張春鵬,白素平,閆鈺鋒,于信
(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)
激光擴(kuò)散片是表面具有微凹透鏡結(jié)構(gòu)的光束擴(kuò)散器件,廣泛應(yīng)用于激光照明、激光投影及激光掃描顯示等領(lǐng)域。到目前為止,有三種類型的擴(kuò)散片:依賴于基材中加入的化學(xué)顆粒作為散射粒子的散射光擴(kuò)散片;起混光作用但并不會(huì)真正將光擴(kuò)散的衍射型擴(kuò)散片;在基材表面設(shè)有微特征結(jié)構(gòu)并進(jìn)行陣列化,從而使光線透過(guò)時(shí)發(fā)生不同方向的折射,進(jìn)而控制光的行徑路線,實(shí)現(xiàn)光束擴(kuò)散的微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散片[1]。激光擴(kuò)散片屬于微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散片的分支。
微結(jié)構(gòu)光擴(kuò)散片因其高透過(guò)率和易控制光束擴(kuò)散角度、光場(chǎng)的空間及能量分布這兩種特性而受到高度重視。隨著微光學(xué)技術(shù)和微壓技術(shù)的發(fā)展,微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散片的研究日益成熟,并發(fā)表了大量的研究文獻(xiàn)。任智斌,朱麗思等人[2]提出用光刻膠熱熔技術(shù)制備不同微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散片。莊孝磊,周芳等人[3]提出了一種新型的層疊微透鏡陣列光擴(kuò)散片提高亮度增益。M.Yaegashi等人[4]提出基于材料極化選擇性來(lái)制作微結(jié)構(gòu)的方法。楊雪,孫會(huì)來(lái)等人[5]總結(jié)了目前飛秒激光制備微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。在工藝完善的基礎(chǔ)上,何小祥,鄭秀婷等人[6]發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)徑比對(duì)擴(kuò)散片的光學(xué)性能有著重要影響并進(jìn)一步研究。閆占軍,杜春雷等人[7]運(yùn)用算法設(shè)計(jì)了隨機(jī)孔徑的微透鏡擴(kuò)散屏設(shè)計(jì)。
盡管關(guān)于微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散片的制備技術(shù),光學(xué)特性已有諸多理論研究進(jìn)展,但關(guān)于測(cè)量光束經(jīng)擴(kuò)散片擴(kuò)散后的面光源的擴(kuò)散角度還沒(méi)有特定方法。因此設(shè)計(jì)一套可以對(duì)激光擴(kuò)散片擴(kuò)散角進(jìn)行自動(dòng)化、高效率、高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。用于對(duì)設(shè)計(jì)完成的擴(kuò)散片擴(kuò)散角進(jìn)行檢測(cè),起到質(zhì)檢作用。并對(duì)影響測(cè)量精度的因素進(jìn)行逐一分析,尋找最佳測(cè)試條件,進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量精度。
激光擴(kuò)散片的原理圖如圖1所示,激光垂直入射到擴(kuò)散片上,在微凹透鏡作用下,激光束發(fā)散出射,形成了有一定擴(kuò)散角的面光源,擴(kuò)散角度與擴(kuò)散片上微凹透鏡參數(shù)有關(guān)。另外,從圖1中可以發(fā)現(xiàn),在理想情況下,激光束經(jīng)擴(kuò)散片后的總體擴(kuò)散角度與單一子透鏡的擴(kuò)散角度是一致的。為了簡(jiǎn)化分析出擴(kuò)散角度與擴(kuò)散片結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,下面對(duì)子透鏡擴(kuò)散過(guò)程單獨(dú)分析。如圖2是子透鏡的擴(kuò)散示意圖,子透鏡有孔徑D,曲率半徑R這兩個(gè)參數(shù),通過(guò)透鏡焦距公式,及幾何光學(xué)傳播定律得到方程組(1)。將方程組進(jìn)行化簡(jiǎn)整理就可以得到公式(2)。
圖1 擴(kuò)散片原理圖
圖2 子透鏡擴(kuò)散原理圖
其中,n是微凹透鏡材料折射率;f是微凹透鏡焦距。如果知道其他子透鏡的參數(shù),就能夠?qū)⒆油哥R的擴(kuò)散角度求出,即得到激光擴(kuò)散片的擴(kuò)散角。由公式(2)還可發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散角θ正比于微透鏡孔徑D,反比于曲率半徑R。
擴(kuò)散面光源實(shí)質(zhì)是由每個(gè)微凹透鏡擴(kuò)散后的小面光源疊加而成。為了確保面光源具有良好的均勻性,那么每個(gè)微透鏡所產(chǎn)生的面光源的擴(kuò)散角的大小應(yīng)該一致,所以要確保每個(gè)微透鏡的孔徑D與曲率半徑R的比值為常數(shù)。
微透鏡采用正三角形排布,可有效提高擴(kuò)散片上微透鏡的填充率,從而提高擴(kuò)散片透光率[8],如圖3所示。此外,微透鏡填充率與微透鏡孔徑有關(guān),微透鏡孔徑越小,填充率越高,一般要求微透鏡孔徑在10~100 μm范圍內(nèi)。
