CN116540416A - 激光准直系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种激光准直系统。所述激光准直系统包括光源、第一透镜和第二透镜。光源包括慢轴。慢轴所在平面为H平面。第一透镜包括入射面和出射面。光源向入射面发射激光光线,入射面为向光源凸出的曲面,对光源沿快轴方向发射的光线准直,准直后的光线经过出射面和第二透镜射出;出射面垂直于H平面,且向入射面内凹,对慢轴方向的光线角度放大;第二透镜包括准直面,准直面垂直于H平面,对被出射面角度放大的光线准直,准直后的光线从第二透镜射出。通过出射面的角度放大作用与准直面的准直作用相结合可以使得激光准直系统的长度较小。此外,本申请的激光准直系统的透镜的数量较少,激光准直系统的装配也简单。

Description

激光准直系统
技术领域
本申请涉及激光技术领域,尤其涉及激光准直系统。
背景技术
激光准直系统大多采用双半圆柱透镜进行准直。针对双半圆柱透镜,最远的柱透镜需要更大的焦距才能实现对激光的准直,导致光学系统长度增加。
发明内容
本申请的目的在于公开一种激光准直系统、激光发射系统及激光设备。所述激光准直系统能减小光学系统的长度。
一方面,本申请公开一种激光准直系统。所述激光准直系统包括光源、第一透镜和第二透镜,其中,所述光源包括慢轴以及与所述慢轴垂直的快轴;所述慢轴所在平面为H平面,所述快轴所在平面为V平面;所述快轴对应的发射角大于所述慢轴对应的发射角;所述第一透镜包括入射面和出射面;所述光源向所述入射面发射光线,所述入射面垂直于所述V平面,与所述出射面垂直,所述入射面为向所述光源凸出的曲面,对所述光源沿所述快轴方向发射的光线准直,准直后的光线经过所述出射面和所述第二透镜射出;所述出射面垂直于所述H平面,且向所述入射面内凹,对所述慢轴方向的光线角度放大;所述第二透镜包括准直面,所述准直面垂直于所述H平面,对被所述出射面角度放大的光线准直,准直后的光线从所述第二透镜射出。
在一些实施方式中,所述入射面的面型为圆柱面;或者,所述入射面的面型通过如下公式确定:,其中,/>为第一透镜母线的方程,ρ为第一透镜母线的边缘与所述光源之间的距离,θ为光源的在V平面的单边发射角度;n为折射率;
x1=2×ρ|θ=θv/2×sin(θv/2),其中,x1为第一透镜在V平面的宽度,θv为光线在V平面内的发射角。
在一些实施方式中,所述入射面的曲面中心与所述光源之间的距离为d1,d1=ρ|θ=0
在一些实施方式中,所述光源到所述出射面的最小距离等于所述光源到所述入射面两边缘的连线的距离。
在一些实施方式中,所述出射面为圆柱面。
在一些实施方式中,所述出射面的半径r通过如下方式确定:
Y=(X-d1)×tanα1+d1×tanθ,其中,Y为以所述光源为原点的坐标系中,经过入射面后光线的纵坐标;X为以所述光源为原点的坐标系中,经过入射面后光线的横坐标,d1为入射面的曲面中心与所述光源的距离,θ为光源的在H平面的单边发射角度;
α1=arcsin(sinθ/n),α1为光线经过入射面后折射的角度;n为折射率;
(x-d3)2+y2=r2;其中,以光源为原点,x和y分别是出射面在H平面的曲线上的横坐标和纵坐标,d3为在H平面第一透镜端面至所述光源的距离;
α2=arcsin(n×arctan())-arctan(/>);其中,α2为从出射面出射的光线的角度,x0和y0为焦点坐标;d1为入射面的曲面中心与光源之间的距离;
(d2+r-x0)×tanα2=r-y0,其中,d2为光源到入射面的两边缘的连线的距离。
在一些实施方式中,所述第一透镜包括设置有所述出射面的第一透镜端面,所述第二透镜包括与所述准直面连接的第二透镜端面;
