CN2906316Y - 远距离大范围半导体激光照明器变焦装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体激光器的应用技术，特别公开了一种用于远距离大范围半导体激光照明器变焦装置。该远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，包括半导体激光器，其特殊之处在于：所述半导体激光器的前端依次设有一整形光学装置、具有正光焦度的薄透镜组，整形后的光源S位于薄透镜组的光轴上，且与薄透镜组之间的间隔L满足：0≤L≤f，其中f为薄透镜组的焦距；所述薄透镜组的下端设有一机械传动机构，机械传动机构连接有电机。本实用新型提出了一种可以实现照明角度电动控制、大范围变化的半导体激光照明变焦装置，全部光学器件均采用常规的球面透镜，体积小，成本低，实现简单。

Description

远距离大范围半导体激光照明器变焦装置

(一)所属技术领域

本实用新型涉及半导体激光器的应用技术，特别是指一种用于远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，尤其是激光器用做照明光源时的应用装置。

(二)背景技术

用半导体激光器作为照明源的装置，其照明角度一般都是固定的，既使设计时留有一定的调节范围，但调节范围都比较小，且是手动的，一旦安装时调节好后，就完全固定死了。专利Z972157018中涉及到的用于铁路机车监视仪的激光照明器，为了看清2000米处景物信号，将照明角度固定的非常小。国内北京高博视讯公司和北京相干光电子公司的激光照明器产品，其照明角度都有一定的调节范围，但在安装时，通过手动调节好后固定死了，在使用过程中是不能随摄像机变焦而变化的。国外Eagle Technology公司的半导体激光照明产品，照明角度在1 °-3°内，只能手动调节。

在远近距离比较大的应用场合，固定角度的照明就不太适合了。因为远距离时需要将目标放大，摄像镜头变到长焦，视场小，要求照明角度也比较小，才能有足够的照度；而近距离时需要大视场，摄像镜头变到短焦，要求照明角度也足够大，才能充满整个视场。如果照明角度固定，很容易造成摄像镜头长焦时，照明角度过大，超过视场，目标照度不够；而摄像镜头短焦时，照明角度太小，不能充满视场。专利CN99104568.6中涉及到的用于汽车辅助安全照明的激光照明器，虽然可以通过机械扫描臂驱动照明器整体进行扫描照明，但其扫描速度比较慢，存在阴影区，机械臂结构也不稳定。中国科学院半导体研究所发明的用于半导体激光照明的微型变焦结构(专利CN200310118153.8)，可以实现照明角度较大变化，但其使用了特殊的自聚焦透镜，难以降低成本，而且变焦移动范围太小(5mm)，精度要求高，不易实现电动自动控制。

对于1000米以上的夜视照明，一个比较合适的照明角度范围应不低于0.5°-20°。一种折衷的解决方法，是提高激光发射功率，将照明角度固定在比较大的值(如10°)，这样既能保证远距离时有足够的照度，近距离时有足够的照明视场。左防等实用新型的大功率光纤耦合输出的半导体激光照明器(专利CN2005101083653.8)和美国ALS-20激光照明器就是采取这种方式，它们的光输出功率在20W以上，功耗都在60W以上。但这种方式带来的不利因素更多，功耗增大对散热***和电源要求相当高，否则会影响激光器寿命，其体积和重量也随之增大，不利于安装。还有大功率激光器一般要光纤耦合输出，需要用到微透镜阵列和自聚焦透镜等较昂贵的光学元件，造成其成本非常高。另外在远距离成像时，激光还保持大角度照射，能量浪费严重。

(三)发明内容

本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种可以实现照明角度电动控制、大范围连续变化的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，包括半导体激光器，其特殊之处在于：所述半导体激光器的前端依次设有一整形光学装置、具有正光焦度的薄透镜组，整形后的光源S位于薄透镜组的光轴上，且与薄透镜组之间的间隔L满足：0≤L≤f，其中f为薄透镜组的焦距。

