高变倍比照明光学系统
阅读说明：本技术 高变倍比照明光学系统 (High-zoom-ratio illumination optical system ) 是由 李美萱 阚晓婷 王美娇 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：高变倍比照明光学系统属于安防激光照明技术领域,解决安防激光照明技术中出射光束发散角变倍比不高、系统能量透过率低、照明均匀性不高等问题。该系统包含准直透镜组、成像透镜组、变倍透镜组和物面；入射光束经过准直透镜组后准直,通过所述成像透镜组成像后发散,经由所述变倍透镜组改变发散角后,出射光束照射在所述物面；所述准直透镜组、成像透镜组、变倍透镜组和物面依次同光轴设置。系统变倍比大幅提高。系统能量透过率高,镀膜锅数仅需两锅,节约了镀膜成本。整个光路在透镜内部无会聚光斑,具有良好的可加工性和工程实现性。像质良好,照明均匀性高,系统总长短,小型化、集成度高,对于我国安防激光照明技术的发展有着积极推动作用。(A high-zoom-ratio illumination optical system belongs to the technical field of security laser illumination and solves the problems that the divergence angle zoom ratio of emergent light beams is not high, the energy transmittance of the system is low, the illumination uniformity is not high and the like in the security laser illumination technology. The system comprises a collimating lens group, an imaging lens group, a zoom lens group and an object plane; the incident light beam is collimated after passing through the collimating lens group, is imaged and then is diverged through the imaging lens group, and after the divergence angle is changed through the zoom lens group, the emergent light beam irradiates the object plane; the collimating lens group, the imaging lens group, the zoom lens group and the object plane are sequentially arranged on the same optical axis. The zoom ratio of the system is greatly improved. The system has high energy transmittance, only two coating pots are needed, and the coating cost is saved. The whole light path has no convergent light spot in the lens, and has good machinability and engineering realizability. The system has the advantages of good image quality, high illumination uniformity, short total system length, miniaturization and high integration level, and has a positive promoting effect on the development of the security laser illumination technology in China.)
技术领域
本发明属于安防激光照明技术领域，涉及一种高变倍比照明光学系统。
背景技术
在科技飞速发展的今天，安防行业也在不断向前发展，对于照明技术的要求也是不断提升，而激光照明技术由于其自身特点，应用前景十分广阔。
