CN115900557A - 一种近似无衍射白光线光源的生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近似无衍射白光线光源的生成装置，包括沿光传输方向依次包括光源、第一透镜、荧光片、第二透镜、第三透镜及狭缝，其中，所述光源用于产生具有预设能量的激发光；所述第一透镜用于对所述激发光进行聚焦；所述荧光片用于根据入射的激发光产生白光；所述第二透镜用于对所述白光进行准直；所述第三透镜用于对准直后的白光产生近似无衍射白光；所述狭缝用于滤除近似无衍射白光的次级条纹以产生中心条纹为主的线性白光。本发明实施例能够兼顾光强利用率高且均匀性好，可广泛应用于光学器件技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种近似无衍射白光线光源的生成装置。
背景技术
在精密尺寸测量领域，线扫描测量是一种同时兼顾精度和效率的测量方式，而白光共聚焦线扫描测量由于其可以达到亚微米级的测量精度而广泛应用于半导体与芯片封测领域，另外，白光共聚焦原理由于其超高的信噪比而损失大部分的光学能量，故在线光谱共焦位移传感器中提高发射线光源的能量利用率具有重要的意义。
在线光谱共焦位移传感器中其发射狭缝只有5～50um，故发射线光源需要将光强能量集中在此宽度范围内，为保证测量线长范围内的精度及稳定性，通过狭缝的光强在线长范围内应保证基本一致。基于上述要求，目前生成白色线光源存在以下缺点：一、整个白色线光源生成装置的光强利用率不到50％，二、光线的均匀性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种近似无衍射白光线光源的生成装置，光强利用率高且均匀性好。
第一方面，本发明实施例提供了一种近似无衍射白光线光源的生成装置，沿光传输方向依次包括光源、第一透镜、荧光片、第二透镜、第三透镜及狭缝，其中，
所述光源，用于产生具有预设能量的激发光；
所述第一透镜，用于对所述激发光进行聚焦；
所述荧光片，用于根据入射的激发光产生白光；
所述第二透镜，用于对所述白光进行准直；
所述第三透镜，用于对准直后的白光产生近似无衍射白光；
所述狭缝，用于滤除近似无衍射白光的次级条纹以产生中心条纹为主的线性白光。
可选地，所述光源包括激光光源或白光LED光源，所述激光光源包括蓝色激光光源。
可选地，所述第一透镜包括平凸透镜或双凸透镜。
可选地，所述第一透镜的焦距及直径满足以下关系式：
f1＜10mm，d1＜10mm
其中，f1表示第一透镜的焦距，d1表示第一透镜的直径。
可选地，所述光源与所述第一透镜之间的距离满足以下关系式：
L1≥f1
其中，L1表示所述光源与所述第一透镜之间的距离。
可选地，所述第二透镜包括凸平透镜或双凸透镜。
可选地，所述第二透镜的焦距及直径满足以下关系式：
f2＜30mm，d2＞h
其中，f2表示第二透镜的焦距，d2表示第二透镜的直径，h表示生成的线性白光的长度。可选地，所述荧光片与所述第二透镜之间的距离满足以下关系式：
L2≈f2
其中，L2表示所述荧光片与所述第二透镜之间的距离。
可选地，所述第三透镜包括等腰三角棱镜或导光柱。
可选地，所述荧光片包括透明基片及透明基片表面覆盖的荧光粉，所述荧光粉的材料包括钇铝石榴石晶体。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例光源发出的激发光经过第一透镜聚焦后，入射到荧光片以激发荧光片产生白光，白光经过第二透镜进行准直产生平行白光，平行白光经过第三透镜产生近似无衍射白光，近似无衍射白光经过狭缝滤除近似无衍射白光的次级条纹以产生中心条纹为主的线性白光；聚焦可以提高激发光的利用率，荧光片受激发产生的白光方向性好、能量密度大，准直后的平行白光经过第三透镜产生能量集中的近似无衍射白光，再经过狭缝过滤产生中心条纹为主的线性白光，光强均匀、线宽窄且能量集中，提高了光强的能量利用率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种近似无衍射白光线光源的生成装置的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种第三透镜的光路图及光强分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种近似无衍射白光线光源的生成装置，沿光传输方向依次包括光源1-1、第一透镜1-2、荧光片1-3、第二透镜1-4、第三透镜1-5及狭缝1-6，其中，
