CN108267849B - 一种大变倍比远距离变焦系统和激光照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大变倍比远距离变焦系统及激光照明系统，该变焦系统沿光线的传播方向依次设有：具有正屈光度的第三透镜组、具有负屈光度的第二透镜组以及具有正屈光度的第一透镜组，第一透镜组为固定设置，第二透镜组为变倍组，第三透镜组为对焦组，且第二透镜组和第三透镜组通过联动机构连接。本发明通过沿光线的传播方向依次设置具有正屈光度的第三透镜组、具有负屈光度的第二透镜组以及具有正屈光度的第一透镜组，并通过第二透镜组和第三透镜组的联动移动，可以实现80倍的焦距变化，保证在大变倍比的变焦范围内，实现光束的均匀照明，变焦效果好，满足光束的远距离照明需求，适用于各种照明系统中，可广泛应用于激光照明行业中。

Description

一种大变倍比远距离变焦系统和激光照明系统
技术领域
本发明涉及激光照明领域，特别是涉及一种大变倍比远距离变焦系统和激光照明系统。
背景技术
在安防监控领域，远距离近红外照明以成为一项重要技术。目前比较常用的近红外主动照明光源以近红外LED和近红外激光器居多。虽然近红外LED相比于近红外激光器功耗低、价格便宜，但其在远距离照明时，例如150M以上时，LED照明效果不佳，而激光器由于其单色性好，方向性好，体积小等优势更适合作为远距离照明光源。因此远距离近红外主动照明通常采用808-980nm波长的近红外激光器作为照明光源。
为了有效利用激光出射光束，并使其照明角度可根据使用要求在某一范围连续可调，通常将激光出射光经光纤耦合整型输出，光纤出射光再通过一光学系统进行扩束使得出射光束的最终出射光束角度可调，并实现对出射光束的均匀化，最终在物体表面得到一个均匀的照明光斑。因此，远距离激光照明系统需要满足以下要求：一、满足一定的变焦范围，即满足一定的角度变化范围；二、需要较小的F数，以便达到对光源能量的充分利用；三、需满足使出射光束在物体表面得到一个均匀的光斑，即在光束的照明范围内各点能量比较均匀。
目前，远距离近红外激光照明镜头的常见变焦倍数一般在60-80倍F1.8，应用到目前的照明系统中，存在照明角度变化范围不够合理的问题，实际使用时要么变化范围内照明角度整体偏大，要么偏小。变化范围内照明角度整体偏小时，造成在其最小照明角度时画面易过曝，在其最大照明角度时照明范围偏小；变化范围内照明角度整体偏大时，在其最小照明角度时，照明角度相对其他系统较大这样就导致其能够实现的照明距离相应的减小，在其最大照明角度时理论上照明范围较大，而实际使用时激光器能量一定，在超过一定照明范围时照明效果较差，甚至达不到照明的效果。
总的来说，目前的远距离激光照明系统在其变化范围内的照明效果较差，难以满足应用需求。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种大变倍比远距离变焦系统和激光照明系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种大变倍比远距离变焦系统，沿光线的传播方向依次设有：具有正屈光度的第三透镜组、具有负屈光度的第二透镜组以及具有正屈光度的第一透镜组，所述第一透镜组为固定设置，所述第二透镜组为变倍组，所述第三透镜组为对焦组，且所述第二透镜组和第三透镜组通过联动机构连接。
进一步，所述第一透镜组包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片和第二镜片均具有正屈光度，所述第二透镜组采用双凹的具有副屈光度的第三镜片，所述第三透镜组采用双凸的具有正屈光度的第四镜片。
进一步，所述第一镜片为平凸透镜，且第一镜片位于光线入射侧的一面为平面，位于光线出射侧的一面为曲面，该曲面的曲率半径为：150～160mm；所述第二镜片为弯月形状。
