带有象差补偿透镜的探照灯光学系统技术方案

本发明专利技术提出一种带有象差补偿透镜的探照灯光学系统，具体地说是在现有曼金（Ｍａｎｇｉｎ）探照灯光学系统的基础上，将一象差补偿透镜放置于光源与内反射透镜之间。本发明专利技术能使整个光路系统的象差得到很好的补偿，彗差比抛物面探照灯约小两个数量级，球差比曼金探照灯约小两个数量级，象差对出射光束平行性的影响基本消除，照亮距离增大。本发明专利技术在航海、边防搜索、大型体育场灯光照射、仓库防盗等方面都有广泛的应用前景和价值。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术提出一种探照灯光学系统，具体地说是一种带有象差补偿透镜的探照灯光学系统。目前国内外广泛使用的探照灯光学系统，其原理如附图说明图1所示，由光源2、抛物面反射镜3与保护玻璃1构成，它存在有下述五个缺点(1)很难加工，成本高准确的抛物面反射镜，其抛物面面型很难加工制成，不适合大批量生产，成本高。(2)反射率低，效率低抛物面反射镜为外反射，其反射膜层只能是机械强度大，抗腐蚀强但反射率低(小于55％)的铬膜。(3)彗差特大，明显引起出射光束发散抛物面反射镜，只有在其焦点上发出的光，反射后方是严格的平行光束，而任何照明光源都不可能是点光源，不处于其焦点处的点发出的光、反射后是具有一定发散角的不平行光束，这种引起光束发散的缺陷叫彗差，抛物面反射镜的彗差很大，明显引起整个出射光发散，使照亮距离下降。(4)焦距短，出射光平行性不好掘物面反射镜，如图1所示，由于采取了轴向安装灯泡的形式，灯泡包在抛物面内，即其焦点位于抛物面内，故其焦距短，小于口径的1/4，故整个出射光束的理论发散角( )大，整个出射光束的平行性不好，再度使照明距离下降。(5)不利于光源冷却，灯泡损耗大由于将光源包在抛物面内而无法冷却，灯泡损耗大。鉴于以上缺点，法国工程师曼金(Mangin)于1876年提出用一球面内反射透镜替换抛物面反射镜，如图2所示其中1为保护玻璃，2为光源，3为内反射透镜，由于球面易于加工适宜大批量生产，就克服了缺点(1)，由于是内反射膜，其膜层可以是机械强度差，抗腐蚀差但反射率高的铝膜，再加上一氧化硅保护后，其反射率可达90％，克服了缺点(2)，由于光源是垂轴放置的，焦距长，出射光的平行性好，克服了缺点(4)，光源便于冷却，克服了缺点(5)。可惜的是，曼金探照灯系统消象差的有效参量只有一个(内反射透镜的弯曲)，只可用来消除一种象差(初级球差)虽然它的彗差只有相应抛物面反射镜的1/3，但它却有较大的剩余球差，仍然使出射光束发散，这是曼金探照灯没有得到广泛应用的主要原因。本专利技术目的就是针对曼金探照灯光学系统的不足所提出的，并保持其优点。本专利技术目的是通过在曼金探照灯的发散光路中增加一象差补偿透镜来实现的。下面详细阐述本专利技术的内容探照灯是一个小视场大孔径的光学系统，只有球差、彗差，倍率色差与位置色差对它有影响，如果这四种象差都很小，则从探照灯射出的光束只具有理论发散角( )，如果光源垂轴尺寸又很小，则出射光束是一个很好的平行光束。这四种象差中，位色对光束发散影响最小，因为它只是轴对称的象差，相当于在位置色差的范围内依次排列着不同颜色的光源，只要位置色差的值小于光源的轴向尺寸，则由位色所引起光束的发散就影响不大，这样可以着重考虑其余三种象差的消除。曼金探照灯，只有一个有效变量-内反射透镜的弯曲，只可能用来消除一种象差(初级球差)。加入象差补偿透镜之后，则又增加了两个有效变量-透镜4的弯曲与消像差变量d3，可用来消除彗差与剩余球差。至于倍率色差，将孔径光拦置于内反射透镜3上，它的折射面既是入射面又是出射面，二者处于光拦对称的位置，倍色很小，透镜4接近发散光束的顶点，视场又很小，故其倍色亦很小。本专利技术是在现有曼金探照灯光学系统各元件位置不变的情况下，将象差补偿透镜放置于光源2与内反射透镜3之间，象差补偿透镜的作用在于产生与内反射透镜大小相同而符号相反的象差，使整个系统的象差大幅度下降。d2和d4为透镜厚度，大约是透镜直径的1/5～1/10，以在加工时不变形为准。d1和d3均是消像差变量，是计算出来的，d1值小，d3值大，大至比例在1∶5左右。