CN108469665A - 一种短波红外像方远心镜头 - Google Patents

一种短波红外像方远心镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种短波红外像方远心镜头,镜头包括8片透镜,透镜结构形式沿光线入射方向依次为正负正负正正负正;镜头的光学系统焦距为30mm,F数为2,光谱范围为1000nm~2500nm,全视场18.2°,系统总长51mm,其中系统最后一面到像面的距离为8mm,即后截距8mm,为光学系统与后续系统或探测器的机械连接留有了足够空间;该镜头的发明主要作为短波红外成像光谱仪的望远系统,通过对初始结构的变型和复杂化,最后采用八片六组结构,对系统七种像差均进行了校正和平衡,最终使系统具有大相对孔径、宽光谱范围、结构紧凑、像质优良等优点。

Description

一种短波红外像方远心镜头
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域,特别涉及一种短波红外像方远心镜头。
背景技术
成像光谱仪是20世纪80年代出现的,将成像技术与光谱技术结合于一体的光学仪器。成像光谱仪的结构主要包括前段望远系统和后端分光系统,望远系统将景物成像于一次像面,分光系统则通过狭缝截取一个线视场,将其色散分波段成像,然后通过整个成像光谱仪的转动扫描,将线视场扫描称为面视场。由此可见,望远系统的成像质量,决定着整个仪器的成像质量。
短波红外成像光谱仪的工作波段为1000nm~2500nm,因此望远系统也应针对该波段进行设计,但是大多数光学材料在接近2400nm左右时透过率会很低,可用光学材料种类较少,因此设计过程中光学材料的选择应着重考虑光学透过率的因素。同时整个波段范围宽达1500nm,在可选材料如此至少的情况下,色差的校正显得尤为困难,并且由于望远系统所成一次像面会作为分光系统的物面,因此七种像差都应进行严格校正。
综上所述,短波红外成像光谱仪的望远系统的设计,无论从材料的选择、初始结构的确定,还是到初始结构的复杂化、像差的校正和平衡,都需要设计者仔细斟酌考虑,具有一定的设计难度。
为了克服上述缺点,设计一种新的短波红外像方远心镜头。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供了一种短波红外像方远心镜头,作为短波红外成像光谱仪的望远镜头,该镜头不仅具有像方远心的特点,而且在光学材料的选择,结构形式的排布以及像差优化平衡的过程中,充分考虑了作为成像光谱仪望远镜头的具体要求,最终镜头具有像方远心、大相对孔径、宽光谱范围、结构紧凑、像质优良等优点。
本发明实施例中提供一种短波红外像方远心镜头,其包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜;所述第一正透镜的材料为HZK20,14mm<通光口径<15mm,6mm<厚度<7mm;所述第一负透镜的材料为HLAF62,13mm<通光口径<14mm,1mm<厚度<2mm;所述第二正透镜的材料为HBAK5,11mm<通光口径<12mm,4mm<厚度<5mm;所述第二负透镜的材料为HZF6,10mm<通光口径<11mm,1mm<厚度<2mm;所述第三正透镜的材料为HZBAF1,12mm<通光口径<13mm,8mm<厚度<9mm;所述第四正透镜的材料为HZK20,17mm<通光口径<18mm,6mm<厚度<7mm;所述第三负透镜的材料为HZF4,15mm<通光口径<16mm,1mm<厚度<2mm;所述第五正透镜的材料为HLAF62,13mm<通光口径<14mm,3mm<厚度<4mm。前述六种光学材料均选自成都光明玻璃库,在兼顾系统光学材料透过率的同时,统筹考虑了系统像差的校正和平衡。
可选地,所述第一正透镜的通光口径为14.9mm,厚度为6.44mm;所述第一负透镜的通光口径为13.1mm,厚度为1.5mm;所述第二正透镜的通光口径为11.1mm,厚度为4.01mm;所述第二负透镜的通光口径为10.06mm,厚度为1.99mm;所述第三正透镜的通光口径为12.9mm,厚度为8.25mm;所述第四正透镜的通光口径为17.3mm,厚度为6.7mm;所述第三负透镜的通光口径为15.1mm,厚度为1.7mm;所述第五正透镜的通光口径为13.36mm,厚度为3.76mm。
可选地,所述第一正透镜与所述第一负透镜组成第一个胶合透镜,所述第二负透镜和所述第三正透镜组成第二个胶合透镜。
可选地,所述第五正透镜的光线出射面的中心与像面的距离为8mm。
可选地,短波红外像方远心镜头的外形尺寸为φ17.3×51mm。
可选地,短波红外像方远心镜头的光学系统焦距为30mm,F数为2。
可选地,短波红外像方远心镜头的光谱范围为1000nm~2500nm。
可选地,短波红外像方远心镜头的全视场为18.2°。
可选地,短波红外像方远心镜头的总光学材料透过率大于等于0.646。
从以上技术方案可以看出,本发明实施例具有以下优点:
1、所述短波红外像方远心镜头,光谱范围为1000nm~2500nm,波段范围宽达1500nm,完全覆盖短波红外波段,像方远心设计,完美匹配后续分光系统,光学系统焦距为30mm,F数为2,大相对孔径集光能力强,保证像面照度。
2、通过设置第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜这八片透镜,八片透镜的材料均充分考虑光学透过率的因素,通过使得采用的六种材料在波长2400nm处10mm透过率达到0.86以上,并且不使用特殊光学材料以控制成本,使得整个光路的总光学材料透过率达到0.646。
3、所述短波红外像方远心镜头,通过对初始结构的变型和复杂化,最后采用八片六组结构,对系统七种像差均进行了校正和平衡,最终像质优良。
4、所述短波红外像方远心镜头中透镜均采用标准球面面型,易于加工和装配,成本较低。
5、所述短波红外像方远心镜头,系统最后一面的第五正透镜到像面的距离为8mm,为镜头与后续光学系统的机械连接留有了足够空间,系统总长51mm,整个镜头结构紧凑。
附图说明
图1为本发明的短波红外像方远心镜头的系统结构图;
图2为本发明的光学系统的点列图;
图3为本发明的光学系统的光学调制传递函数。
附图标记:1-第一正透镜;2-第一负透镜;3-第二正透镜;4-第二负透镜;5-第三正透镜;6-第四正透镜;7-第三负透镜;8-第五正透镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,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的实施例,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,都应当属于本发明保护的范围。
请参看图1,为本发明的光学系统结构图,该短波红外像方远心镜头包括8片透镜,8片透镜以正负正负正正负正的形式排列,所有镜面均采用标准球面面型,便于加工并且成本更低。8片透镜包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜1、第一负透镜2、第二正透镜3、第二负透镜4、第三正透镜5、第四正透镜6、第三负透镜7和第五正透镜8。所述第一正透镜1的材料为HZK20,14mm<通光口径<15mm,6mm<厚度<7mm。所述第一负透镜2的材料为HLAF62,13mm<通光口径<14mm,1mm<厚度<2mm。所述第二正透镜3的材料为HBAK5,11mm<通光口径<12mm,4mm<厚度<5mm。所述第二负透镜4的材料为HZF6,10mm<通光口径<11mm,1mm<厚度<2mm。所述第三正透镜5的材料为HZBAF1,12mm<通光口径<13mm,8mm<厚度<9mm。所述第四正透镜6的材料为HZK20,17mm<通光口径<18mm,6mm<厚度<7mm。所述第三负透镜7的材料为HZF4,15mm<通光口径<16mm,1mm<厚度<2mm。所述第五正透镜8的材料为HLAF62,13mm<通光口径<14mm,3mm<厚度<4mm。
在其中一个实施例中,所述第一正透镜1的通光口径为14.9mm,厚度为6.44mm;所述第一负透镜2的通光口径为13.1mm,厚度为1.5mm;所述第二正透镜3的通光口径为11.1mm,厚度为4.01mm;所述第二负透镜4的通光口径为10.06mm,厚度为1.99mm;所述第三正透镜5的通光口径为12.9mm,厚度为8.25mm;所述第四正透镜6的通光口径为17.3mm,厚度为6.7mm;所述第三负透镜7的通光口径为15.1mm,厚度为1.7mm;所述第五正透镜8的通光口径为13.36mm,厚度为3.76mm;以此使得光学系统焦距为30mm,F数为2,光谱范围为1000nm~2500nm,全视场18.2°,外形尺寸为φ17.3×51mm,整个镜头具有像方远心、大相对孔径、宽光谱范围、结构紧凑、像质优良等优点。
在其中一个实施例中,所述第一正透镜1与所述第一负透镜2组成第一个胶合透镜,所述第二负透镜4和所述第三正透镜5组成第二个胶合透镜,通过不同材料的透镜胶合来校正系统色差,配合其他透镜材料的选择,以及对结构的变型和复杂化,对系统的全部七种像差进行了校正和平衡,系统最终像质优良。
在其中一个实施例中,短波红外像方远心镜头的光谱范围为1000nm~2500nm,故组成短波红外像方远心镜头的八片透镜的材料,均按照光学透过率在玻璃库中严格挑选,最终采用的六种材料在波长2400nm处10mm透过率达到0.86以上,整个光路的总光学材料透过率为:
0.8860.644×0.8920.15×0.8770.4×0.9080.192×0.8620.824×0.8860.672×0.8720.17×0.8920.374=0.646
其中,六种材料为材料HZK20、材料HLAF62、材料HBAK5、材料HZF6、材料HZBAF1、材料为HZF4都是比较常见的价格亲民的光学材料,从而避免了为了使得光路的总光学材料透过率大于等于0.646而使用特殊光学材料以增加镜头的材料成本,同时也解决了大多数光学材料在接近2400nm左右时透过率会很低的问题。