进一步，所述第三镜片位于光线入射侧的曲面的曲率半径为：18～22mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径为：-22～-18mm；
所述第四镜片位于光线入射侧的曲面的曲率半径为：-13.4～-13mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径为：2.6～3mm。
进一步，所述变焦系统的变倍比为F2/F1≧80，F1≦0.5MM，F2≧40MM，其中F1为变焦系统的短焦端的有效焦距，F2为变焦系统的长焦端的有效焦距。
进一步，所述第一镜片和第二镜片的折射率为1.9～1.95，所述第三镜片的折射率为1.8～1.82，所述第四镜片的折射率为1.9～1.95。
进一步，所述第二透镜组与第一透镜组之间的距离为2.18mm～68.15mm，所述第三透镜组与第一透镜组之间的距离为83.1mm～83.52mm。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
一种大变倍比远距离激光照明系统，包括激光发生器和镜筒，所述镜筒内设有所述的大变倍比远距离变焦系统。
进一步，所述激光照明系统的照明角度为0.3度～25度。
进一步，所述激光照明系统的总长度为100～102mm。
本发明的有益效果是：本发明通过沿光线的传播方向依次设置具有正屈光度的第三透镜组、具有负屈光度的第二透镜组以及具有正屈光度的第一透镜组，并通过第二透镜组和第三透镜组的联动移动，可以实现变焦系统80倍的焦距变化，保证本变焦系统在大变倍比的变焦范围内，实现光束的均匀照明，变焦效果好，满足光束的远距离照明需求，适用于各种照明系统中。
附图说明
图1是本发明的大变倍比远距离变焦系统的结构示意图；
图2是本发明的大变倍比远距离变焦系统的第一透镜组的曲率半径标注示意图；
图3是本发明的大变倍比远距离变焦系统的第二透镜组的曲率半径标注示意图；
图4是本发明的大变倍比远距离变焦系统的第三透镜组的曲率半径标注示意图；
图5是本发明具体实施例中各透镜组之间距离随变焦系统的出光角度的变化示意图；
图6是本发明的一种大变倍比远距离激光照明系统的结构示意图。
具体实施方式
变焦系统实施例
参照图1，一种大变倍比远距离变焦系统，沿光线的传播方向依次设有：具有正屈光度的第三透镜组L3、具有负屈光度的第二透镜组L2以及具有正屈光度的第一透镜组L1，所述第一透镜组L1为固定设置，所述第二透镜组L2为变倍组，所述第三透镜组L3为对焦组，且所述第二透镜组L2和第三透镜组L3通过联动机构连接。
本发明中，通过第二透镜组L2和第三透镜组L3的联动移动，可以实现变焦系统80倍的焦距变化，而且通过采用各个透镜组的正负屈光特性选择，可以保证本变焦系统在大变倍比的变焦范围内，实现光束的均匀照明，变焦效果好，满足光束的远距离照明需求，适用于各种照明系统中。
进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜组L1包括第一镜片G1和第二镜片G2，所述第一镜片G1和第二镜片G2均具有正屈光度，所述第二透镜组L2采用双凹的具有副屈光度的第三镜片G3，所述第三透镜组L3采用双凸的具有正屈光度的第四镜片G4。
进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述第一镜片G1为平凸透镜，且第一镜片G1位于光线入射侧的一面为平面，其曲率R2位∞，位于光线出射侧的一面为曲面，该曲面的曲率半径R1为：150～160mm；所述第二镜片G2为弯月形状。第二镜片G2位于光线入射侧的曲面的曲率半径R4为：113～116mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径R3为：66～70mm。
进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述第三镜片G3位于光线入射侧的曲面曲率半径R6为：18～22mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径R5为：-22～-18mm；
