一种基于激光光源的三合一光学系统及其搭建方法

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种基于激光光源的三合一光学系统及其搭建方法。

背景技术

随着社会的不断进步与发展，照明灯具的应用愈加广泛，不同的应用场景对于照明灯具的性能要求不同。其中，舞台上常用的三合一摇头灯产品，具备多功能效果，能够作为舞台上的辅助灯光使用。现有的三合一摇头灯产品通常采用传统光源或者LED光源，但是传统光源光效低、温度高，而LED光源虽然光效较高，聚光系统设计复杂，角度难以做小，一般最小角度也在3°以上。然而，入射到成像系统的角度越小，其在镜组内的全反射越少，照度也就越高，因此，目前由LED光源制备得到的三合一摇头灯产品照度不高，20米距离最高只有20000－30000lx。传统的LED光源的聚光角度在50°到55°的范围内，为了进一步提升其聚光效果，通常需要构建一个设计复杂的聚光系统，所需镜组数量多，成本高且效率低。

发明内容

本发明提供了一种基于激光光源的三合一光学系统及其搭建方法，在采用激光光源的基础上，简化聚光设计，并综合实现光束、图案和雾化的三合一效果。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于激光光源的三合一光学系统，包括：

激光光源、聚光场镜、成像光孔、成像系统和雾化镜；

其中，所述聚光场镜，用于对所述激光光源发出的激光进行聚焦，以形成满足预设直径条件的光斑；

所述成像光孔，设置在所述聚光场镜的后方，用于调整通过所述成像光孔的光束的图案效果；

所述成像系统，设置在所述成像光孔的后方，包括调焦镜组、变倍镜组和出光镜组，用于通过所述调焦镜组和所述变倍镜组，对通过所述成像光孔的光束进行调焦和变倍处理，以调整光束的照度，并通过所述出光镜组，输出完成调焦和变倍处理的光束；

所述雾化镜，设置在所述变倍镜组和所述出光镜组之间，用于对通过所述变倍镜组的光束进行光斑柔化处理。

实施本发明实施例，利用成像光孔设置不同的成像图案，以调整经过成像光孔的光束的图案效果，并且通过由调焦镜组、变倍镜组和出光镜组这三个镜组构成的成像系统，对经过成像光孔的光束进行调焦与变倍处理，在改变光束的扩散范围的同时使得光线更为清晰，从而提高出光镜组最终输出的光束的照度。此外，通过雾化镜，对经过变倍镜组的光束进行光斑柔化处理，综合实现光束、图案和雾化的三合一效果。

作为优选方案，所述调焦镜组的焦距范围为40mm到45mm，所述变倍镜组为负透镜，所述变倍镜组的焦距范围为－45mm到－50mm，所述出光镜组的焦距范围为180mm到190mm。

实施本发明实施例的优选方案，通过变倍镜组这一个负透镜，实现光束的变焦效果，并综合调焦镜组、变倍镜组和出光镜组的焦距调节，提升最终输出光束的照度与变倍效果。

作为优选方案，所述调焦镜组与所述成像光孔的距离范围为10mm到45mm。

实施本发明实施例的优选方案，通过调整调焦镜组与成像光孔的距离，能够调节出光镜组最终输出的光束的照射范围。

作为优选方案，所述变倍镜组与所述成像光孔的距离范围为75mm到185mm。

实施本发明实施例的优选方案，通过调整变倍镜组与成像光孔的距离，能够根据实际需求调节输出光线的清晰程度，实现1°到20°角度范围的变焦，从而调整出光镜组最终输出的光束的照度。

作为优选方案，所述出光镜组与所述成像光孔的距离范围为205mm到210mm。

实施本发明实施例的优选方案，通过调整出光镜组与成像光孔的距离，进一步调整成像系统的输出光束效果。

作为优选方案，所述聚光场镜是平凸球面镜，所述聚光场镜的入光面的曲率半径的范围为32mm到36mm，所述聚光场镜的出光面为平面。

实施本发明实施例的优选方案，以平凸球面镜作为聚光场镜，可以将激光光源发出的激光汇聚在后焦点位置上，便于后续进行调焦变倍处理。

作为优选方案，所述成像光孔的直径为5mm，所述成像光孔设置在所述聚光场镜的后焦距位置处，所述预设直径条件具体为，所述光斑的直径范围为3mm到5mm。

实施本发明实施例的优选方案，将成像光孔的直径设置为激光聚焦得到的光斑的最大直径，使得光斑能够尽可能经过成像光孔，并且避免光斑的周围的不规则零散光点对后续成像系统的调焦和变倍处理造成负面影响。

作为优选方案，所述激光光源的光束角的范围为4°到5°。

实施本发明实施例的优选方案，采用较小的光源角度，在一定程度上减小聚光难度，提升出光镜组输出的光束的聚光效果。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种基于激光光源的三合一光学系统搭建方法，包括：

