一种椭圆形光斑的变焦激光照明器的制作方法

文档序号:33557607发布日期:2023-03-22 12:40阅读:108来源:国知局
一种椭圆形光斑的变焦激光照明器的制作方法

1.本发明涉及一种椭圆形光斑的变焦激光照明器,属于激光照明领域。


背景技术:

2.使用激光进行辅助补光的激光照明技术已经广泛的应用于夜视安防等领域,具有亮度高、作用距离远、成本低等优点。现有远距离激光照明器多使用光纤输出半导体激光器作为光源,搭配变焦激光发射镜头使用。变焦发射镜头多依照成像的原理进行设计,可以在一定范围内实现对光斑发射角度的连续改变,该类型激光照明器具有出射光斑具有均匀度高、边缘清晰等优点。
3.目前的激光照明器光斑通常与所使用的光纤形状相似,即为圆形。而在某些应用场景下,光斑需要为具有长短轴的椭圆形,另外在安防夜视应用中,激光照明需要与变焦安防镜头搭配使用,而目前高清摄像机靶面长宽比一般为16:9,即安防镜头的视场范围为一边长比为16:9的矩形。当激光光斑与镜头视场上下内切时,激光利用率为100%,但是补光范围小,造成了视场的浪费;当光斑左右内切时激光利用率67.6%,如果激光光斑充满全屏时激光利用率仅为54.42%,这两种情况虽然充分利用了摄像机的视场,但是造成了激光能量的浪费。如果能够改变激光光斑的长宽比,使其与摄像机靶面的长宽比相同,则可以在保证照明视场的前提下使激光利用率达到100%,大幅提高了激光使用的效率,有利于降低激光功率,降低能耗。现有激光照明器能发射出椭圆形光斑,如专利cn201410130325.1等,但是现有激光照明器的椭圆形光斑在照明角度改变过程中不稳定,即会发生偏差,无法与变焦镜头适配。


技术实现要素:

4.针对现有技术的缺陷,本发明提供一种椭圆形光斑的变焦激光照明器,本激光照明器能发出椭圆形光斑,并且具备变焦功能,且照明角度改变过程中,光斑长短轴之比不变,可以与变焦镜头适配。
5.为了解决所述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种椭圆形光斑的变焦激光照明器,包括由光纤端面向外沿光轴依次设置的后固定组、补偿组、变倍组和前固定组,前固定组中设有非旋转对称镜组,非旋转对称镜组中设有柱面类型的双二次曲面镜,实现对光斑长宽比的控制;本变焦激光器中前组第一透镜至前组第五透镜为非旋转对称镜组,前组第六透镜至后组透镜为旋转对称镜组,本变焦激光照明器满足以下关系:
[0006][0007]
其中,f
′s、f