在安防监控有效距离之内，近距离监控要求视场尽可能大，而距离较远时，保证足够的角度，以满足清晰成像要求。在实际应用中，摄像机焦距在变化的同时，视场角也会相应的发生变化。鉴于此，要求照明角度覆盖全部监控视场角，即在监控视场角发生变化的同时，照明视角须发生相应变化，以满足照明工况需求。要达到该目的，就要求出射激光光束角度是可变并且连续的，将镜头变焦技术应用于激光照明而实现照明角度在大范围内可调节，并且在一定的角度范围内可变。因此，研发高变倍比的激光照明系统，对国防安全、安防行业来说都具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高变倍比照明光学系统，解决安防激光照明技术中出射光束发散角变倍比不高、系统能量透过率低、照明均匀性不高等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
高变倍比照明光学系统，该系统包含准直透镜组、成像透镜组、变倍透镜组和物面；入射光束经过准直透镜组后准直，通过所述成像透镜组成像后发散，经由所述变倍透镜组改变发散角后，出射光束照射在所述物面；所述准直透镜组、成像透镜组、变倍透镜组和物面依次同光轴设置；其中：
所述准直透镜组包括第一正透镜；所述第一正透镜的材料为HZF6；
所述成像透镜组包括第二正透镜和第三正透镜；所述第二正透镜和第三正透镜的材料为HZF62；
所述变倍透镜组包括第四正透镜和第五正透镜；所述第四正透镜和第五正透镜的材料为HZF6；
调节所述成像透镜组位于所述准直透镜组与变倍透镜组之间位置，使所述出射光束发散角在0.25度～35度范围内连续变化，实现高变倍激光照明。
优选的，当所述出射光束发散角为0.25度时，各正透镜的具体参数如下：
曲率半径(mm)
间距(mm)
玻璃标号
物面
4.50
1
32.89
1.73
HZF6
2
-4.674
4.85
3
0
4
6.719
2.1
HZF62
5
∞
1.04
6
3.078
2.62
HZF62
7
3.202
1.3
8
44.26
9
-62.301
14.05
HZF6
10
-40.24
7.78
11
∞
13.26
HZF6
12
-100
20～2000000
像面
优选的，当所述出射光束发散角为35度时，各正透镜的具体参数如下：
曲率半径(mm)
间距(mm)
玻璃标号
物面
4.50
1
32.89
1.73
HZF6
2
-4.674
4.85
3
31.5
4
6.719
2.1
HZF62
5
∞
1.04
6
3.078
2.62
HZF62
7
3.202
1.3
8
12.76
9
-62.301
14.05
HZF6
10
-40.24
7.78
11
∞
13.26
HZF6
12
-100
20～2000000
像面
优选的，所述高变倍比照明光学系统的照明光源为光纤激光器，工作波长808纳米，物方视场全高400微米，物方数值孔径(NA)＝0.22，变倍比为140倍，系统点列图均方根直径小于200微米。
优选的，光学系统透镜个数为5片，系统能量透过率大于98.5％。
优选的，光学系统透镜BLO值小于0.5。
优选的，光纤激光器出射光束功率30W，整个光路在透镜内部无会聚光斑；出射光束发散角在0.25度～35度范围内连续变化过程中，无会聚光斑。
优选的，从光纤激光器出射光束端面到第五正透镜后表面顶点总长为97.49mm。
优选的，用透镜外框上的机械组件调节成像透镜组位于所述准直透镜组与变倍透镜组之间的距离并固定五个透镜最终的位置。
优选的：所述五个透镜的具体参数在实际操作中，可做调整以满足不同的系统参数要求。
本发明的有益效果是：
1、高变倍比，本发明变倍比达到140倍，相比目前照明领域30倍～80倍的变倍范围，变倍比大幅提高。
2、透镜镜片数少，通过5片透镜实现了140倍的变焦照明，系统能量透过率大于98.5％。
3、整个系统透镜材料仅采用HZF6和HZF62，镀膜锅数仅需两锅，节约了镀膜成本。
4、光纤激光器出射光束功率30W，整个光路在透镜内部无会聚光斑，出射光束发散角在0.25度～35度范围内连续变化过程中，无会聚光斑，充分考虑了激光照明安全性。
5、整个系统透镜BLO值小于0.5，具有良好的可加工性和工程实现性。
6、系统像质良好，点列图均方根直径小于200um，照明均匀性高，从光纤激光器出光端端面到第五正透镜后表面顶点总长为97.49mm，系统总长短，小型化、集成度高，对于我国安防激光照明技术的发展有着积极推动作用。
附图说明
图1本发明高变倍比照明光学系统0.25度发散角结构示意图；
图2本发明高变倍比照明光学系统35度发散角结构示意图；
图3本发明高变倍比照明光学系统0.25度发散角均方根点列图；
图4本发明高变倍比照明光学系统35度发散角均方根点列图。
图中：1、第一正透镜，2、第二正透镜，3、第三正透镜，4、第四正透镜，5、第五正透镜，6、物面，7、出射光束。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例中高变倍比照明光学系统由准直透镜组、成像透镜组、变倍透镜组组成和物面构成，如图1和图2所示，其中：
