CN106405795A - 一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统。该系统采用十三片透镜和一片紫外窄带滤光片组合，从物方到像方按顺序由，正光焦度第一透镜、负光焦度第二透镜、负光焦度第三透镜、正光焦度第四透镜、正光焦度第五透镜、负光焦度第六透镜、正光焦度第七透镜、孔径光阑、负光焦度第八透镜、正光焦度第九透镜、负光焦度第十透镜、正光焦度第十一透镜、正光焦度第十二透镜、紫外窄带滤光片、正光焦度第十三透镜和焦平面探测器。其工作波段为260～280nm，F/#为1.5，焦距为7.99mm，视场为75.2°，整个光学系统长度为157mm。该光学系统实现高照度均匀性，优于81.6％，采用三个非球面来改善像质，并使光学系统的光路总长更短。通过系统整组移动，在‑40℃～60℃的温度范围内保持高质量成像。

Description

一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统设计技术领域，具体为一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统。
背景技术
紫外传感成像系统主要用于生物医药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、电晕放电探测、刑事侦察、森林防火、空间观测、染病谷物剔除、水银灯消毒控制和灾害天气监测及预报等。由于太阳光穿透地球大气层时，在220—280nm紫外波段辐射被大气中的臭氧层强烈吸收，近地表范围的紫外普通光学玻璃的透明区域一般在350—2400nm之间，辐射很微弱，存在所谓的“太阳光谱盲区”。在该波段对紫外目标探测时，来自自然环境的干扰就非常弱。因此，日盲紫外成像系统的研究受到了国内外的广泛关注。
在日盲波段，紫外光学设计分为折射式和反射式，其中反射式由于中心遮拦损失能量，对紫外弱信号检测不利。折射式光学系统的材料主要以透紫外的光学晶体材料为主，但大多数材料理化性能差，不适合制作透镜。考虑材料的理化性能、耐辐射性能及加工性能，设计中仅能选用两三种材料，如氟化钙、石英和氟化镁等，难于校正像差。此外，紫外探测系统属于弱光探测领域，要求滤光片透过率高、大相对孔径及高像面照度均匀性，进一步增加了光学系统的设计难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种大视场、大相对孔径、高照度均匀性、像质好的日盲紫外光学系统。
本发明的技术方案为：
所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：整个光学系统包括十三块透镜和一片紫外窄带滤光片；从物方到像方依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、孔径光阑、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、紫外窄带滤光片、第十三透镜和焦平面探测器。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：第一透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第二透镜为负光焦度透镜，弯向像方；第三透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第四透镜为正光焦度透镜，弯向物方；第五透镜为正光焦度透镜，弯向物方；第六透镜为负光焦度透镜，弯向像方；第七透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第八透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第九透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第十透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第十一透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第十二透镜为正光焦度透镜，弯向像方；第十三透镜为正光焦度透镜，弯向像方。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：第一透镜采用熔融石英材料，第二透镜采用氟化钙材料，第三透镜采用氟化钙材料，第四透镜采用熔融石英材料，第五透镜采用熔融石英材料，第六透镜采用熔融石英材料，第七透镜采用氟化钙材料，第八透镜采用熔融石英材料，第九透镜采用氟化钙材料，第十透镜采用熔融石英材料，第十一透镜采用氟化钙材料，第十二透镜采用氟化钙材料，第十三透镜采用氟化钙材料，镜筒材料为铝材料。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：孔径光阑设置在光学系统第七透镜和第八透镜之间，透镜之间的间隔为空气。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜前表面、第四透镜后表面、第五透镜后表面为非球面，其它透镜表面都为球面。