所述光源1-1，用于产生具有预设能量的激发光；
所述第一透镜1-2，用于对所述激发光进行聚焦；
所述荧光片1-3，用于根据入射的激发光产生白光；
所述第二透镜1-4，用于对所述白光进行准直；
所述第三透镜1-5，用于对准直后的白光产生近似无衍射白光；
所述狭缝1-6，用于滤除近似无衍射白光的次级条纹以产生中心条纹为主的线性白光。
无衍射光指场分布具有第一类零阶贝塞尔函数的形式，且在传播时不发散的特性，其具有较小的中心光斑。近似无衍射光指在一定范围内具有无衍射的特性，其光场结构及光强分布不随传输距离变化而变化。
光源1-1发出大于预设能力值的激发光，激发光经过第一透镜1-2进行聚焦，聚焦后的激发光对荧光片1-3激发产生白光，白光以一定的发散角通过第二透镜1-4进行准直得到平行白光，平行白光经过第三透镜1-5在一定范围内产生近似无衍射白光，近似无衍射白光经过狭缝1-6滤除近似无衍射白光的次级条纹，保留中心条纹以产生线性白光。
需要说明的是，近似无衍射白光线光源的生成装置中第一透镜、第二透镜及第三透镜等的参数设计根据实际应用确定，以及近似无衍射白光线光源的生成装置中组成部分之间的距离根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
可选地，所述光源包括激光光源或白光LED光源，所述激光光源包括蓝色激光光源。
需要说明的是，光源的能量能够激光荧光片产生需要的光，光源的类型根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。光源包括但不限于激光光源或白光LED光源，激光光源包括但不限于蓝色激光光源等。当光源采用蓝色激光作为激发光源，能量密度高，经过荧光片后激发成白色光，此时的白色光具有较弱的相干性，但是保留了激光的大部分特性，如方向性好，能量密度大等优点；当光源采用单颗大功率白光LED作为发光元件，方便后续进行光学准直。
可选地，所述第一透镜包括平凸透镜或双凸透镜。
第一透镜包括但不限于平凸透镜或双凸透镜，当第一透镜为平凸透镜，平凸透镜的平面侧靠近光源，平凸透镜的凸面侧靠近荧光片。平凸透镜或双凸透镜的设计参数根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
可选地，所述第一透镜的焦距及直径满足以下关系式：
f1＜10mm，d1＜10mm
其中，f1表示第一透镜的焦距，d1表示第一透镜的直径。
第一透镜的焦距根据光源确定，如上述第一透镜的焦距及直径满足的关系式使用于蓝色激光光源。
可选地，所述光源与所述第一透镜之间的距离满足以下关系式：
L1≥f1
其中，L1表示所述光源与所述第一透镜之间的距离。
光源与第一透镜之间的距离大于或等于第一透镜的焦距，尽可能使激发光束经过第一透镜后是聚焦的，尽可能提高激发光的利用率，如取光源与第一透镜之间的距离为10mm。
需要说明的是，第一透镜与荧光片之间的距离在保证机械安装的前提下，越小越好。
可选地，所述第二透镜包括凸平透镜或双凸透镜。
当第二透镜为凸平透镜，凸平透镜的凸面侧靠近荧光片。
可选地，所述第二透镜的焦距及直径满足以下关系式：
f2＜30mm，d2＞h
其中，f2表示第二透镜的焦距，d2表示第二透镜的直径，h表示生成的线性白光的长度。
第二透镜的直径需大于生成线光的长度，如需要生成线性白光为16mmX25um时，第二透镜的直径需大于16mm。
可选地，所述荧光片与所述第二透镜之间的距离满足以下关系式：
L2≈f2
其中，L2表示所述荧光片与所述第二透镜之间的距离。
荧光片与第二透镜的距离约等于第二透镜的焦距f2，使荧光片在第二透镜的焦点上，此时激发荧光片产生的白光经过第二透镜后发出平行光。
可选地，所述第三透镜包括等腰三角棱镜或导光柱。
第三透镜包括但不限于等腰三角棱镜或导光柱，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
第二透镜与第三透镜之间的距离在保证机械安装的前提下，越小越好，此时才能保证整个***的体积最小。
可选地，所述荧光片包括透明基片及透明基片表面覆盖的荧光粉，所述荧光粉的材料包括钇铝石榴石晶体。
