專利名稱：遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用技術(shù)，特別是指一種用于遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，尤其是激光器用做照明光源時的應(yīng)用裝置。
背景技術(shù)：
用半導(dǎo)體激光器作為照明源的裝置，其照明角度一般都是固定的，既使設(shè)計時留有一定的調(diào)節(jié)范圍，但調(diào)節(jié)范圍都比較小，且是手動的，一旦安裝時調(diào)節(jié)好后，就完全固定死了。專利Z972157018中涉及到的用于鐵路機車監(jiān)視儀的激光照明器，為了看清2000米處景物信號，將照明角度固定的非常小。國內(nèi)北京高博視訊公司和北京相干光電子公司的激光照明器產(chǎn)品，其照明角度都有一定的調(diào)節(jié)范圍，但在安裝時，通過手動調(diào)節(jié)好后固定死了，在使用過程中是不能隨攝像機變焦而變化的。國外Eagle Technology公司的半導(dǎo)體激光照明產(chǎn)品，照明角度在1 °-3°內(nèi)，只能手動調(diào)節(jié)。
在遠(yuǎn)近距離比較大的應(yīng)用場合，固定角度的照明就不太適合了。因為遠(yuǎn)距離時需要將目標(biāo)放大，攝像鏡頭變到長焦，視場小，要求照明角度也比較小，才能有足夠的照度；而近距離時需要大視場，攝像鏡頭變到短焦，要求照明角度也足夠大，才能充滿整個視場。如果照明角度固定，很容易造成攝像鏡頭長焦時，照明角度過大，超過視場，目標(biāo)照度不夠；而攝像鏡頭短焦時，照明角度太小，不能充滿視場。專利CN99104568.6中涉及到的用于汽車輔助安全照明的激光照明器，雖然可以通過機械掃描臂驅(qū)動照明器整體進(jìn)行掃描照明，但其掃描速度比較慢，存在陰影區(qū)，機械臂結(jié)構(gòu)也不穩(wěn)定。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所發(fā)明的用于半導(dǎo)體激光照明的微型變焦結(jié)構(gòu)(專利CN200310118153.8)，可以實現(xiàn)照明角度較大變化，但其使用了特殊的自聚焦透鏡，難以降低成本，而且變焦移動范圍太小(5mm)，精度要求高，不易實現(xiàn)電動自動控制。
對于1000米以上的夜視照明，一個比較合適的照明角度范圍應(yīng)不低于0.5°-20°。一種折衷的解決方法，是提高激光發(fā)射功率，將照明角度固定在比較大的值(如10°)，這樣既能保證遠(yuǎn)距離時有足夠的照度，近距離時有足夠的照明視場。左防等實用新型的大功率光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光照明器(專利CN2005101083653.8)和美國ALS-20激光照明器就是采取這種方式，它們的光輸出功率在20W以上，功耗都在60W以上。但這種方式帶來的不利因素更多，功耗增大對散熱系統(tǒng)和電源要求相當(dāng)高，否則會影響激光器壽命，其體積和重量也隨之增大，不利于安裝。還有大功率激光器一般要光纖耦合輸出，需要用到微透鏡陣列和自聚焦透鏡等較昂貴的光學(xué)元件，造成其成本非常高。另外在遠(yuǎn)距離成像時，激光還保持大角度照射，能量浪費嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可以實現(xiàn)照明角度電動控制、大范圍連續(xù)變化的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置。
本實用新型是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，包括半導(dǎo)體激光器，其特殊之處在于所述半導(dǎo)體激光器的前端依次設(shè)有一整形光學(xué)裝置、具有正光焦度的薄透鏡組，整形后的光源S位于薄透鏡組的光軸上，且與薄透鏡組之間的間隔L滿足0≤L≤f，其中f為薄透鏡組的焦距。
本實用新型的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，其進(jìn)一步改進(jìn)在于所述薄透鏡組的下端設(shè)有一帶動薄透鏡組前后運動的機械傳動機構(gòu)，機械傳動機構(gòu)連接有電機。該機械傳動機構(gòu)可以控制薄透組與激光光源之間間距連續(xù)變化，用于控制薄透鏡組和半導(dǎo)體激光源相對位置。
本實用新型的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，所述整形光學(xué)裝置與薄透鏡組之間放置一進(jìn)一步發(fā)散光束的凹透鏡。
