CN109633872A - 小视场紫外物镜光学系统、紫外物镜、紫外探测器 - Google Patents

小视场紫外物镜光学系统、紫外物镜、紫外探测器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种小视场紫外物镜光学系统、紫外物镜、紫外探测器，该光学系统包括：沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群和具有正光焦度的第二镜片群，沿光轴从物侧到像侧第一镜片群依次包括：第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、光栏、第三正透镜和第二负透镜；沿光轴从物侧到像侧第二镜片群依次包括：第四正透镜和第三负透镜。该光学系统能实现紫外波段下，小视场角大孔径高分辨率共轭成像。本申请的另一方面还公开了包括该光学系统的紫外物镜和紫外探测器。

Description

小视场紫外物镜光学系统、紫外物镜、紫外探测器
技术领域
本申请涉及一种小视场紫外物镜光学系统、紫外物镜、紫外探测器、紫外物镜，属于紫外成像领域。
背景技术
在刑侦、火灾预警、电路寻查、荧光探测、流场诊断等领域，常需使用190～350nm紫外波段的紫外光进行成像。
现有光学材料中能透过波长为200nm～400nm的紫外光的透光光学材料稀少且昂贵；紫外光学系统在光学设计上很难平衡各光学器件联合使用造成的各类像差；上述因素限制了紫外物镜的发展。
折射型紫外物镜在消除色差的条件下，一般只能实现较小的相对孔径，像面照度难以满足探测器的工作要求。
紫外物镜的像空间工作数F/D(F代表光学系统的直径，D代表光学系统的入瞳直径)代表物镜收集能量的强弱，紫外物镜的像空间工作数F/D直接影响了紫外探测系统的探测能力和准确度。现有折射型紫外长焦光学系统，加工大孔径光学系统难度较大，相对孔径F值一般都在4.0以下。
而要想实现大孔径长焦距物镜成像，会导致光学系统整体体积过大，造成对焦困难。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种小视场紫外物镜光学系统，该光学系统能实现紫外波段下，小视场角大孔径高分辨率共轭成像。
所述小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群和具有正光焦度的第二镜片群，
沿光轴从物侧到像侧所述第一镜片群依次包括：第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、光栏、第三正透镜和第二负透镜。
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：第四正透镜和第三负透镜。
可选地，调焦过程中，所述第二镜片群在所述第一镜片群和像面之间移动。该物镜采用内调焦结构，实现不同对物距的共轭成像。
可选地，所述第一镜片群的焦距f1，所述第二镜片群的焦距为f2，满足：0.12≤|f2/f1|≤0.45。
可选地，所述第一镜片群中各透镜光学材料选自融石英和/或氟化物；所述第二镜片群中各透镜光学材料选自融石英和/或氟化物。
采用上述材料，所述第一镜片群和所述第二镜片群能实现200～380纳米紫外波段光学成像。
可选地，所述第一镜片群中各透镜为球面透镜；所述第二镜片群中各透镜为球面透镜。
可选地，相对孔径值为F1.8～4.0。
可选地，所述第一正透镜与所述第一负透镜的间隔为0.1～0.2f；所述第一负透镜与所述第二正透镜的间隔为0.0005～0.0006f；所述第二正透镜与所述光栏的间隔为0.5～0.6f；所述第三正透镜和所述第二负透镜的间隔为0.0005～0.0006f；
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：所述第四正透镜和所述第三负透镜的间隔为0.01f，其中f为所述小视场紫外物镜光学系统的焦距。例如f＝200。
可选地，所述第一正透镜与所述第一负透镜的间隔为0.225f；所述第一负透镜与所述第二正透镜的间隔为0.0005f；所述第二正透镜与所述光栏的间隔为0.5f；所述第三正透镜和所述第二负透镜的间隔为0.0005f；
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：所述第四正透镜和所述第三负透镜的间隔为0.01f，其中f为所述小视场紫外物镜光学系统的焦距。
此时该光学系统尤其适宜于远距离直至无穷远成像。
可选地，所述第一正透镜与所述第一负透镜的间隔为36.73mm；所述第一负透镜与所述第二正透镜的间隔为0.1mm；所述第二正透镜与所述光栏的间隔为123mm；所述第三正透镜和所述第二负透镜的间隔为0.17mm；
