專利名稱：可變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光學(xué)系統(tǒng)，更具體而言，涉及一種通過使用可變束焦點來提供 增大的景深的光學(xué)照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
諸如條形碼讀取器的光學(xué)掃描器投射掃描的激光束，該激光束引導(dǎo)到包含代碼的 遠(yuǎn)程目標(biāo)上。由上述代碼反射的照明然后被處理以檢測代碼。代碼的準(zhǔn)確讀取需要激光束 在橫越代碼掃描時保持聚焦。這需要比利用CXD或CMOS圖像傳感器普通得到的景深更大 的景深。因此，在激光掃描器中典型地使用可變焦，以便增大有效景深。在圖1中示意性地示出一種典型的激光照明系統(tǒng)10。諸如激光二極管12的激光 光源向前投射激光。光入射到聚焦透鏡14并穿過它，在該情況下，聚焦透鏡14是固定透鏡， 光在透鏡的前方通過光闌16。相對窄的束從光闌16投射，并且在離光闌16的距離ZO處呈 現(xiàn)出束腰18或最小直徑，在特定的光波長下，ZO的實際值通過透鏡14的焦距和光闌16的 直徑確定。圖2是在日本專利No. 3730673中公開的可變焦激光束照明系統(tǒng)10’的示意圖。 即，系統(tǒng)10’產(chǎn)生激光束，其中，束腰離光闌的距離可以被調(diào)節(jié)。在該情況下，光源12向前 將激光投射到透鏡20上并穿過該透鏡20。透鏡20被安裝為朝向和遠(yuǎn)離光源12軸向移動。 從透鏡20向前發(fā)射的光入射到具有可變直徑的光闌22上。通過透鏡20的移動以及光闌 22的同時調(diào)節(jié)，激光束腰離光闌22的距離可以在一定范圍的值內(nèi)被調(diào)節(jié)。通過感測目標(biāo)離 光闌22的距離以及相應(yīng)地調(diào)節(jié)透鏡20和光闌22，可在一定范圍的值內(nèi)調(diào)節(jié)束腰離光闌22 的距離，從而它可以被設(shè)置在與目標(biāo)的距離相對應(yīng)的距離處。結(jié)果，有效地增大了光源10’ 的景深。雖然增大激光源的有效景深是希望的結(jié)果，但是實現(xiàn)的成本相當(dāng)可觀。對于必須 協(xié)調(diào)的兩個分離的控制系統(tǒng)和致動器，實現(xiàn)透鏡位置的控制和光闌大小。因此，光源變得復(fù) 雜，且難以實現(xiàn)小型化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種可變焦照明系統(tǒng)包括向前投射光的光源，在來自光源 的光的路徑上具有位于光源的前方的可移動透鏡、以及安裝在光源的前方的固定透鏡，該 可移動透鏡被安裝為朝向和遠(yuǎn)離光源軸向移動。優(yōu)選地，固定透鏡在可移動透鏡的前方。通 過設(shè)計，透鏡組合產(chǎn)生位于實際光源的后方的光源的像，并且可移動透鏡的移動使從像向 前投射的光聚焦。與單透鏡系統(tǒng)相比，在該雙透鏡系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)焦點的給定的位置準(zhǔn)確 度，可移動透鏡中所需的定位準(zhǔn)確度可以降低一個數(shù)量級。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可移動透鏡形成為具有固定直徑的相對的間隔的光闌的 單元。照明系統(tǒng)包括向前投射光的光源，前述單元被安裝在光源的前方，用于朝向和遠(yuǎn)離光 源軸向移動，并且，固定透鏡被安裝在光源的前方。不僅可移動透鏡的移動改變發(fā)射光束的焦點，而且光闌朝向和遠(yuǎn)離光源的同時移動改變了傳遞至固定透鏡的光的最大角度。這特 別導(dǎo)致焦點的有效控制。不僅相比于固定直徑光闌而減小的束腰直徑使得照明系統(tǒng)產(chǎn)生的 光斑大小更小，而且在照明系統(tǒng)的整個焦點范圍內(nèi)的光斑大小的變化減小。此外，還實現(xiàn)更 加一致的照明強(qiáng)度。