本實用新型的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，所述薄透鏡組為單透鏡、雙膠合透鏡或雙分離透鏡或其它更復(fù)雜的薄透鏡組。
所述機械傳動機構(gòu)為絲杠傳動、齒輪齒條傳動或凸輪傳動或其它傳動方式。
通過機械電動結(jié)構(gòu)控制薄透鏡組和半導(dǎo)體激光源相對位置連續(xù)變，從而達(dá)到控制照明角度大范圍連續(xù)變化。
其原理如下半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束通常為10°(水平)X40°(垂直)左右，通過整形光學(xué)裝置，將水平和垂直發(fā)散角整成基本一致(所需要的角度)。整形后光束經(jīng)具有正光焦度的薄透鏡組角度壓縮后，以出射光束出射，出射光角度與距離L相關(guān)，L為光源s和透鏡之間距離。電機通過機械傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，帶動透鏡前后運動，調(diào)節(jié)距離L，從而控制出射光束的出射角度。透鏡前后運動過程中，始終保證光源S位于透鏡的光軸上，整個光學(xué)系統(tǒng)是共軸的。
出射光束的角度由整形后光源S的發(fā)散角θ、透鏡的焦距f、透鏡和光源之間的間隔L大小決定。如圖2所示，特別的，光源S位于透鏡的前點F之內(nèi)，經(jīng)透鏡后成虛像光源S’，出射光束的角度就是光源S’的發(fā)散角θ’。由于激光光源線度很小，可以看成點光源，根據(jù)幾何光學(xué)物像公式，出射光束角度為θ′=2tg-1[(1-Lf)tg(θ2)]]]>根據(jù)上述公式，當(dāng)透鏡靠近光源S時，L減小，出射光束角度θ’增大，當(dāng)L減小至0時，出射光束角度θ’等于θ，達(dá)到最大。當(dāng)透鏡遠(yuǎn)離光源S時，L增大，出射光束角度θ’減小。特別的，當(dāng)L增大到和透鏡焦距f相同時，即光源S位于透鏡的前焦點F上時，光束發(fā)散角達(dá)到最小，雖然激光光源很小，但還是有一定的線度，此時不能用上式公式計算，此時的發(fā)散角由光源大小和透鏡焦距決定，如下式
θmin′=2tg-1d2f]]>d為激光光源線度，f為透鏡焦距。由上式可以看出f越大，能夠達(dá)到的最小角度越小。
當(dāng)透鏡繼續(xù)遠(yuǎn)離光源S，超過焦點F時，發(fā)射光束變成會聚了，超出了范圍。所以特別要求透鏡的在0≤L≤f范圍內(nèi)移動。照明角度變化范圍為θ≥θ′≥2tg-1d2f.]]>如最大角度θ不夠大，還可以在整形透鏡后放置一凹透鏡，進(jìn)一步發(fā)散光束。
本實用新型提出了一種可以實現(xiàn)照明角度電動控制，大范圍變化的半導(dǎo)體激光照明變焦裝置，全部光學(xué)器件均采用常規(guī)的球面透鏡，體積小，成本低，實現(xiàn)簡單。


以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的說明。
圖1、圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為本實用新型的一種具體實施方式
；圖4為本實用新型帶凹透鏡時的一種具體實施方式
。
圖中，1半導(dǎo)體激光器，2整形光學(xué)裝置，3整形后光束，4薄透鏡組，5出射光束，6電機，7機械傳動機構(gòu)，12雙膠合球面透鏡，13濾光保護(hù)玻璃，14傳動絲杠，15直流電機，16鏡頭套筒，17連接件，18激光器保護(hù)外罩，22凹透鏡，23單透鏡。
具體實施方式
實施例1如圖1所示，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光束通常為10°(水平)X40°(垂直)左右，通過整形光學(xué)裝置2，將水平和垂直發(fā)散角整成基本一致。整形后光束3經(jīng)具有正光焦度的薄透鏡組4角度壓縮后，以出射光束5出射，出射光角度與距離L相關(guān)，L為光源s和薄透鏡組4之間距離。電機6通過機械傳動機構(gòu)7將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，帶動透鏡4前后運動，調(diào)節(jié)距離L，從而控制出射光束5的出射角度。薄透鏡組4前后運動過程中，始終保證光源S位于薄透鏡組4的光軸上，整個光學(xué)系統(tǒng)是共軸的。
實施例2出射光束的角度由整形后光源S的發(fā)散角θ、透鏡的焦距f、透鏡和光源之間的間隔L大小決定。如圖2所示，特別的，光源S位于透鏡的前焦點F之內(nèi)，經(jīng)透鏡后成虛像光源S’，出射光束的角度就是光源S’的發(fā)散角θ’。
