红外激光照明.doc

红外激光照明
苏美开
(济南福来斯光电技术室,flsoe@)
1概述
D摄像技术和微光夜视技术现在已经取得巨大进步,但是在低照度环境下,所有的图像监视装置接收到的仍然只是高噪声、低分辨率的模糊图像。原因是光线太弱。采用半导体激光红外光源可以从根本上改进夜间、尤其是夜间远距离拍摄的效果。
半导体红外激光光源是专为红外夜视系统配置的、远距离红外照明光源;配合红外摄像机、D摄像机或微光夜视系统用于夜间及24小时的、全天候条件下的监视摄像,照明距离从几米到数公里。
2 光束整形
激光束压缩透镜主要用于将激光光束发散角进行压缩,在一般距离上观察时为了在不同距离上都能正常观察目标,通常采用变倍镜头,即近距离将光束发散角变大,这样照明范围大,光强度变弱,成像部分不会因为光强度大而饱和,远距离让将光束发散角变小,这样照明范围小,光强度变强,成像部分不会因为远距离衰减,从而增大观察距离。
光斑整型的目的主要是为了将半导体激光器光斑整成圆型或方型。我们知道,半导体激光器输出光斑是椭圆形,水平和垂直发散角一般为θ‖×θ⊥=8º×40º。不可能用于直接照明观察,因此需要整成圆型或方型。对于用于有监视器观察显示的通常整理成长方型。
CCD光敏面为矩型,且其长宽之比为3:4,这样如果我们将激光光斑整形为此比例的矩行,则正好相互匹配,产生的视觉效果非常好。如果其中一个方向上视场角正好为激光器水平发散角(如8º)。
LD LEN
可以将垂直方向发散角压缩为11º或6º。设柱透镜焦距为f, LD发光带尺寸为d,则,由几何光学可知,LD光束经透镜后发散角为
则(1)
由(1)即可确定需要的最短焦距值。由此可以得到需要的激光器最小有效孔径为
(2)
例如,808nm ×,θ=6×=,代入(1)得f=2mm。由(2)可得到D=2×2tan20º=。
在实际应用中,考虑到所使用透镜的通用性,例如, º是可能的,此时由上面的计算得f=24mm,D=2×24tan20º=18mm。这就是实际我们采用透镜的技术参数。
理想情况下,准直透镜可以把光源准直成一个完好的平行光束,但是实际情况并不能实现,平面光束的直径可由下式决定
(3)
其中,λ是激光波长,z是光束传输距离,是在距离z处光斑直径。在近场时即z≈0时,(3)得,与光斑直径与透镜有效孔镜相同。在远常时»1,(3)得,则最小光束发散角为
(4)
例如,对于808nm激光,D=,mrad=。
。可见要想得到理想的光束发散角,必须通过增加透镜焦距,增大通光孔径的方法,这样就要增大光学系统的体积。
图1 光线通过直圆柱光纤的传输行为
LD 光束是椭圆高斯光束, 光束的垂直发散角较大, 其横场由于有高阶模的存在而呈若干长条状, 光斑极不均匀。LD 光束若直接使用是不会得到好的照明效果的, 而必需对其进行整圆和光斑均匀化处理。LD 光束整圆可利用椭圆微透镜或二元光学元件进行, 我们提出使用光纤对LD 光束进行整圆和光斑均匀化的思路, 这种方法工艺、结构简单, 系统光学元件数少, 耦合效率高, 适合于制作小体积、大功率的照明光源。用于光束整理的光纤为阶跃折射率型多模单根光纤或光纤束。
光纤对LD