CN105372801A

CN105372801A - 一种日盲紫外光学镜头与系统

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Publication number: CN105372801A
Application number: CN201510828477.3A
Authority: CN
Inventors: 宋亚军; 唐义; 刘家国
Original assignee: Beijing Institute of Environmental Features
Current assignee: Beijing Institute of Environmental Features
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: CN105372801B

Abstract

公开了一种日盲紫外光学镜头与系统。所述镜头从物方侧到像方侧包括：第一正透镜、带中心通孔的反射镜、负透镜、第二正透镜。其中，在第一正透镜背对反射镜的一面镀有紫外波段透射膜。第一正透镜正对反射镜的一面从上到下包括第一出射面、第一反射面和第二出射面。负透镜的两个表面镀有紫外波段透射膜，第二正透镜正对负透镜的一面镀有紫外波段透射膜。其中，紫外波段透射膜为对240nm～280nm高透过，对280nm～600nm高截止的膜系。本发明的系统包括所述镜头、干涉型紫外滤光片、像面。本发明通过在光学镜头不同镜片上镀膜与干涉型紫外滤光片结合使用，实现了日盲紫外光学系统的滤光功能。

Description

一种日盲紫外光学镜头与系统

技术领域

本发明涉及光电成像探测领域，尤其涉及一种日盲紫外光学镜头与系统。

背景技术

在日盲紫外成像检测中，由于待测目标产生的日盲紫外光一般比较弱，因此在日盲紫外成像系统中普遍使用高灵敏度的紫外成像探测器。为了保证紫外成像探测器在日照环境下也能在日盲紫外波段有效成像，避免该波段以外的太阳光强辐射的影响，需要在日盲紫外成像系统中使用带内高通、带外深度截止的滤光片。

目前，用于日盲紫外成像系统中的滤光片主要为吸收型紫外滤光片和干涉型紫外滤光片。其中，吸收型紫外滤光片由透紫外基底、有色玻璃、无机盐、以及多种具有特殊吸收光谱特性的有机染料构成。吸收型滤光片的典型产品为以色列OFIL公司生产的SUBV吸收型滤光片。对于信号光透过区，该滤光片的峰值波长为260nm，峰值透过率大于12％，通光带宽为15nm；对于背景光截止区，该滤光片在290nm处的透过率小于10^-12，在300nm～770nm波段的透过率小于10^-12，在770nm～900nm波段的透过率小于10^-5。吸收型滤光片具有高透过、深截止的特性，同时受入射光角度的影响很小。但是，由于该型滤光片采用了较多的吸收型材料，导致滤光片较厚，进而使整个紫外成像系统的光学设计、结构设计更加复杂。同时，吸收型紫外滤光片的价格也比较昂贵。

干涉型紫外滤光片利用光在多层介质膜中的干涉作用，使得信号光高透过、背景光深截止。干涉型滤光片的典型产品为沈阳汇博光学技术有限公司生产的HB254系列干涉型紫外滤光片。对于信号光透过区，该滤光片的峰值波长为253.7nm，峰值透过率为12％，通光带宽为12nm；对于背景光截止区，该滤光片在300nm～400nm波段的透过率为10^-3～10^-4。目前，干涉型紫外滤光片的背景光截止深度最高能达到10^-5～10^-6，若继续加大背景光截止深度，会使信号光的透过率明显降低，而且无法保证很窄的通光带宽。同时，该型紫外滤光片受入射光角度的影响较大。但是，干涉型紫外滤光片厚度较薄，价格也比较便宜。

在日盲紫外成像检测中，随着探测距离的增加，对背景光的截止要求也会相应增加。此时，采用吸收型紫外滤光片可以满足使用要求。但是吸收型滤光片多为国外厂家生产，价格昂贵，采购周期较长。而干涉型滤光片由于背景光截止深度不高，只能用于室内或近距离紫外成像系统。

因此，现有技术中亟需一种既能节约成本、又能满足远距离探测需求，同时不增加整个成像系统设计复杂度的滤光方案。

发明内容

本发明提供了一种日盲紫外光学镜头与系统，有效解决了干涉型紫外滤光片不能满足日盲紫外成像系统滤光需求的问题，既节约了成本，又能满足远距离探测需求。

根据本发明的一个方面，提供了一种日盲紫外光学镜头，所述镜头从物方侧到像方侧依次包括：

第一正透镜、带中心通孔的反射镜、负透镜、第二正透镜。其中，在第一正透镜背对反射镜的一面镀有紫外波段透射膜；第一正透镜正对反射镜的一面从上到下包括第一出射面、第一反射面和第二出射面；负透镜的两个表面镀有紫外波段透射膜；第二正透镜正对负透镜的一面镀有紫外波段透射膜。

