CN107219612A - 一种日盲紫外成像光学镜头和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种日盲紫外成像光学镜头和系统，所述日盲紫外成像光学镜头包括：沿所述日盲紫外成像光学镜头的光轴，由物侧到像侧依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜。本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统，仅设置了四个透镜，光学元件少，因此能够减小日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸，简化结构，从而降低了日盲紫外成像光学系统的设计难度。另外，由于光学元件数量大大减少，从而能够提高光能利用率。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，尤其涉及一种日盲紫外成像光学镜头和系统。
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220nm—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350nm—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。
由于紫外探测系统属于弱光探测领域，要求日盲紫外成像光学镜头和系统具有大相对孔径、大视场角，从而使得像面照度均匀性较高。
但是现有技术中在得到上述具有大相对孔径、大视场角的日盲紫外成像光学镜头和系统时，通常采用数量较多(数量在10片以上)的透镜来获得，因此，造成日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸较大且结构复杂，增加了光学系统的设计难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种日盲紫外成像光学镜头和系统，以解决现有技术中日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸较大且结构复杂，增加了光学系统的设计难度的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种日盲紫外成像光学镜头，包括：
沿所述日盲紫外成像光学镜头的光轴，由物侧到像侧依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；
所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜。
优选地，
所述第一透镜为双凸透镜；
所述第二透镜为凹凸透镜，所述第二透镜的凸面朝向所述第一透镜；
所述第三透镜为平凹透镜，所述第三透镜的凹面朝向所述第四透镜；
所述第四透镜为双凸透镜。
优选地，所述日盲紫外成像光学镜头的焦距为f，所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距为f12，f与f12符号相同，并且满足下列不等式：0.5f＜f12＜0.8f；
所述第三透镜的焦距为f3，f与f3符号相反，并且满足下列不等式：0.4f＜|f3|＜0.7f；
所述第四透镜的焦距为f4，f与f4符号相同，并且满足下列不等式：0.7f＜f4＜0.9f。
优选地，所述日盲紫外成像光学镜头的全视场角大于10度。
优选地，所述日盲紫外成像光学镜头的孔径大于50mm。
优选地，所述日盲紫外成像光学镜头的光圈数F值小于2。
优选地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的光学表面均为球面。
本发明还提供一种日盲紫外成像光学系统，包括上面任意一项所述的日盲紫外成像光学镜头和探测器；
其中，所述探测器的探测面位于所述日盲紫外成像光学镜头的焦平面内。
优选地，日盲紫外成像光学系统还包括紫外滤光片；
所述紫外滤光片位于所述第四透镜和所述探测器之间。
优选地，所述紫外滤光片的中心波长为260nm，带宽为40nm。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统，仅设置了四个透镜，光学元件少，因此能够减小日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸，简化结构，从而降低了日盲紫外成像光学系统的设计难度。另外，由于光学元件数量大大减少，从而能够提高光能利用率。
进一步地，本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统全视场角可大于10度，孔径大于50mm，光圈数的F值小于2，系统成像质量高，拥有较强的光电探测能力，可适用于电力部门的电晕放电检测。日盲紫外成像光学镜头和系统结构简单、外形尺寸小、加工和制造难度低、成像质量可满足电晕放电检测的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种日盲紫外成像光学系统的光路结构示意图；
图2为图1所示的日盲紫外成像光学系统的成像点列图；
图3为本发明实施例提供的另一种日盲紫外成像光学系统的光路结构示意图；