通過下面參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的目前優(yōu)選的且示例性的實施例的詳細(xì)描述，可 以更加全面地理解本發(fā)明的上述簡要說明以及進(jìn)一步目的、特征和優(yōu)點，在附圖中圖1是典型的現(xiàn)有的激光束照明的示意圖；圖2是本領(lǐng)域中已知的可變焦激光束照明系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的可變焦照明系統(tǒng)的第一實施例的截面圖；圖4是對于圖2所示的照明系統(tǒng)(30)的類型而言的系統(tǒng)焦距F作為移動透鏡20 的位置的函數(shù)的曲線圖；圖5是如圖3所示的系統(tǒng)30中的系統(tǒng)焦距作為激光二極管34和移動透鏡38之 間的距離的函數(shù)的曲線圖；圖6是圖3的系統(tǒng)30的光學(xué)參數(shù)的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的可變焦照明系統(tǒng)的第二實施例130的截面圖；圖8 (A)和8⑶是系統(tǒng)130中的光闌156位于框架154的極端位置的效果的示意 圖，其中，圖8 (A)涉及在其最前方位置處的框架154，圖8 (B)涉及在其最后方位置處的框架 1 ；以及圖9是光斑大小(束腰直徑)作為離光闌的距離的函數(shù)的曲線圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明的可變焦照明系統(tǒng)30的第一實施例的截面圖。 系統(tǒng)30包括外殼32，并且大體上包括安裝在外殼的后方的以激光二極管34形式的光源； 在激光二極管34的前方處被安裝到外殼32的固定透鏡36 ；和安裝在激光二極管34和固 定透鏡36之間的移動透鏡38，用于朝向和遠(yuǎn)離激光二極管移動。透鏡38的移動可以通過 以下描述的線性致動器(linear actuator)來實現(xiàn)。操作中，激光二極管34朝向透鏡36和38向前發(fā)射光。通過透鏡36和38的合作， 聚焦束向著透鏡36的前方投射。透鏡38的移動使得投射束腰移動。具體而言，當(dāng)透鏡38 更接近激光二極管34移動時，束腰向前移動，從而增大了系統(tǒng)30的有效焦距。優(yōu)選地，激光二極管34產(chǎn)生波長為650nm的光，盡管還可以使用其它波長的光。二 極管34被安裝在外殼32后方的開口 3 中以向前方向發(fā)射光。固定透鏡36被安裝在外殼32內(nèi)的壁40上并在壁40的開口 40a中凸出。優(yōu)選地， 透鏡36的焦距為233mm，并且，透鏡36被安裝在離激光二極管34的固定距離2. 284mm處。 然而，將會認(rèn)識到，這些值可以根據(jù)應(yīng)用變化。移動透鏡38優(yōu)選地是焦距為20mm的球面透 鏡，且被安裝為在離激光二極管34的1至1. 5mm距離上可移動。然而，根據(jù)應(yīng)用，還可使用 其它焦距和移動距離。還可預(yù)期到的是，透鏡38可以是柱面的、凸超環(huán)面(convex toroid) 的、凹超環(huán)面的，或任何其它形狀。根據(jù)這個結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)焦距可以從IOOmm變化至800mm。
大體上柱形的固定軛45被安裝在外殼32的內(nèi)部且向后凸出。套筒狀可移動軛50 被安裝在軛45的上方，從而沿著該軛45可軸向滑動。軛50的前端通過撓性懸掛元件52 被安裝在外殼32上。在軛50的后端，安裝有支撐移動透鏡38的框架M。框架M又通過 撓性懸掛元件56安裝在外殼32上。懸掛元件52和56保持軛50，使得它在軛45上軸向滑 動。這使得透鏡38朝向和遠(yuǎn)離激光二極管34移動。線性致動器由安裝在外殼32內(nèi)的固定磁體60和圍繞軛50形成的電線圈65限 定。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識的，當(dāng)電流被施加到線圈65上時，感應(yīng)磁場將與磁體60相互 作用，使得軛50在固定軛45的上方軸向滑動。通過控制施加到線圈65上的電流的振幅和 方向，可以控制軛50的位置，從而控制透鏡38相對于激光二極管34的位置。實際上，能夠 檢測目標(biāo)的距離且控制透鏡38的位置，從而使得束腰位于目標(biāo)的位置處。圖4是對于圖2所示的照明系統(tǒng)(30)的類型而言的系統(tǒng)焦距F作為移動透鏡20 的位置的函數(shù)的曲線圖?？梢钥闯觯€圖中的曲線是如此陡峭，以至于通過將可移動透鏡 移動大約.05mm來獲得從IOOmm到800mm的系統(tǒng)焦距變化。為了比較，圖5是如圖3所示 的系統(tǒng)30中的系統(tǒng)焦距作為激光二極管34和移動透鏡38之間的距離的函數(shù)關(guān)系的曲線 圖?？梢钥闯觯ㄟ^在.5mm的距離上移動透鏡38來實現(xiàn)從IOOmm到800mm的系統(tǒng)焦距變 化。換句話說，透鏡38的移動量比透鏡20的移動量大一個數(shù)量級。因此，如果希望以離散 的步幅(如5mm步幅)來控制系統(tǒng)焦距，那么在圖2的系統(tǒng)10’中將比在圖3的系統(tǒng)30中 更加困難。雖然在優(yōu)選實施例中移動透鏡38設(shè)置在激光二極管34和固定透鏡36之間，但是 這種結(jié)構(gòu)不是必須的。