t
分别为非旋转对称镜组的弧矢面和子午面焦距,f
′j为旋转对称镜组等效焦距,d
sj
、d
tj
为非旋转对称镜组弧矢面和子午面与旋转对称镜组等效主面的间距,该关系在任意变焦位置均满足,保证照明光斑为长短轴之比为16:9的椭圆形,且在任意照明
角度下,光斑长短轴之比不变。
[0008]
照明镜头通过内部镜组沿光轴方向移动实现焦距的改变,变焦过程中像面位置基本不变,即共轭距近似相等,可将该条件等效为关系式(1):
[0009][0010]
其中,l
′0为系统长焦时像距,l0为系统长焦时物距,δ0为系统长焦时主面间距,三者之和为系统的初始共轭距;l
′i为系统任意变焦位置时像距,li为系统任意变焦位置时物距,δi为系统任意变焦位置时主面间距,三者之和为系统变焦过程中的共轭距;f
′0为长焦焦距。该条件保证了照明器的变焦功能。
[0011]
进一步的,本变焦激光照明器使用双二次曲面镜实现对子午和弧矢方向焦距的控制;光纤芯径为圆形,为实现输出光斑为椭圆形,在各组透镜相对位置不变的情况下,需要激光照明器光学系统在子午和弧矢方向具有不同的光焦度,仅考虑过光学系统光轴的截面内的光焦度情况,以此截面为参考面,并将参考面沿光轴进行旋转,则在该旋转过程中,根据旋转角度的不同,参考面内光学系统的光焦度将会发生变化,因此该旋转过程可以理解为另一种变焦过程。定义旋转角度为参考面与子午面的夹角,在旋转的起始时刻,旋转角度为0
°
,参考面与光学系统子午面重合,在旋转的结束时刻,旋转角度为90
°
参考面与系统弧矢面重合。在这个旋转过程中,系统像面位置仍需保持基本不变,该功能通过非旋转对称镜组实现;其中一片或两片双二次曲面镜实现变倍功能,其余的双二次曲面镜实现对像面位置的补偿。由于系统大部分组元为旋转对称面型,在改变夹角时性质不发生任何变化,因此仅考虑含有非旋转对称面型的镜组即可。在不同夹角下,共轭距仍需近似相等,即满足关系式(2):
[0012][0013]
其中,l
′0为非旋转对称镜组子午面的像距,l0为非旋转对称镜组子午面的物距,δ0为非旋转对称镜组等效主面间距,三者之和为非旋转对称镜组子午面的共轭距;li′
为非旋转对称镜组旋转任意角度后的像距,li为非旋转对称镜组旋转任意角度时的物距,δi为非旋转对称镜组旋转任意角度时等效主面的间距,三者之和为非旋转对称镜组任意夹角下的共轭距;f

t
为非旋转对称镜组子午面焦距;
[0014]
关系式(1)与关系式(2)一起保证了在任意照明角度下,照明光斑均具有较高的均匀性,且边缘清晰、锐利。
[0015]
进一步的,补偿组和变倍组具备沿光轴移动的能力,通过调整变倍组与补偿组的相对位置调整系统焦距并实现像面位置的补偿。
[0016]
进一步的,激光照明器的照明角度由小到大变化的过程中,补偿组由远离光纤端面逐渐向靠近光纤端面的方向移动,变倍组由靠近光纤端面向远离光纤端面方向移动。
[0017]
进一步的,在变倍过程中,变倍组和补偿组同时通过各自成像倍率为-1的点。
[0018]
进一步的,前固定组由7片透镜组成,前固定组从最前端开始5片透镜构成非旋转对称镜组,该部分透镜中,在子午和弧矢方向,前3片镜片的像方焦点与后两片镜片的物方焦点近似重合,在子午和弧矢方向分别将激光发散角放大不同的倍数。
[0019]
进一步的,非旋转对称镜组中的第三透镜、第四透镜、第五透镜均为柱面类型的双
二次曲面镜。
[0020]
进一步的,本变焦激光照明器满足:f

