一种出射光直径为70mm的高远心度平行光源的制作方法

本发明涉及光源技术领域，具体涉及一种出射光直径为70mm的高远心度平行光源。

背景技术

目前现有平行光源产品比如普通同轴光，由于平行度不高，不仅景深范围小，而且背光漫射会将光线漫射至物体侧面，导致边界效应明显，难以获得边缘清晰、锐利的图像，降低了被测物体的对比度。在一些对光源平行度要求高的应用环境（比如为远心镜头提供平行照明，高远心度的平行照明可以使远心镜头的效能得以充分发挥），现有技术的平行光源不足以满足要求。此外，随着平行光源口径的增加，光源系统的总长也会增加，目前一些大口径光源产品的总长是光源口径值的3倍以上，占用了大量的使用空间，增加了安装难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种出射光直径为70mm的高远心度平行光源。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种出射光直径为70mm的高远心度平行光源，包括机械系统及安装于所述机械系统内的光路系统，所述光路系统依次包括具有负光焦度、双凹结构的第一透镜g1，具有正光焦度、双凸结构的第二透镜g2，具有正光焦度的、双凸或平凸结构的第三透镜g3；所述第一透镜g1和所述第二透镜g2组合形成胶合透镜b，所述光路系统的焦距为f，所述胶合透镜b的焦距为fb，它们满足以下关系式：9<|fb/f|<11；所述第三透镜g3的焦距为f3，它与f满足如下关系式：0.5<|f3/f|<1.5。

作为本发明的一种改进，所述第一透镜g1的折射率为n1，阿贝数为v1，其满足关系式：1.90<n1<2.05；20<v1<30。

作为本发明的一种改进，所述第二透镜g2的折射率为n2，阿贝数为v2，其满足关系式：1.55<n2<1.65；60<v2<70。

作为本发明的一种改进，还包括光源放置点s，所述光源放置点s与第一透镜g1在光轴上的间隔l1为118.148mm，所述第二透镜g2和所述第三透镜g3在光轴上的间隔l2为10mm。

作为本发明的一种改进，所述第一透镜g1的曲率半径r1为552.196mm，所述第一透镜g1的曲率半径r2为216.850mm，所述第一透镜g1光轴的中心厚度为3mm。

作为本发明的一种改进，所述第二透镜g2的曲率半径r3为216.850mm，所述第二透镜g2的曲率半径r4为140.852mm，所述第二透镜g2光轴的中心厚度为10mm。

作为本发明的一种改进，所述第三透镜g3的曲率半径r5为700.229mm，所述第三透镜g3的曲率半径r6为157.245mm，所述第三透镜g3光轴的中心厚度为8.851mm。

本发明的有益效果在于：第一透镜g1和第二透镜g2形成的胶合透镜b用于聚光，并控制主光线在胶合透镜b的出射波面趋于垂直光轴，第三透镜g3承接胶合透镜b的出射光，并控制主光线在第三透镜g3的出射波面垂直于光轴（也即使得主光线平行于光轴），进而使得光路系统平行度小于0.05，由于本发明平行度高，因此拥有优秀的景深范围；高平行度使得光源和检测设备的相对位置对光线平行进入镜头的影响小，也可以提高检测系统中被检测物体边缘轮廓对比度，消除边界效应。在光路转折之前，胶合透镜b和第三透镜g3的焦距分配可以将光源系统总长和光源口径比值减小到2；同时在光源放置点s和第一透镜g1之间可进行一次或者两次光路转折，以减小光路系统总长，最大程度可将光路系统总长压缩到95mm以下。此外，各片透镜的折射率和阿贝数分配可以使得该光路系统兼容420nm~650nm波段范围内的可见光。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中光路系统的结构示意图；

图2为本发明中光路系统的光路示意图之一（显示了有效出射角和光斑直径）；

图3为本发明中光路系统的光路示意图之二；

图4为本发明中光路系统的光路示意图之三（具有反射镜）。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1~4所示，一种出射光直径为70mm的高远心度平行光源，包括机械系统及安装于机械系统内的光路系统100，光路系统100依次包括具有负光焦度、双凹结构的第一透镜g1，具有正光焦度、双凸结构的第二透镜g2，具有正光焦度的、双凸或平凸结构的第三透镜g3；第一透镜g1和第二透镜g2组合形成胶合透镜b，光路系统100的焦距为f，胶合透镜b的焦距为fb，它们满足以下关系式：9<|fb/f|<11。第三透镜g3的焦距为f3，它与f满足如下关系式：0.5<|f3/f|<1.5。