本發(fā)明預(yù)期到，固定透鏡36可以設(shè)置在激光二極管34和移動透鏡 38之間。圖6是系統(tǒng)30的光學(xué)參數(shù)的示意圖。示出了透鏡36和38以及激光二極管34的 位置0。本發(fā)明的雙透鏡系統(tǒng)的一個效果是在位置Oimag處產(chǎn)生激光二極管34的像，該位置 Oinrag從位置0處向后偏移量SIFT。偏移的像然后通過透鏡38的移動來聚焦。實際上，操作 被偏移到圖4的曲線圖的特征的較不陡峭的部分，從而導(dǎo)致圖5的特征曲線圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的可變焦照明系統(tǒng)的第二實施例130的截面圖。系統(tǒng)130的大 部分元件在結(jié)構(gòu)和操作上與系統(tǒng)30中的相應(yīng)元件相同，并且用相同的附圖標(biāo)記表示。主要 的區(qū)別在于框架154的結(jié)構(gòu)，框架154與框架M的不同之處在于，一體的光闌結(jié)構(gòu)158朝 著后方被安裝在離移動透鏡38的某一距離處。在優(yōu)選實施例中，該距離是.3mm且光闌156 的直徑為.25mm。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，這些值可以根據(jù)應(yīng)用變化。否則，各種 部件的距離、尺寸和移動量保持相同。還可以預(yù)期到的是，光闌158可以位于透鏡38前方， 并且固定透鏡36可以位于激光二極管34和框架巧4之間。圖8㈧和圖8(B)是光闌156位于框架154的極限位置的示意圖。在圖8㈧中， 框架IM位于其最前端位置。在該位置處，光闌158掩蓋了從二極管34發(fā)射的光的大部分。 這導(dǎo)致在透鏡36的前端的有效光闌直徑灼。另一方面，框架IM處于其最后端位置，從二極 管34發(fā)射的光更多地穿過光闌158，從而導(dǎo)致基本上大于灼的有效光闌直徑仍'。在優(yōu)選實 施例中，灼是.5mm而釣'是.8mm。將會認(rèn)識到，這些值可以根據(jù)具體的應(yīng)用變化。然而，清楚 的是，有效光闌基本上隨著束腰的距離的增大而增大。因此，傳送到目標(biāo)的照明量理想地隨 著目標(biāo)的距離而增加，從而導(dǎo)致更加一致的照明強(qiáng)度。
圖9是光斑大小(束腰直徑)作為離光闌的距離的函數(shù)的曲線圖。理想地，光斑 大小應(yīng)當(dāng)為大約.2mm且不隨著距離而變化，如曲線110所示。當(dāng)光闌處于固定位置處，如 曲線120所示，光斑大小在IOOmm處大約等于理想值，但是隨著距離線性增大，在離光闌的 500mm的距離處達(dá)到大約.7mm。在圖7所示的移動光闌系統(tǒng)，離光闌的距離是從在透鏡36 的前端的有效光闌測得的。如曲線130所示，光斑大小在離透鏡36的IOOmm處大約等于理 想值，并且隨著距離的增大而線性地增大，但以基本上小于曲線120的速率增大。實際上， 使用移動光闌減少了平均光斑大小，且光斑大小隨著距離更逐漸地增加。雖然為了示例性的目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn) 識到，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的公開的發(fā)明的情況下，許多增加、修改和替換是可能 的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)照明系統(tǒng)，包括 向前投射光的照明源；被安裝在投射光的路徑中的固定位置處的第一透鏡；和 被安裝在投射光的路徑中的朝向和遠(yuǎn)離光源移動的第二透鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，第一透鏡和第二透鏡被構(gòu)造為在光源的后方產(chǎn)生 光源的像，這些透鏡還被構(gòu)造為使得該像朝向系統(tǒng)的前方被投射，其中束腰的位置隨著第 二透鏡的位置而變化。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，光源發(fā)射定義為激光的波長的范圍內(nèi)的光。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，光源發(fā)射波長大約為650nm的光。
5.如權(quán)利要求1或3所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡被安裝在光源和第一透鏡之間。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡被安裝為可以從離光源大約Imm的距離移 動至離光源大約1. 5mm的距離。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，第一透鏡被安裝在離光源約2.284mm的距離處。
