CN101477242A - 应用于夜视系统中的均匀高效照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于夜视系统中的照明系统，包括：光源，变焦透镜组和变焦驱动装置，所述变焦驱动装置与所述变焦透镜组和/或所述光源连接，用于使所述变焦透镜组中的透镜与所述光源产生相对位移，以改变所述变焦透镜组的焦距，并且，所述光源的光出射面位于所述变焦透镜组的焦点或焦点之外，本发明通过改变透镜组的焦距，使本发明所述系统的照明角度随着透镜组焦距的变化能进行大范围地调节，而且，本发明照明均匀，这将使得成像清晰，不存在暗区，并且能有效提高光的利用率，减小光能损失。

Description

应用于夜视系统中的均匀高效照明系统

技术领域

本发明涉及一种照明技术，尤其是一种应用于夜视系统中的均匀高效照明系统。

背景技术

随着社会的进步，人们早已结束了日出而作、日落而息的生活、生产模式，夜间的活动大大增加。但是由于人眼只能在可见光足够强的条件下辨别物体，超出可见光范围的光谱人眼是看不见的。因此，在夜间没有足够照明的情况下，人们需要另加光源来进行照明，比如道路上的路灯、汽车的车灯、边防站的探照灯等。

随着科技的进步，人们可以利用超出可见光范围的光谱对周边景物进行观察和监控，如利用红外夜视仪器，对景物成像，将成像的光信号转变为电信号，再将电信号放大并转变为人眼可见的光信号。总的来说，按照成像时使用光的情况，夜视仪器可分为两大类，一类需要夜视仪器提供照明光源，由夜视仪器主动向外发射某种波长的光，如可见光、红外光、紫外光等，再利用物体反射的这些光成像。另一类不需夜视仪器提供照明光源，主要靠微光(由于自然界会有一些比太阳光微弱得多的光，如星光、月光、大气辉光等，由于人眼视网膜感光度不高，所以在这种光强度较小的情况下无法正常成像)或物体自身向外辐射的红外线来成像(也称为热成像)。另外，由于激光技术的发展，也将激光应用在夜视系统的照明中。

但是目前的主动夜视系统中，夜视系统的照明存在着一些问题，例如，照明角度一般都是固定不变的，即使在设计时预留了一定的调节角度，但调节范围一般都较小，而且是手动的，一旦安装好后就固定不变了。或者，即使安装后在使用时可以调节，但调节的角度很小，一般都在几度的范围内。

对于上述照明角度固定不变或者变动较小的情况，使得照明区域不变，或变化很小，常常会有照明不全的现象发生，只能照到部分，因此，成像不完全。

对于距离比较远的应用场合下，固定的照明角度就不合适了，例如，对于一个从近距离到1000米以上的夜视照明范围，比较合适的照明角度范围应一般在0.5°至20°之间，对应于摄像镜头而言，为了满足对远近距离的成像要求，最基本的要求就是能够变焦，对远距离景物成像时，要将远距离景物放大，摄像镜头的焦距变长，视场变小，因此要求照明角度也较小，才能有足够的照明亮度，近距离时，摄像镜头的焦距变短，视场变大，要求照明角度也较大，才能充满整个视场。

为了解决这个问题，人们也采取了一些措施，但均存在着一定的弊病，如通过机械装置驱动照明器进行扫描(如99104568.6)，此时，有扫描速度带来的问题，如速度慢，存在阴影区，并且机械装置不稳定等问题；如果采用一些特殊的光学元件(如200310118153.8)，势必增加成本；如果增加光源的强度，如果是激光照明，则增加激光的功率，也会引发一系列的问题，如散热问题，体积、重量带来的安装问题，使用昂贵光学元件带来的成本问题等等。

另外，也有用单个透镜或单透镜组利用光源在透镜与其焦点之间时发散角的变化进行的变范围照明，其照明区域由光源的发光特性决定一般为圆形区域。由于光源在透镜与其焦点之间，照明区域的光强分布是中间亮而边缘很暗，如图2所示，照明系统出射的光束最终形成的是一个圆形照明区域109。至少存在两个问题，一是光强分布不均匀，中间过于明亮而周边过于暗淡，照度不均匀，如图2所示的光强分布曲线110，这种情况导致成像画面不清楚，再有就是，由于成像镜头的感光元件112(如CCD)一般为矩形，如图3所示，但由于照明区域111是圆形，所以，即使充分利用照明区域，效率也仅仅有61％(CCD的面积/照明圆区域的面积)，因此，光能量损失严重。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题在于，提供一种应用于夜视系统中的照明系统，用于实现远距离大范围的夜间照明。