图4为图3所示的日盲紫外成像光学系统的成像点列图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中通常采用数量较多(数量在10片以上)的透镜来获得统大相对孔径、大视场角的日盲紫外成像光学镜头和系统。由于透镜数量较多，造成了现有技术中大相对孔径、大视场角的日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸较大且结构复杂，增加了光学系统的设计难度。
基于此，本发明提供一种日盲紫外成像光学镜头，包括：
沿所述日盲紫外成像光学系统的光轴，由物侧到像侧依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；
所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜。
本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统，仅设置了四个透镜，光学元件少，因此能够减小日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸，简化结构，从而降低了日盲紫外成像光学系统的设计难度。另外，由于光学元件数量大大减少，从而能够提高光能利用率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种日盲紫外成像光学系统，所述日盲紫外成像光学系统包括日盲紫外成像光学镜头100和探测器5；其中日盲紫外成像光学镜头100包括：沿日盲紫外成像光学镜头的光轴，由物侧到像侧依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4；第一透镜1为正光焦度透镜，第二透镜2为正光焦度透镜，第三透镜3为负光焦度透镜，第四透镜4为正光焦度透镜。
本实施例中，如图1所示，第一透镜1为双凸透镜；第二透镜2为凹凸透镜，第二透镜2的凸面朝向第一透镜1；第三透镜3为平凹透镜，第三透镜3的凹面朝向第四透镜4；第四透镜4为双凸透镜。
由于紫外探测系统属于弱光探测领域，为了保证日盲紫外成像光学系统具有较高的探测灵敏度，要求日盲紫外成像光学系统具有较大的通光孔径；同时，出于便于安装日盲紫外滤光片的需要，要求日盲紫外成像光学系统具有较长的后工作距和较小的外形尺寸。
为满足上述要求，本实施例中仅采用4片透镜实现上述要求，具体的，本实施例中各透镜组成的日盲紫外成像光学镜头满足如下关系：
日盲紫外成像光学镜头100的焦距为f，第一透镜1和第二透镜2的组合焦距为f12，f与f12符号相同，并且满足下列不等式：0.5f＜f12＜0.8f；第三透镜3的焦距为f3，f与f3符号相反，并且满足下列不等式：0.4f＜|f3|＜0.7f；第四透镜4的焦距为f4，f与f4符号相同，并且满足下列不等式：0.7f＜f4＜0.9f。
通过实验证明，在满足上述要求的基础上，本实施例中提供的由4片透镜组成的日盲紫外成像光学镜头的全视场角大于10度、孔径大于50mm、光圈数F值小于2。
且需要说明的是，本实施例中提供的4片透镜的光学表面均可以设置为球面，无需非球面元件，因此本实施例提供的日盲紫外成像光学镜头制造成本交底，工艺性好。
本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统还减少了日盲紫外成像光学镜头中透镜的个数，仅设置了四个透镜，光学元件少，因此能够减小日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸，简化结构，从而降低了日盲紫外成像光学系统的设计难度。另外，由于光学元件数量大大减少，从而能够提高光能利用率。
具体的，在本发明的一个实施例中，提供一种日盲紫外成像光学系统，如图1所示，包括日盲紫外成像光学镜头100和探测器5，其中，探测器5的探测面位于日盲紫外成像光学镜头100的焦平面。
本实施例中，正光焦度的第一透镜1的焦距为f1＝119mm，正光焦度的第二透镜2的焦距为f2＝83mm，二者的组合焦距为f12＝50mm，满足下列不等式：0.5f＜f12＜0.8f。
负光焦度的第三透镜3的焦距为f3＝-43mm，满足下列不等式：0.4f＜|f3|＜0.7f。
正光焦度的第四透镜4的焦距为f4＝63mm，满足下列不等式：0.7f＜f4＜0.9f。
本实施例中日盲紫外成像光学系统的利用光学波段为：240nm-280nm，包括端点值。通过实验证明，本实施例中日盲紫外成像光学系统的全视场角为：14度(正、负7度)。日盲紫外成像光学系统的焦距为78mm，通光孔径为55mm，光学系统总长小于100mm；光学系统留有足够的后截距，便于滤光片的安装与更换。本实施例中所述后截距35mm。
根据上述数据，得到如图2所示的日盲紫外电晕探测光学系统的成像点列图，其中，图2中Defocusing 0.00000表示考察像面位置(没有离焦)；左边4组数表示视场的绝对值度(如0.000，5.000)和归一化相对值(如0/7＝0.00，5/7＝0.71，7/7＝1.00)，本实施例中全视场角为14度，视场角正负7度，图2中最大视场角为7。dn为光点到光斑中心的距离。100％直径＝2×MAX(d1,d2,d3,...,dn),dn为光点到光斑中心的距离。通过图2可以看出，系统拥有较好的成像质量和较好的探测灵敏度，全视场范围内，光斑直径(RMS)在0.2mm-0.3mm，且光斑圆度较好，有利于目标的发现和定位。
需要说明的是，本实施例中提供的4片透镜的光学表面均可以设置为球面，无需非球面元件，因此本实施例提供的日盲紫外成像光学镜头制造成本交底，工艺性好。