透明基片包括但不限于玻璃片或塑料片等，荧光粉根据发光需求确定，荧光粉的材料包括但不限于钇铝石榴石晶体，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，荧光片由玻璃载体上覆盖一层荧光粉组成，荧光粉可为YAG(Yttrium AluminumGarnet，钇铝石榴石)荧光粉，其化学性质稳定，被点亮时其亮度高，被激发时其发射峰宽；改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000k的各色白光。YAG荧光粉的主要原料是氧化铝、氧化钇以及少量氧化铈，另外根据需要，还可以加少量钆、或钾等。
在一个具体的实施例中，第三透镜采用等腰三角棱镜，白色光线经过透镜准直后进入等腰三角棱镜发生干涉和衍射，产出近似无衍射白光，此时的近似无衍射白光由于是多波段合成，干涉条纹中减少了次级亮线。参阅图2，图2(a)表示准直后的白光经过等腰三角棱镜的光路图，图2(b)表示近似无衍射白光的光强分布图，从图2可知，近似无衍射光产生微米级别的主亮线及多级次亮线，其中大部分能量集中在主亮线上，主亮线宽度只有几十个微米，占总能量的80％以上，当狭缝放置在Zmax范围内时，可以滤除多级次亮线，只有主亮线能够通过狭缝形成均匀的窄细线，从而实现提高光强能量利用率。另外，根据实际检测结果可知，随着波长宽度的增加，次级亮线的数量逐渐变少，主亮线的强度和宽度基本保持不变。
具体地，参阅图2(a)，当第三透镜采用等腰三角棱镜，等腰三角棱镜的宽度为D0，等腰三角棱镜的底角为θ，当θ足够小，Zmax满足以下关系式：
Zmax＝D0/θ(n-1)
其中，n表示等腰三角棱镜的折射率。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例光源发出的激发光经过第一透镜聚焦后，入射到荧光片以激发荧光片产生白光，白光经过第二透镜进行准直产生平行白光，平行白光经过第三透镜产生近似无衍射白光，近似无衍射白光经过狭缝滤除近似无衍射白光的次级条纹以产生中心条纹为主的线性白光；聚焦可以提高激发光的利用率，荧光片受激发产生的白光方向性好、能量密度大，准直后的平行白光经过第三透镜产生能量集中的近似无衍射白光，再经过狭缝过滤产生中心条纹为主的线性白光，光强均匀、线宽窄且能量集中，提高了光强的能量利用率。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种近似无衍射白光线光源的生成装置，其特征在于，沿光传输方向依次包括光源、第一透镜、荧光片、第二透镜、第三透镜及狭缝，其中，
所述光源，用于产生具有预设能量的激发光；
所述第一透镜，用于对所述激发光进行聚焦；
所述荧光片，用于根据入射的激发光产生白光；
所述第二透镜，用于对所述白光进行准直；
所述第三透镜，用于对准直后的白光产生近似无衍射白光；
所述狭缝，用于滤除近似无衍射白光的次级条纹以产生中心条纹为主的线性白光。
2.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述光源包括激光光源或白光LED光源，所述激光光源包括蓝色激光光源。
3.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述第一透镜包括平凸透镜或双凸透镜。
4.根据权利要求3所述的生成装置，其特征在于，所述第一透镜的焦距及直径满足以下关系式：
f1＜10mm，d1＜10mm
其中，f1表示第一透镜的焦距，d1表示第一透镜的直径。
5.根据权利要求4所述的生成装置，其特征在于，所述光源与所述第一透镜之间的距离满足以下关系式：
L1≥f1
其中，L1表示所述光源与所述第一透镜之间的距离。
6.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述第二透镜包括凸平透镜或双凸透镜。
7.根据权利要求6所述的生成装置，其特征在于，所述第二透镜的焦距及直径满足以下关系式：
f2＜30mm，d2＞h
其中，f2表示第二透镜的焦距，d2表示第二透镜的直径，h表示生成的线性白光的长度。
8.根据权利要求7所述的生成装置，其特征在于，所述荧光片与所述第二透镜之间的距离满足以下关系式：
L2≈f2
其中，L2表示所述荧光片与所述第二透镜之间的距离。
9.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述第三透镜包括等腰三角棱镜或导光柱。
10.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述荧光片包括透明基片及透明基片表面覆盖的荧光粉，所述荧光粉的材料包括钇铝石榴石晶体。
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