本实用新型的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，其进一步改进在于：所述薄透镜组的下端设有一带动薄透镜组前后运动的机械传动机构，机械传动机构连接有电机。该机械传动机构可以控制薄透组与激光光源之间间距连续变化，用于控制薄透镜组和半导体激光源相对位置。

本实用新型的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，所述整形光学装置与薄透镜组之间放置一进一步发散光束的凹透镜。

本实用新型的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，所述薄透镜组为单透镜、双胶合透镜或双分离透镜或其它更复杂的薄透镜组。

所述机械传动机构为丝杠传动、齿轮齿条传动或凸轮传动或其它传动方式。

通过机械电动结构控制薄透镜组和半导体激光源相对位置连续变，从而达到控制照明角度大范围连续变化。

其原理如下：

半导体激光器发出的光束通常为10°(水平)X40°(垂直)左右，通过整形光学装置，将水平和垂直发散角整成基本一致(所需要的角度)。整形后光束经具有正光焦度的薄透镜组角度压缩后，以出射光束出射，出射光角度与距离L相关，L为光源s和透镜之间距离。电机通过机械传动机构将旋转运动转换为直线运动，带动透镜前后运动，调节距离L，从而控制出射光束的出射角度。透镜前后运动过程中，始终保证光源S位于透镜的光轴上，整个光学***是共轴的。

出射光束的角度由整形后光源S的发散角θ、透镜的焦距f、透镜和光源之间的间隔L大小决定。如图2所示，特别的，光源S位于透镜的前点F之内，经透镜后成虚像光源S’，出射光束的角度就是光源S’的发散角θ’。由于激光光源线度很小，可以看成点光源，根据几何光学物像公式，出射光束角度为：

${\mathrm{\θ}}^{\′}={2\mathrm{tg}}^{-1}\left[(1-\frac{L}{f})\mathrm{tg}\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\right]$

根据上述公式，当透镜靠近光源S时，L减小，出射光束角度θ’增大，当L减小至0时，出射光束角度θ’等于θ，达到最大。当透镜远离光源S时，L增大，出射光束角度θ’减小。特别的，当L增大到和透镜焦距f相同时，即光源S位于透镜的前焦点F上时，光束发散角达到最小，虽然激光光源很小，但还是有一定的线度，此时不能用上式公式计算，此时的发散角由光源大小和透镜焦距决定，如下式：

${\mathrm{\θ}}_{\min }^{\′}={2\mathrm{tg}}^{-1}\frac{d}{2f}$

d为激光光源线度，f为透镜焦距。由上式可以看出f越大，能够达到的最小角度越小。

当透镜继续远离光源S，超过焦点F时，发射光束变成会聚了，超出了范围。所以特别要求透镜的在0≤L≤f范围内移动。照明角度变化范围为 $\mathrm{\θ}\≥{\mathrm{\θ}}^{\′}\≥{2\mathrm{tg}}^{-1}\frac{d}{2f}.$ 如最大角度θ不够大，还可以在整形透镜后放置一凹透镜，进一步发散光束。

本实用新型提出了一种可以实现照明角度电动控制，大范围变化的半导体激光照明变焦装置，全部光学器件均采用常规的球面透镜，体积小，成本低，实现简单。

(四)附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1、图2为本实用新型的结构原理示意图；

图3为本实用新型的一种具体实施方式；

图4为本实用新型带凹透镜时的一种具体实施方式。

图中，1半导体激光器，2整形光学装置，3整形后光束，4薄透镜组，5出射光束，6电机，7机械传动机构，12双胶合球面透镜，13滤光保护玻璃，14传动丝杠，15直流电机，16镜头套筒，17连接件，18激光器保护外罩，22凹透镜，23单透镜。

