CN104360457A - 一种宽波段光纤-ccd耦合成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其光学结构为物方远心，物像共轭总长为l＝71.5mm；其中物方视场8mm×8mm，物方数值孔径NA＝0.063。本镜头放大倍率β＝-0.4×，即缩小2.5倍成倒像于英寸CCD靶面上且成像质量较好，分辨力σ＜10μm。该镜头设计工作波段为460nm到近红外1064nm，全部采用国产成都光明光电有限公司的玻璃材料，可以很好的适用于各波段光纤与CCD的耦合，体积较小同时降低成本。

Description

一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头

技术领域

本发明涉及一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，属于光纤成像的光机系统设计领域。

背景技术

随着各行各业对成像光纤的需求不断扩大，如何实现成像光纤清晰成像也成为各行各业关注的焦点。而目前对成像光纤与CCD的耦合研究并不多，通常将成像光纤直接成像于CCD的靶面，其输出的成像质量将会很差，得到的图像很模糊，从而无法到达预期的效果。成像光纤与CCD耦合可以提高CCD的成像质量，如何实现光纤-CCD耦合成像迅速成了各行业关注的焦点，对光纤-CCD耦合成像也提出了更高的要求，主要体现在对光纤-CCD耦合成像镜头分辨力的要求越来越大，对光波波长范围的要求也越来越宽，同时镜头的成像质量必须得到保证。这样可以有效地提升成像光纤的使用价值。

美国专利US2010315723-A1公布了一种CCD耦合成像镜头，镜头总体是由4个镜头单元，每个镜头单元包含5块镜片，总共20块镜片组成，能实现一部分可见光的耦合成像，能实现较宽视场成像，成像对比度较好，但是其波宽范围很有限，整个镜头镜片过多，体积较大。

由于目前国内大多采用光纤面板,但由于各光纤透过率的差异,会导致入射到CCD光敏面上的光场存在差异，利用光纤锥则无法实现宽波长光的变换，且会严重影响图像的分辨率。通过光纤-CCD耦合成像镜头实现耦合，能实现像差小，图像清晰，高分辨率的图像变换。但是用镜头作为耦合器件，达到对更宽范围波长光线的耦合一直是CCD耦合成像镜头继续突破的难题。

发明内容

为了解决上述难题，本发明设计了一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，可以有效地校正各类像差，达到较高的分辨率和较高的图像对比度，实现宽波段光线的CCD耦合。

本发明采用的技术方案为：一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：从物面沿光轴方向开始，共有8块镜片，依次为L1～L8，其中物面到光阑之间有5块镜片，光阑到像面之间有3块镜片，本镜头8块镜片中，L2、L5、L8为负透镜，其余为正透镜，同时为更好地平衡像差，L2与L3设计成胶合透镜。

进一步的，光学物像共轭总长为l＝71.5mm，物方工作距l_物＝14mm，像方工作距l_像＝8.7mm。

进一步的，光学系统为缩小成像，放大倍率M＝-0.4×。

进一步的，光路为物方远心光路，物方远心度均控制在±0.5度。

进一步的，其中物方视场8mm×8mm，物方数值孔径NA＝0.063，成倒像于英寸CCD靶面上且成像质量较好，分辨力σ能达到10μm。

进一步的，镜片材料采用成都光明光电有限公司的玻璃材料，牌号分别为H-ZF1，H-ZLAF56B，H-K9L，ZF7L，H-ZLAF52，可以很好的适用于各波段光纤与CCD的耦合，体积较小同时又能降低成本。

进一步的，应用国产玻璃优化设计之后，该成像镜头分辨力σ接近10μm，该镜头设计工作波段为460nm到近红外1064nm，能完成对可见光波段的耦合，同时也能对近红外光线实现CCD耦合，达到宽波段光纤-CCD耦合成像要求。