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜前表面半径319.2mm，第一透镜后表面半径-139.96mm，第二透镜前表面半径-729.5mm，第二透镜后表面半径16.144mm，第三透镜前表面半径-50.7mm，第三透镜后表面半径25.64mm，第四透镜前表面半径-21.78mm，第四透镜后表面半径-19.72mm，第五透镜前表面半径-99.08mm，第五透镜后表面半径-25.82mm，第六透镜前表面半径158.49mm，第六透镜后表面半径14.125mm，第七透镜前表面半径15.922mm，第七透镜后表面半径-24.6mm，第八透镜前表面半径-47.986mm，第八透镜后表面半径22.03mm，第九透镜前表面半径14.2mm，第九透镜后表面半径-18.88mm，第十透镜前表面半径-15.417mm，第十透镜后表面半径14.093mm，第十一透镜前表面半径19.588mm，第十一透镜后表面半径-30.953mm，第十二透镜前表面半径20.67mm，第十二透镜后表面半径52mm，第十三透镜前表面半径12.274mm，第十三透镜后表面半径30.48mm；
第一透镜前表面与后表面中心间距7.8mm，第一透镜后表面与第二透镜前表面中心间距0.5mm，第二透镜前表面与后表面中心间距3.5mm，第二透镜后表面与第三透镜前表面中心间距14.02mm，第三透镜前表面与后表面中心间距3.0mm，第三透镜后表面与第四透镜前表面中心间距10.8mm，第四透镜前表面与后表面中心间距7mm，第四透镜后表面与第五透镜前表面中心间距1.8mm，第五透镜前表面与后表面中心间距10mm，第五透镜后表面与第六透镜前表面中心间距40.7mm，第六透镜前表面与后表面中心间距1.4mm，第六透镜后表面与第七透镜前表面中心间距1.2mm，第七透镜前表面与后表面中心间距7.03mm，第七透镜后表面与孔径光阑中心间距1.5mm，孔径光阑与第八透镜中心间距1.6，第八透镜前表面与后表面中心间距1.5mm，第八透镜后表面与第九透镜中心间距1mm，第九透镜前表面与后表面中心间距7.4mm，第九透镜后表面与第十透镜中心间距1.25mm，第十透镜前表面与后表面中心间距2.54mm，第十透镜后表面与第十一透镜中心间距1.5mm，第十一透镜前表面与后表面中心间距6.5mm，第十一透镜后表面与第十二透镜中心间距1mm，第十二透镜前表面与后表面中心间距4.6mm，第十二透镜后表面与紫外窄带滤光片中心间距3.3mm，紫外窄带滤光片厚度3mm，紫外窄带滤光片后表面与第十三透镜中心间距1.1mm，第十三透镜前表面与后表面中心间距5.8mm，第十三透镜后表面与焦平面探测器光窗间距6.153mm。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：紫外窄带滤光片采用UG11为基底，厚度为2.5mm，中心波长为270nm，带宽为20nm，透过率达40％。该滤光片入射角度为±15°之内。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：其工作波段为260～280nm，F/#为1.5，焦距为7.99mm，视场为75.2°。
进一步的优选方案，所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：第十三透镜与探测器的距离可调，轴向调焦范围为±2mm，用以补偿-40℃～+60℃温度范围像面的飘移，保证系统像质。
有益效果
本发明提出一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，选择易于装配且无中心遮拦的透射式方式，采用复杂的负光焦度前组与正光焦度后组分离的结构，获得了高相对像面照度大相对孔径大视场角物镜。该光学系统实现高照度均匀性，优于81.6％，衍射弥散斑小于一个像素25um，采用三个非球面来改善像质，并使光学系统的光路总长更短。通过系统整组移动，在-40℃～60℃的温度范围内保持高质量成像。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的光学系统示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明的目的是一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，是通过选择易于装配且无中心遮拦的透射式方式，采用复杂的负光焦度前组与正光焦度后组分离的结构，获得了高相对像面照度大相对孔径大视场角物镜。
如图1所示，整个光学系统包括十三块透镜和一片紫外窄带滤光片；从物方到像方依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、孔径光阑、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、紫外窄带滤光片、第十三透镜和焦平面探测器。目标物体辐射的紫外光束，依次经过同轴第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、孔径光阑、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、紫外窄带滤光片、第十三透镜，汇聚成像于AlGaN紫外焦平面探测器，从而可获得目标图像。
