CN115166986B - 一种边界清晰的光斑整形光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学镜片技术领域，具体涉及一种边界清晰的光斑整形光学系统，所述光学系统沿光轴由光源到光斑依次为第一柱面镜、球面透镜组、第二柱面镜。其中第一柱面镜与第二柱面镜相垂直，起到改变光斑子午方向与弧矢方向的光焦度作用，实现改变光斑长轴方向与短轴方向放大率的结果，控制光斑的尺寸的比率。球面透镜组用于平衡像差提高分辨率，使光斑边界清晰，亮度均匀。该光学系统可将圆形光斑按需求整形为椭圆形光，或将正方形光斑整形为矩形光斑。该光学系统在物像交换的位置上子午方向放大率与弧矢方向放大率互为倒数关系，使光斑子午方向与光斑弧矢方向的共轭距相等。在靶面位置光斑的不同方向的边界能同时清晰，亮度一致。

Description

一种边界清晰的光斑整形光学系统
技术领域
本发明涉及光学镜片技术领域，更具体地说，涉及一种边界清晰的光斑整形光学系统。
背景技术
红外激光照明广泛运用于安防、军事、搜救领域，尤其是在夜间环境低照度的情况下，红外照明可以让红外相机拍摄到清晰的像。红外照明的一种补光方式是将激光经过光纤匀化再通过投影镜头投射，形成不同角度的照明光源。激光经过光纤后会成为圆形光斑，而传感器或是显示屏又常是4：3或16：9的尺寸比例，圆形光斑将会造成较大的浪费。若要提高光能的利用率，必须对激光进行整形，但一般激光整形后的光斑边界发散，亮度均匀性比较差，没有一个清晰的边界轮廓，外围的光无法得到充分的利用。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种边界清晰的光斑整形光学系统，解决光斑整形后光斑亮度不均匀，边缘清晰不一致的问题。该光学系统可将圆形光斑按需求整形为椭圆形光，或将正方形光斑整形为矩形光斑，同时其在靶面位置光斑不同方向的边界能同时清晰，亮度一致。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种边界清晰的光斑整形光学系统，包括沿光传播方向依次设置的第一柱面镜、球面透镜组、第二柱面镜，所述第一柱面镜的柱面与第二柱面镜的柱面相向，所述第一柱面镜的母线与第二柱面镜的母线相垂直，且所述第一柱面镜或第二柱面镜的母线与子午面或弧矢面平行，所述光斑整形光学系统的子午方向放大率与弧矢方向放大率成倒数关系。
光束沿光路传播，首先平行弧矢面的分向量会受到第一柱面镜聚焦，再经过球面透镜组调节光斑，而平行于子午面的分向量会受到第二柱面镜聚焦。通过控制该光学系统在物像交换的位置上子午方向放大率与弧矢方向放大率互为倒数关系，使光斑子午方向与光斑弧矢方向的共轭距相等，得到在靶面位置子午方向与弧矢方向边缘一致清晰，亮度一致的光斑。
进一步，所述第一柱面镜母线平行于子午面，所述第一柱面镜在平行于子午面的方向上光焦度贡献为零，后简称为子午柱面镜；所述第二柱面镜母线平行于弧矢面，所述第二柱面镜母线在平行于弧矢面的方向上光焦度贡献为零，后简称为弧矢柱面镜。
光束在传播过程中，平行弧矢面的分向量会受到子午柱面镜聚焦，而平行于子午面的分向量会受到弧矢柱面镜聚焦。平行子午面的分向量不受子午柱面镜聚焦，而平行于弧矢面的分向量不受弧矢柱面镜聚焦。
为实现该光斑长轴向放大率与短轴向放大率的关系，设计时相当于分别设置子午向组态与弧矢向组态两个组态。对应与改变椭圆光斑长轴向放大率与短轴向放大率。两个组态共用一个球面透镜组，球面透镜组在光学系统中起到控制放大率，平衡像差提高清晰度的作用。
子午向组态时，子午柱面镜与母线平行的方向光焦度为0，光线追迹的光线平行于子午面而不被聚焦，等效于经过在透镜组中的一窗片。光线追迹的光线垂直于弧矢面而会被弧矢柱面镜聚焦，等效于通过一个平凸透镜。
弧矢向组态时，弧矢柱面镜与母线平行的方向光焦度为0，光线追迹的光线平行于弧矢面而不被聚焦，等效于经过在透镜组中的一窗片。光线追迹的光线垂直于子午面而会被子午柱面镜聚焦，等效于通过一个平凸透镜。
在设计过程中，将中间的透镜组看为整体，以主面来确定与前后柱面镜的距离。让第一柱面镜的柱面到透镜组前主面的距离，与第二柱面镜到透镜组后主面的距离相等，整体呈对称结构，有利于第一柱面镜与第二柱面镜相同。通过控制两组态的物距，像距相等，即共轭距一致，镜片相对位置一致，可实现靶面边缘清晰一致性，成为一个新的光源。为后续的变倍镜头提供光源。
进一步，所述第一柱面镜与第二柱面镜尺寸相同。
进一步，所述第一、第二柱面镜为平凸柱面透镜。
进一步，所述第一、第二柱面镜的焦距绝对值为5～10mm。
进一步，所述球面透镜组具有正光焦度，其焦距绝对值为1～5mm。
进一步，所述球面透镜组为沿光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜。
进一步，所述第一透镜为双凸透镜，第二透镜为双凸透镜，第三透镜为负弯月透镜。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明在利用柱面镜在进行光斑整形的同时，控制光学系统子午方向放大率与弧矢方向放大率成倒数关系，得到的光斑长轴方向与短轴方向物像共轭距一致，使所得光斑边缘一致清晰，亮度均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为第一柱面镜等效于平凸透镜而第二柱面镜等效于窗片的结构图。