待测光信号从第一正透镜背对反射镜的一面入射，并从其第一出射面和第二出射面出射，得到第一出射光；第一出射光经所述反射镜反射后，得到第二出射光；第二出射光经第一正透镜的第一反射面反射后，得到第三出射光，第三出射光依次经过所述反射镜的中心通孔、负透镜和第二正透镜后输出。

其中，所述紫外波段透射膜为对240nm～280nm波段高透过，对280nm～600nm波段高截止的膜系。

优选的，所述负透镜和第二正透镜的孔径相等。

优选的，所述反射镜的中心通孔的孔径大于所述负透镜和第二正透镜的孔径。

优选的，第一反射面为第一正透镜正对反射镜的一面上镀有反射铝膜的区域。

优选的，所述反射镜正对所述负透镜的一面镀有紫外波段反射膜；

所述紫外波段反射膜为对240nm～280nm波段高反射，对280nm～600nm高截止的膜系。

优选的，所述第一正透镜的第一出射面和第二出射面的孔径相等，第一出射面大于第一反射面的孔径。

优选的，所述紫外波段透射膜和所述紫外波段反射膜均由HfO2膜和SiO2膜交替堆叠镀制而成。

根据本发明的另一方面，还提供了一种日盲紫外成像系统。所述系统包括：本发明的日盲紫外光学镜头、干涉型紫外滤光片、像面。其中，日盲紫外光学镜头用于滤除待测信号中280nm～600nm波段的光；所述干涉型紫外滤光片用于滤除待测信号600nm～900nm波段的光；所述像面用于获取待测信号的紫外光图像。

优选的，所述干涉型紫外滤光片在600nm～900nm波段的截止深度大于10^-5。

优选的，日盲紫外光学镜头在280nm～600nm波段的截止深度大于10^-8。

本发明的技术方案中，通过采用折反混合式结构的日盲紫外光学镜头，既增大了系统口径又减小了系统的体积；通过在日盲紫外光学镜头中特定的工作面镀制透射膜或反射膜，实现了在280nm～600nm波段的深度截止；通过设计相应的干涉型紫外滤光片，实现了在600nm～900nm波段的深度截止；通过在紫外光学镜头的特定工作面进行镀膜，同时在像面前设计相应的干涉型紫外滤光片，使得整个日盲紫外光学系统能够满足日盲紫外成像中的滤光要求。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是本发明实施例的日盲紫外光学镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例的日盲紫外光学系统的结构示意图；

1、第一正透镜；2、反射镜；3、负透镜；4、第二正透镜；5、干涉型紫外滤光片；6、像面；101、第一正透镜的第一端面；102、第一正透镜的第一出射面；103第一正透镜的第一反射面；104第一正透镜的第二出射面；201、反射镜的第一端面；202、反射镜的第二端面；301、负透镜的第一端面；302负透镜的第二端面；401、第二正透镜的第一端面；402、负透镜的第二端面。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

在现有技术中，用于日盲紫外成像系统中的滤光片主要为吸收型紫外滤光片和干涉型紫外滤光片。当探测距离增加时，成像系统对背景光的截止要求也相应增加。此时，吸收型紫外滤光片能满足滤光要求，但是价格昂贵、采购周期长、增加系统设计的复杂度。干涉型紫外滤光片不能满足滤光要求，但是价格便宜。因此，亟需一种既能节约成本、又能满足远距离探测需求，同时不增加整个成像系统设计复杂度的滤光方案。

本发明的主要思路是，首先设计了一种折反式结构的紫外光头镜头，然后根据干涉滤光片的原理在所述紫外光头镜头的特定工作面上进行镀膜，得到了日盲紫外光学镜头，进而实现了在280nm～600nm波段的深度截止。通过设计相应的干涉型紫外滤光片，实现了在600nm～900nm波段的深度截止。将所述日盲紫外光学镜头与所述干涉型紫外滤光片配合使用，能使整个日盲紫外光学系统满足日盲紫外成像中的滤光要求。

下面结合附图详细说明本发明的实施例的技术方案。本发明实施例提供的日盲紫外光学镜头的结构示意图，如图1所示。日盲紫外光学镜头采用折反式结构，从物方侧到像方侧依次包括：

