基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備及其方法
【專利摘要】基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備及其方法，設備設有激光器光源，特征是光路上還設有單模光纖、準直擴束系、多通光路調制裝置、半反半透鏡片；該半反半透鏡片后方的光路分為兩路：其一：聚焦透鏡和CCD-A探測器；另一：顯微物鏡、多模光纖、CCD-B和探測器；多通光路調制裝置的結構是：第一平面反射鏡、成對設置的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B及第二平面反射鏡；在成對設置的高反射率平面鏡A和B之間設有由旋轉電機驅動的相位板，由電源及轉速控制裝置控制。本發(fā)明極大提高了激光散斑間的非相關性。制作工藝簡單，結構設計方便，光束通過率高，能量損失少，易于復制?？捎糜诩す馔队帮@示及激光照明等領域，應用廣泛。
【專利說明】基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備及其方法
[0001]【技術領域】:
本發(fā)明屬于激光探測和光學成像領域，涉及基于隨機相位板多通光路設計結構對入射光束多倍頻相位調制和消除激光散斑的設備。本發(fā)明還涉及這種設備的工作方法。
【背景技術】
[0002]激光由于其具有的高亮度、高相干性和高準直性等特點，在工業(yè)、軍事、通信、醫(yī)學、科學研究及社會生活等領域發(fā)揮了獨特而至關重要的作用。當激光照射在粗糙表面或在折射率無規(guī)則漲落的媒質中傳播時，粗糙表面上每一點都要散射光，這些具有高度相干性且振幅和位相不相同的光束，在空間各點形成無規(guī)則分布的顆粒狀斑紋一激光散斑。
[0003]激光散斑作為一種隨機過程，是伴隨激光器使用而必然存在的客觀物理現(xiàn)象。在光學成像系統(tǒng)中，激光散斑常被認為是附加在平滑光場上的噪聲，不僅造成了能量損失，同時也成為限制圖像質量，降低圖像分辨率和對比度的主要因素，如目前在研究和應用的激光投影顯示技術中(IXD，LCOS, DLP)，激光散斑成為限制激光顯示實現(xiàn)真正實用化的關鍵；在天文學領域，光學頻率梳技術作為目前世界上定標精度最高的光源，為天文探測視向速度測量精度達到cm/s量級提供了技術支持和保證，但激光散斑存在不僅造成了光學頻率梳的能量損耗，同時極大降低光梳信號的信噪比，限制了光梳信號的定標精度和視向速度測量精度的提高。因此保持激光獨特性質的同時，減少散斑中的光損耗，最大限度的抑制散斑，不僅在光學成像系統(tǒng)中，同時在顯微鏡成像、光通信傳播及激光顯示系統(tǒng)中也是亟需解決的重點問題。
[0004]目前關于消除激光散斑的方法多種多樣，總體而言可分為兩類:其一是靜態(tài)消散斑法。如降低激光器腔長或在光路中對入射光束分束后再合束，降低入射光束相干性。該方法操作復雜，光路連接穩(wěn)定性低；其二是動態(tài)散斑法。對激光散斑進行動態(tài)處理，利用時間平均抑制散斑。如旋轉或振動散射體(毛玻璃、液晶裝置、相位板)、振動光纖、超聲波法等。中國專利CN 102122081A公開的《激光光束勻光整形消散斑裝置》采用將純相位衍射器件在電磁振動裝置驅動下完成勻光整形和消散斑功能；中國專利CN101950087A公開的《一種消除激光散斑效應的方法》將入射光束通過振動的可通光的液體對光束相位進行破壞而消除激光散斑效應；使用動態(tài)散斑法時，散斑變化頻率越快，散斑間相關性越小，在時間平均后散斑抑制效果越好，目前散斑消除中，散斑頻率控制范圍有限，相位調節(jié)深度小使得散斑相關性較大，以上因素降低了散斑抑制效果，同時入射光束通過液晶裝置和毛玻璃能量利用率較低，能量損失大，并且伴隨著角度擴散現(xiàn)象，影響了系統(tǒng)的性能。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服上述已有技術存在的缺陷，本發(fā)明目的在于設計一種簡便可行、能量損失少、適用于激光散斑消除的基于隨機相位板的多通光路設備，以及這種基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備的工作方法，將激光散斑通過時間平均方式最大限度的進行抑制。[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是:通過多通光路結構設計裝置，實現(xiàn)對入射光束進行多倍頻相位調制，故而降低激光散斑間的相關性。該裝置結構簡單、能量損失少、相位調制深度隨光束通過相位板次數多倍頻增加。