其中第一透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第二透镜为负光焦度透镜，弯向像方；第三透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第四透镜为正光焦度透镜，弯向物方；第五透镜为正光焦度透镜，弯向物方；第六透镜为负光焦度透镜，弯向像方；第七透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第八透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第九透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第十透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第十一透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第十二透镜为正光焦度透镜，弯向像方；第十三透镜为正光焦度透镜，弯向像方。形成光焦度+、-、-、+、+、-、+、-、+、-、+、+、+构型。
材料选择为：第一透镜采用熔融石英材料，第二透镜采用氟化钙材料，第三透镜采用氟化钙材料，第四透镜采用熔融石英材料，第五透镜采用熔融石英材料，第六透镜采用熔融石英材料，第七透镜采用氟化钙材料，第八透镜采用熔融石英材料，第九透镜采用氟化钙材料，第十透镜采用熔融石英材料，第十一透镜采用氟化钙材料，第十二透镜采用氟化钙材料，第十三透镜采用氟化钙材料，镜筒材料为铝材料。
如图1所示，孔径光阑设置在光学系统第七透镜和第八透镜之间，透镜之间的间隔为空气。从物方到像方，第一透镜前表面、第四透镜后表面、第五透镜后表面为非球面，其它透镜表面都为球面。紫外窄带滤光片采用UG11为基底，厚度为2.5mm，中心波长为270nm，带宽为20nm，透过率达40％。该滤光片入射角度为±15°之内。
具体尺寸为：从物方到像方，第一透镜前表面半径319.2mm，第一透镜后表面半径-139.96mm，第二透镜前表面半径-729.5mm，第二透镜后表面半径16.144mm，第三透镜前表面半径-50.7mm，第三透镜后表面半径25.64mm，第四透镜前表面半径-21.78mm，第四透镜后表面半径-19.72mm，第五透镜前表面半径-99.08mm，第五透镜后表面半径-25.82mm，第六透镜前表面半径158.49mm，第六透镜后表面半径14.125mm，第七透镜前表面半径15.922mm，第七透镜后表面半径-24.6mm，第八透镜前表面半径-47.986mm，第八透镜后表面半径22.03mm，第九透镜前表面半径14.2mm，第九透镜后表面半径-18.88mm，第十透镜前表面半径-15.417mm，第十透镜后表面半径14.093mm，第十一透镜前表面半径19.588mm，第十一透镜后表面半径-30.953mm，第十二透镜前表面半径20.67mm，第十二透镜后表面半径52mm，第十三透镜前表面半径12.274mm，第十三透镜后表面半径30.48mm；
第一透镜前表面与后表面中心间距7.8mm，第一透镜后表面与第二透镜前表面中心间距0.5mm，第二透镜前表面与后表面中心间距3.5mm，第二透镜后表面与第三透镜前表面中心间距14.02mm，第三透镜前表面与后表面中心间距3.0mm，第三透镜后表面与第四透镜前表面中心间距10.8mm，第四透镜前表面与后表面中心间距7mm，第四透镜后表面与第五透镜前表面中心间距1.8mm，第五透镜前表面与后表面中心间距10mm，第五透镜后表面与第六透镜前表面中心间距40.7mm，第六透镜前表面与后表面中心间距1.4mm，第六透镜后表面与第七透镜前表面中心间距1.2mm，第七透镜前表面与后表面中心间距7.03mm，第七透镜后表面与孔径光阑中心间距1.5mm，孔径光阑与第八透镜中心间距1.6mm，第八透镜前表面与后表面中心间距1.5mm，第八透镜后表面与第九透镜中心间距1mm，第九透镜前表面与后表面中心间距7.4mm，第九透镜后表面与第十透镜中心间距1.25mm，第十透镜前表面与后表面中心间距2.54mm，第十透镜后表面与第十一透镜中心间距1.5mm，第十一透镜前表面与后表面中心间距6.5mm，第十一透镜后表面与第十二透镜中心间距1mm，第十二透镜前表面与后表面中心间距4.6mm，第十二透镜后表面与紫外窄带滤光片中心间距3.3mm，紫外窄带滤光片厚度3mm，紫外窄带滤光片后表面与第十三透镜中心间距1.1mm，第十三透镜前表面与后表面中心间距5.8mm，第十三透镜后表面与焦平面探测器光窗间距6.153mm。
整个系统工作波段为260～280nm，F/#为1.5，焦距为7.99mm，视场为75.2°。该光学系统实现高照度均匀性，优于81.6％，衍射弥散斑小于一个像素25um，采用三个非球面来改善像质，并使光学系统的光路总长更短。第十三透镜与探测器的距离可调，轴向调焦范围为±2mm，用以补偿-40℃～+60℃温度范围像面的飘移，保证系统像质。
附光学系统数据表
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：整个光学系统包括十三块透镜和一片紫外窄带滤光片；从物方到像方依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、孔径光阑、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、紫外窄带滤光片、第十三透镜和焦平面探测器。