本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统还减少了日盲紫外成像光学镜头中透镜的个数，仅设置了四个透镜，光学元件少，因此能够减小日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸，简化结构，从而降低了日盲紫外成像光学系统的设计难度。另外，由于光学元件数量大大减少，从而能够提高光能利用率。
在上一实施例的基础上，本发明的另一个实施例中，提供一种日盲紫外成像光学系统，如图3所示，包括：沿日盲紫外成像光学镜头的光轴，由物侧到像侧依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和探测器5，与上一实施例不同的是，本实施例中还包括紫外滤光片6。其中，探测器5的探测面位于日盲紫外成像光学镜头的焦平面内，紫外滤光片6位于第四透镜4和探测器5之间，用于过滤紫外光。
紫外滤光片6的中心波长为260nm，带宽为40nm。因此，本实施例中日盲紫外成像光学系统的利用光学波段为：240nm-280nm，包括端点值。
本实施例中，各透镜组成的日盲紫外成像光学镜头满足如下关系：
正光焦度的第一透镜1的焦距为f1＝115mm，正光焦度的第二透镜2的焦距为f2＝99mm，二者的组合焦距为f12＝54mm，满足下列不等式：0.5f＜f12＜0.8f。负光焦度的第三透镜3的焦距为f3＝-40mm，满足下列不等式：0.4f＜|f3|＜0.7f。正光焦度的第四透镜4的焦距为f4＝72mm，满足下列不等式：0.7f＜f4＜0.9f。
通过实验证明，在满足上述要求的基础上，本实施例中提供的由4片透镜组成的日盲紫外成像光学镜头的全视场角为12度(正、负6度)、日盲紫外成像光学系统的焦距为85mm，通光孔径为60mm，光学系统总长小于110mm；光学系统留有足够的后截距，便于滤光片的安装与更换。
根据上述数据，得到如图4所示的日盲紫外电晕探测光学系统的成像点列图，图4中各参数的含义同图2中相同，本实施例中对此不做赘述。通过图4可以看出，系统拥有较好的成像质量和较好的探测灵敏度，全视场范围内，光斑直径(RMS)均在0.2mm左右，且光斑圆度较好，有利于目标的发现和定位。
需要说明的是，本实施例中提供的4片透镜的光学表面均可以设置为球面，无需非球面元件，因此本实施例提供的日盲紫外成像光学镜头制造成本交底，工艺性好。
本发明提供的日盲紫外成像光学镜头和系统还减少了日盲紫外成像光学镜头中透镜的个数，仅设置了四个透镜，光学元件少，因此能够减小日盲紫外成像光学镜头和系统尺寸，简化结构，从而降低了日盲紫外成像光学系统的设计难度。另外，由于光学元件数量大大减少，从而能够提高光能利用率。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，包括：
沿所述日盲紫外成像光学镜头的光轴，由物侧到像侧依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；
所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，
所述第一透镜为双凸透镜；
所述第二透镜为凹凸透镜，所述第二透镜的凸面朝向所述第一透镜；
所述第三透镜为平凹透镜，所述第三透镜的凹面朝向所述第四透镜；
所述第四透镜为双凸透镜。
3.根据权利要求2所述的日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，所述日盲紫外成像光学镜头的焦距为f，所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距为f12，f与f12符号相同，并且满足下列不等式：0.5f＜f12＜0.8f；
所述第三透镜的焦距为f3，f与f3符号相反，并且满足下列不等式：0.4f＜|f3|＜0.7f；
所述第四透镜的焦距为f4，f与f4符号相同，并且满足下列不等式：0.7f＜f4＜0.9f。
4.根据权利要求3所述的日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，所述日盲紫外成像光学镜头的全视场角大于10度。
5.根据权利要求3所述的日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，所述日盲紫外成像光学镜头的孔径大于50mm。
6.根据权利要求3所述的日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，所述日盲紫外成像光学镜头的光圈数F值小于2。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的日盲紫外成像光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的光学表面均为球面。
8.一种日盲紫外成像光学系统，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的日盲紫外成像光学镜头和探测器；
其中，所述探测器的探测面位于所述日盲紫外成像光学镜头的焦平面内。
9.根据权利要求8所述的日盲紫外成像光学系统，其特征在于，还包括紫外滤光片；
所述紫外滤光片位于所述第四透镜和所述探测器之间。
10.根据权利要求9所述的日盲紫外成像光学系统，其特征在于，所述紫外滤光片的中心波长为260nm，带宽为40nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170929 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |