CN102150066A - 可变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种可变焦照明系统包括向前投射光的光源，在来自光源的光的路径上具有位于光源的前方的可移动透镜、以及安装在移动透镜的前方的固定透镜，该可移动透镜被安装为朝向和远离光源轴向移动。通过设计，透镜组合产生位于实际光源的后方的光源的像，并且可移动透镜的移动使从像向前投射的光聚焦。与单透镜系统相比，在该双透镜系统中，为了实现焦点的给定的位置准确度，移动透镜中所需的定位准确度可以降低一个数量级。根据本发明的另一方面，可移动透镜被形成为具有固定直径的相对的间隔的光阑的单元。

Description

可变焦光学系统
技术领域
本发明总体上涉及光学系统，更具体而言，涉及一种通过使用可变束焦点来提供增大的景深的光学照明系统。
背景技术
诸如条形码读取器的光学扫描器投射扫描的激光束，该激光束引导到包含代码的远程目标上。由上述代码反射的照明然后被处理以检测代码。代码的准确读取需要激光束在横越代码扫描时保持聚焦。这需要比利用CCD或CMOS图像传感器普通得到的景深更大的景深。因此，在激光扫描器中典型地使用可变焦，以便增大有效景深。
在图1中示意性地示出一种典型的激光照明系统10。诸如激光二极管12的激光光源向前投射激光。光入射到聚焦透镜14并穿过它，在该情况下，聚焦透镜14是固定透镜，光在透镜的前方通过光阑16。相对窄的束从光阑16投射，并且在离光阑16的距离Z0处呈现出束腰18或最小直径，在特定的光波长下，Z0的实际值通过透镜14的焦距和光阑16的直径确定。
图2是在日本专利No.3730673中公开的可变焦激光束照明系统10’的示意图。即，系统10’产生激光束，其中，束腰离光阑的距离可以被调节。在该情况下，光源12向前将激光投射到透镜20上并穿过该透镜20。透镜20被安装为朝向和远离光源12轴向移动。从透镜20向前发射的光入射到具有可变直径的光阑22上。通过透镜20的移动以及光阑22的同时调节，激光束腰离光阑22的距离可以在一定范围的值内被调节。通过感测目标离光阑22的距离以及相应地调节透镜20和光阑22，可在一定范围的值内调节束腰离光阑22的距离，从而它可以被设置在与目标的距离相对应的距离处。结果，有效地增大了光源10’的景深。
虽然增大激光源的有效景深是希望的结果，但是实现的成本相当可观。对于必须协调的两个分离的控制系统和致动器，实现透镜位置的控制和光阑大小。因此，光源变得复杂，且难以实现小型化。
发明内容
根据本发明的一方面，一种可变焦照明系统包括向前投射光的光源，在来自光源的光的路径上具有位于光源的前方的可移动透镜、以及安装在光源的前方的固定透镜，该可移动透镜被安装为朝向和远离光源轴向移动。优选地，固定透镜在可移动透镜的前方。通过设计，透镜组合产生位于实际光源的后方的光源的像，并且可移动透镜的移动使从像向前投射的光聚焦。与单透镜系统相比，在该双透镜系统中，为了实现焦点的给定的位置准确度，可移动透镜中所需的定位准确度可以降低一个数量级。
根据本发明的另一方面，可移动透镜形成为具有固定直径的相对的间隔的光阑的单元。照明系统包括向前投射光的光源，前述单元被安装在光源的前方，用于朝向和远离光源轴向移动，并且，固定透镜被安装在光源的前方。不仅可移动透镜的移动改变发射光束的焦点，而且光阑朝向和远离光源的同时移动改变了传递至固定透镜的光的最大角度。这特别导致焦点的有效控制。不仅相比于固定直径光阑而减小的束腰直径使得照明系统产生的光斑大小更小，而且在照明系统的整个焦点范围内的光斑大小的变化减小。此外，还实现更加一致的照明强度。
附图说明
通过下面参考附图对根据本发明的目前优选的且示例性的实施例的详细描述，可以更加全面地理解本发明的上述简要说明以及进一步目的、特征和优点，在附图中：
图1是典型的现有的激光束照明的示意图；
图2是本领域中已知的可变焦激光束照明系统的示意图；
图3是根据本发明的可变焦照明系统的第一实施例的截面图；
图4是对于图2所示的照明系统(30)的类型而言的系统焦距F作为移动透镜20的位置的函数的曲线图；
图5是如图3所示的系统30中的系统焦距作为激光二极管34和移动透镜38之间的距离的函数的曲线图；
图6是图3的系统30的光学参数的示意图；
图7是根据本发明的可变焦照明系统的第二实施例130的截面图；
图8(A)和8(B)是系统130中的光阑156位于框架154的极端位置的效果的示意图，其中，图8(A)涉及在其最前方位置处的框架154，图8(B)涉及在其最后方位置处的框架154；以及
图9是光斑大小(束腰直径)作为离光阑的距离的函数的曲线图。
具体实施方式
