CN104101982A - 光纤阵列耦合光谱观测镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤阵列耦合光谱观测镜头，所述光纤阵列耦合光谱观测镜头自近物端依次设置有第一组镜片、第二组透镜以及第三组透镜，在第三组透镜后方像面处放置光纤阵列端面，所述第一组透镜、第二组透镜和第三组透镜均为正光焦度透镜组。本发明仅用了三组镜片和光纤阵列端面就组成了光学系统，镜片的数量少，加工方便且便于调试，从而减小了系统误差，系统折射后的光线在像面上的能量分布均匀，且像面边缘区的耦合效率与中心区的耦合效率相差很小，因此整个像面的耦合效率得到提高，可达到90%以上，结构简单，工艺性好，方便高效，成本低廉，适于广泛推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤阵列耦合光谱观测镜头。
背景技术
光纤阵列耦合光谱观测镜头在众多领域均有应用，目前常见的像面耦合光纤的系统是一根光纤进行耦合或者一簇光纤束进行耦合，用一根光纤束进行耦合效率高但是耦合面积小，而用一簇光纤束进行耦合时，耦合面积大但是存在能量不均和效率不高等问题。而且现有耦合光纤的系统在环境恶劣，如高温、核辐射等环境下，镜头的成像质量很不稳定，且现有系统加工非常复杂，操作调试过程繁琐，系统误差较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种光纤阵列耦合光谱观测镜头。
实现本发明目的的技术方案是：一种光纤阵列耦合光谱观测镜头，所述光纤阵列耦合光谱观测镜头自近物端依次设置有第一组镜片、第二组透镜以及第三组透镜，在第三组透镜后方像面处放置光纤阵列端面，所述第一组透镜、第二组透镜和第三组透镜均为正光焦度透镜组。
进一步的，所述的第一组镜片是一片折射率大于1.65正透镜；所述的第二组镜片由两片透镜组成，其中，正透镜设置在靠近第一组镜片的一侧，两面均为凸面，负透镜设置在远离第一组透镜的一侧，两面均为凹面；所述的第三组镜片由两片透镜组成，其中，正透镜设置在靠近第二组镜片的一侧，两面均为凸面，负透镜设置在远离第二组透镜的一侧，两面均为凹面。
进一步的，所述第一组镜片的正透镜远物方一面为平面或者近似平面，近物方一面为凸面，曲率满足如下关系：2f/3>R1/(n-1)>f/4，其中R1为透镜近物方曲率，n为透镜材料折射率，f为系统焦距；所述第二组镜片焦距f2满足如下关系：2f/3>f2>f/4；所述第三组镜片焦距f3满足如下关系：4f/3>f3>f/2。
进一步的，所述第二组镜片和第三组镜片的正透镜都采用阿贝系数为50~90的光学玻璃，负透镜都采用阿贝系数20~50的光学玻璃。
进一步的，所述第二组镜片和第三组镜片的正透镜和负透镜之间间隔都小于3mm。
本发明具有积极的效果：仅用了三组镜片和光纤阵列端面就组成了光学系统，镜片的数量少，加工方便且便于调试，从而减小了系统误差，系统折射后的光线在像面上的能量分布均匀，且像面边缘区的耦合效率与中心区的耦合效率相差很小，因此整个像面的耦合效率得到提高，可达到90%以上，本发明结构简单，工艺性好，方便高效，成本低廉，适于广泛推广使用。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例的光线追迹示意图。
其中：1、第一组镜片，2、第二组镜片，3、第三组镜片，4、光纤阵列端面。
具体实施方式
如图1所示，本发明是一种光纤阵列耦合光谱观测镜头，自近物端依次设置有第一组镜片1、第二组透镜2以及第三组透镜3，在第三组透镜3后方像面处放置光纤阵列端面4，第一组透镜1、第二组透镜2和第三组透镜3均为正光焦度透镜组，第一组镜片1是一片折射率大于1.65正透镜，远物方一面为平面或者近似平面，近物方一面为凸面，曲率满足如下关系：2f/3>R1/(n-1)>f/4，其中R1为透镜近物方曲率，n为透镜材料折射率，f为系统焦距；第二组镜片2由两片透镜组成，其中，正透镜设置在靠近第一组镜片1的一侧，两面均为凸面，负透镜设置在远离第一组透镜1的一侧，两面均为凹面，第二组镜片2焦距f2满足如下关系：2f/3>f2>f/4；第三组镜片3由两片透镜组成，其中，正透镜设置在靠近第二组镜片2的一侧，两面均为凸面，负透镜设置在远离第二组透镜2的一侧，两面均为凹面，第三组镜片3焦距f3满足如下关系：4f/3>f3>f/2。
第二组镜片2和第三组镜片3的正透镜都采用阿贝系数为50~90的光学玻璃，负透镜都采用阿贝系数20~50的光学玻璃，正透镜和负透镜之间的间隔都小于3mm。
如图2所示，光学系统成像面处的视场的主光线与光轴的夹角小，使得光学系统视场边缘的耦合效率与视场中心的耦合效率接近，避免了一般光学系统在像面处光纤阵列接收能量不均匀的缺点，因此整个像面的耦合效率得到提高，可达到90%以上，而且光学系统的畸变很小，保证了物方与像面之间位置一一对应，使得光纤的理论排列位置与实际排列位置的误差很小，大大减少了排布光纤的难度。
实施例
系统使用的温度为0℃~250℃，充满各种核辐射（X射线、gama射线等）下，检测一个长条形区域内，等离子体作用后，其区域内个能量的变化，系统参数如表一所示，其中：S代表自近物端算起的各种透镜镜面编号，R代表镜头系统中各相对应镜面号数的透镜面的曲率半径，Nd代表各透镜的折射率（refractive index），Vd代表各透镜的阿贝系数（Abbe No.）：
表一：
| S | R(mm) | Nd | Vd |
| 1 | 210 | 1.76 | 52.3 |
| 2 | Infinity | ||
| 3 | 70 | 1.55 | 63.3 |
| 4 | -75 | ||
| 5 | -75 | 1.62 | 36.4 |
| 6 | 185 | ||
| 7 | 38 | 1.55 | 63.3 |
| 8 | -50 | ||
| 9 | -50 | 1.62 | 36.4 |
| 10 | 80 |
根据表一的参数设置光学系统，把第二组镜片2和第三组镜片3中正透镜和负透镜之间的间隔调节为0.83mm和0.73mm，物方初始入射总功率为1W，测得不同温度下，光学系统视场中心的耦合效率，即在物面中心处取一个一定大小的圆形区域，根据光学系统的放大倍数，在像面用一定大小纤径的光纤进行接收，光纤的数值孔径NA为0.37，以此来计算光学系统像面处的光纤耦合效率，如表二：
