CN112666777B - 一种光源视场角调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光源视场角调节系统，包括透镜机构和驱动机构，所述透镜机构包括第一透镜元件和第二透镜元件，第二透镜元件与第一透镜元件并列设置与第一透镜元件一侧，第一透镜元件另一侧设有光源，驱动机构调节第一透镜元件和第二透镜元件的相对位置，驱动机构沿垂直于光轴方向分别调节第一透镜元件和/或第二透镜元件的位置，从而改变调节光源通过透镜机构的发散角度和/或光束方向。通过透镜机构内部微小调节即可实现对出射光束发散角大小和出射光束方向的调节。第一透镜元件和第二透镜元件表面曲面相配合调节，可实现无跃变调节，提升调节效果。驱动机构沿垂直于光轴方向调节即可实现光束方向和发散角的调节，结构简洁，适用范围广。

Description

一种光源视场角调节系统

技术领域

本发明涉及一种光学元件领域，尤其涉及一种光源视场角调节系统。

背景技术

在拍照摄影中，变焦镜头拍摄时场景覆盖角度范围可以从广角到小角度范围变化。这个时候就需要提供闪光照明的闪光灯能够根据拍摄角度的范围有一个与之匹配的适合的光束照射角度。摄影变焦镜头可以从远摄到广角变化，当闪光灯照明角度调整到与成像的场景角度相对应时，可以获得最佳图像质量。例如，在长焦远摄拍照时，最佳闪光灯照明是光束角度要小，就像平行光束一样照射到远处的物体上，而当镜头工作在短焦状态广角拍摄时，就需要闪光灯照明也具有相对较大的照射角度。

例如，一种在中国专利文献上公开的“补光灯的视场角调整方法和移动终端”，其公告号CN109474789B，包括一种补光灯的视场角调整方法和移动终端，以解决现有技术中补光灯的视场角固定，无法进行灵活调节的问题。该方法应用于移动终端，所述移动终端包括有补光灯，所述方法包括：检测目标物体和所述移动终端之间的距离；基于所述距离确定所述补光灯对应的目标折射装置，其中，所述补光灯对应多个折射装置，所述目标折射装置为所述多个折射装置中的一个，所述多个折射装置中每一个折射装置的视场角FOV不同；启动所述补光灯，以使所述补光灯发射的光经过所述目标折射装置射出。上述方案多个补光灯和多个折射装置一一对应，针对场景选择启用不同的闪光灯，存在补光灯发散角度和补光灯光束方向无法随镜头视角调节、调节结构占用空间大、结构复杂成本高的问题。现有技术还有通过改变反射镜的形状来改变闪光灯的场景覆盖角，但反射镜的体积可能会发生很大的变化，而且控制面形的变化会比较复杂，难以操作。此外还有通过液体变焦透镜来实现透镜焦距的变化，从而改变闪光灯的场景覆盖角度的方法。但是液体变焦透镜焦距变化范围有限，此外还存在着液体受环境以及温度影响导致光轴位置漂移，光吸收损耗大的问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的光源变焦和光束方向调节机构复杂调节效果差的问题，提供一种简洁的自由曲面变焦调节光源视场角和光束方向的光源视场角调节系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光源视场角调节系统，其特征是，包括透镜机构和驱动机构，所述透镜机构包括第一透镜元件和第二透镜元件，第二透镜元件与第一透镜元件并列设置与第一透镜元件一侧，第一透镜元件另一侧设有光源，驱动机构调节第一透镜元件和第二透镜元件的相对位置。