通过聚光场镜，对激光光源进行聚焦处理，以在所述聚光场镜的后焦距位置处汇聚得到直径满足第一预设范围的光斑，并在所述聚光场镜的后焦距位置处，设置成像光孔；其中，所述聚光场镜是平凸球面镜，且所述聚光场镜的出光面为平面，所述成像光孔用于调整通过所述成像光孔的光束的图案效果；

在所述成像光孔的后方，依次设置调焦镜组、变倍镜组和出光镜组，通过所述调焦镜组和所述变倍镜组，对通过所述成像光孔的光束进行调焦和变倍处理，并通过所述出光镜组，输出完成调焦和变倍处理的光束；

依次移动所述调焦镜组、所述变倍镜组和所述出光镜组，以使所述调焦镜组与所述成像光孔的距离满足第二预设范围、所述变倍镜组与所述成像光孔的距离满足第三预设范围、所述出光镜组与所述成像光孔的距离满足第四预设范围，并在所述变倍镜组和所述出光镜组之间，设置雾化镜。

作为优选方案，所述调焦镜组的焦距范围为40mm到45mm，所述变倍镜组为负透镜且所述变倍镜组的焦距范围为－45mm到－50mm，所述出光镜组的焦距范围为180mm到190mm。

附图说明

图1：为本发明实施例一提供的一种基于激光光源的三合一光学系统的结构示意图；

图2：为本发明实施例一提供的一种基于激光光源的三合一光学系统搭建方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参照图1，为本发明实施例提供的一种基于激光光源的三合一光学系统的结构示意图，该基于激光光源的三合一光学系统包括：激光光源1、聚光场镜2、成像光孔3、成像系统和雾化镜6，并且激光光源1、聚光场镜2、成像光孔3、成像系统和雾化镜6的中心处于同一直线上。其中，各个结构/组件的布置情况具体如下：

所述激光光源1的光束角的范围为4°到5°，用于发出光束角为4°到5°的激光，即激光具备一定的发散角。

所述聚光场镜2，设置在所述激光光源1的出光方向上，用于对所述激光光源1发出的激光进行聚焦，以形成直径范围为3mm到5mm的光斑。其中，所述聚光场镜2是平凸球面镜，所述聚光场镜2的入光面的曲率半径的范围为32mm到36mm，所述聚光场镜2的出光面为平面，所述聚光场镜2的直径为26mm。

需要说明的是，在调整所述聚光场镜2与所述激光光源1的过程中，须保证所述激光光源1发出的激光全部入射到所述聚光场镜2，所述聚光场镜2则将入射的激光聚焦在其后焦距位置处，使得光束能够完全进入处于所述聚光场镜2的后焦距位置处的所述成像光孔3。其中，经过所述聚光场镜2聚焦后的光线角度范围为20°到24°。

所述成像光孔3，设置在所述聚光场镜2的后方，用于调整通过所述成像光孔的光束的图案效果。其中，所述成像光孔3的直径为5mm，所述成像光孔3设置在所述聚光场镜2的后焦距位置处。

在本实施例中，所述成像光孔3的位置可以放置不同图案的图案盘，以在不同的应用场景或者依据不同的场景需求，适应性地调整透射光束的团，为现场提供不同的图案效果。

所述成像系统，设置在所述成像光孔3的后方，包括调焦镜组4、变倍镜组5和出光镜组7，用于通过所述调焦镜组4和所述变倍镜组5，对通过所述成像光孔3的光束进行调焦和变倍处理，以调整光束的照度，并通过所述出光镜组7，输出完成调焦和变倍处理的光束。

作为优选方案，所述调焦镜组4的焦距范围为40mm到45mm，所述调焦镜组4的直径范围为50mm到55mm，所述变倍镜组5为负透镜，所述变倍镜组5的焦距范围为－45mm到－50mm，所述变倍镜组的直径范围为50mm到55mm，所述出光镜组7的焦距范围为180mm到190mm，所述出光镜组7的直径范围为135mm到140mm。

需要说明的是，当所述调焦镜组4和所述变倍镜组5的距离最近时，所述调焦镜组4、所述变倍镜组5和所述出光镜组7的组合焦距最大，组合焦距范围为310mm到330m，此时对通过所述成像光孔3的光束成像，所形成的光斑角度可以达到1°。当所述变倍镜组5远离所述调焦镜组4时，所述调焦镜组4、所述变倍镜组5和所述出光镜组7的组合焦距逐步变小，光斑角度变大。直到所述变倍镜组5移动至贴近所述出光镜组7时，所述调焦镜组4、所述变倍镜组5和所述出光镜组7的组合焦距最小，此时的组合焦距范围为15mm到18mm，然后再移动所述调焦镜组4以使成像清晰，所形成的光斑角度可以达到20°。