圖3 微透鏡排布方式
對(duì)擴(kuò)散片進(jìn)行模擬分析,采用蒙特卡洛法建立數(shù)學(xué)模型[9-10],得到了激光擴(kuò)散片擴(kuò)散角度和能量利用率。
蒙特卡洛法按照某種規(guī)律向系統(tǒng)中隨機(jī)投射大量光線,但不指定光線和系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)物體、表面相交的順序及相互位置關(guān)系。每條光線在它和物體的相交處可以被吸收、反射、折射、衍射或散射。光線在系統(tǒng)內(nèi)的任意方向和空間傳播時(shí),軟件會(huì)一直追蹤每條光線經(jīng)過(guò)各種材料和表面后所攜帶的輻射通量發(fā)生的變化。輻照度分布的計(jì)算是把接收面劃分成矩形網(wǎng)格單元,把各網(wǎng)格單元內(nèi)所有光線的輻射功率相加除以網(wǎng)格面積。真實(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的輻照度分布可以被看成是連續(xù)的,而非序列光學(xué)追跡法所得到的照度分布是離散的。理論上,根據(jù)采樣定理只要網(wǎng)格的密度大于目標(biāo)面上照度變化空間頻率的兩倍即可完全再現(xiàn)照度分布的精確值。
采用蒙特卡洛法模擬的擴(kuò)散片尺寸為40×40 mm,厚度1.2 mm,微透鏡孔徑D為40 μm,曲率半徑R為100 μm,材料選擇為介質(zhì)折射率n=1.5的PMMA,在擴(kuò)散片后100 mm處放置探測(cè)器,材料吸收特性忽略不計(jì),模擬結(jié)果如圖4所示。
圖 4(a)、圖 4(b)為激光擴(kuò)散前后照度分布圖,圖4(c)為子午截面上擴(kuò)散前后照度分布曲線對(duì)比圖。從圖4(c)可發(fā)現(xiàn)激光光束經(jīng)擴(kuò)散片擴(kuò)散后所得面光源能量分布雖然仍是中心強(qiáng)邊緣弱,但與未擴(kuò)散的激光相比,其照度分布曲線更加均勻。另外,可根據(jù)探測(cè)器上獲得的總功率求得能量利用率高達(dá)88.73%,還可通過(guò)探測(cè)器X軸零點(diǎn)位置坐標(biāo)求出擴(kuò)散角度θ為11.31°與公式(2)計(jì)算結(jié)果相一致。
圖4 激光擴(kuò)散前后照度圖
1.2.1 擴(kuò)散角檢測(cè)原理
因?yàn)槊婀庠催吘壧幠芰枯^弱,不宜測(cè)量,所以采用限制邊界條件的辦法,不是對(duì)面光源整體的擴(kuò)散角度進(jìn)行測(cè)量,而對(duì)面光源中心位置光強(qiáng)分布較為均勻處進(jìn)行檢測(cè)。所以重新定義擴(kuò)散角,系統(tǒng)要檢測(cè)的擴(kuò)散角為面光源中心光強(qiáng)點(diǎn)與光強(qiáng)度為中心點(diǎn)60%的點(diǎn)之間的夾角。如圖5所示,α為所要檢測(cè)擴(kuò)散角。
圖5 擴(kuò)散角檢測(cè)原理圖
其中,d為激光束直徑;L為擴(kuò)散距離;D為面光源徑向方向上的兩個(gè)60%強(qiáng)度點(diǎn)的距離。根據(jù)幾何定律可以得到擴(kuò)散角α的角度:
在測(cè)試屏面光源豎直徑向方向上安裝高精度探測(cè)器進(jìn)行脈沖位移,對(duì)所得照度值進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,找到強(qiáng)度最大點(diǎn)及兩個(gè)60%強(qiáng)度點(diǎn),記錄D,且L和d均為已知,帶入公式(3)即可求得所要擴(kuò)散角α。擴(kuò)散角α與D和L有直接關(guān)系,而D又與脈沖步數(shù)相關(guān),所以擴(kuò)散角α與脈沖位移又有間接關(guān)系。
1.2.2 檢測(cè)系統(tǒng)工作流程
圖6為檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由光束擴(kuò)散系統(tǒng)、光束接收系統(tǒng)及系統(tǒng)控制端三部分組成。光束擴(kuò)散系統(tǒng)中,激光束發(fā)出平行光源垂直入射到光束擴(kuò)散系統(tǒng)上固定好的擴(kuò)散片,激光束經(jīng)擴(kuò)散片上微透鏡作用下以一定擴(kuò)散角度出射到光束接收系統(tǒng)上,光束接收系統(tǒng)上的高精度光電探測(cè)器與面光源中心對(duì)準(zhǔn),并對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行由光信號(hào)到電流、電流到放大電壓、再到數(shù)字信號(hào)的一系列信號(hào)轉(zhuǎn)換,最終將數(shù)字信號(hào)傳入系統(tǒng)控制端的芯片中。芯片會(huì)對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,得到目標(biāo)值,即60%強(qiáng)度點(diǎn)的數(shù)值,并控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)光束接收系統(tǒng)中的機(jī)械滑軌,高精度光電探測(cè)器隨機(jī)械滑軌向面光源邊緣移動(dòng),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,當(dāng)達(dá)到目標(biāo)值時(shí)停止。芯片通過(guò)電機(jī)跳轉(zhuǎn)步數(shù)計(jì)算得到兩目標(biāo)值之間的距離即D,并進(jìn)行最終計(jì)算得到擴(kuò)散角度,直接顯示在控制端的顯示液晶屏上。
