一種可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡及可實(shí)現(xiàn)變焦光環(huán)的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡及可實(shí)現(xiàn)變焦光環(huán)的光學(xué)系統(tǒng)，所述復(fù)合透鏡包括光入射面和光出射面，光入射面為球面或非球面；光出射面為一棱鏡側(cè)面，且該棱鏡側(cè)面的中間部為球面或非球面或平面，其余部分為錐形面。可形成無次環(huán)和雜光的光環(huán)或中心點(diǎn)-光環(huán)，且可以在一定距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光環(huán)的調(diào)焦，使產(chǎn)生的圖案仍舊保持清晰，避免了主環(huán)周圍有次環(huán)和雜光的缺陷，圖案干凈，且加工此復(fù)合透鏡均使用制作透鏡的傳統(tǒng)技術(shù)，工藝成熟，成本低、價(jià)格便宜。
【專利說明】—種可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡及可實(shí)現(xiàn)變焦光環(huán)的光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種產(chǎn)生光環(huán)或產(chǎn)生光環(huán)的同時(shí)于光環(huán)中心產(chǎn)生一光點(diǎn)的技術(shù)，尤其是借助該成像技術(shù)減少產(chǎn)生的主環(huán)周圍的次環(huán)和雜光的光學(xué)技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]衍射光學(xué)兀件(DiffractiveOpticalElements簡(jiǎn)稱D0E)產(chǎn)生的光環(huán)和中心帶光點(diǎn)的光環(huán)，它是基于光的衍射原理，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)衍射圖，并通過微電子加工技術(shù)在光學(xué)材料表面做浮雕形成圖案的元件，是屬于物理光學(xué)的范疇，其優(yōu)點(diǎn)是易復(fù)制、衍射效率高、設(shè)計(jì)自由度多；其缺點(diǎn)是主圖案周圍有次級(jí)圖案和雜光，圖1、2所示為用做DOE技術(shù)制作的光環(huán)和光環(huán)-點(diǎn)的光學(xué)元件，其主環(huán)周圍有次環(huán)和雜光，另外制作模板費(fèi)用較高，成品價(jià)格聞。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的是:一、克服通過衍射光學(xué)元件(DiffractiveOpticalElements簡(jiǎn)稱D0E)產(chǎn)生的中心點(diǎn)-光環(huán)形成的主環(huán)周圍有次環(huán)和雜光的缺陷形成干凈的光環(huán)，另外價(jià)格低。二、提供一種在特定距離上圓環(huán)可大可小且圖像始終清晰的光學(xué)系統(tǒng)。
[0004]為此，本實(shí)用新型提供了一種可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡，包括光入射面和光出射面，所述光入射面為球面或非球面；
[0005]光出射面為一棱鏡側(cè)面,且該棱鏡側(cè)面的中心部為球面或非球面或平面，其余部分為錐形面。
[0006]錐形面的夾角Θ:0° < Θ <90°。
[0007]中心部的長(zhǎng)度a:0蘭a〈<j5mm，Φ為復(fù)合透鏡直徑。
[0008]錐形面的長(zhǎng)度b:0<b$


2 sinr/
[0009]一種可實(shí)現(xiàn)變焦光環(huán)的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光光源、順次設(shè)置在該激光光源的出射激光光路上的可產(chǎn)生光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡、前固定組透鏡、變倍組透鏡、補(bǔ)償組透鏡和后固定組透鏡。
[0010]所述可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡的光入射面為球面或非球面，其光出射面為一棱鏡側(cè)面，且該棱鏡側(cè)面的中心部為球面或非球面或平面，其余部分為錐形面。
[0011]錐形面的夾角Θ:0。< θ〈90°。
[0012]中心部的長(zhǎng)度a:0 ^ a〈<j5mm，Φ為復(fù)合透鏡的直徑。
[0013]錐形面的長(zhǎng)度b: OCb爸