作为优选，所述第一透镜元件包括第一面与第二面，第二透镜元件包括第三面和第四面，所述第一面与光源相对，第二面与与第三面相对，出射光束从第四面向外发散。

作为优选，所述驱动机构沿垂直于光轴方向分别调节第一透镜元件和/或第二透镜元件的位置，从而改变调节光源通过透镜机构的发散角度和/或光束方向，

光源经透镜机构发出的光束出射角度α满足如下条件：

当δ＝0时，

当δ＞0且透镜机构焦距f大于光源到透镜机构距离L时，

当δ＞0且透镜机构焦距f等于光源(3)到透镜机构距离L时，

其中，2δ为第一透镜元件和第二透镜元件沿垂直于光轴方向移动的相对距离，D为光束出射口径，n为透镜机构的折射率，A为多项式系数，r为光源发光面半径。

透镜机构光轴相对于光源产生偏移δ，对出射光束的影响如下：

当δ＝0时，出射光束角度范围为α1到α2，光束方向不变：

当δ＞0时，出射光束角度范围为α1到α2，光束沿光轴偏移相反的方向偏移：

当f＝L时，即

时，出射光束范围α1到α2如下，光束沿光轴偏移相反的方向偏移：

第一透镜机构和第二透镜机构均可沿垂直于光轴方向运动，驱动机构可采用压电陶瓷驱动即PZT，或者微机械系统驱动即MEMS等方式，驱动机构通过控制第一透镜机构和第二透镜机构的相对位置来改变透镜机构的折射率和/或透镜机构的光轴位置，从而改变光源经透镜机构后出射光束的发散角度和/或光束方向，简洁化调节机构，大大减小调节机构的空间占用。

作为优选，所述第一面为平面、球面或非球面，第二面为多项式表面，第二面和第三面面型互补，第四面表面为平面，所述多项式表面满足以下条件，表面多项式方程为：

其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x，y)为高阶多项式：

f(x，y)＝b₁xy⁴+b₂x³y²+b₃x⁵+b₄x_y ⁶+b₅x³y⁴+b₆x⁵y²+b₇x⁷+…，

其中，b1，b2，b3，…为高阶多项式系数，

透镜机构产生焦距为：

作为优选，所述第一面为多项式表面，第二面和第三面为平面，第四面与第一面面型互补。调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。

作为优选，所述第一面、第二面、第三面和第四面均为多项式表面，所述第一面与第四面面型互补，第二面与第三面面型互补。调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。

作为优选，所述第一面为平面、球面或非球面，第二面和第三面为微结构表面，第四面为平面、球面和非球面。调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。对于谐衍射微结构表面，相邻环带间的相位差是2π的整数m，m≥1倍，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动，来调节透镜机构的焦距。

作为优选，所述第一面和第四面为微结构表面，第一面和第四面为平面、球面和非球面。调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。

作为优选，所述第一面、第二面、第三面和第四面均为微结构表面。调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。

作为优选，所述第一透镜元件和第二透镜元件之间设有间隙，所述间隙可容纳第一透镜元件和第二透镜元件垂直光轴移动时互相不会产生触碰。调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)通过透镜机构内部微小调节即可实现对出射光束发散角大小和出射光束方向的调节。(2)第一透镜元件和第二透镜元件表面曲面相配合调节，可实现无跃变调节，提升调节效果。(3)驱动机构沿垂直于光轴方向调节即可实现光束方向和发散角的调节，结构简洁，适用范围广。