优选地，第一透镜g1的折射率为n1，阿贝数为v1，其满足关系式：1.90<n1<2.05；20<v1<30。第二透镜g2的折射率为n2，阿贝数为v2，其满足关系式：1.55<n2<1.65；60<v2<70。

本发明还包括光源放置点s，光源放置点s的光源可以发出的一定角度的光，它经过光路系统100形成可以平行光。光源放置点s与第一透镜g1在光轴10上的间隔l1为118.148mm，第二透镜g2和第三透镜g3在光轴10上的间隔l2为10mm。胶合透镜b和第三透镜g3靠近，方便在光源放置点s与g1之间做光路转折，进一步缩短光路系统100长度。另外，本发明还可以包括反射镜20，该反射镜20为“v”形结构，它主要用于反射光源放置点s的光线到第一透镜g1，最后依次通过第二透镜g2和第三透镜g3。

优选地，第一透镜g1的曲率半径r1为552.196mm，第一透镜g1的曲率半径r2为216.850mm，第一透镜g1的光轴10的中心厚度为3mm，第一透镜g1的材料为成都光明玻璃h-zlaf90（折射率为2.00，阿贝数为25.4），最大外径控制为ø70mm。第二透镜g2的曲率半径r3为216.850mm，半径r3与半径r2相同，第二透镜g2的曲率半径r4为140.852mm，第二透镜g2的光轴10的中心厚度为10mm，第二透镜g2的材料为成都光明玻璃h-zpk2a（折射率为1.60，阿贝数为65.5），最大外径控制为ø70mm。第三透镜g3的曲率半径r5为700.229mm，第三透镜g3的曲率半径r6为157.245mm，第三透镜g3的光轴10的中心厚度为8.851mm，第三透镜g3的材料为成都光明玻璃h-zlaf2a（折射率为1.80，阿贝数为46.8），最大外径控制为ø80mm。

在本实施例中，光路系统100总长度l为150mm，s处光源出射角度为30°，最大远心度小于0.03。光源光斑直径大小为70mm。此外，本发明经过两次光路转折，光路系统100的长度缩短至93mm。

需要说明的是：由于本发明是用于照明上，不需要严格校正像差，但是为了使系统拥有良好的远心度（即使系统的像方主光线尽可能平行于光轴），于是在设计平行光源系统时分配了两个光焦度，设为φ1和φ2，即系统有两个光组；设整个平行光源系统的组合焦距为f，光焦度为φ，两个光组之间的距离为d，它们有如下关系：1/f=φ=φ1+φ2-dφ1φ2。因为系统是像方远心光路，光阑（焦平面、光源）到第二光组的距离为系统总长，设为l，约等于组合焦距f。此外，光阑（焦平面、光源）主光线的出射角和系统总长（组合焦距f）有关，系统总长（组合焦距f）越小，光阑（焦平面、光源）主光线出射角越大，但是会增加设计难度和复杂度。因此，该平行光源系统在设计时根据上述关系合理分配系统总长l、两个光组的光焦度φ1和φ2，在保持系统远心度的情况下，尽量缩短系统总长，增大光阑（焦平面、光源）主光线的出射角，同时为了在光阑（焦平面）与第一光组之间可进行光路转折，也需考虑两光组之间的距离d。

另外，本发明要求兼容420nm~650nm波段范围内的可见光，为此将系统第一光组设计为双胶合透镜，其光焦度为上述分配好的φ1，通过选用合适的玻璃材料减小色差。第二光组主要是为了聚光和平衡像差，其材料可初步选定为高折射率的火石玻璃，或者为了平衡色差，也可选定为冕牌玻璃。

本发明可看成是像方远心光路，即将光阑放在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴，据此，为了得到平行光将平行光源放在该系统的物方焦平面上。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。