在本专利技术中象差补偿透镜与内反射透镜均具有球面分界面，其折射面镀增透膜，内反射面镀铝膜和一氧化硅保护。保护玻璃1，象差补偿透镜4和内反射透镜3均用经过充分退火的浮法玻璃制成，能在任何恶劣天气下(例如下雨，下雪)工作而不炸裂。当光源2为大功率氙灯时，可在光源与象差补偿透镜之间再加一层保护玻璃，二层保护玻璃形成一对流通风的过道，带走了灯泡产生的热量，即冷却了灯泡，增长其使用寿命，又保护了象差补偿透镜与内反射透镜3不被剧烈地加热；当光源为卤素灯泡时，在灯泡的石英玻璃外侧镀反射膜层，仅在其右侧留一窗口、形成一黑体空腔，光能只可能经此窗口向右发射；当光源为大功率氙灯时，则在其左侧加一球心位于光源中心的小球面反射镜，使光能向右发射。这样。既可以切断灯泡向左的发散光，避免其降低远距离照明的衬度，又增大了远距离照明光的强度。这样，本专利技术所提出的光学系统虽然有球差，彗差与倍率色差，但都可以消除，位色又可以不考虑。这是目前从象差理论，尤其是从高级象差理论的高度上来处理探照灯的象差，并将象差的危害性控制到最小程度的探照灯光学结构。本专利技术由于采用象差补偿透镜，使整个光路系统的象差得到很好的补偿，彗差比抛物面探照灯约小两个数量级，球差比曼金探照灯的小两个数量级，象差对出射光束平行性的影响基本消除，照亮距离增大。本专利技术具有出射光平行性最好，照亮距离最远的特点，并可以在以下场合得到广泛地应用。(1)3″口径的探照灯，用充电电池12V，50W，估计照亮距离约为250米，可军用，作边防人员的搜索灯，巡逻用灯，民用打猎、钓鱼、打更等用。(2)5″口径的探照灯，用充电电池或电网电，再变压得到24V，100W，陆地实测照亮距离400～450米，海上实测300米，陆地可固定使用，封锁一面，以防盗贼，海上用处更大，作中小型渔船的搜索灯。(3)8″口径的探照灯，用50V，300W球形氙灯，照亮距离估计为1200米，可用于大型仓库，劳教所、劳改农场、监狱，可作机车前照灯。直升飞机下照灯(如追踪盗贼)。(4)10″、12″口径的探照灯，用50V、500W球形氙灯，照亮距离估计为2000～2500米，可用作大型舰艇的前照灯，沿海养殖场的扫海灯。(5)14″16″口径的探照灯，用65V，1000W～2000W球形氙灯，照亮距离估计为3000～4000米，可用作大型庆典，晚上向天空扫射，一道光柱，代替礼花。远距离照明在我国几乎是空白，本专利技术具有广泛应用前途。图1为现有探照灯光学系统原理结构示意图。图2为曼金探照灯光学系统原理结构示意图。图3为本专利技术所提出的光学系统原理结构示意图。实施例16″口径的探照灯，通光口径D＝406.4，f＇＝292.34，SinU＇＝0.695。采用65V，2000W的球形氙灯作光源，其光源为直径6的亮球。光学系统的结构参数透镜的曲率半径顶点距离材 料r1＝-303.4 17.5 浮法玻璃r2＝-520 -17.5r3＝-303.4 -281.18r4＝-126.92r5＝-695-14 浮法玻璃用通用的光路计算诸公式计算结果如下1.球差l′Am＝L＇A.707＝0.0301，L′A.85＝0.000112.彗差最大视场最大值K′Tm＝-K′T.707＝-0.0013.倍率色差全视场H＇F-H＇C＝0.00020884.位置色差l＇C-l＇F＝-1.42而相同口径与焦距的抛物面探照灯系统，虽无球差、色差，但彗差很大，为1.328，是上例彗差的147倍，而相同口径与焦距的曼金探照灯系统，剩余球差为1.5115，是上例的50倍，彗差为0.4615是上例的51倍。可以得出结论，本例虽有球差，彗差与倍率色差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有象差补偿透镜的探照灯光学系统，其特征在于：由保护玻璃［１］、光源［２］、内反射透镜［３］和象差补偿透镜［４］组成；其中象差补偿透镜［４］位于光源［２］与内反射透镜［３］之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：康松高，康为民，康立新，
申请(专利权)人：康松高，
类型：发明
国别省市：23[中国|黑龙江]