CN111308654B - 一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统。该系统自物面开始依次为焦距为正负正正负正负负正正负正正的十三块透镜组成。该系统主要用于将微弱光信号有效的耦合进光纤，便于后端CCD进行数据采集。针对实际应用场景，将该系统设计为变焦系统，物距范围50至200毫米。为了提高光纤耦合效率，该光学系统轴上像点参数被精确设计，像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度。不仅能有效耦合进光纤，还能针对不同应用场景满足单根光纤耦合或者多根光纤束耦合。该系统工作波段覆盖可见光及部分近红外光波段，且很好的校正了各类像差。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统，属于光与物质相互作用和光学检测领域。
背景技术
随着激光的产生和一系列光学检测技术的发展，对于微弱光信号的收集和检测变得越发重要。例如荧光光谱检测技术、激光诱导等离子体技术等都需要对微弱的光信号进行收集和分析。荧光是辐射跃迁的一种，是物质从激发态去激发到基态时所释放的辐射。荧光分析法用途广泛，且灵敏度高，检出限比吸收光度法低2～4个数量级，选择性强，结果准确，试样需用量少等优点。荧光光谱检测技术可以进行化合物的鉴定，进行未知化合物的结构分析，进行化合物的定量分析，进行化学反应动力学、晶变、相变、材料拉伸与结构的瞬变关系研究；工业流程与大气污染的连续检测；在煤炭行业对游离二氧化硅的监测；卫生检疫，食品，环保，公安，石油，化工，光学镀膜，光通信，材料科学等诸多领域珠宝行业的检测，还可以作为荧光探针、分子传感器应用于其他诸多领域。
激光元素分析主要利用激光诱导等离子体技术来进行物质的元素分析。激光器产生的高脉冲能量经聚焦透镜照射至靶材上，当靶材表面吸收能量大于靶材阈值，使靶材表面迅速气化、电离。电离的粒子向外扩散，而未电离的分子或原子吸收足够能量后继续电离，这种由激光诱导形成的离子和电子共存的状态，即为激光诱导等离子体。等离子体可以释放包含材料结构信息的光辐射。通过对此光辐射谱的分析可以精确地得到物质材料的组成。此技术可用于冶金、宝石、考古、生物医学、食品工业、军事、环境、太空等领域。
由于光纤在光的传输上有独特的优势，目前大部分系统都是将空间微弱光耦合进光纤，然后传输至CCD进行信号采集。对于微弱光信号收集大多使用耦合镜头进行会聚，后端通过一根光纤进行耦合或者一簇光纤束进行耦合。由于光纤的直径很小，基本在微米量级，对耦合镜头要求较高。而目前很多耦合镜头耦合效率较低，不能很好的聚集最多的光线，提供较高的入射能量。而且聚焦效果，如光斑直径，会聚光线发散角，色散等参数也不是很理想。给科研和实际应用方面带来较多的困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统。该系统主要解决将微弱光信号有效的耦合进光纤，便于后端CCD进行数据采集。针对实际应用场景，将该系统设计为变焦系统，物距范围50至200毫米。为了有效提取微弱光信号本系统采用大入瞳孔径。为了提高光纤耦合效率，该光学系统轴上像点参数被精确设计，像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度。不仅能有效耦合进光纤，还能针对不同应用场景满足单根光纤耦合或者多根光纤束耦合。该系统工作波段覆盖可见光及部分近红外光波段，且很好的校正了各类像差，尤其是色散。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统，包括沿光轴自物面到像面依次为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13；
所述第一透镜设置有孔径光阑；
所述第一透镜1为正透镜、第二透镜2为负透镜、第三透镜3为正透镜、第四透镜4为正透镜、第五透镜5为负透镜、第六透镜6为正透镜、第七透镜7为负透镜、第八透镜8为负透镜、第九透镜9为正透镜、第十透镜10为正透镜、第十一透镜11为负透镜、第十二透镜12为正透镜、第十三透镜13为正透镜；
所述第一透镜1为弯月形凹透镜、第二透镜2为弯月形凹透镜、第三透镜3为双凸透镜、第四透镜4为双凸透镜、第五透镜5为双凹透镜、第六透镜6为双凸透镜、第七透镜7为双凹透镜、第八透镜8为弯月形凹透镜、第九透镜9为双凸透镜、第十透镜10为弯月形凹透镜、第十一透镜11为弯月形凹透镜、第十二透镜12为双凸透镜、第十三透镜13为弯月形凹透镜；
所述第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1，且双胶合透镜的胶合面朝向孔径光阑；所述第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2，且双胶合透镜的胶合面背离孔径光阑；所述第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3，且双胶合透镜的胶合面朝向孔径光阑；所述第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4，且双胶合透镜的胶合面背离孔径光阑；
所述第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13均为非球面透镜；所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10均为球面透镜；
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的组合焦距为f1-6，第七透镜7的焦距为f7；且1.5<∣f1-6/f7∣<3；
所述的第一透镜1的透光孔径为D1，且45<D1<55；
进一步的，镜片材料采用肖特公司的玻璃材料，第一透镜1为SF6，第二透镜2为SF5，第三透镜3为NLAF34，第四透镜4为SLAH71，第五透镜5为NSF56，第六透镜6为NLAK34，第七透镜7为SF57，第八透镜8为SF2，第九透镜9为NLAF21，第十透镜10为NLAF21，第十一透镜11为SF2，第十二透镜12为PPK53，第十三透镜13为SF5G10；