为解决上述技术问题，本发明提供应用于夜视系统中的照明系统，包括：光源、变焦透镜组和变焦驱动装置，所述变焦驱动装置与所述变焦透镜组和/或所述光源连接，用于使所述变焦透镜组中的透镜与所述光源产生相对位移，以改变所述变焦透镜组的焦距，并且，所述光源的光出射面位于所述变焦透镜组的焦点或焦点之外。

进一步地，上述的应用于夜视系统中的照明系统中的所述变焦透镜组至少包括两个或两个以上的单透镜或透镜组，其中一单透镜为凸透镜，或其中一透镜组为具有正焦距的透镜组。

所述用于使所述变焦透镜组中的透镜与所述光源产生相对位移的所述变焦驱动装置的驱动信号来自夜视系统，以使所述照明系统发出的照明光斑的大小与探测范围一致。

进一步地，所述应用于夜视系统中的照明系统还包括一用于对所述光源发出的光进行均匀化的匀光装置，所述匀光装置位于所述光源和所述变焦透镜组之间，并且所述匀光装置的光出射面位于所述变焦透镜组的焦点或焦点之外。

具体地，所述匀光装置包括一出光口，所述出光口的形状为一几何形状，并与所述夜视系统中探测器的形状相对应。其中，所述的几何形状可以为圆形、正方形或矩形。

另外，所述匀光装置为一透明玻璃棒，或由空心的多面反射镜组成，或由两组微透镜阵列构成，或由衍射元件组成。

上述应用于夜视系统中的照明系统中的所述变焦驱动装置包括动力机构和传动机构，所述传动机构与所述变焦透镜组和/或所述光源连接，由所述动力机构通过传动机构带动所述变焦透镜组和/或所述光源移动，使所述变焦透镜组中的透镜与所述光源产生相对位移。如果系统中包括匀光装置的话，所述传动机构与所述变焦透镜组和匀光装置连接，改变的是变焦透镜组中的透镜与匀光装置之间的相对位移。

上述动力机构包括各种电机驱动机构，或压电陶瓷驱动机构，或气动机构，或声驱动机构。上述传动机构包括丝杠传动机构、齿轮/齿条传动机构、凸轮传动机构或皮带传动机构。

本发明所述的应用于夜视系统中的照明系统中的所述光源为高亮度LED、可见光光源、激光器或紫外光/红外光光源。从另一方面来说，所述光源为脉冲光源或连续发光光源。所述脉冲光源可以与所述夜视系统同步。

另外，所述光源与匀光装置之间可以直接藕合或用光纤或透镜藕合。所述变焦透镜组中的透镜或透镜组可以是衍射透镜或由菲涅尔透镜组成。

本发明通过改变变焦透镜组的焦距，使本发明所述系统的照明角度随着变焦透镜组焦距的变化能进行大范围地调节，而且，本发明照明均匀，这将使得成像清晰，不存在暗斑，并且能有效提高光的利用率，减小光能损失。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

附图说明

图1为本发明的夜视系统及照明系统的原理框图；

图2为现有照明装置出射光在目标区域形成的圆形照明光斑及光强分布曲线图；

图3为现有照明装置的照明光斑形状与CCD形状的对比示意图；

图4为本发明所述照明系统的基本结构原理示意图；

图5为本发明所述照明系统变焦透镜组的变焦原理示意图；

图6a和图6b为两种光波导型光均化器原理结构图；

图7为一种由微透镜阵列组成的匀光装置原理结构图；

图8为图5中的变焦透镜组的焦距变化曲线图。

具体实施方式

参见图1，为本发明所涉及到的一种夜视系统及照明系统的原理框图，所述的夜视系统100包括探测系统108、系统控制器107和本发明所述的照明系统106，其中，照明系统106包括：光源101、光均化器102(匀光装置的一个实施例)、变焦透镜组103和变焦驱动装置105，所述变焦驱动装置105与所述变焦透镜组103连接，当然也可以与所述光均化器102连接，用于使所述变焦透镜组103中的透镜与所述光均化器102产生相对位移，以改变所述变焦透镜组的焦距，并且，所述光均化器102的出光面位于所述变焦透镜组的焦点或焦点之外。

