CN104730694A - 一种长瞳距短波红外光谱成像物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长瞳距短波红外光谱成像物镜。该物镜包括五片透镜，依次设置在自光栏至像面的系统光轴上。前三片透镜为光焦度为正、负、正的消色差玻璃对，采用的氟化物玻璃与重火石玻璃的组合在短波红外段有很好的消色差能力，同时有较好的光谱透过率。第四片透镜用于平衡系统的像散及场曲，以增加成像物镜的视场能力，第五片透镜用于进一步补偿物镜的像散，同时用于满足成像物镜的像方远心要求；最终能够实现长瞳距和在短波红外波段的消色差要求。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光学成像物镜，特别是涉及到用于光谱成像的长瞳距短波红外成像物镜。
背景技术：
光谱成像是一种图谱合一的成像探测方式，所获得的图像数据一般为包含了两维空间信息和一维光谱信息的数据立方体。
目前常用的光谱成像技术主要有三类：
第一类光谱成像技术是采用滤光片技术以获取图像的光谱数据；
第二类光谱成像技术是采用色散技术来获取一幅图像的光谱数据；
第三类是采用傅里叶变换光谱技术的干涉光谱成像技术。
尤其是第三类干涉光谱成像技术由于其具有高通量的典型优势受到越来越多的重视，是目前国际上研究的热点技术。
用于静态干涉光谱成像的光学物镜与常规的成像物镜有很大的不同，这一类的成像物镜光路中要放入超精密的干涉仪部件，因而在实际应用中应当尽量减小干涉仪的尺寸，为了减小干涉仪的尺寸，常常将成像物镜的入瞳放置在干涉仪部件的中间，同时为了实现良好的成像光谱往往要求物镜实现像方远心，实现像方远心的方法一般采用将光栏外置并放置在物镜前焦点上。
对于外置光栏的成像物镜，入瞳距是指光学系统的第一面到光栏的位置，通常情况下透射式成像物镜为了校正像差的要求由多个镜片组成，这就使得物镜的前焦点位置往往小于一倍的焦距，而基于短波红外的干涉仪往往具有很长的光程，因此要求成像物镜必须要有长的入瞳距以匹配干涉仪的尺寸及光程要求，并同时实现像方远心以满足光谱成像的要求。
短波红外通常是指波长1000nm～2500nm的电磁辐射，在这个波段上有许多重要的探测需求，这种需求往往以光谱成像的手段来实现。透射式光学系统可以全部采用球面面形而有着加工工艺简单，装配调整容易，工程实现度高造价低廉的特点，从而使其有着广泛的应用。而在这个波段上实现透射式光谱成像系统必须要很好地校正光学系统的色差，同时光学材料必须在这个谱段上有好的透过率。
光学系统色差校正的重要手段之一就是利用光学材料的不同色散性能进行合理的光焦度分配，通常情况下，透射式光学系统由若干个正光焦度和负光焦度的镜片组成，在可见光波段进行色差校正时往往用色散小的冕牌玻璃作正透镜，色散大的火石玻璃作负透镜，但这两种类型的玻璃在短波红外波段其色散特性发生变化，普通光学玻璃对的组合难以实现对色差的校正，采用这种方法不能有效地校正色差，同时冕牌玻璃的透过率也在2200nm～2500nm之间有透过率的降低而不能满足光学系统的性能指标要求，因而在短波红外的光谱波段必须采用合适的光学材料进行匹配和合理的结构型式来实现该波段的色差校正。
发明内容：
本发明设计了一种长瞳距短波红外光谱成像物镜，能够满足长瞳距和在短波红外波段的消色差要求。
本发明的技术方案如下：
长瞳距短波红外光谱成像物镜，包括自光栏至像面的光路上依次设置的五片透镜；其中第一透镜、第二透镜和第三透镜分别为双凸镜片、弯向光栏的弯月镜片和双凸镜片，构成光焦度为正、负、正的消色差玻璃对，整体上所用材料氟化物玻璃和重火石玻璃的组合，所述氟化物玻璃选自Caf2和Baf2，重火石玻璃选自ZF系列和肖特材料SF系列；第四透镜和第五透镜均为负光焦度的弯向光栏的弯月镜片，所用材料为红外石英玻璃。
上述光栏与第一透镜的距离为1.8倍的系统焦距。
前三片透镜的较佳材料配置为：第一透镜的材料为caf2，第二透镜的材料为SF6，第三透镜的材料为caf2。
本发明具有以下技术效果：
前三片透镜为光焦度为正、负、正的消色差玻璃对，采用的氟化物玻璃与重火石玻璃的组合在短波红外段有很好的消色差能力，同时有较好的光谱透过率。第四片透镜用于平衡系统的像散及场曲，以增加成像物镜的视场能力，第五片透镜用于进一步补偿物镜的像散，同时用于满足成像物镜的像方远心要求。最终能够实现长瞳距和在短波红外波段的消色差要求。
附图说明
图1为本发明的成像物镜结构型式示意图。
图2为本实施例在规化焦距100mm时物镜的MTF曲线。
具体实施方式：
如图1所示，成像物镜包含光栏及镜片1～5，连同像面(成像探测器)一同依次排列在系统光轴oo’上。
光栏放置在系统的前面，距离第一片镜片是1.8倍的焦距值。
镜片1为具有正光焦度的双凸镜片，所用材料为caf2，镜片2为具有负光焦度的弯向光栏的弯月镜片，所用材料为SF6，镜片3为具有正光焦度的双凸镜片，所用材料为caf2；
具有正光焦度的镜片均可采用caf2和Baf2，具有负光焦度的镜片均可采用ZF或SF系列，因此镜片1、2、3可以有三种方式的组合，即正‐负‐正、负‐正‐正、正‐正‐负组合。
镜片4为具有负光焦度的弯向光栏的径厚比小于2的厚弯月镜片，所用材料为红外石英玻璃，镜片5为具有负光焦度的弯向光栏的弯月镜片，所用材料为红外石英玻璃。
如图2所示本实施例在规化焦距100mm时物镜的MTF曲线。该前置光栏的像方远心成像物镜具有1.8倍于焦距的长入瞳距，10°的视场角，F#5的相对孔径，在波长900～2500nm的宽光谱范围内良好地校正了色差，物镜焦距为100mm时实现了在全视场内达到和接近衍射极限的成像质量。
Claims (3)
1.一种长瞳距短波红外光谱成像物镜，其特征在于：包括自光栏至像面的光路上依次设置的五片透镜；其中第一透镜、第二透镜和第三透镜分别为双凸镜片、弯向光栏的弯月镜片和双凸镜片，构成光焦度为正、负、正的消色差玻璃对，整体上所用材料氟化物玻璃和重火石玻璃的组合，所述氟化物玻璃选自Caf2和Baf2，重火石玻璃选自ZF系列和肖特材料SF系列；第四透镜和第五透镜均为负光焦度的弯向光栏的弯月镜片，所用材料为红外石英玻璃。
2.根据权利要求1所述的长瞳距短波红外光谱成像物镜，其特征在于：所述光栏与第一透镜的距离为1.8倍的系统焦距。
3.根据权利要求1所述的长瞳距短波红外光谱成像物镜，其特征在于：第一透镜的材料为caf2，第二透镜的材料为SF6，第三透镜的材料为caf2。
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