激光照明系统匀光技术的研究

赵会富

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

激光照明系统匀光技术的研究

赵会富

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

为了实现半导体激光照明光斑均匀化，设计了新型的激光照明系统。分析现有匀化技术，研究了激光照明系统照明光斑的均匀性及匀化光斑技术。利用无刷马达传带光束整形散射器高于CCD（COMS）像机快门的频率旋转，使多支半导体激光光束在一个积分时间内叠加，获得均匀照明。新型的激光照明系统能够简单有效地消除激光干涉条纹和激光散斑，实现均匀照明的目的。实验结果表明：新型激光照明系统在有效照明区域内能量效率为91%，照度均匀性到达95%。新型激光照明系统提高了能量效率及激光光斑的均匀性。

匀光技术；激光照明；光线利用效率；均匀性；光束整形散射器

在低照度条件下，CCD、CMOS视场内的光强太弱，得到高噪声、低分辨率的图像。近红外补光可以提供照明，能够满足夜间拍摄对目标场景照度的要求，并且具有一定的隐蔽性。半导体激光因其高亮度、发散角小、效率高等特点，在照明领域的应用广泛。半导体激光在目标面上能量分布不均匀，光强近似呈高斯分布［1］，强度由中间向边缘逐渐变弱；另外激光具有相干性（单色性），会引起多光束干涉，产生明暗相间的干涉条纹和散斑［2，3］。上述两个问题严重影响照明目标的成像质量。半导体激光照明的不均匀性［4］在很大程度上阻碍了其应用。近红外激光照明需要匀化处理，使激光均匀地投射到目标表面，以此提高拍摄画面的成像质量。

1 现有匀光方法分析

安防夜视照明现有三种激光匀光方法，第一种是磨砂玻璃匀光；第二种是磨砂玻璃旋转或震动匀光；第三种是光纤传导匀光［1］。磨砂玻璃表面排布着许多微透镜阵列［5，6］对激光光束整形［7-11］。激光光束经过微透镜折射后在目标内叠加［12］，使激光干涉条纹离散化呈现较大的散斑［13］，另外其发散角较大（10°以上）、透光率低（50%～60%）。磨砂玻璃匀光方法降低了激光能量利用率和照明光斑均匀性；磨砂玻璃旋转（或震动）匀光提高了照明的均匀性但光能利用率依然很低。

光纤传导匀光是指光束从光纤入口端耦合进入光纤，光线在光纤内部发生多次全反射并向前传播，出射的光能量相对均匀，但仍能看到微小的激光散斑。光纤耦合效率比较低，导致光纤匀光系统的能量效率低，制作成本较高［1］，这些弊端均不利于其应用和推广［14］。

2 新型匀光系统的设计

常规的匀光方法能量利用率及匀光效果不理想，均存在不同程度的缺陷。本文利用无刷电机带动新型匀光片高速旋转设计了新的激光匀光系统。

2.1 光束整形散射器特性

传统匀光方式的透光率低且光斑的均匀性较差，针对现有匀光方式的缺陷，本文选用全息曝光技术制成的散射匀光片，被命名为光束整形散射器（Rays Shaping Scatterer，下文简写RSS）。RSS表面非周期性地排布着亚微米级微透镜，如见图1所示。光线遇到微透镜会发生多角度、多方向的折射、反射与散射现象，依靠光束的分割和子光束的叠加达到匀化光斑的目的。这些微透镜的大小、形状及排列方式共同决定着出射光束的形状、发散角度和透光率等能量分布信息［15-17］。

图1 RSS表面非周期性地排布微结构

相同材质相同厚度的RSS的透光率取决于光束整形器件的发散角度，0.5mm厚的RSS对400nm～1500nm宽光谱范围内的光线的透光率在88%～92%范围之内，透光率具体值取决于光束发散角度与波长。发散角为1°和10°的RSS对不同波段光线测量的透光率结果如表1所示。

表1 RSS发散角与透光率的关系

为了便于激光光束的收集和利用，选取发散角为1°的RSS作为被测对象，其对850nm激光的透光率为90.5%。RSS依靠光束的分割和子光束的叠加达到能量均匀分布的目的。虽然RSS与常规的匀光片相比提高了透光率和均匀性，但由于RSS自身的结构特点，在光束的投射面上还会呈现颗粒状散斑，所以单纯使用RSS对激光达不到理想的匀光效果。

2.2 激光照明中的RSS旋转匀光系统

激光照明匀光系统既要消除激光光束自身的干涉条纹，还要匀化RSS产生的颗粒状散斑。利用无刷电机带动RSS高速旋转，使多个非相干光束在视觉积分时间内叠加，其具有统计分布的特性，形成一个平均视觉效果，从而实现消除激光干涉条纹与散斑的目的。

只要保证旋转电机带动RSS转动的频率大于探测器电子快门的频率，RSS产生周期性的转动就能使投射面上的每一区域内接收的光能量相对均匀分布，从而有效地消除了半导体激光的干涉条纹与散斑，使投射面的光照均匀。激光照明RSS旋转匀光系统如图2所示。