l
/f
′s>>37,d/f

l
>>0.5,f

l
、f
′s分别为系统最长焦和最短焦焦距值,d为最大通光口径。
[0021]
进一步的,光纤端面为400μm芯径多模光纤的发光端面,光纤长度>1m。
[0022]
本发明的有益效果:
[0023]
1、光斑为椭圆形,长短轴之比与监控镜头长宽比相同,光能利用率高。
[0024]
2、具备变焦功能,且照明角度改变过程中,光斑长短轴之比不变,可以与变焦镜头适配。
[0025]
3、具备变焦功能,照明角度可在较大范围内调节;
[0026]
4、在任意照明角度下,光斑均保持较高的均匀性,且边缘清晰、锐利
[0027]
5、利用成像原理设计、配合大芯径多模光纤使用,光斑均匀度高、边缘清晰。
[0028]
6、系统总长固定,使激光照明器内部处于封闭状态,结构稳定性高。
[0029]
7、系统透过率高、成本低。
附图说明
[0030]
图1为本发明的光斑照明范围与圆形光斑对比图;
[0031]
图2为本发明的椭圆形光斑变焦激光照明器光学系统子午面示意图;
[0032]
图3为本发明的椭圆形光斑变焦激光照明器光学系统弧矢面示意图;
[0033]
图4为本发明的子午面上变倍组和补偿组距离光纤端面的距离与系统焦距的关系图;
[0034]
图5为本发明的激光照明器长焦下镜头mtf图;
[0035]
图6为本发明的激光照明器中间焦距下镜头mtf图;
[0036]
图7为本发明的激光照明器短焦下镜头mtf图;
[0037]
图中:1为前组第一透镜,2为前组第二透镜,三为前组第三透镜,4为前组第四透镜,5为前组第五透镜,6为前组第六透镜,7为前组第七透镜,8为变倍组透镜,9为补偿组透镜,10为后组透镜,11为光纤发光端面,a为变倍组透镜8移动曲线,b为补偿组透镜9移动曲线。
具体实施方式
[0038]
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0039]
实施例1
[0040]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0041]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
[0042]
如图1所示,给出了光斑与相机视场水平相切时本发明的光斑照明范围与普通圆形光斑照明范围对比图。图中矩形框为相机的视场范围,左侧为圆形光斑照明范围,阴影范围为实际激光利用范围,可见圆形光斑有部分激光能量超出了视场范围,造成了光能的浪费,该部分面积约占光斑总面积的32.4%。右侧为本发明的光斑范围,可见椭圆形光斑全部
位于矩形框内,全部光能得到利用。
[0043]
本实施例公开一种椭圆形光斑的变焦激光照明器,如图2、图3所示,给出了本实施例子午和弧矢截面的光路示意图。本实施例所述变焦激光照明器从光纤发光端面11开始,向外依次为后组、补偿组、变倍组、前组。
[0044]
其中光纤发光端面11为大芯径多模光纤的端面,光纤长度>1m。光纤具有匀化作用,且大芯径光纤存在较多的模式,在激光传输过程中各模式的混叠保证了光纤端面处激光具有较高的均匀度,且边缘清晰。
[0045]
后组、补偿组、变倍组均由一片透镜组成,后组透镜10为厚弯月透镜,具有正光焦度,起到汇聚光束的作用。变倍组透镜8和补偿组透镜9分别使用双凹透镜和双凸透镜,通过调整变倍组与补偿组的相对位置可以调整系统焦距并实现像面位置的补偿,从而使激光照明器照明角度可以大范围调节的同时,像面位置不变,实现了在整个变焦过程中均具有良好的照明效果。前组由7片镜片组成,其中前组第六透镜6和前组第七透镜7为一组胶合镜,具有正光焦度,进一步对光束进行汇聚。本变焦激光器中前组第一透镜至前组第五透镜为非旋转对称镜组,前组第六透镜至后组透镜为旋转对称镜组。
[0046]
除前组第六透镜6和前组第七透镜7外,其余前组镜片形成了伽利略式望远镜结构(非旋转对称镜组),前组第一透镜1、前组第二透镜2、前组第三透镜3为该结构的第一部分,该部分中前组第三透镜3为柱面类型的双二次曲面镜,即柱透镜;前组第四透镜4、前组第五透镜5为第二部分,该部分两片镜片均为柱面类型的双二次曲面镜,即柱透镜。该部分透镜中,在子午和弧矢方向,前3片镜片的像方焦点与后两片镜片的物方焦点近似重合,在子午和弧矢方向分别将激光发散角放大不同的倍数。
[0047]
如表1所示,给出了一种具体结构的激光照明器中镜片的具体参数,其中透镜远离光纤端面的一侧为前表面,靠近光纤端面的一侧为后表面:
[0048]
表1
[0049] 表面类型曲率半径厚度材料折射率材料阿贝数s1球面44.5861.6260.4s2球面177.694.98
‑‑
s3球面-125.0031.7229.5s4球面51.3451.7552.3s5柱面*25.64
‑‑
s6球面inf31.5264.2s7柱面*27.22
‑‑
s8柱面*31.5264.2s9球面-105.911
‑‑
s10球面25.0751.8046.6s11球面-48.152225.4s12球面203.84*
‑‑
s13球面-10.1321.931.3s14球面7.88*
‑‑
s15球面11.633225.4
s16球面-124.93*
‑‑
s17球面2.773225.4s18球面3.14
‑‑‑
[0050]
其中柱面半径如下:
[0051]
表2
[0052][0053][0054]
在不同焦距处,移动组元的间隔厚度举例如下:
[0055]
表3
[0056]
子午面焦距/mm52221.4s1327.3926.898.75s153.1411.9834.42s1714.636.292
[0057]
如图4所示,给出了激光照明器中变倍组透镜8和补偿组透镜9距后组透镜10前表面的距离与系统焦距的关系图。图4中,纵坐标为透镜距后组透镜10前表面的距离,横坐标为此时的激光照明器焦距;a曲线为变倍组透镜8的运动曲线,b曲线为补偿组透镜9的运动曲线。由图4可知在照明器焦距由小到大的变化过程中,变倍组透镜8距离后组透镜10前表面的距离逐渐变大,补偿组透镜9距后组透镜10前表面的距离逐渐减小。变倍过程中曲线顺滑没有突变点。
[0058]
如图5、图6、图7所示为镜头三种焦距下mtf图,可见镜头在各个焦距段都具有良好的像质。确保光斑具有均匀度高、边缘清晰的优点。
[0059]
所述激光照明器,照射到无穷远处目标时,以无穷远目标为物面,则共轭距为无穷远目标距离像方焦平面的距离,共轭距之差为焦平面位置之差。分别取焦距为52mm、22mm、1.4mm三个位置进行计算,并以后组透镜10的后表面为基准面,焦平面距后组透镜10的后表面的距离分别为1.012242、1.019222、1.012929,即(l
′0+l0+δ0)-(l
′i+li+δi)分别等于0.00698、0.000687,f
′0=52mm,满足
[0060][0061]
所述激光照明器,非旋转对称镜组为前组第一透镜1、前组第二透镜2、前组第三透镜3、前组第四透镜4、前组第五透镜5。以无穷远目标为物面,则该部分共轭距为无穷远目标距离该部分透镜像方焦平面的距离,共轭距之差为焦平面位置之差。取夹角为0
°
及90
°
,即子午面和弧矢平面进行计算,焦平面距离前组第五透镜5后表面的距离分别为851.610158和851.252008,即(l
′0+l0+δ0)-(li′
+li+δi)=0.35815,f