[0007]解決技術問題的技術方案為:一種基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，設有激光器光源，其特征在于，光路上還設有單模光纖、準直擴束系統(tǒng)、多通光路調制裝置、半反半透鏡片；該半反半透鏡片后方的光路分為兩路:其一為:聚焦透鏡和CXD-A探測器；另一路為:顯微物鏡、多模光纖及CXD-B探測器；其中所述多通光路調制裝置的結構是:第一平面反射鏡、成對設置的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B及第二平面反射鏡；在所述成對設置的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B之間，設有由旋轉電機驅動的相位板(也稱為隨機相位板);該旋轉電機由電源及其轉速控制裝置控制。
[0008]以上發(fā)明的優(yōu)化方案有:
所述CCD-A探測器與CCD-B探測器的型號為HV1351UC，像素為1024X1280。
[0009]所述相位板為純相位調制相位板，石英材質。
[0010]所述相位板的轉速通過電流控制，轉動速度在0_50r/s之間。
[0011 ] 所述多通光路結構中的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B采用高反射率的鍍銀反射鏡，能量損失在1%以內。
[0012]所述第一平面反射鏡、高反射率平面鏡A、高反射率平面鏡B及第二平面反射鏡，均設置在精密光學鏡架上，通過調整兩個高反射率平面鏡之間夾角控制光束在高反射率平面鏡之間的反射次數。
[0013]完成本申請第二個發(fā)明任務的方案是，上述基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備的工作方法，其特征在于，步驟如下:
(1).激光光源在單模光纖出射后經準直擴束系統(tǒng)后變?yōu)榭讖捷^小的準直光；
⑵.構建多通光路反射腔結構:
在入射激光光束準直擴束后與顯微物鏡間，放入多通光路調制裝置，該結構由平面反射鏡組成:入射準直光束經第一平面反射鏡入射到高反射率平面鏡A后，在高反射平面鏡A和高反射平面鏡B所組成的腔內多次反射后入射到第二平面反射鏡，然后入射到顯微物鏡中；
⑵-1.調整第一平面反射鏡和第二平面反射鏡的角度可精確調整入射光束和反射光束的方向；
(2)-2.精確調整第一平面反射鏡、高反射率平面鏡A和高反射平面鏡B間的位置和兩者之間的平行度，可控制光束在鏡面腔內反射次數及光束的反射密集程度；
(3).對反射腔內置入相位板:將具有相位調制相位板安放在高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B組成的反射腔內，綜合調節(jié)相位板放入位置和高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B之間的平行度，可以調節(jié)入射光束通過相位板次數，進而控制入射光束相位調制幅度，減小激光散斑間的相關性；
⑷.在準直光束耦合到多模光纖過程中，通過CCD-A實時檢測和控制耦合條件的變化(如離焦，偏角入射等)，以確保準直光束正入射到多模光纖中；
(5).孔徑較小的準直光通過顯微物鏡聚焦耦合到多模光纖中，CCD-B探測出射散斑場的變化。[0014]以上步驟⑷與步驟(5)的序號，并不表示該兩個步驟的時間順序。
[0015]具體地說，本發(fā)明的設備結構與工作原理是:
構建檢測激光散斑消除效果的實驗裝置，如圖1所示，包括激光器光源1，單模光纖2，準直擴束系3，半反半透鏡片4，聚焦透鏡5，CXD-A探測器6，顯微物鏡7、多模光纖8、(XD_B探測器9，激光光源在單模光纖出射后經準直擴束系統(tǒng)后變?yōu)榭讖捷^小的準直光，通過顯微物鏡聚焦耦合到多模光纖中，CCD-B探測出射散斑場的變化。在入射激光光束準直擴束后與顯微物鏡間，放入多通光路調制裝置，如圖2所示，多通光路結構是由平面反射鏡A10，高反射率平面鏡All和高反射率平面鏡B12，平面反射鏡B13組成，入射準直光束經平面反射鏡AlO入射到高反射率平面鏡B12后，在高反射平面鏡All和B12所組成的腔內多次反射后入射到平面鏡B13，然后入射到顯微物鏡中。對反射腔內置入相位板，圖3所示為光束通過相位板10通次。相位板置入位置決定了入射光束通過相位板的次數，光束通過相位板次數越多，對入射光束相位調制深度也越大，在反射腔內光束的反射頻率越密集，在相位板置入位置不變時光束通過相位板次數越多?？刂葡辔话遛D速和入射光束通過相位板通過次數，實現(xiàn)對入射光束相位進行多倍頻相位調制，以消除激光散斑。相位板及其轉速控制如圖4所示，其中包括隨機相位板14，旋轉電機15，電源及其轉速控制16，固定螺釘17，將相位板通過固定螺釘固定在旋轉電機15上，通過電機帶動相位板旋轉，實現(xiàn)對激光散斑的動態(tài)疊加處理。
