CN111258033B - 一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学成像领域，提供了一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头。该镜头包括在同一条光轴上依次设置的物平面、第一凸弯月透镜片、第一凹弯月透镜片、系统光阑、第二凸弯月透镜片和像平面；所述的第一凸弯月透镜片、第一凹弯月透镜片及第二凸弯月透镜片的前后表面均为球面，所述的像平面采用光纤束端面。本发明在仅用最常用的红外材料以及最常用的球面透镜基础上，使光学系统既能解决光谱波段宽，色差校正困难的问题，又能满足对于光纤束的匹配，还能达到极高的成像质量，另外镜头整体还兼具了尺寸小、物像比大等优点。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头。
背景技术
在现代工业及医疗应用中，针对近距离小空间的设备越来越受到重视，内窥系统对于人或者一般机器设备无法进入的狭小空间更是显示出其独特的作用，尤其在医疗界，内窥镜下手术正逐渐取代一般外科手术。但由于现在广泛使用的内窥系统多是用可见光作为探测成像的光源，而可见光只能获取物体表面的信息，无法深入物体内部，在医疗上无法分辨微小的病灶或者与正常组织表面无明显差别的组织，在工业上无法识破目标表面遮挡，因此，使用红外光替代可见光将具有重要意义。对于红外内窥系统，其光学系统的设计是首当其冲的。但是红外光学系统，尤其是宽波段的中远红外光学系统在设计上十分困难，一方面要求工作的波段宽，但是这个波段可用的光学材料非常少，再加上国内在红外材料、加工能力、镀膜技术等多方面的局限性，本身能够覆盖4.8～9.5μm这一频段的镜头就尚属空白，尤其是在不使用特殊材料与特殊元件的基础上，使得光学系统像差(尤其是色差)矫正会非常的困难；另一方面由于内窥系统工作环境是狭小黑暗的环境，要求镜头尺寸小、片数少，同时工作距离达到微距，此外还得兼顾与光纤束参数的严格匹配，无疑也会极大的加大设计难度。总而言之，想要通过少数的镜片实现用于光纤束的宽波段红外内窥微距镜头非常困难。
现今有大量内窥镜头的研究，但基本局限于可见光波段，少数涉及到近红外波段，如2019年04月02日公开的(公开号CN109557658A)中国专利，几乎没有中远红外波段相关内容，其镜头的工作波段仅为可见光波段。现今内窥镜头的研究基本局限于以相机传感器作为镜头的像面，如2019年01月04日公开的(公开号CN109143538A)中国专利，极少出现采用光纤束端面作为镜头像面的方案，尤其是中远红外光纤束端面作为镜头像面的方案。
发明内容
针对现有内窥式微距光学系统工作波段不能覆盖4.8～9.5μm频段，色差校正困难的问题，本发明提供一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，使用光纤束端面作为镜头像面，仅使用最常用的红外材料和最普通的光学元件面型的基础上，覆盖4.8～9.5μm频段，兼顾与光纤束匹配的问题，又能达到极高的成像质量，另外还兼具了尺寸小，物像比大等优点。
为了解决上述技术问题，本发明有如下的技术方案：
一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，包括在同一条光轴上依次设置的物平面、第一凸弯月透镜片、第一凹弯月透镜片、系统光阑、第二凸弯月透镜片和像平面；所述的第一凸弯月透镜片、第一凹弯月透镜片及第二凸弯月透镜片的前后表面均为球面，所述的像平面采用光纤束端面；
第一凸弯月透镜片的前表面S1的曲率半径为2.714mm，有效通光直径为1.814mm，与第一凸弯月透镜片的后表面S2的距离为0.800mm；
第一凸弯月透镜片的后表面S2的曲率半径为1.007mm，有效通光直径为1.634mm，与第一凹弯月透镜片的前表面S3的距离为2.242mm；
第一凹弯月透镜片的前表面S3的曲率半径为-8.483mm，有效通光直径为1.058mm，与第一凹弯月透镜片的后表面S4的距离为2.073mm；
第一凹弯月透镜片的后表面S4的曲率半径为-4.100mm，有效通光直径为1.030mm，与系统光阑的距离为0.951mm；
系统光阑的曲率半径为无限，曲率为0，有效通光直径为0.914mm，与第二凸弯月透镜片的前表面S5的为1.895mm；
第二凸弯月透镜片的前表面S5的曲率半径为3.361mm，有效通光直径为1.432mm，与第二凸弯月透镜片的后表面S6的距离为1.554mm；
第二凸弯月透镜片的后表面S6的曲率半径为7.671mm，有效通光直径为1.040mm，与像平面的距离为1.000mm；
物平面直径4.2mm，像平面直径0.4mm。
所述的第一凸弯月镜片的材料为ZNSE，第一凸弯月镜片的后表面S2至第一凹弯月镜片的前表面S3之间为AIR(空气)；第一凹弯月镜片的材料为ZNSE，第一凹弯月镜片的后表面S4至系统光阑之间为AIR(空气)；系统光阑至第二凸弯月镜片的前表面S5之间为AIR(空气)；第二凸弯月镜片的材料为GERMANIUM，第二凸弯月镜片的后表面S6至像平面之间为AIR(空气)。
