1、引言

LED夜视技术和激光夜视技术已经被广泛应用于激光夜视领域，但是目前无法实现远距离的清晰成像。目前，虽然LED市场潜力巨大，但却仅能实现50m距离的清晰成像。同样，单管激光引起的远场光斑的能量分布不均的问题未被解决。这些限制性的不利因素就直接导致了激光光源的使用处于低水平。基于光束整形原理，设计了一种整形照明光源模块来替代LED与单管激光器，以实现对目标的清晰成像。

根据上述信息，用来实现光束匀化的器件为一组微透镜阵列和多梯次平面反射镜。在本文中，对半导体激光器阵列的快、慢轴进行准直使得光束质量处于同一水平。通过此方法，通过光纤耦合输出整形照明光场实现远场目标的清晰成像。

2、ZEMAX仿真

由于半导体激光器的大发散角，经微透镜阵列准直两方向上的光束发散角为最有效的方法。在本文中，快、慢轴集成式微透镜阵列(C-MOUDLE)可被使用同时准直两个方向上的光束，如图1所示。

 C-MOUDLE结构

选择功率为20W的半导体激光器阵列作为光束准直的对象，其光束发散角为40°×10°。经过理论分析：首先，对快轴光束进行准直，选择为数值孔径较大的非球面柱透镜;其次，对慢轴光束进行准直，选择由多个圆柱透镜组成的微透镜阵列组，如图2所示为光线追迹曲线。

 Y轴和X轴准直透镜

根据激光光束特性，基于光束准直原理，可以通过ZEMAX设计C-MOUDLE参数，同时给出准直后两方向光束发散角数值。

*Y轴光束准直

由于Y轴方向光束发散角很大，应选择较大数值孔径的透镜作为所需要的准直器件。经过透镜准直后，快轴方向的大发散角可被压缩，如图3所示。

 Y轴准直

Y轴方向光束参数 透镜材料为N-LAF21，有效焦距为 ，则Y轴发散半角可得到

所以，准直后Y轴光束发散角为1.12mrad。

* X轴光束准直

X轴方向由19个发光单元所组成，其准直原理与Y轴类似，这里选择一个发光单元为进行设计。

 X轴光束准直

X轴方向特性参数： ，透镜材料：斯科特光学玻璃，有效焦距：

因此，准直后X轴方向光束发散全角为45.4mrad。

根据上述结果可知，我们得到两个方向的BPP值为：

为了得到清晰的光束准直现象，利用ZEMAX给出光能准直光能分布，可得到以下图形。

(a)椭圆光斑(b)准直光斑

 准直光能分布

* 光束整形

通过V-STEP将准直光束分割，平移及重组，实现光束整形。基于光束整形原理，两个方向上的光束质量得到了均衡。

利用V-STEP将激光光束进行分割重组，降低了快轴的光束质量，提高了慢轴的光束质量。因此，在光束整形器件的作用下，两个方向上的光束质量得到了均衡。此时，快轴和慢轴的光束质量BPP分别为：

* 整形后光束能量分布

 整形光能分布

* 光纤耦合

选择芯径为200μm，数值孔径NA为0.22的光纤来进行整形光束的耦合。光纤BPP值为：

整形光束耦合光纤的条件：

通过光束准直与光束整形均衡了光束质量，它可以耦合至光纤芯径200μm，数值孔径NA为0.22的光纤之中。

3、整形照明光源模型

基于ZEMAX的仿真，我们设计了一种整形照明光源模型，如图8所示。从模型中可以看出模型结构简单，紧凑。根据此模型的建立，实现了照明视场的均匀化，达到清晰成像的目的。

图7 照明光源模型

1 光学变焦镜，2 光学调整架，3 光纤，4 指示灯，5 光纤耦合模块，6 接线板，7 散热口，8 控制单元。

4 结论

通过对半导体激光器整形照明光源模块的设计，实现了远场光斑能量的均匀化分布。将此模块装置应用于激光夜视成像领域，即可解决远场光斑均匀度不足的缺陷，从而实现照明视场的清晰成像。