系统实际要求对驱动电路模块进行基本参数设定；

步骤S02，驱动电路模块依照电信号指令产生与激光光源、光学变焦相应的驱动控制信号，并将此信号实时发给激光光源及光学变焦镜头；

步骤S03，激光光源接收驱动电路发出的控制信号，按照该控制命令产生连续光信号，随之光信号经光斑匀化模块使照射光能量由高斯光束转变为均匀分布的平顶光束；

步骤S04，光学变焦系统与驱动电路实施同步信息传递，通过驱动电路控制指令，实现光学变焦透镜机械传动功能，进而对视场观测角度进行调节，达到对指定目标物7的照明定位。

在根据本发明所制备的一半导体激光照明光源实体中，半导体激光光源的为波长为808nm的阵列半导体激光光源；光斑准直模块由非球面柱透镜与非球面微透镜阵列所组成的集成式微透镜阵列，其尺寸分别为11.5mm(L)×1.5mm(H)×1.5mm(W)与11.5mm(L)×1.5mm(H)×1.0mm(W)，材料分别为N-LAF21与SCHOTT；光斑匀化模块中，一片多梯次平面反射镜的尺寸为20mm(L)×10mm(H)×40mm(W)；光纤芯径为200μm，数值孔径NA为0.22。以下给出该实体经过各模块之后的光束质量参数：首先，光束准直模块前，阵列半导体激光光源两方向光束质量为0.7mm·mrad和1744mm·mrad；准直后，光束质量为0.7mm·mrad和471.3mm·mrad，此时光斑尺寸为0.6mm×10.38mm；其次，经光斑匀化模块后，光斑经分段、平移及在组合后，光斑尺寸变为1.15mm×5.6mm；最后，经光纤模块后，此时光束质量满足耦合光纤条件，即采用焦距f＝15mm，通光孔径d＝6.35mm双胶合聚焦透镜即可聚焦至芯径200μm，数值孔径NA＝0.22的光纤中。随之，利用光学变焦镜头13实现对观测目标的视场变角调节。

综上所述，本发明半导体激光照明光源的结构精密紧凑，便于控制调节，特别适用于成像质量要求较高的远距离夜视照明，具体来讲：

(1)本发明中，由于采用光束准直模块，在光学集成式准直微透镜的作用下，可使发散光斑到平行准直光斑的转变，减小了光束发散夹角，进而实现了光功率的增强；

(2)本发明中，由于采用光斑匀化模块，使激光光能得到了均匀分配，降低了外界杂散光及激光多模特性所带来的视场模糊的影响，提高了远场光斑平均光亮度。所以，使用经激光光斑匀化后的半导体激光光源，可实现指定目标的清晰成像，弥补了目前远距离成像视场范围小、对比度差等方面的不足；

(3)本发明中，由于采用光纤耦合模块，使光束路径得以柔化，利用此种特性，可将光纤盘起固定，方便了各器件之间的布局、安装。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体激光照明光源，其特征在于，包括：

半导体激光器，用于产生激光输出；

光束准直模块，位于所述半导体激光器的光路后端，用于将所述半导体激光器输出激光的进行平行和准直；

光斑匀化模块，位于所述光束准直模块的光路后端，用于将所述光束准直模块输出的激光的横截面相互垂直的两个方向的光束质量进行均衡，实现光束能量的均匀化重组；

耦合输出模块，位于所述光斑匀化模块的光路后端，用于将所述光斑匀化模块输出的均匀化重组后的激光耦合输出。

2.根据权利要求1所述的半导体激光照明光源，其特征在于，所述光斑匀化模块包括：

上多梯次平面反射镜，位于所述光束准直模块的光路后端，其下反射镜面与入射激光呈45度角，用于切割和准直激光光束，并将其分为N份；

下多梯次平面反射镜，其与所述上多梯次平面反射镜呈垂直上下罗列，其下反射镜面与入射激光45度角，用于将分为N份的准直光束的平移与重组，从而使出射光束由高斯光能分布的高斯光束转变为均匀分布的平顶光束。

3.根据权利要求2所述的半导体激光照明光源，其特征在于，

所述光斑匀化模块，还用于使经过其的激光光束在传播方向上偏转90度角。

4.根据权利要求1所述的半导体激光照明光源，其特征在于，所述耦合输出模块包括：

E2C光学透镜，位于所述光斑匀化模块的光路后端，用于将所述光斑匀化模块输出的方形光斑转换为圆形光斑；

非球面聚焦透镜，位于所述E2C光学透镜的光路后端，用于将所述E2C光学透镜输出的激光进行聚焦，该激光的横截面由圆形光斑转换为点光斑；

多模光纤，位于所述非球面聚焦透镜的光路后端，其入射端位于所述非球面聚焦透镜的前焦点处，用于承载所述非球面聚焦透镜输出的激光；

变焦镜头，位于所述多模光纤的光路后端，用于对所述多模光纤输出激光光束的发散角度进行调节，输出激光。

5.根据权利要求4所述的半导体激光照明光源，其特征在于，所述E2C光学透镜为由平凸柱面镜、凹凸镜和平凸镜组成的透镜组。

6.根据权利要求1所述的半导体激光照明光源，其特征在于，所述光束准直模块包括：

非球面微透镜阵列，其位于所述半导体激光器的光路后端，用于将所述半导体激光器输出激光由发散的椭圆光斑转变为平行准直的线型光斑。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体激光照明光源，其特征在于，所述半导体激光器为阵列半导体激光器。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体激光照明光源，其特征在于，还包括：

驱动控制模块，与所述半导体激光器和所述耦合输出模块相连接，用于向所述半导体激光器发送第一控制信号，使其发射半导体激光；向所述耦合输出模块发送第二控制信号，使其调节耦合输出激光的光束发散角。

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