用于激光夜視成像的半導體激光器整形光源

提要：激光夜視成像技術包括LED夜視技術和激光夜視技術。目前，雖然LED照明器擁有巨大的市場潛力，但由于其低效率，易損壞等不利因素無法滿足激光夜視成像在其領域內的應用。根據這些，在本文中設計了半導體激光器整形照明模型，我們通過光學設計軟件ZEMAX仿真了整個光束整形過程。通過這種方式，解決了激光多模分布所導致的照明視場不均，從而可實現遠場的清晰成像。

關鍵詞：半導體激光器 光束整形 ZEMAX 夜視成像

Beam shaping of semicondutuctor laser for night vision imaging

Zhang Bo-nv，Duan Yao，An Zhi-yong，Yang Jia-qi，Su Yu-jing

(Changchun University of Science and Technology， Optical Engineering academy Changchun Jilin 130021 China)

Abstract：The active night vision imaging technologies contain LED night vision technology and laser night vision technology. At present， although LED illuminator has a huge market， it can't meet the requirements for night vision imaging in many areas due to the disadvantages of low lighting efficiency， easy to be damaged and so on. According to the above， a shaped illuminating simulation module of semiconductor laser is designed in this paper， and we have simulated the whole beam shaping process by optical design software ZEMAX. Through this method， we not only solve the problems of non-uniform beam of single tube laser diode caused by Gaussian beam， but also obtain a clear image at a long distance.

Key words: semiconductor laser， beam shaping， ZEMAX， night vision imaging

1、引言

LED夜視技術和激光夜視技術已經被廣泛應用于激光夜視領域，但是目前無法實現遠距離的清晰成像。目前，雖然LED市場潛力巨大，但卻僅能實現50m距離的清晰成像。同樣，單管激光引起的遠場光斑的能量分布不均的問題未被解決。這些限制性的不利因素就直接導致了激光光源的使用處于低水平?；诠馐卧?，設計了一種整形照明光源模塊來替代LED與單管激光器，以實現對目標的清晰成像。

根據上述信息，用來實現光束勻化的器件為一組微透鏡陣列和多梯次平面反射鏡。在本文中，對半導體激光器陣列的快、慢軸進行準直使得光束質量處于同一水平。通過此方法，通過光纖耦合輸出整形照明光場實現遠場目標的清晰成像。

2、ZEMAX仿真

由于半導體激光器的大發散角，經微透鏡陣列準直兩方向上的光束發散角為最有效的方法。在本文中，快、慢軸集成式微透鏡陣列（C-MOUDLE）可被使用同時準直兩個方向上的光束，如圖1所示。

圖1 C-MOUDLE結構

選擇功率為20W的半導體激光器陣列作為光束準直的對象，其光束發散角為40°×10°。經過理論分析：首先，對快軸光束進行準直，選擇為數值孔徑較大的非球面柱透鏡；其次，對慢軸光束進行準直，選擇由多個圓柱透鏡組成的微透鏡陣列組，如圖2所示為光線追跡曲線。

圖2 Y軸和X軸準直透鏡

根據激光光束特性，基于光束準直原理，可以通過ZEMAX設計C-MOUDLE參數，同時給出準直后兩方向光束發散角數值。

*Y軸光束準直

由于Y軸方向光束發散角很大，應選擇較大數值孔徑的透鏡作為所需要的準直器件。經過透鏡準直后，快軸方向的大發散角可被壓縮，如圖3所示。

圖3 Y軸準直

Y軸方向光束參數 透鏡材料為N-LAF21，有效焦距為 ，則Y軸發散半角可得到

所以，準直后Y軸光束發散角為1.12mrad。

* X軸光束準直

X軸方向由19個發光單元所組成，其準直原理與Y軸類似，這里選擇一個發光單元為進行設計。

圖4 X軸光束準直

X軸方向特性參數： ，透鏡材料：斯科特光學玻璃，有效焦距：

因此，準直后X軸方向光束發散全角為45.4mrad。

根據上述結果可知，我們得到兩個方向的BPP值為：

為了得到清晰的光束準直現象，利用ZEMAX給出光能準直光能分布，可得到以下圖形。

（a）橢圓光斑（b）準直光斑

圖5 準直光能分布

* 光束整形

通過V-STEP將準直光束分割，平移及重組，實現光束整形?；诠馐卧?，兩個方向上的光束質量得到了均衡。

利用V-STEP將激光光束進行分割重組，降低了快軸的光束質量，提高了慢軸的光束質量。因此，在光束整形器件的作用下，兩個方向上的光束質量得到了均衡。此時，快軸和慢軸的光束質量BPP分別為：

* 整形后光束能量分布

圖6 整形光能分布

* 光纖耦合

選擇芯徑為200μm，數值孔徑NA為0.22的光纖來進行整形光束的耦合。光纖BPP值為：

整形光束耦合光纖的條件：

通過光束準直與光束整形均衡了光束質量，它可以耦合至光纖芯徑200μm，數值孔徑NA為0.22的光纖之中。

3、整形照明光源模型

基于ZEMAX的仿真，我們設計了一種整形照明光源模型，如圖8所示。從模型中可以看出模型結構簡單，緊湊。根據此模型的建立，實現了照明視場的均勻化，達到清晰成像的目的。

圖7 照明光源模型

1 光學變焦鏡，2 光學調整架，3 光纖，4 指示燈，5 光纖耦合模塊，6 接線板，7 散熱口，8 控制單元。

4 結論

通過對半導體激光器整形照明光源模塊的設計，實現了遠場光斑能量的均勻化分布。將此模塊裝置應用于激光夜視成像領域，即可解決遠場光斑均勻度不足的缺陷，從而實現照明視場的清晰成像。

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