實施例3圖3為本實用新型的一種具體實施例。該實施例的半導(dǎo)體激光器1通過螺絲固定于鏡頭套筒16內(nèi)部后端，半導(dǎo)體激光器1本身已整形，發(fā)散角為30°。雙膠合球面透鏡12，焦距30mm，相對孔徑0.5，位于鏡頭套筒16內(nèi)部，可以在其中前后滑動，滑動距離和鏡頭套筒16內(nèi)部長度相等。濾光保護(hù)玻璃13通過壓圈固定于鏡頭套筒16前端。傳動絲杠14通過滾珠軸承固定于鏡頭套筒16底部，右端與12V直流電機15相連，中間通過連接件17與雙膠合透鏡12固定框相連。激光器保護(hù)外罩18固定于鏡頭套筒16后端外部。
工作時，將直流電機15的電源線與控制器(可用常規(guī)的變焦鏡頭控制盒或解碼器)控制輸出端口相連，手動或計算機控制直流電機15正向或反向旋轉(zhuǎn)，通過傳動絲杠14和連接件17帶動雙膠合透鏡12前后運動，運動距離約30mm。運動到鏡頭套筒16后端時，和激光器之間的距離為0.5mm，運動到鏡頭套筒16前端時，和激光器之間距離為30mm。這樣，可實現(xiàn)照明角度在0.5°-20°大范圍變化。
實施例4該實施例的半導(dǎo)體激光器1通過螺絲固定于鏡頭套筒16內(nèi)部后端，半導(dǎo)體激光器1本身已整形，發(fā)散角為20°。為了獲得更大的照明角度，激光器后放置了凹透鏡22，焦距為8mm，可以獲得30°的激光發(fā)射角度。單透鏡23，焦距25mm，相對孔徑0.5，位于鏡頭套筒16內(nèi)部，可以在其中前后滑動25mm。濾光保護(hù)玻璃13通過壓圈固定于鏡頭套筒16前端。傳動絲杠14通過滾珠軸承固定于鏡頭套筒16底部，右端與12V直流電機15相連，中間通過連接件17與雙膠合透鏡12固定框相連。激光器保護(hù)外罩18固定于鏡頭套筒16后端外部。此系統(tǒng)工作時可獲得0.5°-30°的照明角度連續(xù)變化范圍。
對于機械傳動機構(gòu)，可以選擇其它方式，如凸輪傳動，齒輪齒條傳動等，以獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，包括半導(dǎo)體激光器(1)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器(1)的前端依次設(shè)有一整形光學(xué)裝置(2)、具有正光焦度的薄透鏡組(4)，整形后的光源S位于薄透鏡組(4)的光軸上，且與薄透鏡組(4)之間的間隔L滿足0≤L≤f，其中f為薄透鏡組(4)的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述薄透鏡組(4)的下端設(shè)有一帶動薄透鏡組(4)前后運動的機械傳動機構(gòu)(7)，機械傳動機構(gòu)(7)連接有電機(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述整形光學(xué)裝置(2)與薄透鏡組(4)之間放置一進(jìn)一步發(fā)散光束的凹透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述薄透鏡組(4)為單透鏡、雙膠合透鏡或雙分離透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述機械傳動機構(gòu)(7)為絲杠傳動、齒輪齒條傳動或凸輪傳動。
專利摘要本實用新型涉及半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用技術(shù)，特別公開了一種用于遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置。該遠(yuǎn)距離大范圍半導(dǎo)體激光照明器變焦裝置，包括半導(dǎo)體激光器，其特殊之處在于所述半導(dǎo)體激光器的前端依次設(shè)有一整形光學(xué)裝置、具有正光焦度的薄透鏡組，整形后的光源S位于薄透鏡組的光軸上，且與薄透鏡組之間的間隔L滿足0≤L≤f，其中f為薄透鏡組的焦距；所述薄透鏡組的下端設(shè)有一機械傳動機構(gòu)，機械傳動機構(gòu)連接有電機。本實用新型提出了一種可以實現(xiàn)照明角度電動控制、大范圍變化的半導(dǎo)體激光照明變焦裝置，全部光學(xué)器件均采用常規(guī)的球面透鏡，體積小，成本低，實現(xiàn)簡單。
文檔編號G02B15/16GK2906316SQ20062008457
公開日2007年5月30日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者張超岳, 桑建國, 趙萬存, 楊華軍, 蘇明連, 王連文, 趙敬偉, 懷洪波, 彭媛, 郭棟 申請人:濟南神戎電子有限公司