图2 激光照明匀光系统

3 实验测量与结果分析

3.1 实验测量

搭建实验平台，在纯黑的夜视环境下，分别采用无匀光的激光照明系统、磨砂玻璃匀光的激光照明系统、光纤匀光的激光照明系统、RSS静止匀光及RSS旋转匀光的激光照明系统作为夜视补光光源，选DS-2CD864F-E网络摄像机与TV0515DMPIR变焦镜头组合作为监控摄像机。被测样品参数如下：共用的激光二极管功率为2.5W；磨砂玻璃厚度2mm；光纤长1.5m，NA=0.22；RSS厚度为0.5mm。

分别对以上五组进行实验测试，每组实验测试有两个任务，具体任务及步骤如下：

（a）匀光器件透光率测试

利用美国THORLABS公司的PM100D&S310C型号光功率计分别测量每种匀光系统出射光功率与入射的光功率，二者的比值为匀光器件的透光率，透光率的计算公式见公式（1），实验测得数据如表2所示。

式中，Po为出射光功率；Pi为入射光功率；η为透光率。

（b）利用DS-2CD864F-E网络摄像机与TV0515D-MPIR变焦镜头配合作为监控摄像机，分别与五种激光照明系统组合拍摄监控画面，如图3、图4、图5、图6、图7所示。

图3 无匀光时产生的干涉条纹

图4 磨砂玻璃方式的照明图像

图5 光纤方式的照明图像

图6 RSS静止方式的照明图像

图3所示无匀光时半导体激光器呈现出明暗相间的干涉条纹。图4为磨砂玻璃匀光激光照明系统拍摄的画面，该系统虽然消除了激光干涉条纹，但由于磨砂表面自身的微颗粒而产生了激光散斑。图5为光纤匀光产生的散斑，其与磨砂玻璃类似但匀光效果略优于磨砂玻璃匀光。图6为RSS静止时的匀光效果，其效果优于磨砂玻璃和光纤匀光，但仍清晰可见激光散斑。图7为RSS旋转匀光产生的均匀光斑，其均匀性明显优于前四者。

3.2 结果分析

利用Matlab分别对图3、图4、图5、图6、图7五幅图像进行处理，依次得到图8、图9、图10、图11、图12直观的照度分布三维图。

从照度分布三维图中可以更为直观地观测到由常规匀光方法产生的激光干涉条纹与散斑而引起照度不均匀，如图8、图9、图10所示。而图11为RSS静止方式匀光产生的光斑照度分布图，其整体照度均匀性明显优于传统匀光方法，但上述五种方法中RSS旋转匀光效果最佳，如图12所示。

表2 每种匀光系统的透光率

分别从透光率、发散角度、均匀性、图像特征以及成本等几个方面分析每种匀光方法的优缺点（见表3），其中均匀性的计算公式见公式（2）。

式中，Uave为被照目标面有效区域内的光照度平均值；Umax为被照目标面有效区域内的光照度最大值。

图8 无匀光方式的照度分布图

图9 磨砂玻璃方式的照度分布图

图10 光纤方式的照度分布图

图11 RSS静止方式的照度分布图

表3中的发散角定义为平行光通过匀光器件后的发散角度。由表3可知，RSS旋转匀光系统的发散角为1°，发散角小便于收集和利用。另外其透光率为91%，光斑的照度均匀性为95%。结合透光率、光斑均匀性、发散角以及应用成本综合分析，RSS旋转匀光具有光能透光率高、照明光斑均匀好，发散角度小以及应用成本低等优点，故RSS旋转匀光很好的解决了激光在照明领域中出现的光斑不均匀而影响成像质量的问题。

4 结论

激光光束自身的干涉产生明暗相间的干涉条纹，严重影响了照明目标的成像质量。本文根据现代安防行业对激光照明提出的高均匀性、高透光率的要求，提出了RSS旋转匀光的方法，设计并分析了RSS旋转匀光系统。通过与常规匀光方法的实验对比分析得出：RSS旋转匀光系统能量效率高达91%、照明光斑均匀性提高到95%以及成本低等优点。RSS旋转匀光很好的解决了激光在照明领域中出现的光斑不均匀而影响成像质量的问题，其在激光照明领域具有广阔的应用前景。

表3 不同匀光方式的对比

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Research on Smoothing Technology of Laser Illumination System

ZHAO Huifu
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，a new laser illumination system is designed in order to achieve laser illumination spot homogenization.The existing homogenization technology is analyzed；the illumination spot uniformity and the homogenization spot technology of laser illumination are researched.The brushless motor is used to drive the rays shaping scatterer rotation in frequency which is faster than the shutter of CCD（CMOS）cameras.Multiple rays are overlaid in an integration time and a uniform laser illumination spot is obtained.The laser interference fringes and speckles can be simply and effectively eliminated by the new laser illumination system and the purpose of uniform illumination can be realized.The experimental results show that the energy efficiency of the new laser illumination system is 91%in the effective illumination area and the illuminance uniformity reaches 95%.The energy efficiency and the uniformity of laser spot are improved.

smoothing technology；laser illumination；light efficiency；uniformity；rays shaping scatterer

TN249

A

1672-9870（2017）04-0014-05

2017-06-14

吉林省发改委产业创新专项资金项目（2017C037-1）

赵会富（1983-），男，博士，讲师，E-mail：huifuzhao@163.com