所述第二透镜端面与所述第一透镜端面之间的距离为d3,d3满足如下条件:d3×tanα2M=x2-y0,其中,y0为焦点坐标,x2为第二透镜端面在H平面的宽度,α2M为通过出射面的光线角度的最大值。
在一些实施方式中,所述准直面为圆柱面,或者,所述准直面的面型通过如下公式确定:
α2=arcsin(n×arctan())-arctan(/>);其中,α2为从出射面出射的光线的角度,n为折射率,x0和y0为焦点坐标,r为出射面的半径,d1为入射面的曲面中心与光源之间的距离;
ρ2M=(x2-y0)/cosα2M;其中,α2M为通过出射面的光线角度的最大值;x2为第二透镜端面在H平面的宽度,ρ2M为光线在出射面与准直面之间的光路的最大距离;
(cosθ-n)×((ρ2cosα2+x0)′)+sinθ×(ρ2sinα2+y0)′=0,其中,θ为光源的在H平面的单边发射角度,n为折射率,ρ2为光线在出射面和准直面之间的光路。
另一方面,本申请公开一种激光发射系统。所述激光发射系统包括前述任何一种激光准直系统。
又一方面,本申请的实施方式公开一种激光设备。所述激光设备包括前述任何一种激光发射系统。
上述激光准直系统、激光发射系统和激光设备,由于所述激光准直系统包括所述第一透镜和第二透镜,第一透镜的入射面对快轴方向的光线准直,出射面对慢轴方向的光线角度放大,角度放大的光线再通过第二透镜的准直面准直,也就是说,一方面,通过内凹的出射面的角度放大作用与准直面的准直作用相结合可以使得激光准直系统的长度较小,另一方面,出射面和入射面均设置于第一透镜相比于通过间隔设置的两个透镜实现准直和角度放大而言,也能缩小长度,因此,上述实施方式的激光准直系统同时使得两个方向上光线被准直,准直方便,激光准直系统的长度较小,更利于紧凑型的设备中。此外,采用入射面对快轴方向的光线准直以及采用准直面对慢轴方向的光线准直,入射面可以距离光源更近,这样,更多的光线被第一透镜的入射面接收,光线的能量损耗低。最后,本申请的激光准直系统包括第一透镜和第二透镜,透镜的数量较少,激光准直系统的装配也简单。
附图说明
图1是根据本申请的实施方式示出的一种激光准直系统的示意图;
图2是应用于本申请的实施方式的一种光源的示意图;
图3是根据本申请的实施方式示出的第一透镜的立体图;
图4是图3所示的第一透镜于另一个角度下的立体图;
图5是图3所示的第一透镜的正视图;
图6是图3所示的第一透镜的侧视图;
图7是图3所示的第一透镜的俯视图;
图8是第一透镜的入射面对光线准直的示意图;
图9是求解入射面的方程的示意图;
图10是根据本申请的实施方式示出的第一透镜对光线角度放大的示意图;
图11是光线经过入射面后被出射面角度放大的示意图;
图12是光线被出射面遮挡的示意图;
图13是根据本申请的实施方式示出的第二透镜的立体图;
图14是根据本申请的实施方式示出的激光准直系统在H平面的投影的示意图;
图15是根据本申请的实施方式示出的激光准直系统在V平面的投影的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施方式进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的,而非旨在限制本申请。除非另作定义,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出,“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明,而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同,并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而且可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