附图说明

图1是本发明一实施例透镜机构采用多项式表面调节焦距的结构示意图。

图2是本发明一实施例透镜机构采用微结构表面调节焦距相位压缩后的结构示意图。

图3是本发明一实施例透镜机调节时出射角度大小变化及等效示意图。

图4是本发明一实施例透镜机构调节时出射角度范围变化及等效示意图。

图5是本发明又一实施例透镜机构第一透镜元件垂直元光轴移动距离2δ＝0时，出射光束示意图。

图6是本发明又一实施例第一透镜元件垂直光轴向下移动距离2δ＝0.8mm时，出射光束示意图。

图7是本发明又一实施例第一透镜元件垂直光轴向下移动距离2δ＝1.6mm时，出射光束示意图。

图8是本发明又一实施例第一透镜元件与第二透镜元件相对位移2δ＝1.6mm，光源向垂直于光轴方向向下偏移距离Δ＝0.2mm时，出射光束示意图。

图9是本发明又一实施例透镜机构第一透镜元件与第二透镜元件相对位移2δ＝1.6mm，光源垂直于光轴方向向下偏移Δ＝0.4mm时，出射光束示意图。

图10是本发明又一实施例第一透镜元件与第二透镜元件相对位移2δ＝1.6mm，光源垂直于光轴方向向上偏移Δ＝0.8mm时，出射光束示意图。

图中：1、第一透镜元件2、第二透镜元件3、光源。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1：

如图1～4所示的一种可变发散角度和视场的闪光灯，透镜机构采用Alvarez透镜组，光源3采用LED闪光灯，驱动机构采用压电陶瓷驱动，透镜机构由第一透镜元件1和第二透镜元件2组成，两片透镜元件材料均为E48R，第二透镜元件2与第一透镜元件1并列设置与第一透镜元件1一侧，第一透镜元件1和第二透镜元件2之间设有间隙，该间隙可容纳第一透镜元件1和第二透镜元件2垂直于光轴运动时两透镜元件之间不会产生触碰，第一透镜元件1另一侧设有LED闪光灯，驱动机构调节第一透镜元件1和第二透镜元件2的相对位置，驱动机构沿垂直于光轴方向分别调节第一透镜元件1和/或第二透镜元件2的位置，从而改变调节光源3通过透镜机构的发散角度和/或光束方向，第一透镜元件1两透光表面为第一面与第二面，第二透镜元件2两透光表面为第三面和第四面，第一面与光源3相对，第二面与第三面相对，出射光束从第四面向外发散。

如图1、图2所示透镜机构有六种结构形式：1、第一面为平面、球面或非球面，第二面为多项式表面，第二面和第三面面型互补，第四面表面为平面。2.第一面为多项式表面，第二面和第三面为平面，第四面与第一面面型互补。3、第一面、第二面、第三面和第四面均为多项式表面，所述第一面与第四面面型互补，第二面与第三面面型互补。4、第一面为平面、球面或非球面，第二面和第三面为微结构表面，第四面为平面、球面和非球面。5、第一面和第四面为微结构表面，第一面和第四面为平面、球面和非球面。6、第一面、第二面、第三面和第四面均为微结构表面。对于谐衍射微结构表面，相邻环带件的相位差为2π的整数m，m≥1倍。

上述多项式表面满足以下条件，表面多项式方程为：

其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x，y)为高阶多项式：

f(x，y)＝b₁xy⁴+b₂x³y²+b₃x⁵+b₄xy⁶+b₅x³y⁴+b₆x⁵y²+b₇x⁷+…，

其中，b1，b2，b3，…为高阶多项式系数，

透镜机构产生焦距为：

驱动机构通过控制第一透镜机构和第二透镜机构的相对位置来改变透镜机构的折射率和/或透镜机构的光轴位置，从而改变光源3经透镜机构后出射光束的发散角度和/或光束方向，

光源3经透镜机构发出的光束出射角度α满足如下条件如图3所示：

当δ＝0时，

当δ＞0且透镜机构焦距f大于光源3到透镜机构距离L时，

当δ＞0且透镜机构焦距f等于光源3(3)到透镜机构距离L时，

其中，2δ为第一透镜元件1和第二透镜元件2沿垂直于光轴方向移动的相对距离，D为光束出射口径，n为透镜机构的折射率，A为多项式系数，r为光源3发光面半径。

当δ＝0时，出射光束角度范围为α1到α2，光束方向不变如图4所示：

当δ＞0时，出射光束角度范围为α1到α2，光束沿光轴偏移相反的方向偏移：

当f＝L时，即

时，出射光束范围α1到α2如下，光束沿光轴偏移相反的方向偏移：

实施例2，如图5-10所示的一种可变角度和方向的LED照明系统，透镜机构采用Alvarez透镜组中第一透镜元件1和第二透镜元件2均采用E48R，折射率为n＝1.53，第一透镜元件1的第一面为平面，第二面为多项式曲面，第二透镜元件2第三面为多项式曲面，第四面为平面，第二面和第三面互补，多项式曲面满足：

第一面朝向LED光源3，第二面与第三面相对，第四面朝外发射出射光束，LED光源3发光面积为0.2mm*0.2mm，LED到第一透镜元件1第一面的距离L＝2mm，透镜机构对出射光束的调节满足实施例1所述要求，调节时，驱动机构驱动第一透镜机构沿垂直于光轴方向运动第二透镜机构不动，或者驱动第二透镜机构沿垂直于光轴方向运动保持第一透镜机构不动，或者驱动第一第二透镜均沿垂直于光轴方向运动。