参照图4，所述第四镜片G4位于光线入射侧的曲面的曲率半径R8为：-13.4～-13mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径R7为：2.6～3mm。
第一镜片G1和第二镜片G2采用相同的材质，第三镜片G3和第四镜片G4采用不同材质。
进一步作为优选的实施方式，所述变焦系统的变倍比为F2/F1≧80，F1≦0.5MM，F2≧40MM，其中F1为变焦系统的短焦端的有效焦距，F2为变焦系统的长焦端的有效焦距。短焦端是指变焦系统的焦距最短时的位置，此时照明角度最大，且第二透镜组L2离第一透镜组L1最近。长焦端是指变焦系统的焦距最长时的位置，此时照明角度最小，且第二透镜组L2离第一透镜组L1最远。
进一步作为优选的实施方式，所述第一镜片G1和第二镜片G2的折射率为1.9～1.95，所述第三镜片G3的折射率为1.8～1.82，所述第四镜片G4的折射率为1.9～1.95。
本实施例中，各个镜片的厚度与镜片曲面的曲率有关，焦距也与镜面曲率相关，在不同的镜片曲率下，具有不同的厚度以及焦距。本实施例中，各镜片的曲率半径的最优值、厚度最优值、焦距最优值、折射率最优值以及材质选择如下表1所示：
表1变焦系统的最优参数
Figure BDA0001543918900000051
如上表所示，R1的最优值为154.3mm，R3的最优值为68mm，R4的最优值为114.5mm，R5的最优值为-20mm，R6的最优值为20mm，R7的最优值为2.8mm，R8的最优值为-13.2mm。第一镜片G1的最优厚度为6mm，第二镜片G2的最优厚度为8mm，第三镜片G3的最优厚度为0.85mm，第四镜片G1的最优厚度为1.64mm。此时，第一透镜组L1的最优焦距为85.9mm；第二透镜组的最优焦距为-12.7mm；第三透镜组的最优焦距为2.6mm。另外，第一镜片G1和第二镜片G2的折射率值为1.92，第三镜片G3的折射率为1.81，第四镜片G4的折射率为1.91。在表1所述的最优参数下，本变焦系统可以实现最好的变焦效果，满足照明系统的大变倍比要求，而且可以实现高光通量光束的均匀照明。
进一步作为优选的实施方式，所述变焦系统的出光角度为0.3度～25度。
进一步作为优选的实施方式，所述第二透镜组L2与第一透镜组L1之间的距离为2.18mm～68.15mm，所述第三透镜组L3与第一透镜组L1之间的距离为83.1mm～83.52mm。第二透镜组L2与第一透镜组L1之间的距离是指第三镜片G3的曲率半径为R5的曲面与第二镜片G2的曲率半径为R4的曲面的中心点之间的距离，第三透镜组L3与第一透镜组L1之间的距离是指第三镜片G3的曲率半径为R7的曲面与第二镜片G2的曲率半径为R4的曲面的中心点之间的距离。
第二透镜组L2与第一透镜组L1之间的距离、第三透镜组L3与第一透镜组L1之间的距离随变焦系统的出光角度的变化曲线如图5所示，图5中，实线表示L2与L1之间的距离，虚线表示L3与L1之间的距离，如图中所示，当变焦系统的出光角度从小变大时，第二透镜组L2与第一透镜组L1之间的距离从大变小，即L2逐渐向L1靠近，变焦系统的出光角度最小时，L2与L1之间的距离为68.15mm，变焦系统的出光角度最大时，L2与L1之间的距离为2.18mm。同样，如图5中所示，变焦系统的出光角度从小变大时，第三透镜组L3与第一透镜组L1之间的距离先变大后变小，即L3逐渐向L1靠近后，再逐渐远离L1，变焦系统的出光角度最小时，L3与L1之间的距离为83.52mm，变焦系统的出光角度最大时，L3与L1之间的距离为83.15mm，另外，本实施例中，L3距离L1的最近距离为83.10mm。由此可见，本变焦系统中，第二透镜组L2作为变倍组，主要进行前后移动实现变焦倍数的改变，而第三透镜组L3作为对焦组，主要进行微调运动，实现微调对焦，从而保证本变焦系统可以实现良好的变焦效果，保证光束的均匀出射，满足光束的远距离照明需求。
