CN104076417A - 一种可产生光环或光环中心有光点的复合透镜及可实现变焦光环的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提可产生光环或光环中心有光点的复合透镜及可实现变焦光环的光学系统，所述复合透镜包括光入射面和光出射面，光入射面为球面或非球面；光出射面为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中间部为球面或非球面或平面，其余部分为锥形面。可形成无次环和杂光的光环或中心点-光环，且可以在一定距离范围内实现光环的调焦，使产生的图案仍旧保持清晰，避免了主环周围有次环和杂光的缺陷，图案干净，且加工此复合透镜均使用制作透镜的传统技术，工艺成熟，成本低、价格便宜。

Description

一种可产生光环或光环中心有光点的复合透镜及可实现变焦光环的光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种产生光环或产生光环的同时于光环中心产生一光点的技术，尤其是借助该成像技术减少产生的主环周围的次环和杂光的光学技术。 

背景技术

衍射光学元件(Diffractive Optical Elements简称DOE)产生的光环和中心带光点的光环，它是基于光的衍射原理，利用计算机设计衍射图，并通过微电子加工技术在光学材料表面做浮雕形成图案的元件，是属于物理光学的范畴，其优点是易复制、衍射效率高、设计自由度多；其缺点是主图案周围有次级图案和杂光，图1、2所示为用做DOE技术制作的光环和光环-点的光学元件，其主环周围有次环和杂光，另外制作模板费用较高，成品价格高。 

发明内容

本发明的目的是：一、克服通过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements简称DOE)产生的中心点-光环形成的主环周围有次环和杂光的缺陷形成干净的光环，另外价格低。二、提供一种在特定距离上圆环可大可小且图像始终清晰的光学系统。 

为此，本发明提供了一种可产生光环或光环中心有光点的复合透镜，包括光入射面和光出射面，所述光入射面为球面或非球面； 

光出射面为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中心部为球面或非球面或平 面，其余部分为锥形面。 

锥形面的夹角θ：0°＜θ<90°。 

中心部的长度a：0≦a<φmm，φ为复合透镜直径。 

锥形面的长度b： $0<b\&le;\frac{\mathrm{\&phi;}}{2\sin \mathrm{\&theta;}}\mathrm{mm}.$

一种可实现变焦光环的光学系统，包括激光光源、顺次设置在该激光光源的出射激光光路上的可产生光环中心有光点的复合透镜、前固定组透镜、变倍组透镜、补偿组透镜和后固定组透镜。 

所述可产生光环或光环中心有光点的复合透镜的光入射面为球面或非球面，其光出射面为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中心部为球面或非球面或平面，其余部分为锥形面。 

锥形面的夹角θ：0°＜θ<90°。 

中心部的长度a：0≦a<φmm，φ为复合透镜的直径。 

锥形面的长度b： $0<b\&le;\frac{\mathrm{\&phi;}}{2\sin \mathrm{\&theta;}}\mathrm{mm}.$

本发明的优点是：可形成无次环和杂光的光环或中心点-光环，且可以在一定距离范围内实现光环的调焦，使产生的光环或光环-点仍旧保持清晰，避免了主环周围有次环和杂光的缺陷，图案干净，且加工此复合透镜均使用制作透镜的传统技术，工艺成熟，成本低、价格便宜。 

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。 

附图说明

图1是通过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements简称DOE)产生的光环的示意图。 

图2是通过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements简称DOE)产生 的光环-点(即中心有光点的光环)示意图。 

图3是通过现有光学复合透镜产生的光环示意图。 

图4是通过现有光学复合透镜产生的光环中心有点的示意图。 

图5是棱镜侧面为光出射面、且该光出射面中间部为球面或非球面的棱镜-非球面镜复合透镜示意图。 

图6是棱镜侧面为光出射面、且该光出射面中间部为平面的棱镜-非球面镜复合透镜示意图。 

图7是通过棱镜-非球面镜复合透镜产生光环的光路示意图及其产生的图案示意图。 

图8是通过棱镜-非球面镜复合透镜产生中心点-光环的光路示意图及其产生的图案示意图。 

图9是棱镜-非球面镜复合透镜设计标注图。 

图10是确定棱镜-非球面镜复合透镜的各主要参数的计算示意图。 

图11a是在特定距离范围内实现中心点-光环清晰且可变焦的光学系统构成示意图(光路示意图)。 

图11b是前固定组透镜，变倍组透镜移动前光环倍率大且清晰的示意图。 

图11c是前固定组透镜，变倍组透镜移动后光环倍率小且清晰的示意图。 

图12是棱镜侧面的中心部的长度a的示意图。 

附图标记说明：1、光入射面；2、光出射面；3、中心部；4、锥形面；5、激光光源；6、复合透镜；7、前固定组透镜；8、变倍组透镜；9、补偿组透镜；10、后固定组透镜；11、特定距离上的接收屏。 

具体实施方式

为了克服现有技术通过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements简称DOE)产生的中心点-光环形成的主环周围有次环和杂光，另外价格偏高的缺陷，本实施例提供了一种可产生光环中心有光点的复合透镜(棱镜-非球面镜复合透镜)，包括光入射面1和光出射面2，光入射面1为球面或非球面；光出射面2为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中心部3可以是图5所示的球面或非球面，也可以是图6所示的平面，而其余部分为锥形面4(棱镜侧面为锥形)。 