镜头的工作波段在波长为4.8μm～9.5μm的红外光波段。
所述的光学镜头的工作距离即物平面与第一凸弯月透镜片前表面S1之间的距离为微距，最小能够达到3.1mm。
所述像平面针对于光纤束端面设计，最佳匹配的光纤束的数值孔径NA＝0.3。
镜头的放大率为-1/10，镜头的总长为10.61mm，镜头MTF＝0.3处的分辨率为51.5lp/mm；
最大光斑RMS半径2.879μm，有效焦距为0.5mm，工作F/#为1.71。
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
通过第一凸弯月透镜片、第一凹弯月透镜片、系统光阑、第二凸弯月透镜片实现对宽波段的微距红外目标的清晰成像。在物平面与第一凸弯月透镜片之间留有微小的有限距离，将系统光阑放置在第一凹弯月透镜片与第二凸弯月透镜片之间，使用光纤束端面作为像平面，三块光学镜片表面的面型均为球面，本发明在仅用最常用的红外材料以及最常用的球面透镜基础上，使光学系统既能解决光谱波段宽，色差校正困难的问题，又能满足对于光纤束的匹配，还能达到极高的成像质量，另外镜头整体还兼具了尺寸小、物像比大等优点。
附图说明
图1为本发明光学镜头的整体结构示意图；
图2为本发明工作在4.8μm、5.6μm、6.4μm、7.3μm、9.5μm的点列图；
图3为本发明工作在4.8μm、5.6μm、6.4μm、7.3μm、9.5μm的MTF图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供的一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，包括在同一条光轴上依次设置的物平面1、第一凸弯月透镜片2、第一凹弯月透镜片3、系统光阑4、第二凸弯月透镜片5和像平面6；物平面1与第一凸弯月透镜片2之间的距离d1为微小的有限距离，系统光阑4放置在第一凹弯月透镜片3与第二凸弯月透镜片5之间，像平面6为光纤束端面，所用三块光学镜片的表面S1，S2，S3，S4，S5，S6面型均为球面。
本发明的红外内窥微距光学镜头在工作过程中通过第一凸弯月透镜片2、第一凹弯月透镜片3、系统光阑4以及第二凸弯月透镜片5来实现对宽波段的微距红外目标的清晰成像。
需要提到的是，本发明用于光纤束的宽波段红外内窥微距镜头的实施例中，只有三片折射镜片，没有使用特殊光学元件或者非球面镜片，仅使用了标准的球面镜片与常用的红外材料，并且结构简单、尺寸小、装配容易、透过率高、设计成像范围大、设计成像质量高。
本发明各个组成部分的实施例参数如表一所示：
表一 三块光学镜片的表面S1、S2、S3、S4、S5、S6参数
在表一中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，中心厚度是指当前表面中心与下一表面中心间的距离，举例来说，表面S1的中心厚度，即表面S1中心与表面S2中心间的距离。备注栏中所示为各透镜所对应的厚度、玻璃材料请参同列中各中心厚度、玻璃材料对应的内容。
本发明光学镜头的一些重要参数值如表二所示：
表二 光学镜头的一些重要参数值
图2所示分别为用于光纤束的宽波段红外内窥微距镜头工作在4.8μm、5.6μm、6.4μm、7.3μm、9.5μm的光学仿真数据图，其内容为点列图(Spot Diagram)，图中从左至右、从上至下分别为在像面0mm、-0.071mm、-0.139mm和-0.200mm四处视场采样的光线点，不同光线点对应不同波长，黑色实线圆圈为艾里斑(Airy Disk)，下方分别为四个视场光斑的RMS半径值和GEO半径值。由图可知最大光斑RMS半径为2.879μm，且均远小于艾里斑，可见镜头达到极高的成像质量。
图3分别为用于光纤束的宽波段红外内窥微距镜头在4.8～9.5μm时成像光学仿真数据图，图中反映内容为光学传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线图，且其横轴为每毫米的线对数(line pair per millimeter)，纵轴为对比度数值，分别为各视场下的MTF曲线和衍射极限MTF曲线。从图中可知，各视场MTF曲线几乎与衍射极限MTF曲线重合，且在MTF＝0.3处的分辨率为51.5lp/mm，可见镜头达到极高的成像质量。
本发明提供了一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，该光学镜头在微距设计的基础上，通过对材料的合理选择，对曲率半径和厚度的合理优化，在不使用任何一片非球面透镜的情况下，仅使用三片镜片就在4.8～9.5μm的宽波段红外范围实现了能与光纤束匹配的镜头的设计，本发明降低了对工艺水平的要求，使宽波段系统设计结构更加紧凑、片数少、透射比高、成像范围大，具有优良的像质，为用于光纤束的宽波段红外内窥微距镜头光学设计提供了一套全新的系统，填补了该领域的空白。本发明解决了为实现少片数折射式宽波段红外内窥微距镜头而使用非球面镜片或者特殊光学元件的问题，本发明设计了一种结构简单、尺寸小、装配容易、透过率高、设计成像范围大、设计成像质量高，并且镜片面型均为标准球面，镜片材料均为常用材料的用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，另外，镜片边缘预留了较宽的平面，有利于后期装调，在成本降低的同时可靠性得到了提高。
