專利名稱：遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器的應用技術，特別是指一種用于遠距離大范圍半導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用裝置。
背景技術：
用半導體激光器作為照明源的裝置，其照明角度一般都是固定的，既使設計時留有一定的調節范圍，但調節范圍都比較小，且是手動的，一旦安裝時調節好后，就完全固定死了。專利Z972157018中涉及到的用于鐵路機車監視儀的激光照明器，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品，其照明角度都有一定的調節范圍，但在安裝時，通過手動調節好后固定死了，在使用過程中是不能隨攝像機變焦而變化的。國外Eagle Technology公司的半導體激光照明產品，照明角度在1°-3°內，只能手動調節。
在遠近距離比較大的應用場合，固定角度的照明就不太適合了。因為遠距離時需要將目標放大，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動照明器整體進行掃描照明，但其掃描速度比較慢，存在陰影區，機械臂結構也不穩定。中國科學院半導體研究所發明的用于半導體激光照明的微型變焦結構(專利CN200310118153.8)，可以實現照明角度較大變化，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不低于0.5°-20°。一種折衷的解決方法，是提高激光發射功率，將照明角度固定在比較大的值(如10°)，這樣既能保證遠距離時有足夠的照度，近距離時有足夠的照明視場。左昉等發明的大功率光纖耦合輸出的半導體激光照明器(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和電源要求相當高，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元件，造成其成本非常高。另外在遠距離成像時，激光還保持大角度照射，能量浪費嚴重。
發明內容本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種可以實現照明角度電動控制、大范圍連續變化的遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置。
本發明是通過如下技術方案實現的一種遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，包括半導體激光器，其特殊之處在于所述半導體激光器的前端依次設有一整形光學裝置、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。
本發明的遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，其進一步改進在于所述薄透鏡組的下端設有一帶動薄透鏡組前后運動的機械傳動機構，機械傳動機構連接有電機。該機械傳動機構可以控制薄透組與激光光源之間間距連續變化，用于控制薄透鏡組和半導體激光源相對位置。
本發明的遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，所述整形光學裝置與薄透鏡組之間放置一進一步發散光束的凹透鏡。
本發明的遠距離大范圍半導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雜的薄透鏡組。
所述機械傳動機構為絲杠傳動、齒輪齒條傳動或凸輪傳動或其它傳動方式。
通過機械電動結構控制薄透鏡組和半導體激光源相對位置連續變，從而達到控制照明角度大范圍連續變化。
其原理如下半導體激光器發出的光束通常為10°(水平)×40°(垂直)左右，通過整形光學裝置，將水平和垂直發散角整成基本一致(所需要的角度)。整形后光束經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，L為光源s和透鏡之間距離。電機通過機械傳動機構將旋轉運動轉換為直線運動，帶動透鏡前后運動，調節距離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，整個光學系統是共軸的。
出射光束的角度由整形后光源S的發散角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，經透鏡后成虛像光源S’，出射光束的角度就是光源S’的發散角θ’。由于激光光源線度很小，可以看成點光源，根據幾何光學物像公式，出射光束角度為θ′=2tg-1[(1-Lf)tg(θ2)]]]>根據上述公式，當透鏡靠近光源S時，L減小，出射光束角度θ’增大，當L減小至0時，出射光束角度θ’等于θ，達到最大。當透鏡遠離光源S時，L增大，出射光束角度θ’減小。特別的，當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，光束發散角達到最小，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，此時的發散角由光源大小和透鏡焦距決定，如下式
θ′min=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，能夠達到的最小角度越小。
當透鏡繼續遠離光源S，超過焦點F時，發射光束變成會聚了，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，進一步發散光束。
本發明提出了一種可以實現照明角度電動控制，大范圍變化的半導體激光照明變焦裝置，全部光學器件均采用常規的球面透鏡，體積小，成本低，實現簡單。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1、圖2為本發明的結構原理示意圖；圖3為本發明的一種具體實施方式
；圖4為本發明帶凹透鏡時的一種具體實施方式
。
圖中，1半導體激光器，2整形光學裝置，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，12雙膠合球面透鏡，13濾光保護玻璃，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，半導體激光器1發出的光束通常為10°(水平)×40°(垂直)左右，通過整形光學裝置2，將水平和垂直發散角整成基本一致。整形后光束3經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，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7將旋轉運動轉換為直線運動，帶動透鏡4前后運動，調節距離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，整個光學系統是共軸的。
實施例2出射光束的角度由整形后光源S的發散角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，經透鏡后成虛像光源S’，出射光束的角度就是光源S’的發散角θ’。
實施例3圖3為本發明的一種具體實施例。該實施例的半導體激光器1通過螺絲固定于鏡頭套筒16內部后端，半導體激光器1本身已整形，發散角為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內部，可以在其中前后滑動，滑動距離和鏡頭套筒16內部長度相等。濾光保護玻璃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，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，可實現照明角度在0.5°-20°大范圍變化。
實施例4該實施例的半導體激光器1通過螺絲固定于鏡頭套筒16內部后端，半導體激光器1本身已整形，發散角為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°的激光發射角度。單透鏡23，焦距25mm，相對孔徑0.5，位于鏡頭套筒16內部，可以在其中前后滑動25mm。濾光保護玻璃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。激光器保護外罩18固定于鏡頭套筒16后端外部。此系統工作時可獲得0.5°-30°的照明角度連續變化范圍。
對于機械傳動機構，可以選擇其它方式，如凸輪傳動，齒輪齒條傳動等，以獲得更緊湊的結構。
權利要求
1.一種遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，包括半導體激光器(1)，其特征在于所述半導體激光器(1)的前端依次設有一整形光學裝置(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.根據權利要求1所述的遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述薄透鏡組(4)的下端設有一帶動薄透鏡組(4)前后運動的機械傳動機構(7)，機械傳動機構(7)連接有電機(6)。
3.根據權利要求1或2所述的遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述整形光學裝置(2)與薄透鏡組(4)之間放置一進一步發散光束的凹透鏡。
4.根據權利要求1所述的遠距離大范圍半導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.根據權利要求2所述的遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，其特征在于所述機械傳動機構(7)為絲杠傳動、齒輪齒條傳動或凸輪傳動。
全文摘要
本發明涉及半導體激光器的應用技術，特別公開了一種用于遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置。該遠距離大范圍半導體激光照明器變焦裝置，包括半導體激光器，其特殊之處在于所述半導體激光器的前端依次設有一整形光學裝置、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有一機械傳動機構，機械傳動機構連接有電機。本發明提出了一種可以實現照明角度電動控制、大范圍變化的半導體激光照明變焦裝置，全部光學器件均采用常規的球面透鏡，體積小，成本低，實現簡單。
文檔編號H01S5/00GK1885083SQ20061004422
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月23日 優先權日2006年5月23日
發明者張超岳, 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