2 sint/
[0014]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:可形成無次環(huán)和雜光的光環(huán)或中心點(diǎn)-光環(huán)，且可以在一定距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光環(huán)的調(diào)焦，使產(chǎn)生的光環(huán)或光環(huán)-點(diǎn)仍舊保持清晰，避免了主環(huán)周圍有次環(huán)和雜光的缺陷，圖案干凈，且加工此復(fù)合透鏡均使用制作透鏡的傳統(tǒng)技術(shù)，工藝成熟，成本低、價(jià)格便宜。
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是通過衍射光學(xué)兀件(DiffractiveOpticalElements簡(jiǎn)稱D0E)產(chǎn)生的光環(huán)的示意圖。
[0017]圖2是通過衍射光學(xué)元件(DiffractiveOpticalElements簡(jiǎn)稱D0E)產(chǎn)生的光環(huán)-點(diǎn)(即中心有光點(diǎn)的光環(huán))示意圖。
[0018]圖3是通過現(xiàn)有光學(xué)復(fù)合透鏡產(chǎn)生的光環(huán)示意圖。
[0019]圖4是通過現(xiàn)有光學(xué)復(fù)合透鏡產(chǎn)生的光環(huán)中心有點(diǎn)的示意圖。
[0020]圖5是棱鏡側(cè)面為光出射面、且該光出射面中間部為球面或非球面的棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡示意圖。
[0021]圖6是棱鏡側(cè)面為光出射面、且該光出射面中間部為平面的棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡示意圖。
[0022]圖7是通過棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡產(chǎn)生光環(huán)的光路示意圖及其產(chǎn)生的圖案示意圖。
[0023]圖8是通過棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡產(chǎn)生中心點(diǎn)-光環(huán)的光路示意圖及其產(chǎn)生的圖案示意圖。
[0024]圖9是棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡設(shè)計(jì)標(biāo)注圖。
[0025]圖10是確定棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡的各主要參數(shù)的計(jì)算示意圖。
[0026]圖1la是在特定距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)中心點(diǎn)-光環(huán)清晰且可變焦的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖(光路不意圖)。
[0027]圖1lb是前固定組透鏡，變倍組透鏡移動(dòng)前光環(huán)倍率大且清晰的示意圖。
[0028]圖1lc是前固定組透鏡，變倍組透鏡移動(dòng)后光環(huán)倍率小且清晰的示意圖。
[0029]圖12是棱鏡側(cè)面的中心部的長(zhǎng)度a的示意圖。
[0030]附圖標(biāo)記說明:1、光入射面；2、光出射面；3、中心部；4、錐形面；5、激光光源；6、
復(fù)合透鏡；7、前固定組透鏡；8、變倍組透鏡；9、補(bǔ)償組透鏡；10、后固定組透鏡；11、特定距離上的接收屏。

【具體實(shí)施方式】
[0031]為了克服現(xiàn)有技術(shù)通過衍射光學(xué)元件(DiffractiveOpticalElements簡(jiǎn)稱D0E)廣生的中心點(diǎn)_光環(huán)形成的主環(huán)周圍有次環(huán)和雜光，另外價(jià)格偏聞的缺陷，本實(shí)施例提供了一種可產(chǎn)生光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡(棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡)，包括光入射面I和光出射面2，光入射面I為球面或非球面；光出射面2為一棱鏡側(cè)面，且該棱鏡側(cè)面的中心部3可以是圖5所示的球面或非球面，也可以是圖6所示的平面，而其余部分為錐形面4 (棱鏡側(cè)面為錐形)。
[0032]通過該棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡可形成如圖7、圖8所示的圖案，該圖顯示，其主環(huán)外無次環(huán)和雜光，非常清晰。
[0033]如圖9所示，錐面的夾角Θ決定在一定平面上圓環(huán)的大小，Θ的取值范圍為0°< Θ <90°，a和復(fù)合透鏡的焦距值決定圓環(huán)中間點(diǎn)的大小，a的取值范圍為O蘭a〈(j5mm，Φ
為復(fù)合透鏡的直徑山值主要決定圓環(huán)的粗細(xì)，b的取值范圍為0<bS




Zsini/
[0034]例如，已知復(fù)合透鏡的直徑為Φ5ι?πι，要求10米處圓環(huán)的大小為Φ 500mm,中間點(diǎn)的大小為Φ 1mm,確定a、b及Θ值。
[0035]首先根據(jù)10米(即10000毫米)處中心點(diǎn)大小為Φ 1mm(如圖12所示)，可確定α為:
[0036]

a = arcts~~ = 0.02865° = 0.Smrad

10000
[0037]2 a = Imrad即中心點(diǎn)發(fā)散度為I毫弧度
[0038]可根據(jù)產(chǎn)品的長(zhǎng)度確定球面或非球面透鏡的焦距為15_左右，根據(jù)衍射圖樣中愛里斑公式可確定a值:

0.6 IA
—-
[0039]I ，其中激光管波長(zhǎng)取 0.000520mm，α = 0.5mrad

—Cl
2
0.61x0.52x2 1 __
[0040]# <2 =-—-= 1.2/(mm)
[0041]如圖10計(jì)算θ值:
[0042]10米處圓環(huán)外圓為Φ500_，可算出Z I
[0043]


1 X 500
Zl - arclan ---- arclan 0.025 - 1.43 I I )


10000
[0044]根據(jù)折射定理:n2sinZZ = Ii1Sin ( Z 1+ Z 3)
[0045]展開得:n2sin Z 2 = Ii1 (sin 廣 Icos 廣 3+cos 廣 Isin 廣 3) (2)
[0046]假設(shè)此透鏡的材料為K9，則n2 = 1.516371
[0047]^fn1 = I, Z I = 1.43°，n2 = 1.516371 代入(2)式得:
[0048]1.516371sin Z 2 = sinl.43° cos 廣 3+cosl.43° sin 廣 3 (3)
[0049]將Z3 = Z 2 代入(3)得
[0050]1.516371sin Z 2 = sinl.43° cos 廣 2+cosl.43° sin 廣 2
[0051]計(jì)算得:tanZ 2 = 0.0484
[0052]得22= 2.77°
[0053]Z4+Z5 = 90°，Z2=Z5 得
[0054]Z4+Z2 = 90。(4)
[0055]將Z 2 = 2.77。代入⑷式
[0056]得Z4 = 90。-2.77。= 87.23。
[0057]Z 4 = Θ gp θ = 87.23。
[0058]計(jì)算b值:

5 — u
[0059]cos (90。- 0)=轉(zhuǎn)化為== ^
v ) b 2b 2b 2h
, 1.865.?
[0060]秦;i^F= 1.S67(丨麗)
[0061]這樣，a、Θ、13及復(fù)合透鏡的焦距都確定了。
[0062]而為了實(shí)現(xiàn)在特定距離上圓環(huán)可大可小且圖像始終清晰，本實(shí)施例提供了一種圖1la所示的光學(xué)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)變焦光環(huán)的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光光源(如半導(dǎo)體激光器)5、順次設(shè)置在該激光光源5的出射激光光路上的可產(chǎn)生光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡6、前固定組透鏡7、變倍組透鏡8、補(bǔ)償組透鏡9、后固定組透鏡10。其中，當(dāng)各透鏡組處在圖1la所示的實(shí)線位置時(shí)，在特定距離接收屏11上可看到如圖1lb所示的倍率較大且清晰的光環(huán)-點(diǎn)的圖像，當(dāng)變倍組透鏡8沿光軸移動(dòng)到8'位置時(shí)，系統(tǒng)的組合焦距將發(fā)生改變，鏡組7和8形成的象點(diǎn)也隨之移動(dòng)，為了使系統(tǒng)在接收屏11上的象點(diǎn)維持不動(dòng)，則在變倍組8移動(dòng)的同時(shí)，按一定規(guī)律移動(dòng)補(bǔ)償鏡組9到9'位置，使整個(gè)系統(tǒng)的象點(diǎn)仍成在接收屏11上，見圖1lc所示倍率較小且清晰的光環(huán)-點(diǎn)的圖像。通過同時(shí)移動(dòng)變倍組透鏡8和補(bǔ)償組透鏡9達(dá)到光環(huán)變大變小且始終清晰。其中，可產(chǎn)生光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡的光入射面為球面或非球面，其光出射面為一棱鏡側(cè)面，且該棱鏡側(cè)面的中心部為球面或非球面或平面，其余部分為錐形面即其采用的復(fù)合透鏡是前述的棱鏡-非球面鏡復(fù)合透鏡。同樣，其在設(shè)計(jì)制造時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)是:錐形面的夾角θ:0° < Θ〈90° ,中心部的長(zhǎng)度a:0蘭a〈 Φι?πι, Φ為復(fù)合透鏡直徑，錐形面的長(zhǎng)度b9。
2sint^
[0063]該光學(xué)系統(tǒng)，通過移動(dòng)變倍組透鏡8和補(bǔ)償組透鏡9兩組透鏡或只移動(dòng)變倍組透鏡8 —組透鏡實(shí)現(xiàn)光環(huán)變大變小且始終保持清晰，可參見圖11a。
[0064]綜上所述，不難看出本實(shí)用新型是屬于幾何光學(xué)的范疇，是依據(jù)光是直線傳播的理論，利用此理論加工的光環(huán)或光環(huán)-點(diǎn)的復(fù)合透鏡避免了主環(huán)周圍有次環(huán)和雜光的缺陷，圖案干凈，如圖3、圖4所示。且加工此復(fù)合透鏡均使用制作透鏡的傳統(tǒng)技術(shù)，工藝成熟，成本低、價(jià)格便宜。
【權(quán)利要求】
1.一種可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡，包括光入射面和光出射面，其特征在于:所述光入射面為球面或非球面； 光出射面為一棱鏡側(cè)面，且該棱鏡側(cè)面的中間部為球面或非球面或平面，其余部分為錐形面。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合透鏡，其特征在于:所述錐形面的夾角Θ:0° < θ<90°。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合透鏡，其特征在于:所述中心部的長(zhǎng)度a:0含?<φΜη, Φ為復(fù)合透鏡直徑。
4.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合透鏡，其特征在于:所述錐形面的長(zhǎng)度b:0 < b = mm。
5.一種可實(shí)現(xiàn)變焦光環(huán)的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括激光光源、順次設(shè)置在該激光光源的出射激光光路上的可產(chǎn)生光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡、前固定組透鏡、變倍組透鏡、補(bǔ)償組透鏡和后固定組透鏡；所述可產(chǎn)生光環(huán)或光環(huán)中心有光點(diǎn)的復(fù)合透鏡的光入射面為球面或非球面，其光出射面為一棱鏡側(cè)面，且該棱鏡側(cè)面的中心部為球面或非球面或平面，其余部分為錐形面。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述錐形面的夾角Θ:0° < θ<90°。
7.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于:所述中心部的長(zhǎng)度a:0蘭a〈 Φι?πι, Φ為復(fù)合透鏡直徑。
8.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述錐形面的長(zhǎng)度b:0 <b含mm。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK203950049SQ201420406085
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】孫建華, 楊英姿, 王駿 申請(qǐng)人:西安華科光電有限公司