所述的照明系统106由系统控制器107所控制，具体地，变焦驱动装置105接受系统控制器107发出的驱动信号，根据该驱动信号改变变焦透镜组103中的透镜的位置，以此改变焦透镜组103的焦距，使得从光源发出的光，经过光均化器102的均匀处理，由变焦透镜组103成像到目标区域，而探测系统108则接受已照明的目标区域反射的光。

参见图4，为图1中本发明所述照明系统106的原理结构示意图。所述照明系统包括一光源113、匀光装置114、变焦透镜组200和变焦驱动装置105，其中，所述变焦驱动装置105与所述变焦透镜组200连接，当然也可以与匀光装置114连接，其作用在于使所述变焦透镜组200中的透镜201或202与所述匀光装置114产生相对位移，以改变所述变焦透镜组200的焦距，并且，所述匀光装置114的光出射面位于所述变焦透镜组200的焦点或焦点之外。

在本发明中，所述的变焦透镜组200为一复合透镜，其至少包括两个或两个以上的透镜或透镜组。以包括两个透镜为例，对复合透镜的原理说明如下：

如果第一个透镜的焦距为f1，第二个透镜的焦距为f2，透镜之间的距离为d，则从第二个透镜到该复合透镜焦点之间的距离称为后焦距(BFL)，如图5所示。那么

$\mathrm{BFL}=\frac{f_2(d-f_1)}{d-(f_1+f_2)}---\left(1\right)$

这个复合透镜的焦距f的表达式为：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}-\frac{d}{f_1{f}_2}---\left(2\right)$

从上式可见，两透镜组成的复合透镜的焦距f仅与其中两透镜之间的距离和每一个透镜元件的焦距有关。

如果把透镜看成是薄透镜，并且紧靠在一起时d＝0，这个复合透镜的焦距f的表达式为：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}---\left(3\right)$

本发明中所述的变焦透镜组应用上述的复合透镜，如图4中所示，由两个透镜201、202组成，与所述匀光装置114较近的为凹透镜201，另一个为凸透镜202，匀光装置114到凹透镜201的距离116为该变焦透镜组200的后焦距，距离118为该变焦透镜组200的焦距，凹透镜201与凸透镜202之间的距离117为d。当然，本发明中的变焦透镜组200也可以由透镜和透镜组或全部由透镜组组成，但无论怎样组合，必须有一个透镜或透镜组是正焦距才可以。

由于本发明的光出射面位于所述变焦透镜组200的焦点或焦点之外，出射光束的发散角度采用以下公式计算：

θ＝2arctg(D/(2f))         (4)

其中，θ为出射光束的发散角，D为匀光装置114出光口的最大直径；f为变焦透镜组的焦距。

根据以上公式可以得出，当D为一固定参数，θ的大小随着f的变化而变化，当f变大，则θ变小，反之，当f变小，则θ变大。因此，可以通过改变变焦透镜组的焦距f的大小来改变照明系统的出射光束的发散角θ的大小。例如，当D＝4mm，f＝460—12mm时，θ＝0.5—20度，此时完全可以满足对于1000米以上距离的夜视照明。

在实际应用中，照明系统的发散角要和探测系统一致，例如CCD的感光面为矩形其对角线为最大直径L，如果此时CCD镜头的焦距为fc，那么CCD摄像系统的视场角就是：

α＝2arctg(L/(2fc))           (5)

在一般情况下θ≈α，所以

f＝fc D/L                    (6)

由此可以根据CCD摄像系统的变焦范围得到照明系统变焦透镜的焦距范围。

关于变焦透镜组200的变焦过程，如图5所示。两个共轴透镜201和202分别为一凹透镜和一凸透镜，当他们之间的距离d发生变化时，由这两个透镜组成的复合透镜的焦距也发生了变化。其中，焦点到最近透镜201的距离204称为后焦距。在负透镜和正透镜的组合中，其主面可以在正透镜之外，因此可有效减小透镜组的长度。距离203为组合透镜的焦距，如图5所示，当透镜201沿曲线208移动并且透镜202沿曲线207移动时，透镜间距d增大，焦距变小，并且后焦距也变短为距离204’。