表二：
| 温度（℃） | 视场位置（mm） | 耦合效率（%） |
| 0 | 0.00 | 82.651 |
| 20 | 0.00 | 82.689 |
| 77.5 | 0.00 | 82.625 |
| 135 | 0.00 | 82.688 |
| 192.5 | 0.00 | 82.612 |
| 250 | 0.00 | 82.611 |
根据表一的参数设置光学系统，把第二组镜片2和第三组镜片3中正透镜和负透镜之间的间隔调节为0.83mm和0.73mm，物方初始入射总功率为1W，测得不同温度下，光学系统最边缘视场的耦合效率，即在物面最边缘处取一个一定大小的圆形区域，根据光学系统的放大倍数，在像面用一定大小纤径的光纤进行接收，光纤的数值孔径NA为0.37，以此来计算光学系统像面处的光纤耦合效率，如表三：
表三：
| 温度（℃） | 视场位置（mm） | 耦合效率（%） |
| 0 | -260.00 | 74.218 |
| 20 | -260.00 | 74.122 |
| 77.5 | -260.00 | 74.340 |
| 135 | -260.00 | 74.307 |
| 192.5 | -260.00 | 74.285 |
| 250 | -260.00 | 74.185 |
通过表二、表三可以看出，中心视场的光纤耦合效率约82.6%左右，最边缘视场的光纤耦合效率约74.2%左右，因此，本发明在环境温度范围是0℃~250℃内，检测系统的光纤耦合效率能够满足高效率的指标。
本发明结构简单，加工方便且便于调试，从而减小了系统误差，工艺性好，方便高效，成本低廉，适于广泛推广使用。
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详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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。
Claims (5)
1.一种光纤阵列耦合光谱观测镜头，其特征在于：所述光纤阵列耦合光谱观测镜头自近物端依次设置有第一组镜片（1）、第二组透镜（2）以及第三组透镜（3），在第三组透镜（3）后方像面处放置光纤阵列端面（4），所述第一组透镜（1）、第二组透镜（2）和第三组透镜（3）均为正光焦度透镜组。
2.根据权利要求1所述的光纤阵列耦合光谱观测镜头，其特征在于：所述的第一组镜片（1）是一片折射率大于1.65正透镜；所述的第二组镜片（2）由两片透镜组成，其中，正透镜设置在靠近第一组镜片（1）的一侧，两面均为凸面，负透镜设置在远离第一组透镜（1）的一侧，两面均为凹面；所述的第三组镜片（3）由两片透镜组成，其中，正透镜设置在靠近第二组镜片（2）的一侧，两面均为凸面，负透镜设置在远离第二组透镜（2）的一侧，两面均为凹面。
3.根据权利要求2所述的光纤阵列耦合光谱观测镜头，其特征在于：所述第一组镜片（1）的正透镜远物方一面为平面或者近似平面，近物方一面为凸面，曲率满足如下关系：2f/3>R1/(n-1)>f/4，其中R1为透镜近物方曲率，n为透镜材料折射率，f为系统焦距；所述第二组镜片（2）焦距f2满足如下关系：2f/3>f2>f/4；所述第三组镜片（3）焦距f3满足如下关系：4f/3>f3>f/2。
4.根据权利要求2或3所述的光纤阵列耦合光谱观测镜头，其特征在于：所述第二组镜片（2）和第三组镜片（3）的正透镜都采用阿贝系数为50~90的光学玻璃，负透镜都采用阿贝系数20~50的光学玻璃。
5.根据权利要求2或3所述的光纤阵列耦合光谱观测镜头，其特征在于：所述第二组镜片（2）和第三组镜片（3）的正透镜和负透镜之间的间隔都小于3mm。
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| CN201310121883.7A CN104101982B (zh) | 2013-04-09 | 2013-04-09 | 光纤阵列耦合光谱观测镜头 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107664763A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-02-06 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置 |
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| JPH10123411A (ja) * | 1996-10-24 | 1998-05-15 | Olympus Optical Co Ltd | ファイバースコープ光学系 |
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| CN102818536A (zh) * | 2012-08-16 | 2012-12-12 | 南京东利来光电实业有限责任公司 | 检测光纤形状和中心的方法及光纤耦合镜头 |
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2013
- 2013-04-09 CN CN201310121883.7A patent/CN104101982B/zh active Active
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| CN107664763B (zh) * | 2017-08-30 | 2023-12-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种高效集成多波束激光测距系统接收耦合装置 |
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|---|---|
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