t
=1380.94mm,满足
[0062][0063]
公式(1)保证变焦过程中像面位置基本不变,即共轭距近似相等。
[0064]
公式(2)与公式(1)一起,保证了在任意照明角度下,照明光斑均具有较高的均匀性,且边缘清晰、锐利。
[0065]
所属的激光照明器,分别取焦距为52mm、22mm、1.4mm三个位置进行计算,可得以下数据
[0066][0067][0068]
满足
[0069][0070]
其中,fs′
、f
t

分别为非旋转对称镜组的弧矢面和子午面焦距,fj′
为旋转对称镜组等效焦距,d
sj
、d
tj
为非旋转对称镜组弧矢面和子午面与旋转对称镜组等效主面的间距。该关系在任意变焦位置均应满足,保证了照明光斑为长短轴之比为16:9的椭圆形,且在任意照明角度下,光斑长短轴之比不变。
[0071]
所述激光照明器为防止变倍时镜片相互影响,进行移动的镜组透镜间隔不小于2mm,在保持结构紧凑的同时,为机械设计和装调保留了足够空间。
[0072]
所述激光照明器子午面长焦端焦距f
l

=52mm,短焦端焦距fs′
=1.4mm,变倍比f

l
/f
′s>>37,d为最大通光口径,d/f

l
>>0.5,f

l
、f
′s分别为系统最长焦和最短焦焦距值,d为最大通光口径。
[0073]
本实施例所述椭圆形光斑的变焦激光器通过上述涉及,同时具备以下功能:
[0074]
1)具备变焦功能,照明角度可在较大范围内调节;
[0075]
2)光斑为椭圆形,考虑到实际应用环境,长短轴之比可以为16:9;
[0076]
3)在任意照明角度下,光斑中长短轴之比不发生改变;
[0077]
4)在任意照明角度下,光斑均保持较高的均匀性,且边缘清晰、锐利。
[0078]
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例,本领域技术人员根据本发明做
出的改进和替换,属于本发明的保护范围。
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