在其中一个实施例中,所述第五正透镜8的光线出射面的中心与像面的距离为8mm,以此留有了足够机械空间跟后续的分光系统进行匹配,并且本发明实施例设计为像方远心结构,使各个视场的主光线垂直入射到像面,这样也保证了各个视场的主光线可以垂直进入分光系统的狭缝,满足分光系统对望远系统的要求。短波红外像方远心镜头的系统总长51mm,短波红外像方远心镜头的外形尺寸为φ17.3×51mm,整个镜头结构紧凑。
请参看图2,为本发明的光学系统的点列图,可以看出各个视场角下弥散斑均小于15um,并且弥散斑接近圆形,表明系统像差较为均衡,成像质量优良。请参看图3,为本发明的光学系统的光学调制传递函数,可以看出系统在空间调制频率为50cycles/mm时,各个视场下系统的光学调制传递函数均高于0.2,满足光学仪器设计要求。
以下,示出短波红外像方远心镜头的镜头数据。
本发明的所述短波红外像方远心镜头,光谱范围为1000nm~2500nm,波段范围宽达1500nm,完全覆盖短波红外波段,像方远心设计,完美匹配后续分光系统,光学系统焦距为30mm,F数为2,大相对孔径集光能力强,保证像面照度;所述透镜的材料均考虑光学透过率因素,不使用特殊光学材料以控制成本,最终选用的所述六种材料在2400nm处10mm透过率达到0.86以上,整个光路的总光学材料透过率达到0.646;所述短波红外像方远心镜头,通过对初始结构的变型和复杂化,最后采用八片六组结构,对系统七种像差均进行了校正和平衡,最终像质优良。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种短波红外像方远心镜头,其特征在于:包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜、第三负透镜和第五正透镜;
所述第一正透镜的材料为HZK20,14mm<通光口径<15mm,6mm<厚度<7mm;
所述第一负透镜的材料为HLAF62,13mm<通光口径<14mm,1mm<厚度<2mm;
所述第二正透镜的材料为HBAK5,11mm<通光口径<12mm,4mm<厚度<5mm;
所述第二负透镜的材料为HZF6,10mm<通光口径<11mm,1mm<厚度<2mm;
所述第三正透镜的材料为HZBAF1,12mm<通光口径<13mm,8mm<厚度<9mm;
所述第四正透镜的材料为HZK20,17mm<通光口径<18mm,6mm<厚度<7mm;
所述第三负透镜的材料为HZF4,15mm<通光口径<16mm,1mm<厚度<2mm;
所述第五正透镜的材料为HLAF62,13mm<通光口径<14mm,3mm<厚度<4mm。
2.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:
所述第一正透镜的通光口径为14.9mm,厚度为6.44mm;
所述第一负透镜的通光口径为13.1mm,厚度为1.5mm;
所述第二正透镜的通光口径为11.1mm,厚度为4.01mm;
所述第二负透镜的通光口径为10.06mm,厚度为1.99mm;
所述第三正透镜的通光口径为12.9mm,厚度为8.25mm;
所述第四正透镜的通光口径为17.3mm,厚度为6.7mm;
所述第三负透镜的通光口径为15.1mm,厚度为1.7mm;
所述第五正透镜的通光口径为13.36mm,厚度为3.76mm。
3.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:所述第一正透镜与所述第一负透镜组成第一个胶合透镜,所述第二负透镜和所述第三正透镜组成第二个胶合透镜。
4.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:所述第五正透镜的光线出射面的中心与像面的距离为8mm。
5.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:短波红外像方远心镜头的外形尺寸为φ17.3×51mm。
6.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:短波红外像方远心镜头的光学系统焦距为30mm,F数为2。
7.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:短波红外像方远心镜头的光谱范围为1000nm~2500nm。
8.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:短波红外像方远心镜头的全视场为18.2°。
9.如权利要求1所述的短波红外像方远心镜头,其特征在于:短波红外像方远心镜头的总光学材料透过率大于等于0.646。
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