第一正透镜1、反射镜2、负透镜3、第二正透镜4，并且反射镜2上设置有中心通孔。在本发明实施例中，第一正透镜1选用平凸正透镜，反射镜2选用弯月型曼金反射镜，负透镜3选用弯月型负透镜，第二正透镜4选用双凸正透镜。其中，第一正透镜1包括两个端面：分别是第一正透镜的第一端面101，第一正透镜的第二端面(图中未示出)。其中，第一正透镜的第一端面101即第一正透镜1背对负透镜2的一面，第一正透镜的第二端面即第一正透镜1正对负透镜2的一面。其中第一正透镜的第二端面从上到下可分成三部分，分别是：第一正透镜的第一出射面102,、第一正透镜的第一反射面103、第一正透镜的第二出射面104。其中，第一正透镜的第一反射面103为第一正透镜1的第二端面上镀有反射铝膜的区域。优选的，本发明实施例中负透镜3与第二正透镜4的孔径相等。反射镜2的中心通孔的孔径大于负透镜3的孔径，同时中心通孔的孔径也大于第二正透镜4的孔径。优选的，负透镜3与第二正透镜4相互粘结，并可以沿光轴方向前后移动，以实现变焦功能。本发明实施中日盲紫外光学镜头通过采用折反式结构，既增大了系统口径又减小了系统的体积。

在具体实施时，本发明通过光学设计软件得到了日盲紫外光学镜头的具体结构。优选的，本发明实施例中的紫外光学镜头满足：视场角为5°×3.75°，有效通光口径为83mm，F数为2，后截距为27.1mm，面遮拦比为0.3，并且选用材料为在紫外波段透过率很高的石英玻璃。

当待测光进入本发明实施例的日盲紫外光学镜头时，待测光的行进路径如下：待测光信号从第一正透镜的第一端面101入射，并从第一正透镜的第一出射面102和第一正透镜的第二出射面104出射，得到第一出射光。第一出射光经反射镜2反射后，得到第二出射光。第二出射光经第一正透镜的第一反射面103反射后，得到第三出射光。第三出射光依次经过反射镜2的中心通孔、负透镜3和第二正透镜4后输出。

为了在上述光路中实现滤光效果，本发明实施例根据干涉截止滤光片的原理，通过选取特定的工作面进行镀膜，具体为：

在第一正透镜的第一端面101镀有紫外波段透射膜，负透镜的第一端面301和负透镜的第二端面302镀有紫外波段透射膜，第二正透镜的第一端面401镀有紫外波段透射膜。其中，第二正透镜的第一端面即第二正透镜正对负透镜的一面。并且，所述紫外波段透射膜为对240nm～280nm波段高透过，对280nm～600nm波段高截止的膜系。优选的，本发明实施例中反射镜的第二端面202，即反射镜2正对负透镜3的一面，镀有紫外波段反射膜。所述紫外波段反射膜为对240nm～280nm波段高反射、对280nm～600nm波段高截止的膜系。优选的，所述紫外波段透射膜和所述紫外波段反射膜均由HfO₂膜和SiO₂膜交替堆叠镀制而成。在具体实施时，考虑到入射光角度对系统滤光的影响，入射角度过大的表面不宜镀膜。因此，在本发明实施例中，对于日盲紫外光学镜头中的其他工作面，包括第一正透镜的第一出射面102、第一正透镜的第二出射面104、反射镜2的第一端面201、第二正透镜4的第二端面402并没有镀膜。

在具体实施时，本发明应用干涉截止滤光片的原理，权衡选取两种膜料，分别为高折射率膜料、低折射率膜料，对周期为四分之一波长的周期性膜堆进行展宽，并使用解析设计技术得到一个初始的多层膜结构；然后基于TFC软件中的光学薄膜理论构造合适的性能评价函数；接下来利用数值优化技术校正初始的多层膜结构，使性能评价函数趋于最小值，由此确定最终的镀膜方案；最后，根据最终的镀膜方案对日盲紫外光学镜头中需要镀膜的工作面进行镀膜加工。

