CN110007456A - 一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头，包括前组物镜和转像系统，所述转像系统设置有两组，分别为第一转像系统和第二转像系统；所述前组物镜为倒置的目镜结构，前组物镜的焦距大于所述的光学镜头的焦距；所述转像系统为长共轭距透镜成像系统，具体为双远心4f系统，转像系统倍率的绝对值小于一；本发明提供的前组物镜结合三片物镜后端的4f双远心转像系统,成像质量良好，采用普通玻璃的材质，可实现红外820nm，940nm的小孔径、大视场光学设计，满足具体的生产需要。

Description

一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头设计技术领域，具体为一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头。
背景技术
现代工业领域中广泛地用到高温窑炉，如：火力发电电站锅炉、反应炉、砖瓦窑、水泥窑、玻璃熔炼炉、炼钢炉、炼焦炉、垃圾焚烧炉等。因此高温设备的内部温度和燃烧状况监测对于设备操作人员的安全和企业效益来说有着重大的意义。基于此原因，以光学成像为主要原理的高分辨率近红外工业内窥镜头检测系统被相继提出并投入应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头，包括前组物镜和转像系统，所述转像系统设置有两组，分别为第一转像系统和第二转像系统；所述前组物镜为倒置的目镜结构，前组物镜的焦距大于所述的光学镜头的焦距；所述转像系统为长共轭距透镜成像系统，具体为双远心4f系统，转像系统倍率的绝对值小于1。
作为本发明一种优选的技术方案，本发明还提供了一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，包括以下步骤：
S1、前组物镜中透镜的初始参数的设计；
S2、前组物镜中三片式分离物镜初始结构的设计；
S3、转像系统中双远心4f系统的设计；
S4、镜头结构初始化优化设计。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S1中，透镜的初始参数的设计通过PW法来计算求得；PW法计算结果的具体公式为：
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S2中，三片式分离物镜光焦度的计算公式为：
其中，νi为相应透镜玻璃材料的阿贝数，其中n11、n12、n21、n22、n31、n32分别为透镜玻璃材料的短波长折射率和长波长折射率，获得的三组的解分别记为
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S2中，三片式分离物镜系统形状系数的计算公式为：
其中，ai、bi、ci、ki、li为特定玻璃对应的系数，增加限定条件进行求解；获得的三组的解分别记为Q10、Q20、Q30。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S2中，三片式分离物镜结构参数的计算公式为：
其中透镜的焦距为f，曲率半径为ρ；i＝1,2对应j＝1；i＝3,4对应j＝2；i＝5,6对应j＝3；ri为结构参数。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S2中，三片式分离物镜中厚透镜的参数为中心厚度为5mm，边缘厚度为2mm。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S3中，所述转像系统中双远心4f系统将前组物镜所成之像，投射到位于镜头远后方的CCD上,CCD的尺寸为1/3英寸，转像透镜组采用双胶合镜，材料为K9和ZF2，前三片结构相同，全视场为2ω＝6°，总倍率为1/1.852x。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤S4中，将步骤S2中的参数输入Zemax中进行模型构建,采用对MTF和像差的相关操作数构建评价函数,接着进行局部优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要从光学设计的初始结构求解出发，提出了一种三片分离式物镜的初始结构PWC求解方法，紧接着给出了一些限定条件，解出满足条件的初始结构；再基于Zemax进行光路的建模与仿真优化设计；在实际的设计过中，三分离透镜组的变量较多，故由赛的和数对像差的解析表达可知，通过多变量的协调关系可校正多种像差；其次我们要求的工作波段主要是λ1＝820nm；λ2＝940nm，从仿真接过看设计基本符合要求我们的给出的设计例子验证了这种PWC初始结构计算方法的可行性；结合三片物镜后端的4f双远心转像系统,成像质量良好；所以，本发明采用普通玻璃设计的镜头，可实现红外820nm，940nm的小孔径、大视场光学设计。
具体实施方式
下面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。
具体的，本发明提供一种技术方案：一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头，包括前组物镜和转像系统，所述转像系统设置有两组，分别为第一转像系统和第二转像系统；所述前组物镜为倒置的目镜结构，前组物镜的焦距大于所述的光学镜头的焦距；所述转像系统为长共轭距透镜成像系统，具体为双远心4f系统，转像系统倍率的绝对值小于1。