现在参考附图，图3是根据本发明的可变焦照明系统30的第一实施例的截面图。系统30包括外壳32，并且大体上包括：安装在外壳的后方的以激光二极管34形式的光源；在激光二极管34的前方处被安装到外壳32的固定透镜36；和安装在激光二极管34和固定透镜36之间的移动透镜38，用于朝向和远离激光二极管移动。透镜38的移动可以通过以下描述的线性致动器(linear actuator)来实现。
操作中，激光二极管34朝向透镜36和38向前发射光。通过透镜36和38的合作，聚焦束向着透镜36的前方投射。透镜38的移动使得投射束腰移动。具体而言，当透镜38更接近激光二极管34移动时，束腰向前移动，从而增大了系统30的有效焦距。
优选地，激光二极管34产生波长为650nm的光，尽管还可以使用其它波长的光。二极管34被安装在外壳32后方的开口32a中以向前方向发射光。
固定透镜36被安装在外壳32内的壁40上并在壁40的开口40a中凸出。优选地，透镜36的焦距为233mm，并且，透镜36被安装在离激光二极管34的固定距离2.284mm处。然而，将会认识到，这些值可以根据应用变化。移动透镜38优选地是焦距为20mm的球面透镜，且被安装为在离激光二极管34的1至1.5mm距离上可移动。然而，根据应用，还可使用其它焦距和移动距离。还可预期到的是，透镜38可以是柱面的、凸超环面(convex toroid)的、凹超环面的，或任何其它形状。根据这个结构，系统焦距可以从100mm变化至800mm。
大体上柱形的固定轭45被安装在外壳32的内部且向后凸出。套筒状可移动轭50被安装在轭45的上方，从而沿着该轭45可轴向滑动。轭50的前端通过挠性悬挂元件52被安装在外壳32上。在轭50的后端，安装有支撑移动透镜38的框架54。框架54又通过挠性悬挂元件56安装在外壳32上。悬挂元件52和56保持轭50，使得它在轭45上轴向滑动。这使得透镜38朝向和远离激光二极管34移动。
线性致动器由安装在外壳32内的固定磁体60和围绕轭50形成的电线圈65限定。如本领域技术人员所认识的，当电流被施加到线圈65上时，感应磁场将与磁体60相互作用，使得轭50在固定轭45的上方轴向滑动。通过控制施加到线圈65上的电流的振幅和方向，可以控制轭50的位置，从而控制透镜38相对于激光二极管34的位置。实际上，能够检测目标的距离且控制透镜38的位置，从而使得束腰位于目标的位置处。
图4是对于图2所示的照明系统(30)的类型而言的系统焦距F作为移动透镜20的位置的函数的曲线图。可以看出，曲线图中的曲线是如此陡峭，以至于通过将可移动透镜移动大约.05mm来获得从100mm到800mm的系统焦距变化。为了比较，图5是如图3所示的系统30中的系统焦距作为激光二极管34和移动透镜38之间的距离的函数关系的曲线图。可以看出，通过在.5mm的距离上移动透镜38来实现从100mm到800mm的系统焦距变化。换句话说，透镜38的移动量比透镜20的移动量大一个数量级。因此，如果希望以离散的步幅(如5mm步幅)来控制系统焦距，那么在图2的系统10’中将比在图3的系统30中更加困难。
虽然在优选实施例中移动透镜38设置在激光二极管34和固定透镜36之间，但是这种结构不是必须的。本发明预期到，固定透镜36可以设置在激光二极管34和移动透镜38之间。
图6是系统30的光学参数的示意图。示出了透镜36和38以及激光二极管34的位置O。本发明的双透镜系统的一个效果是在位置Oimag处产生激光二极管34的像，该位置Oimag从位置O处向后偏移量SIFT。偏移的像然后通过透镜38的移动来聚焦。实际上，操作被偏移到图4的曲线图的特征的较不陡峭的部分，从而导致图5的特征曲线图。
图7是根据本发明的可变焦照明系统的第二实施例130的截面图。系统130的大部分元件在结构和操作上与系统30中的相应元件相同，并且用相同的附图标记表示。主要的区别在于框架154的结构，框架154与框架54的不同之处在于，一体的光阑结构158朝着后方被安装在离移动透镜38的某一距离处。在优选实施例中，该距离是.3mm且光阑156的直径为.25mm。然而，本领域技术人员将会认识到，这些值可以根据应用变化。否则，各种部件的距离、尺寸和移动量保持相同。还可以预期到的是，光阑158可以位于透镜38前方，并且固定透镜36可以位于激光二极管34和框架154之间。
图8(A)和图8(B)是光阑156位于框架154的极限位置的示意图。在图8(A)中，框架154位于其最前端位置。在该位置处，光阑158掩盖了从二极管34发射的光的大部分。这导致在透镜36的前端的有效光阑直径另一方面，框架154处于其最后端位置，从二极管34发射的光更多地穿过光阑158，从而导致基本上大于
Figure BPA00001346867200052