[0016]本發(fā)明工作原理:通過基于隨機相位板的多通光路消除激光散斑,本質是利用相位板轉動實現(xiàn)激光散斑連續(xù)變化，使多個不相關的激光散斑在積分時間內高速疊加并在視覺上形成平均效果。依據散斑理論，如果屏幕上的散斑隨時間和空間不斷變化，若在一個積分時間內探測到N種散斑結構，這N種散斑結構疊加會使散斑對比度減弱到靜態(tài)時的
I/及。散斑減弱程度由這N個散斑結構的相關性決定，當N種散斑結構完全相關時，對
比度與靜態(tài)時相同；當N種散斑結構相互獨立時，對比度減少至靜態(tài)時的1/# ,其他情
況下，對比度的減弱程度在這兩個值之間。多通光路相位板設計結構使入射光束多次通過相位板，當η次通過后入射光束相位調制量為單次相位板調制深度的η倍頻，相位調制增加從而減小了激光散斑間的相關性，故而多通光路相位板結構設計使得相位調制深度較小的相位板實現(xiàn)對入射光束多倍頻相位調制。在該系統(tǒng)中，影響激光散斑消除效果的主要因素包括:1.相位調制深度。動態(tài)散斑疊加消除激光散斑時，相位調制深度越大，散斑間的非相關性越大，散斑消除效果越明顯。多通光路相位板結構實現(xiàn)了相位板調制深度進行多倍頻的提高，滿足使用調制深度較小相位板減小激光散斑的目的。2.相位板轉動速度。相位板轉動速度越大，積分時間內激光散斑疊加次數越多，散斑效果越為明顯。3.積分時間。積分時間與探測器和系統(tǒng)性能相關，該參數與發(fā)明的多通光路結構無直接關聯(lián)。
[0017]本發(fā)明積極效果在于:
1.多通光路相位板結構對激光散斑進行消除，實現(xiàn)了通過相位調節(jié)深度較小的相位板對入射光束多倍頻相位調制的目的，極大提高了激光散斑間的非相關性。
[0018]2.多通光路中相位板選取材料多樣，采用光學微加工工藝制作，制作工藝簡單，相位調制結構設計方便，光束通過率高，能量損失少，易于復制，成本低。
[0019]3.多通光路相位板設計結構簡單，調整方便，經濟實用，該結構可用于激光投影顯示及激光照明等領域，應用廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1激光散斑檢測裝置；
圖2多通光路結構設計示意圖；
圖3基于隨機相位板的多通光路結構圖(10通次)；
圖4相位板轉速控制裝置；
圖5基于隨機相位板的多通光路激光散斑消除裝置圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1，參照圖1-圖5:本發(fā)明具體實施按照圖1、2、3、5所示光路裝置和調整結構，第一，配套檢測激光散斑消除效果的實驗裝置。如圖1所示，實驗裝置包括激光器光源I，單模光纖2，準直擴束系3，半反半透鏡片4，聚焦透鏡5，CXD-A探測器6，顯微物鏡7、多模光纖8、CCD-B探測器9 ；顯微物鏡將準直光束聚焦并耦合到多模光纖中，CCD-A探測出射散斑場變化，在準直光束耦合到多模光纖過程中，通過CCD-A實時檢測和控制耦合條件的變化(如離焦，偏角入射等)，以確保準直光束正入射到多模光纖中。第二，構建多通光路反射腔結構。該結構由平面反射鏡組成，所有反射鏡放置在高精度調整鏡架上，具體結構如圖2所示。包括平面反射鏡A10，高反射率平面鏡All和B12，平面反射鏡B13，入射準直光束經平面反射鏡AlO入射到高反射率平面鏡B12后，在高反射平面鏡AU和高反射平面鏡B12所組成的腔內多次反射后入射到平面鏡B13，然后入射到顯微物鏡中。調整平面反射鏡AlO和13的角度可精確調整入射光束和反射光束的方向，精確調整平面反射鏡A10、高反射率平面鏡All和高反射平面鏡B12間的位置和兩者之間的平行度，可控制光束在鏡面腔內反射次數及光束的反射密集程度。第三，對反射腔內置入相位板。將具有相位調制相位板安放在高反射率平面鏡All和B12組成的反射腔內，綜合調節(jié)相位板放入位置和高反射率平面鏡Al I和高反射平面鏡B12之間的平行度，可以調節(jié)入射光束通過相位板次數，進而控制入射光束相位調制幅度，減小激光散斑間的相關性，圖3為多通光路10次通過相位板示意圖。最后的消除散斑裝置如圖5所示，對散斑控制手段主要有兩個，其一，通過控制相位板轉速控制散斑疊加次數。通過電源控制電機的旋轉速度，從而實現(xiàn)對激光散斑變化的調節(jié)；其二，對多通光路和相位板位置進行調節(jié)，控制入射光束通過相位板次數，增加入射光束相位調制深度，減小散斑間的相關性。利用以上兩個控制手段對激光散斑進行動態(tài)處理，進而在積分時間內對激光散斑通過時間平均效果進行消除。