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：所述第四正透镜和所述第三负透镜的间隔为2mm。
此时该光学系统尤其适宜于近距离2m以内成像。
根据本申请的又一个方面，提供了一种紫外物镜，包括如上述小视场紫外物镜光学系统。通过将光学系统封装于壳体内，可以组装得到该紫外物镜。
根据本申请的又一个方面，提供了一种紫外探测器，包括如上述的小视场紫外物镜。通过将光学系统封装于壳体内，可以组装得到该紫外物镜。
本领域技术人员根据需要还可以将该紫外物镜运用于小视场紫外探测器中。该物镜可通过将上述光学系统，封装于壳体内，并在壳体物侧设置球罩，像侧设置具有光学传感器的成像面得到。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的小视场紫外物镜光学系统，采用两种常见的紫外光学材料，优化设计了得到7片7组光学结构的大孔径长焦系统，实现了相对孔径F值达到2.0，中心分辨率达到100线对以上。该镜头的相对孔径F值达到2.0，可有效提高紫外成像的图像亮度，提高弱信号紫外光图像的探测灵敏度和成像质量。
2)本申请所提供的小视场紫外物镜光学系统，采用内调焦方式进行调焦，可有效解决大孔径长焦镜头调焦困难的难题。该内调焦方式能部分补偿物距变化过程中由于物方孔径角变化带来的光学系统球差、慧差、像散以及场曲的变化，保持整个调焦过程的高分辨率像质，相对于整组调焦结构而言，其像质一致性更优秀；
3)本申请所提供的小视场紫外物镜光学系统，现有大孔径小视场光学系统，普遍存在镜头口径大带来的系统重量过重问题，进而给调焦机构带来如调焦惯性大，重心配平难等一系列问题，而本申请通过采用内调焦方式在机械结构上可有效降低调焦机构重量和体积，为调焦机构的预留更充裕的空间余量；
4)本申请所提供的小视场紫外物镜光学系统，所用透镜均为球面透镜，有利于保证紫外波段光学材料加工工艺性和装配便捷性；
附图说明
图1为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统结构示意图；
图2为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距分别为无穷远、10米、5米下的光学结构示意图；其中(a)中物距为无穷远；(b)中物距为10米；(c)中物距为5米；
图3为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为无穷远时的光学传递函数(MTF)图；
图4为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为10m时的光学传递函数(MTF)图；
图5为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为5m时的光学传递函数(MTF)图；
图6为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为无穷远时的色差、场曲、畸变曲线图，其中(a)为色差曲线图；(b)为场曲曲线图；(c)为畸变曲线图；
图7为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为10m时的色差、场曲、畸变曲线图，其中(a)为色差曲线图；(b)为场曲曲线图；(c)为畸变曲线图；
图8为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为5m时的色差、场曲、畸变曲线图，其中(a)为色差曲线图；(b)为场曲曲线图；(c)为畸变曲线图；
图9为本申请又一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距分别为2m、1.5米、1米下的光学结构示意图；其中(a)中物距为2m；(b)中物距为1.5m；(c)中物距为1米；
图10为本申请又一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为2m时的光学传递函数(MTF)图；
图11为本申请又一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为1.5m时的光学传递函数(MTF)图；
图12为本申请又一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为1m时的光学传递函数(MTF)图；