圖6 擴(kuò)散角檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖
對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行搭建,由于外部光照對(duì)照度計(jì)光電探測(cè)器有著極大影響,為保證測(cè)量準(zhǔn)確性需在暗室中進(jìn)行測(cè)量。初始測(cè)量條件:L為1 m,光電探測(cè)器脈沖位移0.5 mm,即采樣間隔,將5次測(cè)量結(jié)果與5次模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)得到曲線如圖7所示。
圖7 測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果
根據(jù)圖7可知,測(cè)得擴(kuò)散角遠(yuǎn)大于實(shí)際擴(kuò)散角(取5次模擬擴(kuò)散角的結(jié)果均值為2.32°),這是因?yàn)樘綔y(cè)器中IV轉(zhuǎn)換板增益倍率為定值,距離越近能量越高,造成中心點(diǎn)能量測(cè)量飽和,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果大于真實(shí)結(jié)果,增大測(cè)量距離,可有效提高測(cè)量精度。
為找到最佳測(cè)量距離L,固定采樣間隔0.5 mm,改變測(cè)量距離L,在1~2.5 m范圍內(nèi)每隔0.1 m對(duì)擴(kuò)散角為2.32°的擴(kuò)散片進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果整合,如圖8所示。
圖8 不同測(cè)量距離的測(cè)量結(jié)果
從圖8可發(fā)現(xiàn)在測(cè)量距離L為1~2 m時(shí),測(cè)量結(jié)果持續(xù)減小,測(cè)量精度不斷提高,在2 m處測(cè)量結(jié)果為2.385°,2~2.5 m測(cè)量結(jié)果趨向穩(wěn)定,故系統(tǒng)最佳測(cè)量距離為2 m。
還可發(fā)現(xiàn),2 m處測(cè)量結(jié)果仍然微大于擴(kuò)散角的實(shí)際值2.32°。這可能是采樣間隔過(guò)大引起,步進(jìn)電機(jī)控制光電探測(cè)器在機(jī)械滑軌上進(jìn)行每步0.5 mm的脈沖移動(dòng),在靠近60%強(qiáng)度點(diǎn)時(shí),電機(jī)下一次跳轉(zhuǎn),探測(cè)器移動(dòng)0.5 mm,越過(guò)準(zhǔn)確60%強(qiáng)度位置,造成D測(cè)量偏大,使得測(cè)量結(jié)果偏大。
為進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量精度。保持最佳測(cè)量距離2 m不變,改變采樣間隔,在0.1~0.5 mm范圍內(nèi)每隔0.1 mm對(duì)擴(kuò)散角為2.32°的擴(kuò)散片進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果整合,如圖9所示。
圖9 不同采樣間隔的測(cè)量結(jié)果
由圖9可知,隨著采樣間隔的不斷減小,測(cè)量精度不斷提高,在采樣間隔為0.1~0.3 mm時(shí),測(cè)量結(jié)果趨于穩(wěn)定且相差不大,考慮到隨著擴(kuò)散角度的增大,測(cè)量時(shí)長(zhǎng)成幾何倍數(shù)增長(zhǎng),并且精度相差不大,為滿足在大擴(kuò)散角擴(kuò)散片(7.85°)測(cè)量時(shí),節(jié)約時(shí)間成本,采樣間隔選為0.3 mm。
根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到最佳的測(cè)量條件為測(cè)量距離2 m,采樣間隔0.3 mm。下面對(duì)不同擴(kuò)散角度的擴(kuò)散片進(jìn)行測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在暗室中進(jìn)行,從表1可以看出,在最佳測(cè)試條件下,測(cè)量距離2 m、采樣間隔0.3 mm時(shí),測(cè)量精度可達(dá)0.02°,最大時(shí)長(zhǎng)小于3 min。
表1 不同擴(kuò)散角擴(kuò)散片測(cè)量結(jié)果
本文根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)精度高,速度快的要求,建立了激光擴(kuò)散片擴(kuò)散角檢測(cè)系統(tǒng),并介紹了擴(kuò)散片工作原理和檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。接下來(lái),通過(guò)改變檢測(cè)條件測(cè)量距離L和采樣間隔,找到系統(tǒng)最佳工作條件為測(cè)量距離為2 m、采樣間隔為0.3 mm,以達(dá)到提高測(cè)量精度的要求。最后對(duì)不同擴(kuò)散角的擴(kuò)散片進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在最佳測(cè)試條件下,測(cè)量精度可達(dá)0.02°,最大時(shí)長(zhǎng)小于3 min?;緷M足了激光擴(kuò)散片擴(kuò)散角檢測(cè)的要求。