参见图1、图14和图15,本申请公开一种激光准直系统。所述激光准直系统包括光源1、第一透镜2和第二透镜3。参见图2,所述光源1用于发出激光光线,在本申请的实施方式中,光源1为边发射激光器。技术人员可以理解,所述光源1不局限于所述边发射激光器,与所述边发射激光器具有相同发光特性(比如,能像所述边发射激光器那样在相垂直的两个方向发光,其中一个方向对应的发射角大于另一个方向对应的发射角等等)的光源均可以作为本申请的所述光源1。为了便于叙述,仍然借用边发射激光器的快轴、慢轴、V平面和H平面等名称作为所述光源1的名称,因此,所述光源1包括快轴和慢轴,慢轴对应的发射角大于快轴对应的发射角,快轴所在平面为V平面,慢轴所在平面为H平面。在图2所示的一种边发射激光器中,元件分为长短边,长边LH:110um,短边LV:10um。慢轴对应的发射角小,角度为θh=10°(一些实施方式中,慢轴的发射角可以为5°-20°),所在平面为H平面(慢轴方向),快轴对应的发射角大,角度为θv=25°,所在平面为V平面(快轴方向)。
继续参见图1、图3、图6、图10和图14并结合图4、图5和图7,所述第一透镜2包括入射面21和出射面22。所述入射面21垂直于所述V平面,为向所述光源凸出的曲面,接收来自所述光源1的激光光线,对所述快轴方向的光线准直,准直后的光线经过所述出射面22和所述第二透镜3射出。入射面21垂直于所述V平面,这使得入射面21可以对大角度的θv方向光进行角度控制,并且不影响H平面光的角度。所述出射面22垂直于所述入射面21,且向所述入射面21内凹,对所述慢轴方向的光线角度放大。为了更清楚的示意出相应的结构,图3中的入射面21以及在图4中的出射面22均标记上阴影线。技术人员可以理解,入射面21入射面21和出射面22各自的结构不局限于如后所述的结构,能实现前述功能即可。
参见图1、图14和图15并结合图13,所述第二透镜3包括准直面31,所述准直面31垂直于H平面,对被所述出射面22角度放大的光线准直,准直后的光线从所述第二透镜3射出。准直面31在第二透镜3中的位置不限,比如,在图1中,准直面31作为第二透镜3的出射面,向远离第一透镜2的方向凸出;在图14,准直面31作为第二透镜3的入射面,朝向第一透镜2凸出。图14与图1相比,一个区别在于,采用图14所示方式便于标记用于推导准直面31的面型的各种参数。
如上述设置,由于所述激光准直系统包括所述第一透镜2和第二透镜3,第一透镜2的入射面21对快轴方向的光线准直,出射面22对慢轴方向的光线角度放大,角度放大的光线再通过第二透镜3的准直面31准直,也就是说,一方面,通过内凹的出射面22的角度放大作用与准直面31的准直作用相结合可以使得激光准直系统的长度较小,另一方面,出射面22和入射面21均设置于第一透镜2相比于通过间隔设置的两个透镜实现准直和角度放大而言,也能缩小长度,因此,上述实施方式的激光准直系统同时使得两个方向上光线被准直,准直方便,激光准直系统的长度较小,更利于紧凑型的设备中。此外,采用入射面21对快轴方向的光线准直以及采用准直面31对慢轴方向的光线准直,入射面21可以距离光源更近,这样,更多的光线被第一透镜2的入射面21接收,光线的能量损耗低。最后,本申请的激光准直系统包括第一透镜2和第二透镜3,透镜的数量较少,激光准直系统的装配也简单。
对于入射面21而言,第一种实施方式的入射面21的面型为圆柱面。作为前述第一种实施方式的替换方式,第二种实施方式的入射面21的面型可以不为圆柱面,如下,详细叙述第二种实施方式的入射面21的面型。
参见图8和图9并结合图7,在V平面进行观测,可以确定第一透镜母线211的方程,如图9所示,第一透镜母线211的边缘与光源1的距离为ρ,角度为θ,第一透镜2的折射率为n(材质可以选用塑料材质,塑料材质有利于面型成型),入射面21的曲面中心与光源1之间的距离为d1,可以确定:
