CN117215078A - 一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，包括沿光束传输方向顺次设置的光束整形镜组以及扩束调焦镜组，所述光束整形镜组包括光焦度为负的第一柱面透镜以及位于其两侧的光焦度均为正的第二柱面透镜和第三柱面透镜，所述扩束调焦镜组包括光焦度为负的第一镜面透镜以及位于其两侧的光焦度均为正的第二球面透镜和第三球面透镜，以提高照明光能量集中度。本发明采用光束整形和激光扩束镜组分别压缩光束发散角，提高照明光能量集中度。
Description
技术领域
本发明属于激光照明技术领域，尤其涉及一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头。
背景技术
为满足远距离小目标的探测需求，光电探测系统性能不断提升，但在光照条件不佳的夜间环境下，探测系统探测性能难以发挥，由此发展出了主动照明技术；主动照明设备的工作过程为：驱动机构接收来自雷达的目标位置信息，将主动照明设备和探测系统调转到对应方向，随后主动照明设备输出一束发散角较小的激光照射到目标位置附近完成覆盖，照明激光被目标表面反射后进入探测系统成像，从而实现对目标主动探测，当前技术条件下，照明激光始终存在一定初始发散角，激光能量不集中，经过远距离大气传输后光斑扩散，激光能量衰减严重，对远距离小目标不能实现有效照明；同时，常规主动照明镜头输出光束远场光斑为圆形，在对无人机等细长形状目标照明时上下两侧照明光没有有效利用，限制了照明效果提升。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，通过光束整形和光束扩束压缩照明光发散角，使照明激光光斑可在圆形和椭圆之间切换以适应不同目标形状、大小，解决了传统照明镜头输出光能量不集中、照明光利用率不高，照明效果不佳的问题，能够显著提升光电探测系统夜间探测能力。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，包括沿光束传输方向顺次设置的光束整形镜组以及扩束调焦镜组，所述光束整形镜组包括光焦度为负的第一柱面透镜以及位于其两侧的光焦度均为正的第二柱面透镜和第三柱面透镜，所述扩束调焦镜组包括光焦度为负的第一镜面透镜以及位于其两侧的光焦度均为正的第二球面透镜和第三球面透镜，以提高照明光能量集中度。
在一个实施方式中，所述第二柱面透镜、所述第一柱面透镜以及所述第三柱面透镜沿光束传输方向顺次设置，所述第一柱面透镜靠近所述第二柱面透镜设置，所述第三柱面透镜的位置固定；
其中，所述第一柱面透镜和所述第二柱面透镜相对靠近时整形倍率M1增大，以供光束子午方向发散角θat压缩，而弧矢方向发散角θas不变。
在一个实施方式中，所述第二球面透镜、所述第一球面透镜以及所述第三球面透镜沿光束传输方向顺次设置，所述第一球面透镜靠近所述第二球面透镜设置，且所述第三球面透镜的位置固定；
其中，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜相对靠近时扩束倍率M2增大，以供光束发散角整体压缩。
在一个实施方式中，所述光束整形镜组以及所述扩束调焦镜组均由熔融石英制成。
在一个实施方式中，整形后的所述光束子午方向发散角
所述弧矢方向发散角θas＝θ0；
其中，θ0为光束初始发散角。
在一个实施方式中，扩束后的输出光束子午方向发散角
弧矢方向发散角
其中，M2为扩束倍率，M2＝[1,2]。
在一个实施方式中，入射激光在经过整形和扩束后，
出射光束子午方向发散角
弧矢方向发散角
纵向光斑尺寸为
横向光斑尺寸为
其中，D为光斑与照明镜头之间的间距。
本发明的有益效果在于：
(1)采用光束整形和激光扩束镜组分别压缩光束发散角，提高照明光能量集中度；
(2)照明激光远场光斑可在圆形和椭圆之间切换，更好地适应不同形状的目标，提高照明激光能量利用率；
(3)采用连续变倍的设计，实现不同整形、扩束倍率之间的平滑变化，避免影响探测效果。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的一个实施例的结构示意图；
图2显示了本发明的照明镜头在整形倍率为1时输出的光斑形态；
图3显示了本发明的照明镜头在整形倍率为2时输出的光斑形态；
图4显示了本发明的照明镜头在整形倍率为3时输出的光斑形态；
图5显示了本发明的照明镜头输出长轴短轴比为3:1的椭圆光斑功率密度分布图；
图6显示了本发明的照明镜头输出扩束后圆形光斑功率密度分布图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
100-光束整形镜组，200-扩束调焦镜组，1-第一柱面透镜，2-第二柱面透镜，3-第三柱面透镜，4-第一球面透镜，5-第二球面透镜，6-第三球面透镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，如图1所示，包括沿光束传输方向顺次设置的光束整形镜组100以及扩束调焦镜组200，光束整形镜组100包括光焦度为负的第一柱面透镜1以及位于其两侧的光焦度均为正的第二柱面透镜2和第三柱面透镜3，扩束调焦镜组200包括光焦度为负的第一球面透镜4以及位于其两侧的光焦度均为正的第二球面透镜5和第三球面透镜6，以提高照明光能量集中度；
需要说明的是，在本实施例中，采用光束整形镜组100和激光扩束镜组分别压缩光束发散角，提高照明光能量集中度，实现有效照明；
具体地，第二柱面透镜2、第一柱面透镜1以及第三柱面透镜3沿光束传输方向顺次设置，第一柱面透镜1靠近第二柱面透镜2设置，第三柱面透镜3的位置固定；
其中，第一柱面透镜1和第二柱面透镜2相对靠近时整形倍率M1增大，以供光束子午方向发散角θat压缩，而弧矢方向发散角θas不变；
即对于初始发散角为θ0的光束而言，整形后子午方向发散角θt可在[θ0/M1，θ0]之间变化，弧矢方向发散角θs不变，θs＝θ0，相应地，光束远场光斑变为椭圆，椭圆长轴比短轴的比可在1∶1到M1∶1之间连续变化；
即如图2所示，显示了整形倍率M1＝1时输出圆形光斑时光斑的形态，图3显示了整形倍率M1＝2时输出椭圆光斑时的形态，图4显示了整形倍率M1＝3时输出椭圆光斑时的形态，即照明激光远场光斑可在圆形和椭圆之间切换，更好地适应不同形状的目标，提高照明激光能量利用率；