对上述系统进行光学仿真，结果如图8所示。当凹透镜201的焦距f1＝—5mm、凸透镜202的焦距f2＝12mm时，随着凸透镜202与凹透镜201之间的距离d的变化，其复合透镜的焦距f和后焦距BFL也随之发生变化，其变化曲线如图8所示。其中，横轴为透镜间距值，实线为焦距f的变化曲线，虚线为后焦距BFL的变化曲线。由图可以看出当透镜间距d从7mm增大到12mm时，焦距f可以由此430mm缩小到10mm。

对于变焦透镜组200不只可以由两个透镜组成，也可以由两个以上透镜组组成。而每个透镜组可以是单透镜或多个透镜元件的组合，并且，当透镜组之间的距离发生变化时，变焦透镜组200的焦距也随之发生变化。在变焦透镜组200中也可以使用衍射透镜或菲涅尔透镜。

在一实施例中，在该系统中增加一匀光装置114，如一光均化器，通过增加光均化器，用以均衡所述光源113发出的照明光，使入射到变焦透镜200的光更加均匀，以使最终出射的光束照度均匀。

当然，如果从光源113发出的光足够好，也可以没有匀光装置114，此时，便是所述光源的光出射面位于所述变焦透镜组200的焦点或焦点之外。

其中，图6a和图6b分别是一种简单实用的光均化器的原理结构图，其光出口一般为一几何形状，具体采用什么形状，可以与本发明所述照明系统相配合的探测系统(如摄像/照相系统)中的感光元件的形状相匹配，例如，目前的感光元件为CCD，CCD的形状一般为长方形，所以，光均化器的光出口也可以为长方形。通过如此匹配，可以使照明区域完全落入CCD的感光面，从而大大提高光的利用率，减少光损失。

图6a和6b为波导形，如图6a所示的长方棒，当然也可以是楔型棒，其材料一般具有很高透过率的光学材料，并且在两端面301镀增透膜，其它四个侧面302镀反射膜。当一端输入光时，光只能在棒中传播并被多次反射，就象光纤一样，从而使光在另一端出射时其端面的光分布是均匀的。光的均匀性与棒的长度及输入光的空间带宽积成正比，与棒的截面积及棒的折射率成反比，因此减小材料的光折射率可以增加光均匀性。

如图6b所示，为一由反射镜303、303’组成的空心波导，空心内表面抛光并镀反光材料。当一端输入光时，光被多次反射并从另一端出射，其出射端面的光分布是均匀的。

图7是另一种由两微透镜阵列304、305组成的光均化器。其原理是，第一透镜阵列304的每一个小透镜单元将光源成像在第二透镜阵列305上，并且两透镜阵列的小透镜单元是一一对应的，第二透镜阵列305的每一个小透镜单元将第一透镜阵列304的每一个小透镜单元成像在无限远。也就是第一透镜阵列304位于第二透镜阵列305的焦面，所以出射光的远场图案是与第一透镜阵列304的每一个小透镜单元形状相同并且照度均匀。在需要有限距离照明时可在其后再加一个傅立叶变换透镜306，则其远场图案就形成在其焦面307上，如光线308、309从第一透镜阵列304发出然后汇聚在傅立叶变换透镜306的焦面307上。在本发明中，可以将出光口设在焦面307上。当然也可以将傅立叶变换透镜306放到变焦透镜组200中，使其成为变焦透镜组200的一部分，此时其出光口在无限远处，使用透镜阵列的光均化器的优点是光均匀，吸收少。

另外，光均化器也可以由衍射元件组成，由于衍射元件是针对光源的特性进行设计的，特别是激光光源，并且技术手段较多，故在此不再赘述。

在本发明中，一般来说，光源113和匀光装置114是连接在一起的，如图4所示，也可以用光纤或透镜耦合。为了实现改变变焦透镜组200的焦距，而使用一变焦驱动装置105与变焦透镜组200中的透镜连接，或与光源113及匀光装置114连接，以改变该变焦透镜组200中透镜之间的距离及与匀光装置114的距离，使匀光装置114的出光口成像到目标区域。