优选的，本发明实施例中给予TFC软件最终确定的镀膜方案如表1所示。其中，在第一正透镜的第一端面，即第一正透镜背对反射镜的一面镀制紫外波段透射膜。第一正透镜正对反射镜的一面从上到下可分为第一出射面、第一反射面、第二出射面，对其第一出射面、第二出射面不镀膜，对其第一反射面镀铝膜。在反射镜的第一端面，即反射镜正对正对第一正透镜的一面不镀膜；在反射镜的第二端面，即反射镜背对第一正透镜的一面镀制紫外波段反射膜。在负透镜的第一端面即负透镜背对第二正透镜的一面，镀制紫外波段透射膜；在负透镜的第二端面即负透镜正对第二正透镜的一面，镀制紫外波段透射膜。在第二正透镜的第一端面即正对负透镜的一面镀制紫外波段透射膜；在第二正透镜的第二端面即背对负透镜的一面不镀膜。从表1也给出了，镀膜后的各光学元件表面对小于最大入射角入射的光束的透射率值或反射率值。其中，10.15°为光束经第一正透镜的第一端面透射后，入射到第一正透镜的第一、第二出射面的最大入射角，22.29°为光束经反射镜反射后，入射到第一正透镜的第一、第二出射面的最大入射角。

表1

本发明具体实施例通过在日盲紫外光学镜头中的特定工作面镀制透射膜或反射膜，实现了对280nm～600nm波段的深度截止。

根据本发明的另一方面，还提供了一种日盲紫外成像系统，所述系统包括：本发明的日盲紫外光学镜头(图中未示出)、干涉型紫外滤光片5、像面6。其中，日盲紫外光学镜头用于滤除待测信号中280nm～600nm波段的光。优选的，日盲紫外光学镜头在280nm～600nm波段的截止深度大于10^-8。

干涉型紫外滤光片5用于对600nm～900nm波段的光进行滤光。像面6用于获取待测信号的紫外光图像。具体的，由于日盲紫外光学镜头不能对600nm～900nm的背景光进行有效滤光。因而在日盲紫外光学系统中还需要干涉型紫外滤光片5来进行进一步的滤光。优选的，干涉型紫外滤光片5在600nm～900nm波段的截止深度大于10^-5，中心波长为253.7nm，中心波长处的透过率大于40％，280nm～600nm波段的截至深度大于10^-3。

像面6用于获取待测信号的紫外光图像。其中，像面6可选用紫外ICCD，即增强电荷耦合器件。并且，干涉型紫外滤波片5与像面6紧密连接。

本发明实施例中的日盲紫外光学系统，通过在紫外光学镜头的特定工作面进行镀膜，同时在像面前设计相应的干涉型紫外滤光片，使得滤光指标能达到：中心波长为253.7nm，中心波长处的透过率大于10％，280nm到600nm波段的截至深度大于10^-11，600nm～900nm波段的截至深度大于10^-5，满足了日盲紫外成像中的滤光要求。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims

1.一种日盲紫外光学镜头，其特征在于，所述镜头从物方侧到像方侧依次包括：第一正透镜、带中心通孔的反射镜、负透镜、第二正透镜；

其中，在第一正透镜背对反射镜的一面镀有紫外波段透射膜；第一正透镜正对反射镜的一面从上到下包括第一出射面、第一反射面和第二出射面；负透镜的两个表面镀有紫外波段透射膜；第二正透镜正对负透镜的一面镀有紫外波段透射膜；

待测光信号从第一正透镜背对反射镜的一面入射，并从其第一出射面和第二出射面出射，得到第一出射光；第一出射光经所述反射镜反射后，得到第二出射光；第二出射光经第一正透镜的第一反射面反射后，得到第三出射光，第三出射光依次经过所述反射镜的中心通孔、负透镜和第二正透镜后输出；

2.如权利要求1所述的镜头，其中，所述负透镜和第二正透镜的孔径相等。

3.如权利要求1所述的镜头，其中，所述反射镜的中心通孔的孔径大于所述负透镜和第二正透镜的孔径。

4.如权利要求1所述的镜头，其中，第一反射面为第一正透镜正对反射镜的一面上镀有反射铝膜的区域。

5.如权利要求1所述的镜头，其中，所述反射镜正对所述负透镜的一面镀有紫外波段反射膜；

6.如权利要求1所述的镜头，其中，所述第一正透镜的第一出射面和第二出射面的孔径相等，第一出射面大于第一反射面的孔径。

7.如权利要求5所述的镜头，其中，所述紫外波段透射膜和所述紫外波段反射膜均由HfO₂膜和SiO₂膜交替堆叠镀制而成。

8.一种日盲紫外成像系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求1-6任一所述的镜头、干涉型紫外滤光片、像面；

其中，所述镜头用于滤除待测信号中280nm～600nm波段的光；所述干涉型紫外滤光片用于滤除待测信号600nm～900nm波段的光；

所述像面用于获取待测信号的紫外光图像。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述干涉型紫外滤光片在600nm～900nm波段的截止深度大于10^-5。

10.如权利要求8所述的系统，其中，所述镜头在280nm～600nm波段的截止深度大于10^-8。