本发明的原理详述如下：

该耦合成像镜头光学结构为物方远心，物像共轭总长为L＝71.5mm，镜片整体设计再整合优化。

第一组镜头单元主要是成像光纤输出光信号，其中镜头通过隔圈来调整实际物方距离。

第二组镜头单元含有一枚物镜，为一枚正透镜，镜筒通过螺纹精密连接入光镜头与成像镜头，同时也能保证镜片间的中心距离；

第三组镜头单元包含7枚镜片，其中光阑到像面之间有3块镜片，第L2、L5、L8为负透镜，其余为正透镜。同时L2与L3设计成胶合透镜。

三组镜头组成物方远心结构，镜头两端用压圈进行精密固定，有效校正多种像差，尤其是的畸变和场曲。

本发明宽波段光纤-CCD耦合成像镜头总共包含8枚镜片。在使用同厂家同牌号玻璃的情况下可以有效提高透过率。同时也能保证更换成对应的国产玻璃时，镜头的透过率接近国外的设计方案。

该镜头为缩小成像，其中物方视场8mm×8mm，物方数值孔径NA＝0.063，缩小倍率M＝-0.4×，即缩小2.5倍成倒像于1/3英寸CCD靶面上。

光路为物方远心光路，成倒像于1/3英寸CCD靶面上且成像质量较好，分辨力σ能达到10μm。物方远心度均控制在±0.5度。

该成像镜头物方视场8mm×8mm，物方数值孔径NA＝0.063。成倒像于1/3英寸CCD靶面上且成像质量较好，分辨力σ能达到10μm，图像对比度也较高。物方远心度均控制在±0.5度。

本发明中镜头物方数值孔径NA＝0.063，数值孔径NA很小，但通过对镜片加工精度的严格控制，以及整个镜头的装配工艺，最后仍然可以保证分辨率σ达到10um。

本发明中，镜头物方视场8mm×8mm，物方数值孔径NA＝0.063，分辨力σ能达到10μm,需要严格控制镜头的畸变，尤其是边缘视场的畸变。根据[0015]中所提到的镜头理论分辨率σ＝10um，为保证物镜投影成像的失真较小，畸变需要严格控制在或更低。

本发明中，镜头设计工作波段为460nm到近红外1064nm，能完成几乎所有可见光的耦合成像，同时也能实现近红外光的耦合，应用更加广泛。

物镜的玻璃材料全部选用成都光明光电公司生产的H-ZF1，H-ZLAF56B，H-K9L，ZF7L，H-ZLAF52，可以很好的适用于各波段光纤与CCD的耦合，经过实际测试，这几种牌号的国产玻璃材料在耦合成像中性能较好。

本发明中，镜筒总长为120mm，直径为22mm，每个镜头单元之间通过螺纹连接，利用隔圈进行中心距调整。

本发明中，镜片之间用隔圈进行精确定位，镜头两端用压圈来对镜片进行固定。

在镜头成像端接入CCD光电转换器，通过一个圆筒薄壁结构来连接CDD与镜筒，圆筒薄壁外面通过螺纹与CCD连接，另一端开沟槽，这样通过移动圆筒薄壁位置，用紧固螺钉固定，最后保证镜头成像到CCD靶面上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明镜头结构设计比较紧凑轻巧，成像质量较好，成像的失真较小，畸变控制严格，整体设计成本较低。

(2)、本发明镜头设计工作波段为460nm到近红外1064nm，能完成几乎所有可见光的耦合成像，同时也能实现近红外光的耦合，适用于更宽波段光的成像，应用更加广泛。

附图说明

图1为本发明宽波段光纤-CCD耦合成像镜头结构图；

图2为本发明宽波段光纤-CCD耦合成像镜头MTF曲线；

图3为本发明宽波段光纤-CCD耦合成像镜头像差曲线；

图4为本发明宽波段光纤-CCD耦合成像镜头光机结构装配工程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

本发明的结构如图1所示，以成像光纤后端面传出光信号，出射光线经过本发明宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，成-0.4倍缩小像于像面(CCD靶面)上。

本耦合成像镜头以第1枚物镜朝向物方的入射面为第1面，出射面为第2面，以此类推，共计16个面，8枚镜片。物面到光阑之间有5块镜片，光阑到像面之间有3块镜片，其中第L2、L5、L8为负透镜，其余为正透镜。同时为更好地平衡像差，L2与L3设计成胶合透镜。降低加工难度的同时校正多种像差，尤其是畸变和场曲。

为降低制造成本，经过多次严格实际测量，成都光明光电生产的H-ZF1，H-ZLAF56B，H-K9L，ZF7L，H-ZLAF52这几种牌号玻璃，可以很好的适用于各波段光纤与CCD的耦合，体积较小同时又能降低成本。本例中也采用这几款玻璃进行设计和优化。

