CN102289056B - 一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜。它为透射式光学系统，工作波段为短波红外波段；其光学系统的结构为同轴结构，由一块球面正透镜和三组双胶合透镜组构成，光栏位于第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间，两透镜组都弯向光栏，球面正透镜和第三组双胶合透镜分别与第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜背向而置。由于采用了透射式及同轴结构，结构简单紧凑，适用波段宽、色差小、畸变小、成像质量好，安装与调试容易，稳定性好；同时，它无遮拦、能量利用率高；且具有装调容易、视场大、相对孔径大、集光本领强，分辨率高的特点，具有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，特别涉及一种采用同轴透射结构的、工作于短波红外波段的大视场大相对孔径前置成像物镜。
背景技术
成像光谱技术是成像技术和分光技术的有机结合，在对目标物进行两维光学成像的同时，可获取其光谱信息，成为航空、航天遥感领域获取目标信息的重要手段。近年来，随着大面阵平面探测器技术的不断提高，成像光谱技术日趋成熟，向着大视场和高分辨率的方向发展。
成像光谱仪的工作原理参见附图1，成像光谱仪主要由前置物镜、分光成像光学系统、探测器及电子电路、计算机数据处理等构成。前置物镜用于捕捉感兴趣的目标，对目标物成像，将目标物的空间像成到其像平面上，其像平面即为分光成像系统的物平面，目标物的像进入分光成像系统，分光成像系统再将不同波长的光谱像成到探测器的光敏面上，经探测器电子电路接收并传送给计算机，通过软件处理，可输出用户需要的光谱图像数据。
成像光谱仪的性能与其前置物镜密切相关，成像光谱仪的发展对其前置物镜的性能指标提出了更高的要求。首先要求前置物镜有与之相匹配的大视场和大相对孔径；第二是适用于宽波段。普通的成像物镜难以在满足大视场大相对孔径要求的同时，实现在宽波段内的消色差。一般的透射系统受材料的限制，很难实现在宽波段内消色差，成像性能难以满足成像光谱仪的要求。文献报道，美国Navy EarthMap Observer(NEMO)卫星上搭载的海洋成像光谱仪（COIS），采用了离轴三反射式光学系统作为前置物镜。然而，全反射式的系统很难实现大视场，通常适用于线视场，需经过推扫实现宽的覆盖；同时，为避免中心遮拦，一般采用离轴结构，这种系统装调难度大，稳定性难以保障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、适用波段宽、成像性能优、稳定性好的用于短波红外成像光谱仪的大视场、大相对孔径的透射式前置物镜。
本发明所采用的技术方案是：一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，它为透射式光学系统，工作波段为短波红外波段；其光学系统的结构为同轴结构，包括一块正透镜和三组双胶合透镜，沿光线入射方向，依次为球面正透镜，第一组双胶合透镜的负透镜、正透镜，第二组双胶合透镜的正透镜、负透镜，和第三组双胶合透镜的正透镜、负透镜；该前置物镜的光栏位于第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间，两透镜组都弯向光栏；球面正透镜和第三组双胶合透镜分别与第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜背向而置；各透镜的焦距依次对应为f 1、f 21、f 22、f 31、f 32、f 41和f 42；相对前置物镜镜头焦距f的归一化值分别对应为2.0≤f’ 1≤3.0、0.5≤f’ 21≤1.0、0.2≤f’ 22≤0.5、0.2≤f’ 31≤0.5、0.5≤f’ 32≤1.0、0.5≤f’ 41≤1.0和0.5≤f’ 42≤1.0；第一组双胶合透镜的正透镜的后表面为非球面，其二次非球面系数 
满足条件 -4.0≤
≤-2.5。
本发明提供的一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，各透镜材料的折射率依次对应为n 1、n 21、n 22、n 31、n 32、n 41和n 42，对应取值范围分别为1.3≤n 1≤1.8、1.5≤n 21≤2.0、1.2≤n 22≤1.7、1.4≤n 31≤1.9、1.5≤n 32≤2.0、1.4≤n 41≤1.9和1.5≤n 42≤2.0。各透镜安装于一个镜头筒内，镜头筒的长度小于25mm。该前置物镜的最大视场角为40°，最大口径小于15mm。
与现有技术相比，本发明的特点在于：采用同轴透射结构，与用于遥感的反射系统相比，具有视场大、分辨率高、结构简单、装调容易、稳定性好等优点。本发明提供的用于成像光谱仪的透射式前置物镜，具有消色差、畸变小的特点。
附图说明
图1是成像光谱仪的工作原理示意图；
图2是本发明实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜光学系统的成像光路图；
图3是本发明实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜像面的光线追迹点列图；
图4是本发明实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜的能量集中度曲线；
图5是本发明实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜光学系统的色差曲线；
图6是本发明实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜光学系统的畸变曲线；
图7是本发明实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜光学系统的调制传递函数曲线。
图中：1、球面正透镜；21、第一组双胶合透镜的负透镜；22、第一组双胶合透镜的正透镜；31、第二组双胶合透镜的正透镜；32、第二组双胶合透镜的负透镜；41、第三组双胶合透镜的正透镜；42、第三组双胶合透镜的负透镜；5、光栏；6、前置物镜的像平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。
实施例1：
本实施例的技术方案是提供一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，它的工作波段为，系统F数为F/#=4，全视场角35度。