入射光向量:(cosθ , sinθ)
出射光向量:(1,0)
切向向量:(ρ′cosθ-ρsinθ, ρ′sinθ+ρcosθ)
可以确定第一透镜母线211的方程如下:
(1)
是/>以θ为为自变量的导数,这是个常微分方程知道初始解d1=ρ|θ=0就可以确定。光源1的在V平面的单边发射角度θ的最大值为θv/2,可以得到入射面21与光源1的最远距离为ρ|θ=θv/2
由此可以获得在v平面,光源1到第一透镜2的两边缘的连线的距离d2,第一透镜2在V平面的宽度x1
x1=2×ρ|θ=θv/2×sin(θv/2) (2)
d2=ρ|θ=θv/2×cos(θv/2)(3)
往往系统的尺寸会有最大限制需求,x1是已知量,θv是边发射激光器的固有参数,可以通过公式(2)确定ρ|θ=θv/2。将其代入偏微分方程公式(1)中,通过龙哥库塔数值解法,可以确定入射面21上每个点的位置坐标,其中包括光源1到第一透镜2的入射面21的曲面中心的距离d1
d1=ρ|θ=0(4)
如上述设置,通过上述方式确定的入射面21的面型为非圆柱面,与入射面21的面型为圆柱面相比,准直效果更好,比如,因为入射面21为非圆柱面可以消除圆柱面带来的球差影响而使得准直效果更好。
在上述实施方式中,参见图9,所述入射面21的曲面中心与所述光源1之间的距离为d1,d1=ρ|θ=0
如上述设置,由于d1=ρ|θ=0,第一透镜2与光源1之间的距离最近,从而,有利于减小激光准直系统的长度。
参见图9和图10并结合图14,所述光源1到所述出射面22的最小距离等于所述光源1到所述入射面21两边缘的连线212的距离,具体的,图10中将光源1到所述出射面22的最小距离标记为d2,为了体现出所述相等,图9中,所述光源1到所述入射面21两边缘的连线212的距离也标记为d2。在所述出射面22为如后所述的圆柱面的情况下,所述连线212与所述出射面22相切以实现所述距离相等。
如上述设置,由于所述光源1到所述出射面22的最小距离等于所述光源1到所述入射面21两边缘的连线212之间的距离,这样在保证入射面21曲面完整的条件下,所述激光准直系统的长度更小。
参见图1、图3、图4、图6、图10和图14,所述出射面22为圆柱面。
如上述设置,由于所述出射面22为圆柱面,由此,所述出射面22的光通过率高,最终,在与第二透镜3的准直面31配合后,准直效果更好。当然,技术人员可以理解,出射面22也可以不为圆柱面,只向所述入射面21内凹即可,只是这种内凹的入射面21的光通过效果没有所述出射面22为圆柱面时好。
参见图10和图11并结合图12,出射面22的半径r越小,在H平面的光通过第一透镜2扩散的角度越大(也即,对光线的角度放大),越利于准直。但是需要保证第一透镜2右侧(即出射面22侧)无光线遮挡。以光线无遮挡作为边界条件,可以得到出射面22的曲面半径的最小值为r。入射光线经过入射面21折射,以光源1所在的点为原点,入射光线的线路可以表示为:
Y=X×tanθ;
在H平面,入射面21呈现平面,光线经过入射面21进行折射,折射光线的线路可以表示为:
Y=(X-d1) ×tanα1+d1×tanθ (5)
公式中θ为光源的在H平面的单边发射角度,α1为光通过入射面21折射后的角度,α1=arcsin(sinθ/n)
折射光线经过出射面22进行再一次折射,出射面22在H平面的曲线可以表示为:
(x-d3)2+y2=r2(6)
通过公式5与公式6就可以得到焦点坐标(x0,y0),就是光线射到出射面22的点的坐标, 可以获得出射角度α2
α2=arcsin(n×arctan())-arctan(/>) (7)
