CN109975964A - 一种三波段复消色差紫外光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三波段复消色差紫外光学系统，从物方到像方依次由前透镜组G1、中继透镜组G2、光阑前镜组G3、光阑、光阑后镜组G4及后镜组G5组成。本发明三波段复消色差紫外光学系统，结构紧凑，适用于刑侦现场搜索、拍照等场景；实现了250nm‑400nm、450nm‑660nm和700‑900nm三波段消色差，成像更加清晰锐利；具有大光圈，在紫外、可见光、近红外均可使用，集远距离搜索目标和微距拍照取证于一体，成像质量优良；极大地压缩近摄距离至100mm，拍摄图像可获得更多的细节特征；进一步，使用石英和氟化钙球面玻璃，易于加工，在250nm‑900nm波段范围内透过率>90％。
Description
技术领域
本发明涉及一种三波段复消色差紫外光学系统，属于紫外光学系统领域。
背景技术
紫外成像技术在刑侦主要用于现场指纹、血液等生物体液痕迹的搜索和拍照。受限于大多数光学材料在紫外波段的高吸收，低透过率，用于制造紫外镜头的光学材料主要有石英、CaF2、BaF2、MgF2、LiF等少数几种材料，且折射率低(小于1.5)，难以做到大孔径校正球差和消除色差。
目前紫外镜头指纹拍摄方面主要用法为近摄拍照，近摄距离小于200mm，远摄5m-10m的距离用于搜索发现目标。为满足近摄远摄合一的用法，目前通常的光学结构做法有三种：1.常规做法为增加后截距达到近摄的目的，但后截距移动长；2.加近摄镜，使用时近摄镜需反复拆装，不方便使用；3.小范围机械补偿变焦结构，后焦点固定，但难以做到大孔径，F数通常＞3.8。
刑侦用紫外镜头需用紫外光源配接滤色片使用。现大多数外镜头所用的材料为单一的石英材料，不具备校正色差的功能，像质难以达到明锐的效果。
发明内容
本发明提供一种三波段复消色差紫外光学系统，结构紧凑，适用于刑侦现场搜索、拍照等场景；具有大光圈，在紫外、可见光、近红外均可使用，集远距离搜索目标和微距拍照取证于一体，成像质量优良。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种三波段复消色差紫外光学系统，从物方到像方依次由前透镜组G1、中继透镜组G2、光阑前镜组G3、光阑、光阑后镜组G4及后镜组G5组成；
前透镜组G1由第一透镜组成，第一透镜为具有正光焦度的双凸透镜；
从物方到像方中继透镜组G2为依次由第二透镜和第三透镜组成的具有正的光焦度、且凸面弯向像方的弯月形镜组，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度；
从物方到像方光阑前镜组G3为依次由第四透镜和第五透镜组成的具有负的光焦度、且凸面弯向物方的弯月形镜组，第四透镜具有正光焦度，第五透镜具有负光焦度；
从物方到像方光阑后镜组G4为依次由第六透镜和第七透镜组成的具有负的光焦度、且凸面弯向像方的弯月形镜组，第六透镜具有负光焦度，第七透镜具有正光焦度；
从物方到像方后镜组G5为依次由第八透镜和第九透镜组成的具有正光焦度的双凸镜组，第八透镜具有负光焦度，第九透镜具有正光焦度。
上述通过光学系统的设计，可消除滤色片带宽带来的色差，成像更加清晰锐利；且可同时满足近摄远摄，克服了现有近摄远摄方案中所存在的缺陷。
上述三波段紫外消色差光学系统利用正负透镜组合实现250nm-380nm,450nm-660nm,700nm-900nm三波段消色差，大孔径f#3.0，近摄远摄一体，是集多种使用功能于一体的三波段复消色差刑侦用紫外光学系统。
为了进一步提高成像效果，第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第四透镜为具有正光焦度的双凸透镜，第五透镜为具有负光焦度的双凹透镜；第六透镜为具有负光焦度的双凹透镜，第七透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第八透镜为具有负光焦度凹面弯向像方的弯月形透镜，第九透镜为具有正光焦度的双凸透镜。
为了进一步提高像质，优选，0.9f＜fG1＜1f；10f＜fG2＜11f；-1.8f＜fG3＜-1.7f；-2.6f＜fG4＜-2.5f；0.7f＜fG5＜0.8f；其中，f为系统的焦距，fG1为前透镜组G1的焦距，fG2为中继透镜组G2的焦距，fG3为光阑前镜组G3的焦距，fG4为光阑后镜组G4的焦距，fG5为后镜组G5的焦距。
为了进一步提高消色差效果，所有正光焦度透镜所用材料均为氟化钙，所有负光焦度透镜所用材料均为石英。利用氟化钙的高色散系数和石英材料的相对较低的色散系数(石英Nd＝1.45846368692,Vd＝67.82143343,氟化钙Nd＝1.43384927882，Vd＝94.9958544133)，及正负透镜组合实现250nm-380nm,450nm-660nm,700nm-900nm三波段消色差。正透镜(正光焦度)所用材料均为氟化钙，负透镜(负光焦度)所用材料均为石英。