以上所述内容仅仅用以说明本发明，而非限制本发明所描述的技术方案，因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明技术方案已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行若干修改或者等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：该镜头包括在同一条光轴上依次设置的物平面(1)、第一凸弯月透镜片(2)、第一凹弯月透镜片(3)、系统光阑(4)、第二凸弯月透镜片(5)和像平面(6)；所述的第一凸弯月透镜片(2)、第一凹弯月透镜片(3)及第二凸弯月透镜片(5)的前后表面均为球面，所述的像平面(6)采用光纤束端面；
第一凸弯月透镜片(2)的前表面S1与第一凸弯月透镜片(2)的后表面S2的距离为0.800mm；
第一凸弯月透镜片(2)的后表面S2与第一凹弯月透镜片(3)的前表面S3的距离为2.242mm；
第一凹弯月透镜片(3)的前表面S3与第一凹弯月透镜片(3)的后表面S4的距离为2.073mm；
第一凹弯月透镜片(3)的后表面S4与系统光阑(4)的距离为0.951mm；
系统光阑(4)与第二凸弯月透镜片(5)的前表面S5的距离为1.895mm；
第二凸弯月透镜片(5)的前表面S5与第二凸弯月透镜片(5)的后表面S6的距离为1.554mm；
第二凸弯月透镜片(5)的后表面S6与像平面(6)的距离为1.000mm。
2.根据权利要求1所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：
第一凸弯月透镜片(2)的前表面S1的曲率半径为2.714mm，有效通光直径为1.814mm；
第一凸弯月透镜片(2)的后表面S2的曲率半径为1.007mm，有效通光直径为1.634mm；
第一凹弯月透镜片(3)的前表面S3的曲率半径为-8.483mm，有效通光直径为1.058mm；
第一凹弯月透镜片(3)的后表面S4的曲率半径为-4.100mm，有效通光直径为1.030mm；
系统光阑(4)的曲率半径为无限，有效通光直径为0.914mm；
第二凸弯月透镜片(5)的前表面S5的曲率半径为3.361mm，有效通光直径为1.432mm；
第二凸弯月透镜片(5)的后表面S6的曲率半径为7.671mm，有效通光直径为1.040mm；
物平面(1)直径4.2mm，像平面(6)直径0.4mm。
3.根据权利要求2所述的用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：所述的第一凸弯月透镜片的后表面S2至第一凹弯月透镜片的前表面S3之间为AIR，所述的第一凹弯月透镜片的后表面S4至系统光阑之间为AIR，所述的系统光阑至第二凸弯月透镜片的前表面S5之间为AIR，所述的第二凸弯月透镜片的后表面S6至像平面之间为AIR。
4.根据权利要求1至3中任一项所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：所述的第一凸弯月透镜片、第一凹弯月透镜片的材料为ZNSE。
5.根据权利要求4中所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：所述的第二凸弯月透镜片的材料为GERMANIUM。
6.根据权利要求1所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：镜头的工作波段在波长为4.8μm～9.5μm的红外光波段。
7.根据权利要求1所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：所述的光学镜头的工作距离即物平面(1)与第一凸弯月透镜片(2)前表面S1之间的距离最小能够达到3.1mm。
8.根据权利要求1所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：所述像平面(6)最佳匹配的光纤束的数值孔径NA＝0.3。
9.根据权利要求1所述用于光纤束的宽波段红外内窥微距光学镜头，其特征在于：
镜头的放大率为-1/10，镜头的总长为10.61mm，镜头MTF＝0.3处的分辨率为51.5lp/mm；
最大光斑RMS半径2.879μm，有效焦距为0.5mm，工作F/#为1.71。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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