参见附图2，它是本实施例提供的用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜光学系统的成像光路图；该前置物镜由球面正透镜和三组双胶合透镜组组成，沿光线入射方向，依次为球面正透镜1，第一组双胶合透镜的负透镜21、正透镜22，第二组双胶合透镜的正透镜31、负透镜32，和第三组双胶合透镜的正透镜41、负透镜42；系统基本关于光栏对称，垂轴像差，如畸变、倍率色差可得到较好地校正；光栏5位于第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间，两透镜组都弯向光栏，用于减小球差；球面正透镜和第三组双胶合透镜分别与第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜背向而置，可平衡象散像差；前置物镜的像平面6与最后一块透镜的后表面间有足够的空间，可用于放置探测器。
对应各透镜的相关参数如下：系统的焦距为20mm，透镜1、透镜21、透镜22、透镜31、透镜32、透镜41和透镜42的曲率半径依次分别为25mm，-340mm、6mm、2.5mm、6mm、-13mm、-3mm、-6mm、22mm、-11mm、35mm；沿光线入射方向，各透镜、光栏及透镜间的距离依次为2.5mm、0.1mm、3.5mm、2.5mm、0.3mm、1.5mm、3mm、4mm、0.2mm、2.5mm、3.2mm、8.2mm；各透镜的折射率依次为1.44、1.71、1.43、1.43、1.71、1.72、1.55；透镜22的后表面的二次非球面系数为-3.7。全部透镜安装于一个镜头筒内，镜头筒的长度小于35mm。
为避免传统的航空航天遥感用离轴反射式前置系统视场小、装调困难的问题，并同时实现紧凑的结构，本发明采用同轴透射光学结构的设计原则，一方面，保证系统同时具有大视场和大的相对孔径，保证成像光谱仪的空间分辨率；另一方面，保证系统具有紧凑的结构和好的稳定性，并且通过选择合适的玻璃组合，实现宽波段内消色差。系统中的双胶透镜组中的正、负透镜分别采用低折射率、低色散和高折射率、高色散的红外玻璃材料组合，可较好地校正色差。
参见附图3，它是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即目标物经前置物镜后在其像平面上的情况。图中的方框为一个
的探测器像元范围，由图中可以看出，系统各个波长的不同视场处的点列图都能较好的落在一个探测像元内。
参见附图4，它是本实施例所述的光学系统的能量集中度曲线，图5中的方框为一个探测器像元范围，即
。由图中可以看出，系统各视场处、单个探测器像元内的成像光束能量集中度都在90%以上。
附图5是本实施例所述的光学系统的色差曲线，横坐标上对应的五组曲线分别代表5个波长的子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是视场。每组曲线之间的距离表示对应纵坐标是某个视场处的像散值，可见最大像散值小于
，小于焦深，在像差容限范围内。横坐标上，每组曲线之间的间距即为位置色差，最大值小于
，同样在像差允许范围内。
参见附图6，是本实施例所述的光学系统的畸变曲线，横坐标是畸变数值，纵坐标表示视场，由图6可见，其最大值小于0.4%。
附图7是本实施例所述的光学系统的光学传递函数曲线，横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值，由图7可见，在探测器乃奎斯特频率18lp/mm处，光学系统的传递函数值高于0.8。
实施例2
本实施例中，F数F/No.=4，工作波段为短波红外
全视场角40度，光学系统结构及成像光路参见附图2。
光学系统的其余参数如下：焦距20mm，透镜1、透镜21、透镜22、透镜31、透镜32、透镜41和透镜42的曲率半径分别为25mm，-184mm、5.8mm、2.5mm、6mm、-12mm、-2.8mm、-5.7mm、19mm、-13.5mm、29mm。沿光线入射方向，各透镜、光栏及透镜间的距离依次为2.5mm、0.1mm、3.5mm、2.5mm、0.3mm、1.7mm、2.8mm、3.8mm、0.6mm、3.3mm、2mm、7.5mm；各透镜的折射率依次为1.44、1.71、1.43、1.43、1.71、1.72、1.55。透镜22后表面的二次非球面系数为-3.6。
Claims (5)
1. 一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，其特征在于：它为透射式光学系统，工作波段为短波红外波段；其光学系统的结构为同轴结构，包括一块正透镜和三组双胶合透镜，沿光线入射方向，依次为球面正透镜（1），第一组双胶合透镜的负透镜（21）、正透镜（22），第二组双胶合透镜的正透镜（31）、负透镜（32），和第三组双胶合透镜的正透镜（41）、负透镜（42）；光栏（5）位于第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间，两透镜组都弯向光栏；球面正透镜和第三组双胶合透镜分别与第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜背向而置；沿光线入射方向，各透镜的焦距依次对应为f 1、f 21、f 22、f 31、f 32、f 41和f 42；相对前置物镜镜头焦距f的归一化值分别对应为2.0≤f’ 1≤3.0、0.5≤f’ 21≤1.0、0.2≤f’ 22≤0.5、0.2≤f’ 31≤0.5、0.5≤f’ 32≤1.0、0.5≤f’ 41≤1.0和0.5≤f’ 42≤1.0；所述的第一组双胶合透镜的正透镜（22）的后表面为非球面，其二次非球面系数 
满足条件 -4.0≤
≤-2.5。
2. 根据权利要求1所述的一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，其特征在于：沿光线入射方向，各透镜的折射率依次对应为n 1、n 21、n 22、n 31、n 32、n 41和n 42，对应的取值范围分别为1.3≤n 1≤1.8、1.5≤n 21≤2.0、1.2≤n 22≤1.7、1.4≤n 31≤1.9、1.5≤n 32≤2.0、1.4≤n 41≤1.9和1.5≤n 42≤2.0。
3. 根据权利要求1所述的一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，其特征在于：所述各透镜安装于一个镜头筒内，镜头筒的长度小于25mm。
4. 根据权利要求1所述的一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，其特征在于：它的最大视场角为40°。
5. 根据权利要求1所述的一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜，其特征在于：它的最大口径小于15mm。
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