为了进一步提高消色差效果，第一透镜的中心厚度为4.8±0.2mm，第二透镜的中心厚度为1±0.2mm，第三透镜的中心厚度为4.9±0.2mm，第四透镜的中心厚度为6±0.2mm，第五透镜的中心厚度为1.85±0.2mm，第六透镜的中心厚度为1±0.1mm，第七透镜的中心厚度为5.2±0.2mm，第八透镜的中心厚度为1±0.1mm，第九透镜的中心厚度为5.4±0.2mm，光阑的厚度为4.9±0.2mm。透镜的中心厚度为透镜的物侧面中心和像侧面中心之间的距离。
从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面，第七透镜的两面依次为第七物侧面和第七像侧面，第八透镜的两面依次为第八物侧面和第八像侧面，第九透镜的两面依次为第九物侧面和第九像侧面；光阑的两面依次为光阑物侧面和光阑像侧面；为了进一步提高像质，第一物侧面的曲率半径为32.26±2mm，第一像侧面的曲率半径为-119.95±2mm；第二物侧面的曲率半径为-24±2mm，第二像侧面的曲率半径为137.75±2mm；第三物侧面的曲率半径为82.77±2mm，第三像侧面的曲率半径为-24.98±2mm；第四物侧面的曲率半径为13.73±2mm，第四像侧面的曲率半径为-72.7±2mm；第五物侧面的曲率半径为-59.6±2mm，第五像侧面的曲率半径为9.39±2mm；第六物侧面的曲率半径为-9.28±2mm，第六像侧面的曲率半径为32.62±2mm；第七物侧面的曲率半径为33.41±2mm，第七像侧面的曲率半径为-12.36±2mm；第八物侧面的曲率半径为76.33±2mm，第八像侧面的曲率半径为20.77±2mm；第九物侧面的曲率半径为23.66±2mm，第九像侧面的曲率半径为-22.08±2mm。
为了进一步保证像质，第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离为7.25±0.2mm，第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离为0.15±0.02mm，第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离为0.8±0.02mm，第四像侧面中心到第五物侧面中心的距离为0.55±0.02mm，第五像侧面中心到光阑物侧面中心的距离为8.6±0.2mm，光阑像侧面中心到第六物侧面中心的距离为1±0.1mm，第六像侧面中心到第七物侧面中心的距离为5.2±0.2mm，第七像侧面中心到第八物侧面中心的距离为1±0.1mm，第八像侧面中心到第九物侧面中心的距离为5.4±0.2mm。
本申请三波段复消色差紫外光学系统的工作波段为250nm-900nm，焦距为60mm，最小近摄距离为100mm，F数为3，视场角为17°。F数为f/d，f为焦距,d为入射光瞳直径。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明三波段复消色差紫外光学系统，结构紧凑，适用于刑侦现场搜索、拍照等场景；实现了250nm-400nm、450nm-660nm和700-900nm三波段消色差，成像更加清晰锐利；具有大光圈，在紫外、可见光、近红外均可使用，集远距离搜索目标和微距拍照取证于一体，成像质量优良；极大地压缩近摄距离至100mm，拍摄图像可获得更多的细节特征；进一步，使用石英和氟化钙球面玻璃，易于加工，在250nm-900nm波段范围内透过率>90％。
附图说明
图1为三波段复消色差紫外光学系统示意图；
图2为本发明的光学系统在250nm-280nm波段的轴向像差图；
图3为本发明的光学系统在250nm-280nm波段的传递函数图；
图4为本发明的光学系统在450nm-660nm波段的轴向像差图；
图5为本发明的光学系统在450nm-660nm波段的传递函数图；
图6为本发明的光学系统在700nm-900nm波段的轴向像差图；
图7为本发明的光学系统在700nm-900nm波段的传递函数图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，三波段复消色差紫外光学系统，从物方到像方依次由前透镜组G1、中继透镜组G2、光阑前镜组G3、光阑6、光阑后镜组G4及后镜组G5组成。
其中，前透镜组G1由第一透镜1组成，第一透镜1是具有正光焦度的双凸透镜；