如图5所示，当第一透镜元件1垂直元光轴移动距离2δ＝0时，第二透镜元件2不动，出射光束发散角度α＝36.8°；

如图6所示，当第一透镜元件1垂直光轴向下移动距离2δ＝0.8mm时，出射光束的发散角度为α＝28°。

如图7所示，当第一透镜元件1垂直光轴向下移动距离2δ＝1.6mm时，出射光束的发散角度为α＝19°。

如图8所示，第一透镜元件1与第二透镜元件2相对位移2δ＝1.6mm，光源3向垂直于光轴方向向下偏移距离Δ＝0.2mm时，光束方向往上偏移。

如图9所示，第一透镜元件1与第二透镜元件2相对位移2δ＝1.6mm，光源3垂直于光轴方向向下偏移Δ＝0.4mm时，光束方向继续向上偏移。

如图10所示，第一透镜元件1与第二透镜元件2相对位移2δ＝1.6mm，光源3垂直于光轴方向向上偏移Δ＝0.8mm时，光束方向往下偏移。

第一透镜元件1和第二透镜元件2在微机电驱动器驱动下均可沿垂直于光轴方向做微小移动，且当所述第二透镜元件2相对于所述第一透镜元件1沿垂直于光轴方向产生相对移动时，通过调整相对移动距离来调整所述透镜机构焦距，进而控制LED光源3发出的光经过透镜机构后的发散角度；当所述第二透镜机构相对于所述第一透镜机构沿垂直于光轴方向相对位置不变，但是透镜机构相对于LED光源3位置在垂直于光轴方向发生偏移时，通过控制这个偏移量，可以控制LED光源3发出的光束经过变焦透镜组后的方向；通过控制透镜机构中的两个透镜垂直于光轴的运动，可以实现对闪光灯输出光束角度和方向的任意控制。这对于智能化成像系统中有重要的应用前景，在手机闪光灯系统和安防监控系统智能曝光成像应用上有很重要的意义。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了驱动机构、透镜机构和光源等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种光源视场角调节系统，其特征是，包括透镜机构和驱动机构，所述透镜机构包括第一透镜元件(1)和第二透镜元件(2)，第二透镜元件(2)与第一透镜元件(1)并列设置与第一透镜元件(1)一侧，第一透镜元件(1)另一侧设有光源(3)，驱动机构调节第一透镜(1)元件和第二透镜元件(2)的相对位置；

所述驱动机构沿垂直于光轴方向分别调节第一透镜元件(1)和/或第二透镜元件(2)的位置，从而改变调节光源(3)通过透镜机构的发散角度和/或光束方向，光源经透镜机构发出的光束出射角度α满足如下条件：

当δ＝0时，

当δ>0且透镜机构焦距f大于光源(3)到透镜机构距离L时，

当δ>0且透镜机构焦距f等于光源(3)到透镜机构距离L时，

其中，2δ为第一透镜元件和第二透镜元件沿垂直于光轴方向移动的相对距离，D为光束出射口径，n为透镜机构的折射率，A为多项式系数，r为光源发光面半径。

2.根据权利要求1所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一透镜元件(1)包括第一面与第二面，第二透镜元件(2)包括第三面和第四面，所述第一面与光源相对，第二面与与第三面相对，出射光束从第四面向外发散。

3.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一面为平面、球面或非球面，第二面为多项式表面，第二面和第三面面型互补，第四面表面为平面，所述多项式表面满足以下条件，表面多项式方程为：

其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x,y)为高阶多项式，

f(x，y)＝b₁xy⁴+b₂x³y²+b₃x⁵+b₄xy⁶+b₅x³y⁴+b₆x⁵y²+b₇x⁷+…

其中，b₁,b₂,b₃,…为高阶多项式系数，

透镜机构产生焦距为：

4.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一面为多项式表面，第二面和第三面为平面，第四面与第一面面型互补。

5.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一面、第二面、第三面和第四面均为多项式表面，所述第一面与第四面面型互补，第二面与第三面面型互补。

6.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一面为平面、球面或非球面，第二面和第三面为谐衍射微结构表面，第四面为平面、球面和非球面。

7.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一面和第四面为谐衍射微结构表面，第一面和第四面为平面、球面和非球面。

8.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一面、第二面、第三面和第四面均为谐衍射微结构表面。

9.根据权利要求1或2所述的一种光源视场角调节系统，其特征是，所述第一透镜元件(1)和第二透镜元件(2)之间设有间隙，所述间隙可容纳第一透镜元件(1)和第二透镜元件(2)垂直光轴移动时互相不会产生触碰。

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