激光照明系統勻光技術的研究

趙會富

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

激光照明系統勻光技術的研究

趙會富

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

為了實現半導體激光照明光斑均勻化，設計了新型的激光照明系統。分析現有勻化技術，研究了激光照明系統照明光斑的均勻性及勻化光斑技術。利用無刷馬達傳帶光束整形散射器高于CCD（COMS）像機快門的頻率旋轉，使多支半導體激光光束在一個積分時間內疊加，獲得均勻照明。新型的激光照明系統能夠簡單有效地消除激光干涉條紋和激光散斑，實現均勻照明的目的。實驗結果表明：新型激光照明系統在有效照明區域內能量效率為91%，照度均勻性到達95%。新型激光照明系統提高了能量效率及激光光斑的均勻性。

勻光技術；激光照明；光線利用效率；均勻性；光束整形散射器

在低照度條件下，CCD、CMOS視場內的光強太弱，得到高噪聲、低分辨率的圖像。近紅外補光可以提供照明，能夠滿足夜間拍攝對目標場景照度的要求，并且具有一定的隱蔽性。半導體激光因其高亮度、發散角小、效率高等特點，在照明領域的應用廣泛。半導體激光在目標面上能量分布不均勻，光強近似呈高斯分布［1］，強度由中間向邊緣逐漸變弱；另外激光具有相干性（單色性），會引起多光束干涉，產生明暗相間的干涉條紋和散斑［2，3］。上述兩個問題嚴重影響照明目標的成像質量。半導體激光照明的不均勻性［4］在很大程度上阻礙了其應用。近紅外激光照明需要勻化處理，使激光均勻地投射到目標表面，以此提高拍攝畫面的成像質量。

1 現有勻光方法分析

安防夜視照明現有三種激光勻光方法，第一種是磨砂玻璃勻光；第二種是磨砂玻璃旋轉或震動勻光；第三種是光纖傳導勻光［1］。磨砂玻璃表面排布著許多微透鏡陣列［5，6］對激光光束整形［7-11］。激光光束經過微透鏡折射后在目標內疊加［12］，使激光干涉條紋離散化呈現較大的散斑［13］，另外其發散角較大（10°以上）、透光率低（50%～60%）。磨砂玻璃勻光方法降低了激光能量利用率和照明光斑均勻性；磨砂玻璃旋轉（或震動）勻光提高了照明的均勻性但光能利用率依然很低。

光纖傳導勻光是指光束從光纖入口端耦合進入光纖，光線在光纖內部發生多次全反射并向前傳播，出射的光能量相對均勻，但仍能看到微小的激光散斑。光纖耦合效率比較低，導致光纖勻光系統的能量效率低，制作成本較高［1］，這些弊端均不利于其應用和推廣［14］。

2 新型勻光系統的設計

常規的勻光方法能量利用率及勻光效果不理想，均存在不同程度的缺陷。本文利用無刷電機帶動新型勻光片高速旋轉設計了新的激光勻光系統。

2.1 光束整形散射器特性

傳統勻光方式的透光率低且光斑的均勻性較差，針對現有勻光方式的缺陷，本文選用全息曝光技術制成的散射勻光片，被命名為光束整形散射器（Rays Shaping Scatterer，下文簡寫RSS）。RSS表面非周期性地排布著亞微米級微透鏡，如見圖1所示。光線遇到微透鏡會發生多角度、多方向的折射、反射與散射現象，依靠光束的分割和子光束的疊加達到勻化光斑的目的。這些微透鏡的大小、形狀及排列方式共同決定著出射光束的形狀、發散角度和透光率等能量分布信息［15-17］。

圖1 RSS表面非周期性地排布微結構

相同材質相同厚度的RSS的透光率取決于光束整形器件的發散角度，0.5mm厚的RSS對400nm～1500nm寬光譜范圍內的光線的透光率在88%～92%范圍之內，透光率具體值取決于光束發散角度與波長。發散角為1°和10°的RSS對不同波段光線測量的透光率結果如表1所示。

表1 RSS發散角與透光率的關系

為了便于激光光束的收集和利用，選取發散角為1°的RSS作為被測對象，其對850nm激光的透光率為90.5%。RSS依靠光束的分割和子光束的疊加達到能量均勻分布的目的。雖然RSS與常規的勻光片相比提高了透光率和均勻性，但由于RSS自身的結構特點，在光束的投射面上還會呈現顆粒狀散斑，所以單純使用RSS對激光達不到理想的勻光效果。

2.2 激光照明中的RSS旋轉勻光系統

激光照明勻光系統既要消除激光光束自身的干涉條紋，還要勻化RSS產生的顆粒狀散斑。利用無刷電機帶動RSS高速旋轉，使多個非相干光束在視覺積分時間內疊加，其具有統計分布的特性，形成一個平均視覺效果，從而實現消除激光干涉條紋與散斑的目的。