激光照明系统实施例
参照图6，一种大变倍比远距离激光照明系统，包括激光发生器100和镜筒200，所述镜筒200内设有上述变焦系统实施例所述的大变倍比远距离变焦系统。变焦系统的具体结构参照图1～6以及上述变焦系统实施例所述，激光发生器100的出射光线依次经过第三透镜组L3、第二透镜组L2和第一透镜组L1后出射。
进一步作为优选的实施方式，所述激光照明系统的照明角度为0.3度～25度。变焦系统实施例中，变焦系统的出光角度为0.3度～25度，因此，本激光照明系统应用该变焦系统后，照明角度为0.3度～25度。照明角度与各透镜组之间的距离如前述实施例所述。
进一步作为优选的实施方式，所述激光照明系统的总长度为100～102mm。优选的，激光照明系统的最优长度为100.8mm，此时变焦系统的最优参数如上表1所述。
本激光照明系统，应用前述实施例的变焦系统后，可以采用F1.7孔径实现80倍变焦，在0.3度～25度的较大照明角度范围内进行变焦，而且可以获得均匀的光斑效果，照明效果好，满足光束的远距离照明需求，适用于各种照明系统中。
另外，本实施例的大变倍比远距离激光照明系统，具备本发明变焦系统实施例所提供的大变倍比远距离变焦系统的任意特征组合，具备该变焦系统相应的功能和有益效果。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种大变倍比远距离变焦系统，其特征在于，沿光线的传播方向依次设有：具有正屈光度的第三透镜组、具有负屈光度的第二透镜组以及具有正屈光度的第一透镜组，所述第一透镜组为固定设置，所述第一透镜组包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片和第二镜片均具有正屈光度，所述第二透镜组为变倍组，所述第二透镜组采用双凹的具有负屈光度的第三镜片，所述第三透镜组为对焦组，所述第三透镜组采用双凸的具有正屈光度的第四镜片，且所述第二透镜组和第三透镜组通过联动机构连接；
所述第一镜片为平凸透镜，且第一镜片位于光线入射侧的一面为平面，位于光线出射侧的一面为曲面，第一镜片位于光线出射侧的曲面的曲率半径为：150～160mm；所述第二镜片为弯月形状。
2.根据权利要求1所述的一种大变倍比远距离变焦系统，其特征在于，所述第三镜片位于光线入射侧的曲面的曲率半径为：18～22mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径为：-22～-18mm；
所述第四镜片位于光线入射侧的曲面的曲率半径为：-13.4～-13mm，位于光线出射侧的曲面的曲率半径为：2.6～3mm。
3.根据权利要求1所述的一种大变倍比远距离变焦系统，其特征在于，所述变焦系统的变倍比为F2/F1≧80，F1≦0.5MM，F2≧40MM，其中F1为变焦系统的短焦端的有效焦距，F2为变焦系统的长焦端的有效焦距。
4.根据权利要求1所述的一种大变倍比远距离变焦系统，其特征在于，所述第一镜片和第二镜片的折射率为1.9～1.95，所述第三镜片的折射率为1.8～1.82，所述第四镜片的折射率为1.9～1.95。
5.根据权利要求1所述的一种大变倍比远距离变焦系统，其特征在于，所述第二透镜组与第一透镜组之间的距离为2.18mm～68.15mm，所述第三透镜组与第一透镜组之间的距离为83.1mm～83.52mm。
6.一种大变倍比远距离激光照明系统，其特征在于，包括激光发生器和镜筒，所述镜筒内设有如权利要求1-5任一项所述的大变倍比远距离变焦系统。
7.根据权利要求6所述的一种大变倍比远距离激光照明系统，其特征在于，所述激光照明系统的照明角度为0.3度～25度。
8.根据权利要求6所述的一种大变倍比远距离激光照明系统，其特征在于，所述激光照明系统的总长度为100～102mm。
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