其中，所述调焦镜组4与所述成像光孔3的距离范围为10mm到45mm，所述变倍镜组5与所述成像光孔3的距离范围为75mm到185mm，所述出光镜组7与所述成像光孔3的距离范围为205mm到210mm。

在本实施例中，基于所述激光光源1、所述聚光场镜2、所述成像光孔3，以及由所述调焦镜组4、所述变倍镜组5和所述出光镜组7构成的所述成像系统，最终能够实现20米距离最大照度高达150000lx以上的照明效果，相比于LED光源在相同功率下的照度只能达到20000－30000lx，其照明效果具有明显提升。

所述雾化镜6，设置在所述变倍镜组5和所述出光镜组7之间，用于对通过所述变倍镜组5的光束进行光斑柔化处理，实现柔化光斑效果，从而提升所述出光镜组7最终输出的光束的投射效果，为舞台、演讲厅等多种应用场景提供柔和均匀的灯光，避免影响在场人员的观感。

请参照图2，为本发明实施例提供的一种基于激光光源的三合一光学系统搭建方法的流程示意图，该方法包括步骤S1至步骤S3，各步骤具体如下：

步骤S1，通过聚光场镜，对激光光源进行聚焦处理，以在所述聚光场镜的后焦距位置处汇聚得到直径满足第一预设范围的光斑，并在所述聚光场镜的后焦距位置处，设置成像光孔；其中，所述聚光场镜是平凸球面镜，且所述聚光场镜的出光面为平面，所述成像光孔用于调整通过所述成像光孔的光束的图案效果。

在本实施例中，所述聚光场镜的入光面的曲率半径的范围为32mm到36mm，所述第一预设范围为3mm到5mm。因此，当所述激光光源发出的激光入射到所述聚光场镜时，所述聚光场镜将激光汇聚到其后焦距位置处，以形成直径范围为3mm到5mm的光斑。

步骤S2，在所述成像光孔的后方，依次设置调焦镜组、变倍镜组和出光镜组，通过所述调焦镜组和所述变倍镜组，对通过所述成像光孔的光束进行调焦和变倍处理，并通过所述出光镜组，输出完成调焦和变倍处理的光束。

作为优选方案，所述调焦镜组的焦距范围为40mm到45mm，所述变倍镜组为负透镜且所述变倍镜组的焦距范围为－45mm到－50mm，所述出光镜组的焦距范围为180mm到190mm。

步骤S3，依次移动所述调焦镜组、所述变倍镜组和所述出光镜组，以使所述调焦镜组与所述成像光孔的距离满足第二预设范围、所述变倍镜组与所述成像光孔的距离满足第三预设范围、所述出光镜组与所述成像光孔的距离满足第四预设范围，并在所述变倍镜组和所述出光镜组之间，设置雾化镜。

在本实施例中，所述第二预设范围为10mm到45mm，所述第三预设范围为75mm到185mm，即所述变倍镜组为负透镜，所述第四预设范围为205mm到210mm。

需要说明的是，所述雾化镜贴近所述变倍镜组，当所述变倍镜组移动时，所述雾化镜也随之移动。随着所述调焦镜组、所述变倍镜组和所述出光镜组的移动，所述调焦镜组、所述变倍镜组和所述出光镜组所构成的成像系统的组合焦距随之变化，最终输出的光束对应的光斑也随之变化。基于本实施例中各镜组和结构的参数，所述出光镜组最终输出的光束能够实现20米距离最大照度高达150000lx以上的照明效果，所形成的光斑的角度在1°到20°之间。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于激光光源的三合一光学系统及其搭建方法，利用成像光孔设置不同的成像图案，以调整经过成像光孔的光束的图案效果，并且通过由调焦镜组、变倍镜组和出光镜组这三个镜组构成的成像系统，对经过成像光孔的光束进行调焦与变倍处理，基于简单高效的聚光设计，在改变光束的扩散范围的同时使得光线更为清晰，实现20米距离最大照度可以达到150000lx以上的光束投射效果。另外地，通过雾化镜，对经过变倍镜组的光束进行光斑柔化处理，综合实现光束、图案、雾化三合一效果。同时，采用激光光源，相较于传统的LED光源，光源角度小，在一定程度上减小聚光难度，提升出光镜组输出的光束的聚光效果，从而能够在提供足够的照明效果的同时节省能源。

进一步地，通过调整调焦镜组、变倍镜组与成像光孔的距离，不仅能够调节出光镜组最终输出的光束的照射范围，还能够根据实际需求调节输出光线的清晰程度，实现1°到20°角度范围的变焦效果，从而调整出光镜组最终输出的光束的照度。此外，将成像光孔的直径设置为激光聚焦得到的光斑的最大直径，使得光斑能够尽可能经过成像光孔，并且避免光斑的周围的不规则零散光点对后续成像系统的调焦和变倍处理造成负面影响。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。