为了避免出现图12所示的遮挡情形,出射角α2需要满足一下公式:
(d2+r-x0)×tanα2=r-y0(8)
通过公式(5)(6)(7)和(8)联立即可确定半径r。
如上述设置,由于出射面22的半径满足上述条件,因此,出射面22不仅扩散作用好,而且,能避免光线被出射面22遮挡而使得光通过率高,由此,所述出射面22使得准直作用更好。
在一些实施方式中,所述准直面31为圆柱面。在另一种实施方式中,所述准直面31通过如下方式获得:在H平面,光线通过第一透镜2的出射面22后,光线实现角度放大,之后入射到第二透镜3。第二透镜3包括准直面31。参见图13和图14,所述准直面31垂直于H平面放置,准直面31的第二透镜母线311在H平面,准直面31作为入射面朝向第一透镜2放置,在H平面,光线通过第一透镜2后实现角度放大,入射到第二透镜3中,第二透镜3的第二透镜端面32与第一透镜2设置有所述出射面22的第一透镜端面221的距离为d3,如图14所示。光线在第一透镜端面221与准直面31之间的光路为ρ2
可以根据第二透镜3的尺寸要求确定x2,根据公式(7)中可以确定光通过出射面22的光线角度的最大值α2M,可以确定这个条件下的光线在出射面22与准直面31之间的光路的最大距离ρ2M
ρ2M=(x2-y0)/cosα2M(8)
以此为准直面31的求解边界条件。入射到准直面31的光线矢量如下:
入射向量:(cosθ , sinθ)
出射向量:(1,0)
切向向量:((ρ2cosα2+x0)′,(ρ2sinα2+y0)′)
可以确定准直面31的第二透镜母线311的偏微分方程:
(cosθ-n) ×( (ρ2cosα2+x0)′)+sinθ× (ρ2sinα2+y0)′=0 (9)
公式(9)中,θ为光源的在H平面的单边发射角度。根据公式(8)和公式(9)可以确定准直面31的面型。
参见图15,在V平面,光线经过第一透镜2实现准直后,经过第二透镜3,由于第二透镜3垂直于H平面放置,在V平面等效于平面玻璃,不会改变经过第一透镜2的准直光线角度。
如上述设置,根据所述公式(8)和公式(9)确定的准直面31与圆柱形的准直面31相比,对被出射面22角度放大的光线的准直效果更好,比如,可以消除圆柱面带来的球差影响而使得准直效果更好。
需要说明的是,虽然图14以准直面31朝第一透镜2凸出为例确定所述准直面31的面型,但是,当准直面31如图1那样向远离第一透镜2的方向凸出时,此时的准直面31的面型可以与根据公式(8)和(9)确定的面型相同。
参见图14并结合图4,所述第一透镜2包括设置有所述出射面22的第一透镜端面221(如图4所示)。所述第二透镜3包括与所述准直面31连接的第二透镜端面32,所述第二透镜端面32与所述第一透镜端面221之间的距离为d3,d3满足如下条件:d3×tanα2M+y0=x2
如上述设置,由于d3×tanα2M+y0=x2,第二透镜3与第一透镜2之间的距离更近,从而,激光准直系统的长度更短。
另一方面,本申请的实施方式公开一种激光发射系统。所述激光发射系统包括前述任何一种激光准直系统。这种激光发射系统比如是激光测距和激光雷达定位的发射系统。
又一方面,本申请的实施方式公开一种激光设备。所述激光设备包括前述任何一种激光发射系统。这种激光设备比如是激光测距仪,或者激光雷达定位仪等等。
以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光准直系统,其特征在于,包括光源、第一透镜和第二透镜,其中,
所述光源包括慢轴以及与所述慢轴垂直的快轴;所述慢轴所在平面为H平面,所述快轴所在平面为V平面;所述快轴对应的发射角大于所述慢轴对应的发射角;
