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光學工程
半導體激光光幕的平行性和均勻性研究

光能量分布的均勻程度對測量精度有較大的影響,主要表現在:一是如果光幕面內光能量較小,就不足以使光電探測器響應;二是光幕面內光能分布不均勻使得計時誤差較大,直接影響測量精度。文中以紅光點狀光斑半導體激光器作為發射光源,通過鮑威爾棱鏡和菲涅爾透鏡等光學系統的組合,實現了出射光幕的均勻性和平行性。所形成的均勻平行光幕不但可以提高測量精度,而且可以對光幕進行拼結,實現超大光幕的形成。這對以前的小面積光幕是一個很大的突破,并且可以對過去所使用的同類設備產品進行進一步的改進。 

1.光學系統分析 

1.1.鮑威爾棱鏡 

鮑威爾棱鏡(Powell lens)是一種光學劃線棱鏡,它使1mm激光束通過非球面透鏡最優化地劃成光密度均勻、穩定性好、直線性好的一條直線。鮑威爾棱鏡劃線優于柱面透鏡劃線模式,能消除高斯光束的中心熱點和褐色邊緣分布。應用范圍主要是:激光劃線器、機加工劃線定位、建筑標線定位、激光掃描系統。其原理圖如圖1所示。

圖  1

 

當約1mm的準直激光光束打到鮑威爾棱鏡的棱上時,由放大部分可以看出,棱是圓弧狀的,光線入射后發生折射,折射角主要由兩個棱面所構成的角度決定,最后經過出射面時再發生一次折射,整個出射光線形成一道扇形光幕。 

1.2菲涅爾透鏡 

菲涅爾透鏡(Fresnel lens)是一種精密的光學系統,它是根據對接收靈敏度和接收角度的要求設計制造的,通常由聚乙烯材料注塑成薄紋片,再刻上精細的鏡面和紋理。其技術精度要求甚高,優質透鏡必須紋理清晰、表面光潔、厚度在0.65mm左右。紅外光的透過率應大于65%。與傳統的光學玻璃透鏡相比,菲涅爾透鏡具有重量輕,材料來源豐富,成本低,制作方便,口徑大,厚度薄等特點。 

實驗中利用了菲涅爾透鏡的平行聚焦特性,讓點光源從菲涅爾透鏡的焦點發射,經過它之后形成一道平行光幕,如圖2。 

圖 2

 

2.設計方案及測試結果 

結合鮑威爾棱鏡和菲涅爾透鏡的工作原理,設計整套光學系統,如圖3。

 

圖 3

 

首先選取了波長為650nm的紅光橢圓光斑和圓光斑激光器進行測試,實驗中未加入光闌,利用光功率計在光學實驗平臺上進行分組測試。實驗中每平移5mm進行一次功率測試,每組共測400個數據。最后用origion軟件進行處理,光強分布圖如圖4、圖5。

從圖中可以看出,圓光斑的光強分布要均勻很多,通過計算得到圓光斑比橢圓光斑激光器的均勻度要好約46%。這主要是由于橢圓光斑激光器的光斑直徑大,且不均勻,而圓光斑的直徑小,且光束分布比較集中,準直性較好。為了進一步提高均勻性,選擇在光束打到鮑威爾棱鏡前加光闌,對光束直徑再進行限制。光強分布圖如圖6。

 

 

3.結束語 

從實驗結果可以看出:點光斑激光器的光束通過該系統可以達到300mm左右寬的均勻平行光幕。該系統可以用來減小線性激光器高斯分布帶來的不均勻性誤差,提高了精度。由于點光斑激光器的準直性和菲涅爾透鏡鋸齒的間距、深淺等加工工藝的影響,產生了兩端光強分布較強的部分,從而降低了光的利用率,這是今后設計時仍需要進一步研究的地方。


 

 


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