2.根据权利要求1所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：第一透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第二透镜为负光焦度透镜，弯向像方；第三透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第四透镜为正光焦度透镜，弯向物方；第五透镜为正光焦度透镜，弯向物方；第六透镜为负光焦度透镜，弯向像方；第七透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第八透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第九透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第十透镜为负光焦度透镜，双凹透镜；第十一透镜为正光焦度透镜，双凸透镜；第十二透镜为正光焦度透镜，弯向像方；第十三透镜为正光焦度透镜，弯向像方。
3.根据权利要求1或2所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：第一透镜采用熔融石英材料，第二透镜采用氟化钙材料，第三透镜采用氟化钙材料，第四透镜采用熔融石英材料，第五透镜采用熔融石英材料，第六透镜采用熔融石英材料，第七透镜采用氟化钙材料，第八透镜采用熔融石英材料，第九透镜采用氟化钙材料，第十透镜采用熔融石英材料，第十一透镜采用氟化钙材料，第十二透镜采用氟化钙材料，第十三透镜采用氟化钙材料，镜筒材料为铝材料。
4.根据权利要求3所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：孔径光阑设置在光学系统第七透镜和第八透镜之间，透镜之间的间隔为空气。
5.根据权利要求4所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜前表面、第四透镜后表面、第五透镜后表面为非球面，其它透镜表面都为球面。
6.根据权利要求5所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜前表面半径319.2mm，第一透镜后表面半径-139.96mm，第二透镜前表面半径-729.5mm，第二透镜后表面半径16.144mm，第三透镜前表面半径-50.7mm，第三透镜后表面半径25.64mm，第四透镜前表面半径-21.78mm，第四透镜后表面半径-19.72mm，第五透镜前表面半径-99.08mm，第五透镜后表面半径-25.82mm，第六透镜前表面半径158.49mm，第六透镜后表面半径14.125mm，第七透镜前表面半径15.922mm，第七透镜后表面半径-24.6mm，第八透镜前表面半径-47.986mm，第八透镜后表面半径22.03mm，第九透镜前表面半径14.2mm，第九透镜后表面半径-18.88mm，第十透镜前表面半径-15.417mm，第十透镜后表面半径14.093mm，第十一透镜前表面半径19.588mm，第十一透镜后表面半径-30.953mm，第十二透镜前表面半径20.67mm，第十二透镜后表面半径52mm，第十三透镜前表面半径12.274mm，第十三透镜后表面半径30.48mm；
第一透镜前表面与后表面中心间距7.8mm，第一透镜后表面与第二透镜前表面中心间距0.5mm，第二透镜前表面与后表面中心间距3.5mm，第二透镜后表面与第三透镜前表面中心间距14.02mm，第三透镜前表面与后表面中心间距3.0mm，第三透镜后表面与第四透镜前表面中心间距10.8mm，第四透镜前表面与后表面中心间距7mm，第四透镜后表面与第五透镜前表面中心间距1.8mm，第五透镜前表面与后表面中心间距10mm，第五透镜后表面与第六透镜前表面中心间距40.7mm，第六透镜前表面与后表面中心间距1.4mm，第六透镜后表面与第七透镜前表面中心间距1.2mm，第七透镜前表面与后表面中心间距7.03mm，第七透镜后表面与孔径光阑中心间距1.5mm，孔径光阑与第八透镜中心间距1.6，第八透镜前表面与后表面中心间距1.5mm，第八透镜后表面与第九透镜中心间距1mm，第九透镜前表面与后表面中心间距7.4mm，第九透镜后表面与第十透镜中心间距1.25mm，第十透镜前表面与后表面中心间距2.54mm，第十透镜后表面与第十一透镜中心间距1.5mm，第十一透镜前表面与后表面中心间距6.5mm，第十一透镜后表面与第十二透镜中心间距1mm，第十二透镜前表面与后表面中心间距4.6mm，第十二透镜后表面与紫外窄带滤光片中心间距3.3mm，紫外窄带滤光片厚度3mm，紫外窄带滤光片后表面与第十三透镜中心间距1.1mm，第十三透镜前表面与后表面中心间距5.8mm，第十三透镜后表面与焦平面探测器光窗间距6.153mm。
7.根据权利要求6所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：紫外窄带滤光片采用UG11为基底，厚度为2.5mm，中心波长为270nm，带宽为20nm，透过率达40％。该滤光片入射角度为±15°之内。
8.根据权利要求7所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：其工作波段为260～280nm，F/#为1.5，焦距为7.99mm，视场为75.2°。
9.根据权利要求8所述一种大视场大相对孔径日盲紫外光学系统，其特征在于：第十三透镜与探测器的距离可调，轴向调焦范围为±2mm，用以补偿-40℃～+60℃温度范围像面的飘移，保证系统像质。
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