(五)具体实施方式

实施例1：

如图1所示，半导体激光器1发出的光束通常为10°(水平)X40°(垂直)左右，通过整形光学装置2，将水平和垂直发散角整成基本一致。整形后光束3经具有正光焦度的薄透镜组4角度压缩后，以出射光束5出射，出射光角度与距离L相关，L为光源s和薄透镜组4之间距离。电机6通过机械传动机构7将旋转运动转换为直线运动，带动透镜4前后运动，调节距离L，从而控制出射光束5的出射角度。薄透镜组4前后运动过程中，始终保证光源S位于薄透镜组4的光轴上，整个光学***是共轴的。

实施例2：

出射光束的角度由整形后光源S的发散角θ、透镜的焦距f、透镜和光源之间的间隔L大小决定。如图2所示，特别的，光源S位于透镜的前焦点F之内，经透镜后成虚像光源S’，出射光束的角度就是光源S’的发散角θ’。

实施例3：

图3为本实用新型的一种具体实施例。该实施例的半导体激光器1通过螺丝固定于镜头套筒16内部后端，半导体激光器1本身已整形，发散角为30°。双胶合球面透镜12，焦距30mm，相对孔径0.5，位于镜头套筒16内部，可以在其中前后滑动，滑动距离和镜头套筒16内部长度相等。滤光保护玻璃13通过压圈固定于镜头套筒16前端。传动丝杠14通过滚珠轴承固定于镜头套筒16底部，右端与12V直流电机15相连，中间通过连接件17与双胶合透镜12固定框相连。激光器保护外罩18固定于镜头套筒16后端外部。

工作时，将直流电机15的电源线与控制器(可用常规的变焦镜头控制盒或解码器)控制输出端口相连，手动或计算机控制直流电机15正向或反向旋转，通过传动丝杠14和连接件17带动双胶合透镜12前后运动，运动距离约30mm。运动到镜头套筒16后端时，和激光器之间的距离为0.5mm，运动到镜头套筒16前端时，和激光器之间距离为30mm。这样，可实现照明角度在0.5°-20°大范围变化。

实施例4：

该实施例的半导体激光器1通过螺丝固定于镜头套筒16内部后端，半导体激光器1本身已整形，发散角为20°。为了获得更大的照明角度，激光器后放置了凹透镜22，焦距为8mm，可以获得30°的激光发射角度。单透镜23，焦距25mm，相对孔径0.5，位于镜头套筒16内部，可以在其中前后滑动25mm。滤光保护玻璃13通过压圈固定于镜头套筒16前端。传动丝杠14通过滚珠轴承固定于镜头套筒16底部，右端与12V直流电机15相连，中间通过连接件17与双胶合透镜12固定框相连。激光器保护外罩18固定于镜头套筒16后端外部。此***工作时可获得0.5°-30°的照明角度连续变化范围。

对于机械传动机构，可以选择其它方式，如凸轮传动，齿轮齿条传动等，以获得更紧凑的结构。

Claims (5)

1.一种远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，包括半导体激光器(1)，其特征在于：所述半导体激光器(1)的前端依次设有一整形光学装置(2)、具有正光焦度的薄透镜组(4)，整形后的光源S位于薄透镜组(4)的光轴上，且与薄透镜组(4)之间的间隔L满足：0≤L≤f，其中f为薄透镜组(4)的焦距。

2.根据权利要求1所述的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，其特征在于：所述薄透镜组(4)的下端设有一带动薄透镜组(4)前后运动的机械传动机构(7)，机械传动机构(7)连接有电机(6)。

3.根据权利要求1或2所述的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，其特征在于：所述整形光学装置(2)与薄透镜组(4)之间放置一进一步发散光束的凹透镜。

4.根据权利要求1所述的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，其特征在于：所述薄透镜组(4)为单透镜、双胶合透镜或双分离透镜。

5.根据权利要求2所述的远距离大范围半导体激光照明器变焦装置，其特征在于：所述机械传动机构(7)为丝杠传动、齿轮齿条传动或凸轮传动。