进一步的，本发明还提供了一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，包括以下步骤：
S1、前组物镜中透镜的初始参数的设计；
S2、前组物镜中三片式分离物镜初始结构的设计；
S3、转像系统中双远心4f系统的设计；
S4、镜头结构初始化优化设计。
进一步的，所述步骤S1中，透镜的初始参数的设计通过PW法来计算求得；PW法计算结果的具体公式为：
进一步的，所述步骤S2中，三片式分离物镜光焦度的计算公式为：
其中，νi为相应透镜玻璃材料的阿贝数，其中n11、n12、n21、n22、n31、n32分别为透镜玻璃材料的短波长折射率和长波长折射率，获得的三组的解分别记为
进一步的，所述步骤S2中，三片式分离物镜系统形状系数的计算公式为：
其中，ai、bi、ci、ki、li为特定玻璃对应的系数，增加限定条件进行求解；获得的三组的解分别记为Q10、Q20、Q30。
进一步的，所述步骤S2中，三片式分离物镜结构参数的计算公式为：
其中透镜的焦距为f，曲率半径为ρ；i＝1,2对应j＝1；i＝3,4对应j＝2；i＝5,6对应j＝3；ri为结构参数。
进一步的，所述步骤S2中，三片式分离物镜中厚透镜的参数为中心厚度为5mm，边缘厚度为2mm。
进一步的，所述步骤S3中，所述转像系统中双远心4f系统将前组物镜所成之像，投射到位于镜头远后方的CCD上,CCD的尺寸为1/3英寸，转像透镜组采用双胶合镜，材料为K9和ZF2，前三片结构相同，全视场为2ω＝6°，总倍率为1/1.852x。
进一步的，所述步骤S4中，将步骤S2中的参数输入Zemax中进行模型构建,采用对MTF和像差的相关操作数构建评价函数,接着进行局部优化。
在具体的设计过程中，三片式分离物镜采用三块K9玻璃透镜结合，在设计前我们要考虑到物镜视场较大，首先，我们要将大视场的光线尽量调节到与光轴夹角尽量小，需要引入弯月透镜；其次，要对光线进行汇聚。因此我们选用前两片为弯月透镜(可限定为相似)，第三片为凸透镜的组合结构，即r1,r2,r3,r4,r5＜0；r6＞0，单薄透镜光焦度与半径关系式为：根据公式计算可得第一和第二透镜面型限定为相似，故令Q2＝1.2Q1，获得结构参数ri结果如下表所示；
；将表中的初始参数带入Zemax进行模型构建之后,采用对MTF和像差的相关操作数构建评价函数,接着进行局部优化,镜头结构优化后参数如下：
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头，其特征在于：包括前组物镜和转像系统，所述转像系统设置有两组，分别为第一转像系统和第二转像系统；所述前组物镜为倒置的目镜结构，前组物镜的焦距大于所述的光学镜头的焦距；所述转像系统为长共轭距透镜成像系统，具体为双远心4f系统，转像系统倍率的绝对值小于1。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、前组物镜中透镜的初始参数的设计；
S2、前组物镜中三片式分离物镜初始结构的设计；
S3、转像系统中双远心4f系统的设计；
S4、镜头结构初始化优化设计。
3.根据权利要求2所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，透镜的初始参数的设计通过PW法来计算求得；PW法计算结果的具体公式为：
4.根据权利要求2所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，三片式分离物镜光焦度的计算公式为：
其中，νi为相应透镜玻璃材料的阿贝数，其中n11、n12、n21、n22、n31、n32分别为透镜玻璃材料的短波长折射率和长波长折射率，获得的三组的解分别记为
5.根据权利要求4所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，三片式分离物镜系统形状系数的计算公式为：
其中，ai、bi、ci、ki、li为特定玻璃对应的系数，增加限定条件进行求解；获得的三组的解分别记为Q10、Q20、Q30。
6.根据权利要求5所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，三片式分离物镜结构参数的计算公式为：
其中透镜的焦距为f，曲率半径为ρ；i＝1,2对应j＝1；i＝3,4对应j＝2；i＝5,6对应j＝3；ri为结构参数。
7.根据权利要求2所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，三片式分离物镜中厚透镜的参数为中心厚度为5mm，边缘厚度为2mm。
8.根据权利要求2所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述转像系统中双远心4f系统将前组物镜所成之像，投射到位于镜头远后方的CCD上,CCD的尺寸为1/3英寸，转像透镜组采用双胶合镜，材料为K9和ZF2，前三片结构相同，全视场为2ω＝6°，总倍率为1/1.852x。
9.根据权利要求2所述的一种高分辨率近红外双波段工业内窥高温光学镜头的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，将步骤S2中的参数输入Zemax中进行模型构建,采用对MTF和像差的相关操作数构建评价函数,接着进行局部优化。
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