[0022]多通光路結構中使用高反射率的鍍銀反射鏡，能量損失在1%以內，反射鏡放置在精密光學鏡架上，通過調整兩個高反射鏡之間夾角控制光束在反射鏡之間的反射次數。CCD-A、CCD-B型號為HV1351UC，像素為1024X 1280。相位板為純相位調制相位板，石英材質，相位滿足隨機分布統(tǒng)計規(guī)律，調制深度較大，其相位板轉速通過電流控制，轉動速度在0-50r/s之間。在使用過程中，通過控制相位板的轉速、入射光束通過相位板的次數，得到理想的消除激光散斑的效果。
【權利要求】
1.一種基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，設有激光器光源，其特征在于，光路上還設有單模光纖、準直擴束系統(tǒng)、多通光路調制裝置、半反半透鏡片；該半反半透鏡片后方的光路分為兩路:其一為:聚焦透鏡和CCD-A探測器；另一路為:顯微物鏡、多模光纖及CCD-B探測器；其中所述多通光路調制裝置的結構是:第一平面反射鏡、成對設置的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B及第二平面反射鏡；在所述成對設置的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B之間，設有由旋轉電機驅動的相位板；該旋轉電機由電源及其轉速控制裝置控制。
2.根據權利要求1所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，其特征在于，所述CCD-A探測器與CCD-B探測器的型號為HV1351UC，像素為1024X 1280。
3.根據權利要求1所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，其特征在于，所述相位板為純相位調制相位板，石英材質。
4.根據權利要求1所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，其特征在于，所述相位板的轉速通過電流控制，轉動速度在0-50r/s之間。
5.根據權利要求1所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，其特征在于，所述多通光路結構中的高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B采用高反射率的鍍銀反射鏡，能量損失在1%以 內。
6.根據權利要求1-5之一所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備，其特征在于，所述第一平面反射鏡、高反射率平面鏡A、高反射率平面鏡B及第二平面反射鏡，均設置在精密光學鏡架上，通過調整兩個高反射鏡之間夾角控制光束在反射鏡之間的反射次數。
7.權利要求1所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備的工作方法，其特征在于，步驟如下: (1).激光光源在單模光纖出射后經準直擴束系統(tǒng)后變?yōu)榭讖捷^小的準直光； ⑵.構建多通光路反射腔結構: 在入射激光光束準直擴束后與顯微物鏡間，放入多通光路調制裝置，該結構由平面反射鏡組成:入射準直光束經第一平面反射鏡入射到高反射率平面鏡A后，在高反射平面鏡A和高反射平面鏡B所組成的腔內多次反射后入射到第二平面反射鏡，然后入射到顯微物鏡中； (2)-1.調整平面反射鏡A和平面反射鏡B的角度可精確調整入射光束和反射光束的方向； (2)-2.精確調整第一平面反射鏡、高反射率平面鏡A和高反射平面鏡B間的位置和兩者之間的平行度，可控制光束在鏡面腔內反射次數及光束的反射密集程度； (3).對反射腔內置入相位板:將具有相位調制相位板安放在高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B組成的反射腔內，綜合調節(jié)相位板放入位置和高反射率平面鏡A和高反射率平面鏡B之間的平行度，可以調節(jié)入射光束通過相位板次數，進而控制入射光束相位調制幅度，減小激光散斑間的相關性； ⑷.在準直光束耦合到多模光纖過程中，通過CCD-A實時檢測和控制耦合條件的變化，以確保準直光束正入射到多模光纖中； (5).孔徑較小的準直光通過顯微物鏡聚焦耦合到多模光纖中，CCD-B探測出射散斑場的變化。
8.根據權利要求7所述的基于隨機相位板消除激光散斑的多通光路設備的工作方法，其特征在于，步驟⑷中所述的通過CCD-A實時檢測和控制耦合條件的變化，是指檢測和控制離焦與偏角入射。
【文檔編號】G02B27/48GK103926706SQ201410169510
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權日:2014年4月24日
【發(fā)明者】韓建, 李常偉, 肖東, 張思炯, 葉慧琪, 李邦明 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所