进一步的，所述的物面(也就是微弱光信号点光源)距离所述的第一透镜1的空气间隔为变量，变化范围从50至200毫米；
进一步的，所述第一透镜1的中心厚度为4.678±0.1毫米，所述第一透镜1与第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1之间的空气间隔为1.0±0.1毫米；所述第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1的中心厚度为19.891±0.1毫米，所述第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1与第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2之间的空气间隔为9.986±0.1毫米；所述第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2的中心厚度为21.593±0.1毫米，所述第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2与第六透镜6之间的空气间隔为1.438±0.1毫米；所述第六透镜6的中心厚度为10.128±0.1毫米，所述第六透镜6与第七透镜7之间的空气间隔为变量，变化范围从4.563±0.1至69.469±0.1毫米；所述第七透镜7的中心厚度为2.0±0.1毫米，所述第七透镜7与第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3之间的空气间隔为1.0±0.1毫米；所述第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3的中心厚度为6.629±0.1毫米，所述第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3与第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4之间的空气间隔为变量，变化范围从1.0±0.1至33.162±0.1毫米；所述第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4的中心厚度为17.276±0.1毫米，所述第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4与第十二透镜12之间的空气间隔为变量，变化范围从0.930±0.1至25.0±0.1毫米；所述第十二透镜12的中心厚度为6.614±0.1毫米，所述第十二透镜12与第十三透镜13之间的空气间隔为变量，变化范围从1.438±0.1至9.055±0.1毫米；所述第十三透镜13的中心厚度为5.356±0.1毫米，所述第十三透镜13与像面之间的空气间隔为18.0±0.1毫米；
进一步的，所述的光学系统工作波段为380nm至近红外1064nm；
进一步的，所述的光学系统的后工作距离为18.0毫米，轴上像点发散角2α为30.6度；
本发明的有益效果：
1.本发明中采用较大入瞳直径，能很好的收集较多的光线，提供较高的入射能量，能有效的将微弱信号在背景噪声中提取出来。
2.本发明中为变焦光学系统，针对实际使用场景，将物面(也就是微弱光信号点光源)距离第一透镜1的空气间隔设置为变量，变化范围从50至200毫米，此范围完全满足采集系统距离微弱光信号点光源的实际使用范围。
3.本发明中工作波段为380nm至近红外1064nm，能完成所有可见光的收集，同时也能实现近红外光的收集，应用更加广泛。
4.本发明轴上像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度，很好的匹配光纤耦合条件，提高空间光耦合进光纤的耦合效率。像点大小可调，可以满足单根光纤耦合或者多根光纤束耦合等不同应用场景。
5.本发明很好的校正了各类像差，尤其是色散，这就解决了宽光谱检测时不同波长的时间延迟问题。
附图说明
图1是一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统光路结构图
图2是本发明实施例的变焦光学系统的两个变焦位置的点列图
图3是本发明实施例的变焦光学系统的变焦位置1的垂轴色差图
图4是本发明实施例的变焦光学系统的变焦位置2的垂轴色差图
图5是本发明实施例的变焦光学系统的变焦位置1的光线像差曲线
图6是本发明实施例的变焦光学系统的变焦位置2的光线像差曲线
图7是本发明实施例的变焦光学系统的变焦位置1的场曲曲线
图8是本发明实施例的变焦光学系统的变焦位置2的场曲曲线
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明设计的一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统，包括沿光轴自物面到像面依次为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13；
所述第一透镜设置有孔径光阑；
所述第一透镜1为正透镜、第二透镜2为负透镜、第三透镜3为正透镜、第四透镜4为正透镜、第五透镜5为负透镜、第六透镜6为正透镜、第七透镜7为负透镜、第八透镜8为负透镜、第九透镜9为正透镜、第十透镜10为正透镜、第十一透镜11为负透镜、第十二透镜12为正透镜、第十三透镜13为正透镜；
所述第一透镜1为弯月形凹透镜、第二透镜2为弯月形凹透镜、第三透镜3为双凸透镜、第四透镜4为双凸透镜、第五透镜5为双凹透镜、第六透镜6为双凸透镜、第七透镜7为双凹透镜、第八透镜8为弯月形凹透镜、第九透镜9为双凸透镜、第十透镜10为弯月形凹透镜、第十一透镜11为弯月形凹透镜、第十二透镜12为双凸透镜、第十三透镜13为弯月形凹透镜；