从物方到像方中继透镜组G2是依次由第二透镜2和第三透镜3组成的具有正的光焦度、且凸面弯向像方的弯月形镜组，第二透镜2为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜3为具有正光焦度的双凸透镜；
从物方到像方光阑前镜组G3是依次由第四透镜4和第五透镜5组成的具有负的光焦度、且凸面弯向物方的弯月形镜组，第四透镜4为具有正光焦度的双凸透镜，第五透镜5为具有负光焦度的双凹透镜；
从物方到像方光阑后镜组G4是依次由第六透镜7和第七透镜8组成的具有负的光焦度、且凸面弯向像方的弯月形镜组，第六透镜7为具有负光焦度的双凹透镜，第七透镜8为具有正光焦度的双凸透镜；
从物方到像方后镜组G5是依次由第八透镜9和第九透镜10组成的具有正光焦度的双凸镜组，第八透镜9为具有负光焦度凹面弯向像方的弯月形透镜，第九透镜10为具有正光焦度的双凸透镜。
表1本实施例中三波段复消色差紫外光学系统的技术指标
fG1为0.95f；fG2为10.5f；fG3为-1.75f；fG4为-2.55f；fG5为0.75f；其中，f为系统的焦距，fG1为前透镜组G1的焦距，fG2为中继透镜组G2的焦距，fG3为光阑前镜组G3的焦距，fG4为光阑后镜组G4的焦距，fG5为后镜组G5的焦距。
表2本实施例中三波段复消色差紫外光学系统的具体光学参数
表2中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。第一透镜的两面依次为第一物侧面S1和第一像侧面S2，第二透镜的两面依次为第二物侧面S3和第二像侧面S4，第三透镜的两面依次为第三物侧面S5和第三像侧面S6，第四透镜的两面依次为第四物侧面S7和第四像侧面S8，第五透镜的两面依次为第五物侧面S9和第五像侧面S10，第六透镜的两面依次为第六物侧面S12和第六像侧面S13，第七透镜的两面依次为第七物侧面S14和第七像侧面S15，第八透镜的两面依次为第八物侧面S16和第八像侧面S17，第九透镜的两面依次为第九物侧面S18和第九像侧面S19；光阑S11的两面依次为光阑物侧面和光阑像侧面；S1对应的厚度为第一透镜的中心厚度，S3对应的厚度为第二透镜的中心厚度，S5对应的厚度为第三透镜的中心厚度，S7对应的厚度为第四透镜的中心厚度，S9对应的厚度为第五透镜的中心厚度，S11对应的厚度为光阑的中心厚度，S13对应的厚度为第六透镜的中心厚度，S15对应的厚度为第七透镜的中心厚度，S17对应的厚度为第八透镜的中心厚度，S19对应的厚度为第九透镜的中心厚度；S2对应的厚度为第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离；S4对应的厚度为第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离；S6对应的厚度为第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离；S8对应的厚度为第四像侧面中心到第五物侧面中心的距离；S10对应的厚度为第五像侧面中心到光阑物侧面中心的距离；S12对应的厚度为光阑像侧面中心到第六物侧面中心的距离；S14对应的厚度为第六像侧面中心到第七物侧面中心的距离；S16对应的厚度为第七像侧面中心到第八物侧面中心的距离；S18对应的厚度为第八像侧面中心到第九物侧面中心的距离。
上述三波段紫外消色差光学系统利用正负透镜组合实现250nm-380nm、450nm-660nm和700nm-900nm三波段消色差；无非球面等复杂面型，易于加工；在250nm-900nm波段范围内透过率>90％；极大地压缩近摄距离至100mm，拍摄图像可获得更多的细节特征，具有大光圈，在紫外、可见光、近红外均可使用，集远距离搜索目标和微距拍照取证于一体，成像质量优良，适用于刑侦现场搜索、拍照等场景。
Claims (10)
1.一种三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：从物方到像方依次由前透镜组G1、中继透镜组G2、光阑前镜组G3、光阑、光阑后镜组G4及后镜组G5组成；
前透镜组G1由第一透镜组成，第一透镜为具有正光焦度的双凸透镜；
从物方到像方中继透镜组G2为依次由第二透镜和第三透镜组成的具有正的光焦度、且凸面弯向像方的弯月形镜组，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度；
从物方到像方光阑前镜组G3为依次由第四透镜和第五透镜组成的具有负的光焦度、且凸面弯向物方的弯月形镜组，第四透镜具有正光焦度，第五透镜具有负光焦度；
从物方到像方光阑后镜组G4为依次由第六透镜和第七透镜组成的具有负的光焦度、且凸面弯向像方的弯月形镜组，第六透镜具有负光焦度，第七透镜具有正光焦度；
从物方到像方后镜组G5为依次由第八透镜和第九透镜组成的具有正光焦度的双凸镜组，第八透镜具有负光焦度，第九透镜具有正光焦度。