8.如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中，第一透鏡具有約2.33mm的焦距。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡具有約20mm的焦距。
10.如權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡被安裝為可以相對于光源在約 0. 5mm的距離上移動。
11.如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡具有約20mm的焦距。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡被安裝為可以相對于光源在約0.5mm的 距離上移動。
13.如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中，第二透鏡被安裝為可以相對于光源在約 0. 5mm的距離上移動。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括限定光闌的裝置，該光闌以與所述第二透鏡相對 的關(guān)系安裝，以便與所述第二透鏡一起移動。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，光闌被安裝在第二透鏡和光源之間。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，光源發(fā)射定義為激光的波長的范圍內(nèi)的光。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，光源發(fā)射波長大約為650nm的光。
18.如權(quán)利要求16或17所述的系統(tǒng)，其中，光闌被安裝在離第二透鏡約0.3mm的距離處。
19.如權(quán)利要求16或17所述的系統(tǒng)，其中，光闌具有約0.25mm的直徑。
20.一種操作用于目標(biāo)的光學(xué)照明系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括向前投射光的照明源、被安 裝在投射光的路徑中的固定位置處的第一透鏡、和被安裝在投射光的路徑中的朝向和遠(yuǎn)離 光源移動的第二透鏡，所述方法包括如下步驟檢測目標(biāo)的距離；以及移動第二透鏡，直到該系統(tǒng)的焦距大約等于目標(biāo)的檢測距離為止。
21.權(quán)利要求20的利用照明系統(tǒng)執(zhí)行的方法，該照明系統(tǒng)還包括限定光闌的裝置，該 光闌以與所述第二透鏡相對的關(guān)系安裝，以便與所述第二透鏡一起移動。
22.權(quán)利要求20的利用照明系統(tǒng)執(zhí)行的方法，其中，第一透鏡和第二透鏡被構(gòu)造為在 光源的后方產(chǎn)生光源的像，這些透鏡還被構(gòu)造為使得該像朝向系統(tǒng)的前方被投射，其中束才腰的位置隨著第二透鏡的位置而變化。
23.一種方法，包括在光源的前方安裝固定透鏡；以相互之間具有固定的空間關(guān)系安 裝可移動透鏡和光闌，所述可移動透鏡具有光軸；以及致使可移動透鏡和光闌共同沿著所 述光軸移動。
24.如權(quán)利要求幻所述的方法，其中，所述致使包括提供使所述光闌和所述可移動透 鏡共同移動的電磁場。
全文摘要
一種可變焦照明系統(tǒng)包括向前投射光的光源，在來自光源的光的路徑上具有位于光源的前方的可移動透鏡、以及安裝在移動透鏡的前方的固定透鏡，該可移動透鏡被安裝為朝向和遠(yuǎn)離光源軸向移動。通過設(shè)計，透鏡組合產(chǎn)生位于實際光源的后方的光源的像，并且可移動透鏡的移動使從像向前投射的光聚焦。與單透鏡系統(tǒng)相比，在該雙透鏡系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)焦點的給定的位置準(zhǔn)確度，移動透鏡中所需的定位準(zhǔn)確度可以降低一個數(shù)量級。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可移動透鏡被形成為具有固定直徑的相對的間隔的光闌的單元。
文檔編號G02B7/04GK102150066SQ200880131068
公開日2011年8月10日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
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