图13为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为2m时的色差、场曲、畸变曲线图，其中(a)为色差曲线图；(b)为场曲曲线图；(c)为畸变曲线图；
图14为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为1.5m时的色差、场曲、畸变曲线图，其中(a)为色差曲线图；(b)为场曲曲线图；(c)为畸变曲线图；
图15为本申请一种实施方式中小视场紫外物镜光学系统在物距为1m时的色差、场曲、畸变曲线图，其中(a)为色差曲线图；(b)为场曲曲线图；(c)为畸变曲线图；
部件和附图标记列表：
部件名称 附图标记
第一正透镜 L1
第一负透镜 L2
第二正透镜 L3
光栏 A1
第三正透镜 L4
第二负透镜 L5
第四正透镜 L6
第三负透镜 L7
第一镜片群 U1
第二镜片群 U2
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
实施例1小视场紫外物镜光学系统
参见图1，本申请提供的小视场紫外物镜光学系统，包括：具有正光焦度的第一镜片群U1和正光焦度的第二镜片群U2组成，所述第一镜片群U1、第二镜片群U2沿光轴从物侧向像侧依序排列，所述第一镜片群的焦距f1，所述第二镜片群的焦距为f2，满足：0.12≤|f2/f1|≤0.45。
所述第一镜片群包括沿光轴从物侧向像侧依次排列的第一正透镜L1、第一负透镜L2、第二正透镜L3、光栏A1、第三正透镜L4和第二负透镜L5。第一镜片群的总光焦度为正。所述调焦组U2由正透镜L6和负透镜L7组成，其总光焦度为正。
第二镜片群包括沿光轴从物侧到像侧依次排列的第四正透镜L6和第三负透镜L7。第二镜片群的总光焦度为正。
第一、第二镜片群中各透镜为由融石英和氟化钙材料制成的球面透镜，第一、第二镜片群能实现200～380纳米紫外波段光学成像。
进行调焦时，第一镜片群U1整体与成像面相对位置固定，第二镜片群U2在第一镜片群U1和像面之间移动，实现不同对物距的共轭成像。
本申请为内调焦结构大孔径小视场紫外物镜光学系统，其实施方式针对不同物距类型可优化设计出不同的光学结构，以下为两种不同物距应用场合的实施方案：
实施例2用于无穷远物距成像的小视场紫外物镜光学系统
该实施例中小视场紫外物镜光学系统用于物距范围为5米到无穷远的紫外波段成像。
与实施例1的区别在于光学系统的归一化参数，本实施例中光学系统归一化参数如表1：
表1
所得结果如图2～8所示，
由图2可见，图2(a)中物距为无穷远；图2(b)中物距为10米；
图2(c)中物距为5米，调焦组随着物距拉近而前移；
由图3可见，本申请在无穷远物距，图像的光学传递函数(MTF)曲线反映在80线对/毫米空间频率下，各视场传函值达到或接近0.3；
由图4可见，本申请在10米物距，图像的光学传递函数(MTF)曲线反映在80线对/毫米空间频率下，各视场传函值超过0.3；
由图5可见，本申请在5米物距，图像的光学传递函数(MTF)曲线反映在80线对/毫米空间频率下，各视场传函值达到或接近0.3；
由图6可见，本申请在无穷远物距，图6(a)色差小于0.08mm，图6(b)场曲在±0.08mm以内，图6(c)全视场图像畸变在0.02％以内；
由图7可见，本申请在10米物距，图7(a)色差小于0.08mm，图7(b)场曲在±0.08mm以内，图7(c)全视场图像畸变在0.02％以内；
由图8可见，本申请在5米物距，图8(a)色差小于0.08mm，图8(b)场曲在±0.08mm以内，图8(c)全视场图像畸变在0.02％以内；
上述设计结果采用美国ORA公司的Code V光学设计软件模拟计算所得。
实施例3用于有限远物距成像的小视场紫外物镜光学系统
此实施例中光学系统主要用于物距范围在1～2米时成像。
与实施例1的区别在于光学系统的归一化参数，本实施例中光学系统归一化参数如表2：
表2
表面 类型 曲率半径 厚度 光学材料 口径 标注
物面 无限 2000
1 球面 181.531 25 CAF2 100 L1
2 球面 -181.531 36.73 100
3 球面 -108.383 12 SILICA 80 L2
4 球面 69.02 0.1 80
5 球面 69.02 20 CAF2 80 L3
6 球面 -331 123 80
光阑 无限 0.62 55.5 A1
8 球面 75 12.18 CAF2 54 L4
9 球面 -173.255 0.17 54
10 球面 无限 8 SILICA 54 L5
11 球面 51.4 6.39 46
12 参考面 无限 18.237
13 球面 62.616 12.3 CAF2 46 L6