图2为图1所述结构的光路图。
图3为第一柱面镜等效于窗片而第二柱面镜等效于平凸透镜的结构图。
图4为图3所述结构的光路图。
图5为所述光学系统对圆形光斑的整形结果图。
图6为在其他实施例中正方形光斑的整形结果图。
图中标号说明：1为第一柱面镜，2为第一透镜，3为第二透镜，4为第三透镜，2、3、4共为球面透镜组组件，5为第二柱面镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：
参照图1至图4，本发明为边界清晰的光斑整形光学系统，所述光学系统由光源到靶面依次为第一柱面镜1、球面透镜组、第二柱面镜5，所述球面透镜组为第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4。即所述光学系统由光源到靶面依次为第一柱面镜1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第二柱面镜5。其中第一柱面镜1与第二柱面镜5尺寸一致，且均为平凸柱面镜，第一透镜2为双凸透镜，第二透镜3为双凸透镜，第三透镜4为负弯月透镜。
所述第一柱面镜1的柱面与第二柱面镜5的柱面相向，所述第一柱面镜1的母线与第二柱面镜5的母线相垂直，且所述第一柱面镜1或第二柱面镜5的母线与子午面平行。由于第一柱面镜1与第二柱面镜5这两个平凸柱面镜母线相互垂直，分别对垂直的两个方向贡献光焦度，即两个柱面镜的母线一个平行于子午面，另一个平行于弧矢面。
图3、图4分别对应为图1、图2绕Z轴(光轴)旋转90°所形成。
在本实施例中，该光斑整形光学系统将圆形光斑整形为长轴与短轴比为16：9的椭圆形光斑，相对应的，两个垂直方向的放大率分别为4/3和3/4，也即所述光斑整形光学系统的子午方向放大率与弧矢方向放大率成倒数关系。所述第一柱面镜1母线平行于子午面，在平行于子午面的方向上光焦度为0。所述第二柱面镜5母线平行于弧矢面，在平行于弧矢面的方向上光焦度为0。光束在传播过程中，平行弧矢面的分向量会受到子午柱面镜聚焦，而平行于子午面的分向量会受到弧矢柱面镜聚焦。平行弧矢面的分向量不受弧矢柱面镜聚焦，而平行于子午面的分向量不受子午柱面镜聚焦。
为实现该椭圆光斑长轴向放大率与短轴向放大率的关系，设计时相当于分别设置子午向组态与弧矢向组态两个组态。对应于改变椭圆光斑长轴向放大率与短轴向放大率。两个组态共用一个球面透镜组，球面透镜组在光学系统中起到控制放大率，平衡像差的作用。
子午向组态时，子午柱面镜与母线平行的方向光焦度为0，光线追迹的光线平行于子午面而不被聚焦，等效于经过在透镜组中的一窗片。光线追迹的光线垂直于弧矢面而会被弧矢柱面镜聚焦，等效于通过一个平凸透镜。
弧矢向组态时，弧矢柱面镜与母线平行的方向光焦度为0，光线追迹的光线平行于弧矢面而不被聚焦，等效于经过在透镜组中的一窗片。光线追迹的光线垂直于子午面而会被子午柱面镜聚焦，等效于通过一个平凸透镜。
通过控制两组态的物距，像距相等，镜片相对位置一致，放大率不变，可实现在对应位置，靶面的边缘清晰一致性，比率可控性，成为一个新的椭圆形光源，为后续的变倍镜头提供光源。
光学元件参数：(r1指沿光路光源方向表面曲率半径，r2指沿光路靶面方向表面曲率半径，D指中心厚度。单位：㎜)
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种边界清晰的光斑整形光学系统，包括沿光传播方向依次设置的第一柱面镜、球面透镜组、第二柱面镜，其特征在于：所述第一柱面镜的柱面与第二柱面镜的柱面相向，所述第一柱面镜的母线与第二柱面镜的母线相垂直，且所述第一柱面镜或第二柱面镜的母线与子午面平行，所述光斑整形光学系统的子午方向放大率与弧矢方向放大率成倒数关系。
2.根据权利要求1所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述第一柱面镜母线平行于子午面，所述第一柱面镜在平行于子午面的方向上光焦度贡献为零；所述第二柱面镜母线平行于弧矢面，所述第二柱面镜在平行于弧矢面的方向上光焦度贡献为零。
3.根据权利要求1所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述第一柱面镜与第二柱面镜尺寸相同。
4.根据权利要求1所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述第一、第二柱面镜为平凸柱面透镜。
5.根据权利要求1所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述第一、第二柱面镜的焦距绝对值为5～10mm。
6.根据权利要求1所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述球面透镜组具有正光焦度，其焦距绝对值为1～5mm。
7.根据权利要求1所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述球面透镜组为沿光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜。
8.根据权利要求7所述边界清晰的光斑整形光学系统，其特征在于：所述第一透镜为双凸透镜，第二透镜为双凸透镜，第三透镜为负弯月透镜。
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