2.如权利要求1所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜。
3.如权利要求2所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：第四透镜为具有正光焦度的双凸透镜，第五透镜为具有负光焦度的双凹透镜。
4.如权利要求3所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：第六透镜为具有负光焦度的双凹透镜，第七透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第八透镜为具有负光焦度凹面弯向像方的弯月形透镜，第九透镜为具有正光焦度的双凸透镜。
5.如权利要求1-4任意一项所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：0.9f＜fG1＜1f；10f＜fG2＜11f；-1.8f＜fG3＜-1.7f；-2.6f＜fG4＜-2.5f；0.7f＜fG5＜0.8f；其中，f为系统的焦距，fG1为前透镜组G1的焦距，fG2为中继透镜组G2的焦距，fG3为光阑前镜组G3的焦距，fG4为光阑后镜组G4的焦距，fG5为后镜组G5的焦距。
6.如权利要求1-4任意一项所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：所有正光焦度透镜所用材料均为氟化钙，所有负光焦度透镜所用材料均为石英。
7.如权利要求1-4任意一项所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：第一透镜的中心厚度为4.8±0.2mm，第二透镜的中心厚度为1±0.2mm，第三透镜的中心厚度为4.9±0.2mm，第四透镜的中心厚度为6±0.2mm，第五透镜的中心厚度为1.85±0.2mm，第六透镜的中心厚度为1±0.1mm，第七透镜的中心厚度为5.2±0.2mm，第八透镜的中心厚度为1±0.1mm，第九透镜的中心厚度为5.4±0.2mm。
8.如权利要求1-4任意一项所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面，第七透镜的两面依次为第七物侧面和第七像侧面，第八透镜的两面依次为第八物侧面和第八像侧面，第九透镜的两面依次为第九物侧面和第九像侧面；光阑的两面依次为光阑物侧面和光阑像侧面；第一物侧面的曲率半径为32.26±2mm，第一像侧面的曲率半径为-119.95±2mm；第二物侧面的曲率半径为-24±2mm，第二像侧面的曲率半径为137.75±2mm；第三物侧面的曲率半径为82.77±2mm，第三像侧面的曲率半径为-24.98±2mm；第四物侧面的曲率半径为13.73±2mm，第四像侧面的曲率半径为-72.7±2mm；第五物侧面的曲率半径为-59.6±2mm，第五像侧面的曲率半径为9.39±2mm；第六物侧面的曲率半径为-9.28±2mm，第六像侧面的曲率半径为32.62±2mm；第七物侧面的曲率半径为33.41±2mm，第七像侧面的曲率半径为-12.36±2mm；第八物侧面的曲率半径为76.33±2mm，第八像侧面的曲率半径为20.77±2mm；第九物侧面的曲率半径为23.66±2mm，第九像侧面的曲率半径为-22.08±2mm。
9.如权利要求8所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离为7.25±0.2mm，第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离为0.15±0.02mm，第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离为0.8±0.02mm，第四像侧面中心到第五物侧面中心的距离为0.55±0.02mm，第五像侧面中心到光阑物侧面中心的距离为8.6±0.2mm，光阑像侧面中心到第六物侧面中心的距离为1±0.1mm，第六像侧面中心到第七物侧面中心的距离为5.2±0.2mm，第七像侧面中心到第八物侧面中心的距离为1±0.1mm，第八像侧面中心到第九物侧面中心的距离为5.4±0.2mm。
10.如权利要求1-4任意一项所述的三波段复消色差紫外光学系统，其特征在于：其工作波段为250nm-900nm，焦距为60mm，最小近摄距离为100mm，F数为3，视场角为17°；在250nm-380nm、450nm-660nm和700nm-900nm三波段消色差。
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