14 球面 -87.74 2 46
15 球面 -72.379 25 SILICA 46 L7
16 球面 -288.541 42.463 46
17 参考面 无限 25.107
像面 无限 12.65
所得结果如图9～15所示，
由图9可见，图9(a)中物距为2米；图9(b)中物距为1.5米；图9(c)中物距为1米，调焦组随着物距拉近而前移；
由图10可见，本申请在2米物距，图像的光学传递函数(MTF)曲线反映在80线对/毫米空间频率下，各视场传函值达到或接近0.3；
由图11可见，本申请在1.5米物距，图像的光学传递函数(MTF)曲线反映在80线对/毫米空间频率下，各视场传函值达到0.3；
由图12可见，本申请在1米物距，图像的光学传递函数(MTF)曲线反映在50线对/毫米空间频率下，各视场传函值达到或接近0.3；
由图13可见，本申请在2米物距，(a)色差小于0.1mm，(b)场曲在±0.08mm以内，(c)全视场图像畸变在0.02％以内；
由图14可见，本申请在1.5米物距，(a)色差小于0.08mm，(b)场曲在±0.08mm以内，(c)全视场图像畸变在0.02％以内；
由图15可见，本申请在1米物距，(a)色差小于0.2mm，(b)场曲在±0.08mm以内，(c)全视场图像畸变在0.02％以内；
上述设计结果采用美国ORA公司的Code V光学设计软件模拟计算所得。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一镜片群和具有正光焦度的第二镜片群，
沿光轴从物侧到像侧所述第一镜片群依次包括：第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、光栏、第三正透镜和第二负透镜；
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：第四正透镜和第三负透镜。
2.根据权利要求1所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，调焦过程中，所述第二镜片群在所述第一镜片群和像面之间移动。
3.根据权利要求1所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，所述第一镜片群的焦距f1，所述第二镜片群的焦距为f2，满足：0.12≤|f2/f1|≤0.45。
4.根据权利要求1所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，所述第一镜片群中各透镜光学材料选自融石英和/或氟化物；
所述第二镜片群中各透镜光学材料选自融石英和/或氟化物。
5.根据权利要求1所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，所述第一镜片群中各透镜为球面透镜；
所述第二镜片群中各透镜为球面透镜。
6.根据权利要求1所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，所述小视场紫外物镜光学系统的相对孔径值为F1.8～4.0。
7.根据权利要求1所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，所述第一正透镜与所述第一负透镜的间隔为0.1～0.2f；
所述第一负透镜与所述第二正透镜的间隔为0.0005～0.0006f；
所述第二正透镜与所述光栏的间隔为0.5～0.6f；
所述第三正透镜和所述第二负透镜的间隔为0.0005～0.0006f；
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：所述第四正透镜和所述第三负透镜的间隔为0.01f，其中f为所述小视场紫外物镜光学系统的焦距。
8.根据权利要求7所述的小视场紫外物镜光学系统，其特征在于，所述第一正透镜与所述第一负透镜的间隔为0.225f；
所述第一负透镜与所述第二正透镜的间隔为0.0005f；
所述第二正透镜与所述光栏的间隔为0.5f；
所述第三正透镜和所述第二负透镜的间隔为0.0005f；
沿光轴从物侧到像侧所述第二镜片群依次包括：所述第四正透镜和所述第三负透镜的间隔为0.01f，其中f为所述小视场紫外物镜光学系统的焦距。
9.一种紫外物镜，其特征在于，包括如权利要求1～8中任一项所述的小视场紫外物镜光学系统。
10.一种紫外探测器，其特征在于，包括如权利要求9所述的小视场紫外物镜。
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