采用上述玻璃后，整个物镜的透过率经过软件估算为60％左右。所以，本例中较少的镜片数(8枚)可以有效保证整个耦合镜头在使用国产玻璃时拥有良好的透过率。

实际镜片参数和镜片中心距参数如下表1所示：

表1

	半径	中心距	玻璃材料
				光纤后端面		14.00
1	-284.03	2.01	H-ZF1
				2	-25.84	29.56
3	19.55	2.00	H-ZLAF56B
				4	4.93	2.56	H-K9L
5	-35.97	0.20
				6	5.74	1.85	H-ZLAF56B
7	10.02	1.80
				8	29.38	1.30	ZF7L
9	4.76	1.21
				光阑		0.53
10	-11.35	1.68	H-K9L
				11	-4.76	0.21
12	5.74	1.60	H-ZLAF52
				13	8.37	0.90
14	6.49	1.45	H-ZLAF52
				15	5.81	8.72
CCD靶面

照上述方案实施本例后，该镜头成像像质可以很好地逼近理论计算结果。物镜的MTF曲线如图2所示(利用光学设计软件ZEMAX分析数据)，光学传递函数值在50lps/mm时能超过0.5，镜头能与CCD耦合的成像质量较好。

同时，如图3(利用光学设计软件ZEMAX分析数据)所示，点扩散斑几何直径和均方根直径都低于衍射极限计算值，点扩撒阵列图集中于艾里斑内，各类像差平衡得较好，物镜的球差、慧差也控制得很好。

本例中，镜片面型加工公差较一般光学面型加工公差严格。由于口径较小，低频误差和中频误差都需严格控制。

整个耦合镜头光机机械结构如图4所示，镜头单元由螺纹连接，其位置精度由隔圈精确控制，同时通过镜头内部的隔圈来调整镜片之间的中心距，最后在镜头后端面连接上CCD，通过沟槽来调整CCD与像距的位置，从而保证镜头成像于CCD靶面中心。

在加工镜筒内壁时，需要严格保证公差，保证镜片的同轴度和位置精度，对隔圈尺寸也有加工精度要求，实现对镜头单元与镜头单元之间的距离和保证镜片之间的中心距。

在装配时需对各镜片间的空气间隙和镜片的厚度进行微调，通过两端的压圈对各镜片进行稳固，以调整因面型加工产生的像质偏差，保证物镜成像质量达到最优。

上述具体实施方式及结果均不是本发明性能的最佳体现，但各项评价指标都达到或者超越了设计预期。若在实际应用中能有效降低工艺因子，则成像质量可以进一步提高。

Claims (7)

1.一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：从物面沿光轴方向开始，共有8块镜片，依次为L1～L8，其中物面到光阑之间有5块镜片，光阑到像面之间有3块镜片，本镜头8块镜片中，L2、L5、L8为负透镜，其余为正透镜，同时为更好地平衡像差，L2与L3设计成胶合透镜。

2.根据权利要求1所述的一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：光学物像共轭总长为l＝71.5mm，物方工作距l_物＝14mm，像方工作距l_像＝8.7mm。

3.根据权利要求1所述的一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：光学系统为缩小成像，放大倍率M＝-0.4×。

4.根据权利要求1所述的一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：光路为物方远心光路，物方远心度均控制在±0.5度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：其中物方视场8mm×8mm，物方数值孔径NA＝0.063，成倒像于英寸CCD靶面上且成像质量较好，分辨力σ能达到10μm。

6.根据权利要求5所述的一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：镜片材料采用成都光明光电有限公司的玻璃材料，牌号分别为H-ZF1，H-ZLAF56B，H-K9L，ZF7L，H-ZLAF52，可以很好的适用于各波段光纤与CCD的耦合，体积较小同时又能降低成本。

7.根据权利要求6所述的一种宽波段光纤-CCD耦合成像镜头，其特征是：应用国产玻璃优化设计之后，该成像镜头分辨力σ接近10μm，该镜头设计工作波段为460nm到近红外1064nm，能完成对可见光波段的耦合，同时也能对近红外光线实现CCD耦合，达到宽波段光纤-CCD耦合成像要求。