所述变焦驱动装置105至少包括动力机构119和传动机构120，所述传动机构120与所述变焦透镜组200和/或所述光源113及匀光装置114连接，由所述动力机构119通过传动机构120带动所述变焦透镜组200和/或所述光源113及匀光装置114移动，使所述变焦透镜组200或所述光源113及匀光装置114产生相对位移。

其中，作为一个简单的实现方式，动力机构119可以包括一电动机，所述传动机构120可以包括丝杠传动机构、齿轮/齿条传动、凸轮传动或皮带传动等等。

另外，对上述变焦驱动装置105的控制，可以采用单独的控制系统，也可以合并入与本发明所述照明系统相配合使用的摄像或照相、监控等系统。控制变焦驱动装置105工作为普通的自动控制，在此不必赘述。

在本发明中，所述光源113可以为高亮度LED，也可以为可见光光源，也可以为激光光源或紫外/红外光源，并由光纤或透镜耦合到匀光装置中，可根据不同的应用领域和场所进行选择。

在本发明中，由于光出射面位于变焦透镜组的焦点或焦点之外，所以，变焦透镜组将光出射面成像在所照明的目标上，并且，通过所述变焦驱动装置，以改变所述变焦透镜组的焦距并保持将光出射面成像在所照明的目标上。根据公式(4)，通过调节变焦透镜组200的焦距，可以调节光源的发散角，并且，由于变焦透镜组的焦距可以在几百到几十毫米，甚至于更大的范围内调整，所以，使得光源的发散角的调整范围大大提高。

由于在光源后增加了匀光装置，使得光在光出射面分布均匀，通过控制出光口的形状，可以使得光出射面的形状与探测器形状相同，所以照明均匀，在照明目标上的成像清晰，不存在暗区，并且能够高效地利用光能，提高了光的利用率，减小了光能损失。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种应用于夜视系统中的照明系统，包括：光源，其特征在于，还包括变焦透镜组和变焦驱动装置，所述变焦驱动装置与所述变焦透镜组和/或所述光源连接，用于使所述变焦透镜组中的透镜与所述光源产生相对位移，以改变所述变焦透镜组的焦距，并且，所述光源的光出射面位于所述变焦透镜组的焦点或焦点之外。

2.根据权利要求1所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述变焦透镜组至少包括两个或两个以上的单透镜或透镜组，其中一单透镜为凸透镜，或其中一透镜组为具有正焦距的透镜组。

3.根据权利要求1所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述照明系统还包括一用于对所述光源发出的光进行均匀化的匀光装置，所述匀光装置位于所述光源和所述变焦透镜组之间，并且所述匀光装置的光出射面位于所述变焦透镜组的焦点或焦点之外。

4.根据权利要求3所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述匀光装置包括一出光口，所述出光口的形状为一几何形状，并与所述夜视系统中探测器的形状相对应，所述的几何形状可以为圆形、正方形或矩形。

5.根据权利要求3所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述匀光装置为一透明玻璃棒，或由空心的多面反射镜组成，或由两组微透镜阵列构成，或由衍射元件组成。

6.根据权利要求1所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述变焦驱动装置包括动力机构和传动机构，所述传动机构与所述变焦透镜组和/或所述光源连接，由所述动力机构通过传动机构带动所述变焦透镜组和/或所述光源移动，使所述变焦透镜组中的透镜与所述光源产生相对位移。

7.根据权利要求6所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述动力机构包括各种电机驱动机构，或压电陶瓷驱动机构，或气动机构，或声驱动机构；所述传动机构包括丝杠传动机构、齿轮/齿条传动机构、凸轮传动机构或皮带传动机构。

8.根据权利要求1所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述光源为高亮度LED、可见光光源、激光器或紫外光/红外光光源，或为脉冲光源或连续发光光源，其中，所述脉冲光源可以与所述夜视系统同步。

9.根据权利要求3所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述光源与匀光装置之间可以直接藕合或用光纤或透镜藕合。

10.根据权利要求1所述的应用于夜视系统中的照明系统，其特征在于，所述的变焦透镜组中的透镜可以是衍射透镜或由菲涅尔透镜组成。

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