通过该棱镜-非球面镜复合透镜可形成如图7、图8所示的图案，该图显示，其主环外无次环和杂光，非常清晰。 

如图9所示，锥面的夹角θ决定在一定平面上圆环的大小，θ的取值范围为0°＜θ<90°，a和复合透镜的焦距值决定圆环中间点的大小,a的取值范围为0≦a<φmm,φ为复合透镜的直径；b值主要决定圆环的粗细,b的取值范围为 $0<b\&le;\frac{\mathrm{\&phi;}}{2\sin \mathrm{\&theta;}}\mathrm{mm}.$

例如，已知复合透镜的直径为φ5mm,要求10米处圆环的大小为φ500mm,中间点的大小为φ10mm，确定a、b及θ值。 

首先根据10米(即10000毫米)处中心点大小为φ10mm(如图12所示)，可确定α为： 

2α＝1mrad即中心点发散度为1毫弧度 

可根据产品的长度确定球面或非球面透镜的焦距为15mm左右，根据衍射图样中爱里斑公式可确定a值： 

,其中激光管波长取0.000520mm，α＝0.5mrad 

得 $a=\frac{0.61\&times;0.52\&times;2}{0.5}=1.27\left(\mathrm{mm}\right)$

如图10计算θ值: 

10米处圆环外圆为φ500mm，可算出∠1 

根据折射定理：n₂sin∠2＝n₁sin(∠1+∠3) 

展开得：n₂sin∠2＝n₁(sin∠1cos∠3+cos∠1sin∠3)   (2) 

假设此透镜的材料为K9，则n₂＝1.516371 

将n₁＝1，∠1＝1.43°，n₂＝1.516371代入(2)式得： 

1.516371sin∠2＝sin1.43°cos∠3+cos1.43°sin∠3   (3) 

将∠3＝∠2代入(3)得 

1.516371sin∠2＝sin1.43°cos∠2+cos1.43°sin∠2 

计算得：tan∠2＝0.0484 

得∠2＝2.77° 

∠4+∠5＝90°，∠2＝∠5得 

∠4+∠2＝90°   (4) 

将∠2＝2.77°代入(4)式 

得∠4＝90°-2.77°＝87.23° 

∠4＝θ即θ＝87.23° 

计算b值： 

转化为 $\sin \mathrm{\&theta;}=\frac{5-a}{2b}=\frac{5-1.27}{2b}=\frac{3.73}{2b}$

得

这样，a、θ、b及复合透镜的焦距都确定了。 

而为了实现在特定距离上圆环可大可小且图像始终清晰，本实施例提供了一种图11a所示的光学系统即可实现变焦光环的光学系统，包括激光光源(如半导体激光器)5、顺次设置在该激光光源5的出射激光光路上的可产生光环中心有光点的复合透镜6、前固定组透镜7、变倍组透镜8、补偿组透镜9、后固定组透镜10。其中，当各透镜组处在图11a所示的实线位置时，在特定距离接收屏11上可看到如图11b所示的倍率较大且清晰的光环-点的图像，当变倍组透镜8沿光轴移动到8′位置时，系统的组合焦距将发生改变，镜组7和8形成的象点也随之移动，为了使系统在接收屏11上的象点维持不动，则在变倍组8移动的同时，按一定规律移动补偿镜组9到9′位置，使整个系统的象点仍成在接收屏11上，见图11c所示倍率较小且清晰的光环-点的图像。通过同时移动变倍组透镜8和补偿组透镜9达到光环变大变小且始终清晰。其中，可产生光环中心有光点的复合透镜的光入射面为球面或非球面，其光出射面为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中心部为球面或非球面或平面，其余部分为锥形面即其采用的复合透镜是前述的棱镜-非球面镜复合透镜。同样，其在设计制造时，要求标准是：锥形面的夹角θ：0°＜θ<90°，中心部的长度a：0≦a<φmm，φ为复合透镜直径，锥形面的长度b：0＜b≦ 可参见图9。 

该光学系统，通过移动变倍组透镜8和补偿组透镜9两组透镜或只移动变倍组透镜8一组透镜实现光环变大变小且始终保持清晰，可参见图11a。 

综上所述，不难看出本发明是属于几何光学的范畴，是依据光是直线传 播的理论，利用此理论加工的光环或光环-点的复合透镜避免了主环周围有次环和杂光的缺陷，图案干净，如图3、图4所示。且加工此复合透镜均使用制作透镜的传统技术，工艺成熟，成本低、价格便宜。 

Claims (8)

1.一种可产生光环或光环中心有光点的复合透镜，包括光入射面和光出射面，其特征在于：所述光入射面为球面或非球面；

光出射面为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中间部为球面或非球面或平面，其余部分为锥形面。

2.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述锥形面的夹角θ：0°＜θ<90°。

3.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述中心部的长度a：0≦a<φmm，φ为复合透镜直径。

4.如权利要求2所述的复合透镜，其特征在于：所述锥形面的长度b：0＜b≦mm。

5.一种可实现变焦光环的光学系统，其特征在于：包括激光光源、顺次设置在该激光光源的出射激光光路上的可产生光环中心有光点的复合透镜、前固定组透镜、变倍组透镜、补偿组透镜和后固定组透镜；所述可产生光环或光环中心有光点的复合透镜的光入射面为球面或非球面，其光出射面为一棱镜侧面，且该棱镜侧面的中心部为球面或非球面或平面，其余部分为锥形面。

6.如权利要求5所述的复合透镜，其特征在于：所述锥形面的夹角θ：0°＜θ<90°。

7.如权利要求5所述的复合透镜，其特征在于：所述中心部的长度a：0≦a<φmm，φ为复合透镜直径。

8. 如权利要求6所述的复合透镜，其特征在于：所述锥形面的长度b：0＜b≦mm。