具体地，第二球面透镜5、第一球面透镜4以及第三球面透镜6沿光束传输方向顺次设置，第一球面透镜4靠近第二球面透镜5设置，且第三球面透镜6的位置固定；
其中，第一球面透镜4和第二球面透镜5相对靠近时扩束倍率M2增大，以供光束发散角整体压缩；
第一球面透镜4和第二球面透镜5在相对靠近时实现光束扩束，在相互远离时实现光束压缩，即第一球面透镜4和第二球面透镜5在相对靠近时实现光束口径扩束，也即光束发散角压缩，扩束倍率为M2，M2倍光束发散角压缩，M＝[1，2]，在第三球面透镜6不动的情况下，入射光束依次经过整形和扩束后，输出光束子午方向发散角弧矢方向发散角/>
进一步地，入射激光在经过整形和扩束后，
出射光束子午方向发散角
弧矢方向发散角
纵向光斑尺寸为
横向光斑尺寸为
在一个实施例中，光束整形镜组100入射光束口径为10mm，出射光束为10mm口径的圆形光束或椭圆光束，椭圆光束的子午方向为长轴，长轴长度可在5mm至15mm之间连续变化，光束整形镜组100光学总长为160mm，其中第二柱面透镜2调节行程为32mm，第一柱面透镜1调节行程为28mm，第三柱面透镜3固定不动，第二柱面透镜2为平凸透镜，中心厚度为5mm，光焦度为0.0073，第二柱面透镜2为双凹透镜，中心厚度为4mm，光焦度为-0.027，第三柱面透镜3中心厚度为8mm，光焦度为0.0061，扩束调焦镜组200入射光束口径为30mm，光束扩束倍率在1倍到2倍之间连续变化，最大出射光束口径60mm，扩束调焦镜组200光学总长为200mm，其中第二球面透镜5调节行程为30mm，第一球面透镜4调节行程为44mm，第三球面透镜6调节行程为12mm，第二球面透镜5为弯月正透镜，中心厚度为6mm，光焦度为0.0041；第一球面透镜4为双凹透镜，中心厚度为4mm，光焦度为-0.012；第三球面透镜6中心厚度为8mm，光焦度为0.0038；
具体地，激光照明镜头系统的实例数据如下表所示：
需要说明的是，本实施例整形后镜头出口处椭圆光斑功率密度分布如图5所示，最高功率密度为57W/cm2，相应的圆光斑照明光功率密度分布如图6所示，最高功率密度为29.2W/cm2，相较于现有技术而言，本实施例提升照明光功率密度近1倍，明显提升了照明效果；
在一个实施例中，光束整形镜组100和扩束调焦镜组200的透镜均采用熔融石英，在宽谱段范围内具有较高的透过率，能够保证激光传输效率减少能量损失；
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，包括沿光束传输方向顺次设置的光束整形镜组以及扩束调焦镜组，所述光束整形镜组包括光焦度为负的第一柱面透镜以及位于其两侧的光焦度均为正的第二柱面透镜和第三柱面透镜，所述扩束调焦镜组包括光焦度为负的第一镜面透镜以及位于其两侧的光焦度均为正的第二球面透镜和第三球面透镜，以提高照明光能量集中度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，所述第二柱面透镜、所述第一柱面透镜以及所述第三柱面透镜沿光束传输方向顺次设置，所述第一柱面透镜靠近所述第二柱面透镜设置，所述第三柱面透镜的位置固定；
其中，所述第一柱面透镜和所述第二柱面透镜相对靠近时整形倍率M1增大，以供光束子午方向发散角θat压缩，而弧矢方向发散角θas不变。
3.根据权利要求2所述的一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，所述第二球面透镜、所述第一球面透镜以及所述第三球面透镜沿光束传输方向顺次设置，所述第一球面透镜靠近所述第二球面透镜设置，且所述第三球面透镜的位置固定；
其中，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜相对靠近时扩束倍率M2增大，以供光束发散角整体压缩。
4.根据权利要求1所述的一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，所述光束整形镜组以及所述扩束调焦镜组均由熔融石英制成。
5.根据权利要求2所述的一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，整形后的所述光束子午方向发散角
所述弧矢方向发散角θas＝θ0；
其中，θ0为光束初始发散角。
6.根据权利要求3所述的一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，扩束后的输出光束子午方向发散角
弧矢方向发散角
其中，M2为扩束倍率，M2＝[1,2]。
7.根据权利要求3所述的一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头，其特征在于，入射激光在经过整形和扩束后，
出射光束子午方向发散角
弧矢方向发散角
纵向光斑尺寸为
横向光斑尺寸为
其中，D为光斑与照明镜头之间的间距。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311346130.6A CN117215078A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种基于光束整形的可变发散角激光照明镜头 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109581673A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-05 | 中国电子科技集团公司第二十七研究所 | 一种线光斑激光远场聚焦发射天线 |
| CN117891082A (zh) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 武汉振光科技有限公司 | 一种远距离激光整形探测照明装置 |
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2023
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