的有效光阑直径在优选实施例中，
Figure BPA00001346867200054
是.5mm而
Figure BPA00001346867200055
是.8mm。将会认识到，这些值可以根据具体的应用变化。然而，清楚的是，有效光阑基本上随着束腰的距离的增大而增大。因此，传送到目标的照明量理想地随着目标的距离而增加，从而导致更加一致的照明强度。
图9是光斑大小(束腰直径)作为离光阑的距离的函数的曲线图。理想地，光斑大小应当为大约.2mm且不随着距离而变化，如曲线110所示。当光阑处于固定位置处，如曲线120所示，光斑大小在100mm处大约等于理想值，但是随着距离线性增大，在离光阑的500mm的距离处达到大约.7mm。在图7所示的移动光阑系统，离光阑的距离是从在透镜36的前端的有效光阑测得的。如曲线130所示，光斑大小在离透镜36的100mm处大约等于理想值，并且随着距离的增大而线性地增大，但以基本上小于曲线120的速率增大。实际上，使用移动光阑减少了平均光斑大小，且光斑大小随着距离更逐渐地增加。
虽然为了示例性的目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将会认识到，在不脱离所附权利要求所限定的公开的发明的情况下，许多增加、修改和替换是可能的。

Claims (24)

1.一种光学照明系统，包括：
向前投射光的照明源；
被安装在投射光的路径中的固定位置处的第一透镜；和
被安装在投射光的路径中的朝向和远离光源移动的第二透镜。
2.如权利要求1所述的系统，其中，第一透镜和第二透镜被构造为在光源的后方产生光源的像，这些透镜还被构造为使得该像朝向系统的前方被投射，其中束腰的位置随着第二透镜的位置而变化。
3.如权利要求1所述的系统，其中，光源发射定义为激光的波长的范围内的光。
4.如权利要求3所述的系统，其中，光源发射波长大约为650nm的光。
5.如权利要求1或3所述的系统，其中，第二透镜被安装在光源和第一透镜之间。
6.如权利要求5所述的系统，其中，第二透镜被安装为可以从离光源大约1mm的距离移动至离光源大约1.5mm的距离。
7.如权利要求5所述的系统，其中，第一透镜被安装在离光源约2.284mm的距离处。
8.如权利要求3或4所述的系统，其中，第一透镜具有约2.33mm的焦距。
9.如权利要求8所述的系统，其中，第二透镜具有约20mm的焦距。
10.如权利要求8或9所述的系统，其中，第二透镜被安装为可以相对于光源在约0.5mm的距离上移动。
11.如权利要求3或4所述的系统，其中，第二透镜具有约20mm的焦距。
12.如权利要求11所述的系统，其中，第二透镜被安装为可以相对于光源在约0.5mm的距离上移动。
13.如权利要求3或4所述的系统，其中，第二透镜被安装为可以相对于光源在约0.5mm的距离上移动。
14.如权利要求1所述的系统，还包括限定光阑的装置，该光阑以与所述第二透镜相对的关系安装，以便与所述第二透镜一起移动。
15.如权利要求14所述的系统，其中，光阑被安装在第二透镜和光源之间。
16.如权利要求14所述的系统，其中，光源发射定义为激光的波长的范围内的光。
17.如权利要求15所述的系统，其中，光源发射波长大约为650nm的光。
18.如权利要求16或17所述的系统，其中，光阑被安装在离第二透镜约0.3mm的距离处。
19.如权利要求16或17所述的系统，其中，光阑具有约0.25mm的直径。
20.一种操作用于目标的光学照明系统的方法，该系统包括向前投射光的照明源、被安装在投射光的路径中的固定位置处的第一透镜、和被安装在投射光的路径中的朝向和远离光源移动的第二透镜，所述方法包括如下步骤：
检测目标的距离；以及移动第二透镜，直到该系统的焦距大约等于目标的检测距离为止。
21.权利要求20的利用照明系统执行的方法，该照明系统还包括限定光阑的装置，该光阑以与所述第二透镜相对的关系安装，以便与所述第二透镜一起移动。
22.权利要求20的利用照明系统执行的方法，其中，第一透镜和第二透镜被构造为在光源的后方产生光源的像，这些透镜还被构造为使得该像朝向系统的前方被投射，其中束腰的位置随着第二透镜的位置而变化。
23.一种方法，包括：在光源的前方安装固定透镜；以相互之间具有固定的空间关系安装可移动透镜和光阑，所述可移动透镜具有光轴；以及致使可移动透镜和光阑共同沿着所述光轴移动。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述致使包括提供使所述光阑和所述可移动透镜共同移动的电磁场。
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