所述准直透镜组包括第一正透镜1。所述第一正透镜1的材料为HZF6，通过透镜外框上的机械组件固定它与成像透镜组的相对位置。
所述成像透镜组包括第二正透镜2和第三正透镜3。所述第二正透镜2和第三正透镜3的材料均为HZF62，以上透镜顺次排列，各透镜同光轴设置，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述变倍透镜组包括第四正透镜4和第五正透镜5。所述第四正透镜4和第五正透镜5的材料均为HZF6，以上透镜顺次排列，各透镜同光轴设置，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
应用时将光纤激光器出光面物面6置于照明光学系统的第一正透镜1前表面顶点前4.5毫米处，激光光束经过准直透镜组光学作用后变成准直光束，准直光束再经过成像透镜组光学作用，会聚到中间像面。光束经过中间像面后变为发散光束，再经过变倍透镜组光学作用，出射光束7以一定发散角照射到被照明目标。通过调节成像透镜组与准直透镜组、变倍透镜组之间间隔，即改变变倍透镜的物方工作距，使出射光束发散角在0.25度～35度范围内连续变化，实现高变倍激光照明。
当出射光束7发散角为0.25度时，将成像透镜组(包含第二正透镜2和第三正透镜3)看作一个整体，如表1所示，当出射光束发散角为0.25度时，第3面间距为0，即成像透镜组与准直透镜组的间距，但是第一透镜1的出射面与第二透镜2的入射面设有初始间距，所以第2面的间距永远保持4.85，此时第2面与第4面的间距为4.85+0，即为第2面的初始间距加上第3面的移动间距，第8面间距为44.26mm，即成像透镜组与变倍透镜组的间距，但是第三透镜3的出射面与第四透镜4的入射面设有初始间距，所以第7面的间距永远保持1.3，此时第7面与第9面的间距为1.3+44.26，即第7面的初始间距加上第8面的移动间距。
表1出射光束发散角为0.25度时各透镜具体参数
曲率半径(mm)
间距(mm)
玻璃标号
物面
4.50
1
32.89
1.73
HZF6
2
-4.674
4.85
3
0
4
6.719
2.1
HZF62
5
∞
1.04
6
3.078
2.62
HZF62
7
3.202
1.3
8
44.26
9
-62.301
14.05
HZF6
10
-40.24
7.78
11
∞
13.26
HZF6
12
-100
20～2000000
像面
将成像透镜组向第9面移动，也就是向第四透镜4的入射面移动，即增大空气间隔第3面距离、缩小空气间隔第8面距离，第3面空气间隔增大量与第8面空气间隔减小量相等。当出射光束发散角为35度时，如表2所示，成像透镜组移动最大行程为31.5mm，即第3面间距最大值为31.5mm，移动的过程中使出射光束7发散角在0.25度～35度范围内连续变化，实现高变倍激光照明。此时第3面间距为31.5，即成像透镜组与准直透镜组的间距，但是第一透镜1的出射面与第二透镜2的入射面设有初始间距，所以第2面的间距永远保持4.85，此时第2面与第4面的间距为4.85+31.5，即为第2面的初始间距加上第3面的移动间距，第8面间距为13.26mm，即成像透镜组与变倍透镜组的间距，但是第三透镜3的出射面与第四透镜4的入射面设有初始间距，所以第7面的间距永远保持1.3，此时第7面与第9面的间距为1.3+13.26，即第7面的初始间距加上第8面的移动间距。
表2出射光束发散角为35度时各透镜具体参数
本发明所述的高变倍比照明光学系统的照明光源为光纤激光器，工作波长808纳米，物方视场全高400微米，物方数值孔径(NA)＝0.22，变倍比为140倍，系统点列图均方根直径小于200微米，照明均匀度高。整个光学系统透镜镀膜材料为HZF6和HZF62，光学系统包含5片透镜，系统能量透过率大于98.5％。整个系统透镜BLO值小于0.5(BLO值定义为曲率半径与所在面通光口径之比)，具有良好的可加工性和工程实现性。
另外，光纤激光器出射光束7功率30W，整个光路在透镜内部无会聚光斑，出射光束7发散角在0.25度～35度范围内连续变化过程中，无会聚光斑，保证激光照明的安全性。
同时，从光纤激光器出光端端面到第五正透镜5后表面顶点总长为97.49mm，系统总长短，小型化、集成度高。
对本实施例制作的高变倍比照明光学系统采用以下手段进行评价：
1、点列图均方根直径评价
点列图是利用光路计算程序，将光瞳面划分成许多小面元，计算通过这些面元的光线与像面的交点，交点形成点列图。理想光学系统的点列图为一个点，实际光学系统的点列图是无数个点，由这些点的分布确定光学系统的成像质量，这种方法的优点是可以了解光线的空间走向，粗略估计光斑形状，这种方法是评估照明系统常用的方法，对于设计的高变倍比照明光学系统，出射光束发散角为0.25度和35度点列图如图3和图4所示，成像质量能保证提供高均匀性照明。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：反光罩及其卡盘组件