所述第一透镜包括入射面和出射面;所述光源向所述入射面发射激光光线,所述入射面垂直于所述V平面,与所述出射面垂直,所述入射面为向所述光源凸出的曲面,对所述光源沿所述快轴方向发射的光线准直,准直后的光线经过所述出射面和所述第二透镜射出;所述出射面垂直于所述H平面,且向所述入射面内凹,对所述慢轴方向的光线角度放大;
所述第二透镜包括准直面,所述准直面垂直于所述H平面,对被所述出射面角度放大的光线准直,准直后的光线从所述第二透镜射出。
2.根据权利要求1所述的激光准直系统,其特征在于,所述入射面的面型为圆柱面;
或者,所述入射面的面型通过如下公式确定:
,其中, />为第一透镜母线的方程,ρ为第一透镜母线的边缘与所述光源之间的距离,θ为光源的在V平面的单边发射角度;n为折射率;
x 1=2×ρ| θ=θv/2×sin(θ v/2),其中,x 1为第一透镜在V平面的宽度,θ v为光线在V平面内的发射角。
3.根据权利要求2所述的激光准直系统,其特征在于,所述入射面的曲面中心与所述光源之间的距离为d 1,d 1=ρ| θ=0
4.根据权利要求1所述的激光准直系统,其特征在于,所述光源到所述出射面的最小距离等于所述光源到所述入射面两边缘的连线的距离。
5.根据权利要求1所述的激光准直系统,其特征在于,所述出射面为圆柱面。
6.根据权利要求5所述的激光准直系统,其特征在于,所述出射面的半径r通过如下方式确定:
Y=(X-d 1)×tanα 1+d 1×tanθ,其中,Y为以所述光源为原点的坐标系中,经过入射面后光线的纵坐标;X为以所述光源为原点的坐标系中,经过入射面后光线的横坐标,d 1为入射面的曲面中心与所述光源的距离,θ为光源的在H平面的单边发射角度;
α 1=arcsin(sinθ/n),α 1为光线经过入射面后折射的角度;n为折射率;
(x-d 3) 2+y 2=r 2;其中,以光源为原点,x和y分别是出射面在H平面的曲线上的横坐标和纵坐标,d 3为在H平面第一透镜端面至所述光源的距离;
α 2=arcsin(n×arctan( ))-arctan( />);其中,α 2为从出射面出射的光线的角度,x 0和y 0为焦点坐标;d 1为入射面的曲面中心与光源之间的距离;
(d 2+r-x 0)×tanα 2=r-y 0,其中,d 2为光源到入射面的两边缘的连线的距离。
7.根据权利要求5或6所述的激光准直系统,其特征在于,所述第一透镜包括设置有所述出射面的第一透镜端面,所述第二透镜包括与所述准直面连接的第二透镜端面;
所述第二透镜端面与所述第一透镜端面之间的距离为d 3,d 3满足如下条件:d 3×tanα 2M=x 2-y 0,其中,y 0为焦点坐标,x 2为第二透镜端面在H平面的宽度,α 2M为通过出射面的光线角度的最大值。
8.根据权利要求1所述的激光准直系统,其特征在于,所述准直面为圆柱面,或者,所述准直面的面型通过如下公式确定:
α 2=arcsin(n×arctan( ))-arctan( />);其中,α 2为从出射面出射的光线的角度,n为折射率,x 0和y 0为焦点坐标,r为出射面的半径,d 1为入射面的曲面中心与光源之间的距离;
ρ 2M=(x 2-y 0)/cosα 2M;其中,α 2M为通过出射面的光线角度的最大值;x 2为第二透镜端面在H平面的宽度,ρ 2M为光线在出射面与准直面之间的光路的最大距离;
(cosθ-n)×((ρ 2cosα 2+x 0)′)+sinθ×(ρ 2sinα 2+y 0)′=0,其中,θ为光源的在H平面的单边发射角度,n为折射率,ρ 2为光线在出射面和准直面之间的光路。
9.一种激光发射系统,其特征在于,所述激光发射系统包括权利要求1至8任何一项所述的激光准直系统。
10.一种激光设备,其特征在于,所述激光设备包括权利要求9所述的激光发射系统。
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