只要保證旋轉電機帶動RSS轉動的頻率大于探測器電子快門的頻率，RSS產生周期性的轉動就能使投射面上的每一區域內接收的光能量相對均勻分布，從而有效地消除了半導體激光的干涉條紋與散斑，使投射面的光照均勻。激光照明RSS旋轉勻光系統如圖2所示。

圖2 激光照明勻光系統

3 實驗測量與結果分析

3.1 實驗測量

搭建實驗平臺，在純黑的夜視環境下，分別采用無勻光的激光照明系統、磨砂玻璃勻光的激光照明系統、光纖勻光的激光照明系統、RSS靜止勻光及RSS旋轉勻光的激光照明系統作為夜視補光光源，選DS-2CD864F-E網絡攝像機與TV0515DMPIR變焦鏡頭組合作為監控攝像機。被測樣品參數如下：共用的激光二極管功率為2.5W；磨砂玻璃厚度2mm；光纖長1.5m，NA=0.22；RSS厚度為0.5mm。

分別對以上五組進行實驗測試，每組實驗測試有兩個任務，具體任務及步驟如下：

（a）勻光器件透光率測試

利用美國THORLABS公司的PM100D&S310C型號光功率計分別測量每種勻光系統出射光功率與入射的光功率，二者的比值為勻光器件的透光率，透光率的計算公式見公式（1），實驗測得數據如表2所示。

式中，Po為出射光功率；Pi為入射光功率；η為透光率。

（b）利用DS-2CD864F-E網絡攝像機與TV0515D-MPIR變焦鏡頭配合作為監控攝像機，分別與五種激光照明系統組合拍攝監控畫面，如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖3 無勻光時產生的干涉條紋

圖4 磨砂玻璃方式的照明圖像

圖5 光纖方式的照明圖像

圖6 RSS靜止方式的照明圖像

圖3所示無勻光時半導體激光器呈現出明暗相間的干涉條紋。圖4為磨砂玻璃勻光激光照明系統拍攝的畫面，該系統雖然消除了激光干涉條紋，但由于磨砂表面自身的微顆粒而產生了激光散斑。圖5為光纖勻光產生的散斑，其與磨砂玻璃類似但勻光效果略優于磨砂玻璃勻光。圖6為RSS靜止時的勻光效果，其效果優于磨砂玻璃和光纖勻光，但仍清晰可見激光散斑。圖7為RSS旋轉勻光產生的均勻光斑，其均勻性明顯優于前四者。

3.2 結果分析

利用Matlab分別對圖3、圖4、圖5、圖6、圖7五幅圖像進行處理，依次得到圖8、圖9、圖10、圖11、圖12直觀的照度分布三維圖。

從照度分布三維圖中可以更為直觀地觀測到由常規勻光方法產生的激光干涉條紋與散斑而引起照度不均勻，如圖8、圖9、圖10所示。而圖11為RSS靜止方式勻光產生的光斑照度分布圖，其整體照度均勻性明顯優于傳統勻光方法，但上述五種方法中RSS旋轉勻光效果最佳，如圖12所示。

表2 每種勻光系統的透光率

分別從透光率、發散角度、均勻性、圖像特征以及成本等幾個方面分析每種勻光方法的優缺點（見表3），其中均勻性的計算公式見公式（2）。

式中，Uave為被照目標面有效區域內的光照度平均值；Umax為被照目標面有效區域內的光照度最大值。

圖8 無勻光方式的照度分布圖

圖9 磨砂玻璃方式的照度分布圖

圖10 光纖方式的照度分布圖

圖11 RSS靜止方式的照度分布圖

表3中的發散角定義為平行光通過勻光器件后的發散角度。由表3可知，RSS旋轉勻光系統的發散角為1°，發散角小便于收集和利用。另外其透光率為91%，光斑的照度均勻性為95%。結合透光率、光斑均勻性、發散角以及應用成本綜合分析，RSS旋轉勻光具有光能透光率高、照明光斑均勻好，發散角度小以及應用成本低等優點，故RSS旋轉勻光很好的解決了激光在照明領域中出現的光斑不均勻而影響成像質量的問題。

4 結論

激光光束自身的干涉產生明暗相間的干涉條紋，嚴重影響了照明目標的成像質量。本文根據現代安防行業對激光照明提出的高均勻性、高透光率的要求，提出了RSS旋轉勻光的方法，設計并分析了RSS旋轉勻光系統。通過與常規勻光方法的實驗對比分析得出：RSS旋轉勻光系統能量效率高達91%、照明光斑均勻性提高到95%以及成本低等優點。RSS旋轉勻光很好的解決了激光在照明領域中出現的光斑不均勻而影響成像質量的問題，其在激光照明領域具有廣闊的應用前景。

表3 不同勻光方式的對比

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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

吉林省發改委產業創新專項資金項目（2017C037-1）

趙會富（1983-），男，博士，講師，E-mail：huifuzhao@163.com