所述第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1，且双胶合透镜的胶合面朝向孔径光阑；所述第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2，且双胶合透镜的胶合面背离孔径光阑；所述第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3，且双胶合透镜的胶合面朝向孔径光阑；所述第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4，且双胶合透镜的胶合面背离孔径光阑；
所述第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13均为非球面透镜；所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10均为球面透镜；
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的组合焦距为f1-6，第七透镜7的焦距为f7；且1.5<∣f1-6/f7∣<3；
所述的第一透镜1的透光孔径为D1，且45<D1<55；
进一步的，镜片材料采用肖特公司的玻璃材料，第一透镜1为SF6，第二透镜2为SF5，第三透镜3为NLAF34，第四透镜4为SLAH71，第五透镜5为NSF56，第六透镜6为NLAK34，第七透镜7为SF57，第八透镜8为SF2，第九透镜9为NLAF21，第十透镜10为NLAF21，第十一透镜11为SF2，第十二透镜12为PPK53，第十三透镜13为SF5G10；
进一步的，所述的物面(也就是微弱光信号点光源)距离所述的第一透镜1的空气间隔为变量，变化范围从50至200毫米；
进一步的，所述第一透镜1的中心厚度为4.678±0.1毫米，所述第一透镜1与第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1之间的空气间隔为1.0±0.1毫米；所述第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1的中心厚度为19.891±0.1毫米，所述第二透镜2和第三透镜3组成胶合透镜J1与第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2之间的空气间隔为9.986±0.1毫米；所述第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2的中心厚度为21.593±0.1毫米，所述第四透镜4和第五透镜5组成胶合透镜J2与第六透镜6之间的空气间隔为1.438±0.1毫米；所述第六透镜6的中心厚度为10.128±0.1毫米，所述第六透镜6与第七透镜7之间的空气间隔为变量，变化范围从4.563±0.1至69.469±0.1毫米；所述第七透镜7的中心厚度为2.0±0.1毫米，所述第七透镜7与第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3之间的空气间隔为1.0±0.1毫米；所述第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3的中心厚度为6.629±0.1毫米，所述第八透镜8和第九透镜9组成胶合透镜J3与第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4之间的空气间隔为变量，变化范围从1.0±0.1至33.162±0.1毫米；所述第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4的中心厚度为17.276±0.1毫米，所述第十透镜10和第十一透镜11组成胶合透镜J4与第十二透镜12之间的空气间隔为变量，变化范围从0.930±0.1至25.0±0.1毫米；所述第十二透镜12的中心厚度为6.614±0.1毫米，所述第十二透镜12与第十三透镜13之间的空气间隔为变量，变化范围从1.438±0.1至9.055±0.1毫米；所述第十三透镜13的中心厚度为5.356±0.1毫米，所述第十三透镜13与像面之间的空气间隔为18.0±0.1毫米；
进一步的，所述的光学系统工作波段为380nm至近红外1064nm；
进一步的，所述的光学系统的后工作距离为18.0毫米，轴上像点发散角2α为30.6度；
实际镜片参数和镜片中心距参数如下表1所示：
表1(单位mm)：
注：表中带*的量为变量
作为示例，仅给出一个表面的非球面数据，表2为第十一透镜11后表面非球面数据，其中非球面公式为：
其中，
z：非球面的深度
r：从光轴到透镜面的距离(高度)(mm)
K：离心率
c：近轴曲率
A,B,C,D，E,F,G,H,J：4阶非球面系数,6阶非球面系数,8阶非球面系数,10阶非球面系数,12阶非球面系数,14阶非球面系数,16阶非球面系数,18阶非球面系数,20阶非球面系数。
表2：
| Y半径(r) | -3.410E+01 |
| 二次曲面常数(K) | 0.000E+00 |
| 4阶系数(A) | 2.044E-05 |
| 6阶系数(B) | 4.748E-08 |
| 8阶系数(C) | 2.215E-11 |
| 10阶系数(D) | 9.408E-13 |
| 12阶系数(E) | 5.889E-15 |
| 14阶系数(F) | 7.391E-17 |
| 16阶系数(G) | -3.359E-20 |
| 18阶系数(H) | -1.388E-21 |
| 20阶系数(J) | -1.280E-23 |
图2至图8，给出了此实施例成像性能参数，结果显示，此实施例的成像效果较好。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统，其特征在于，沿光轴自物面到像面依次由第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）、第五透镜（5）、第六透镜（6）、第七透镜（7）、第八透镜（8）、第九透镜（9）、第十透镜（10）、第十一透镜（11）、第十二透镜（12）、第十三透镜（13）组成；
所述第一透镜设置有孔径光阑；
所述第一透镜（1）为正透镜、第二透镜（2）为负透镜、第三透镜（3）为正透镜、第四透镜（4）为正透镜、第五透镜（5）为负透镜、第六透镜（6）为正透镜、第七透镜（7）为负透镜、第八透镜（8）为负透镜、第九透镜（9）为正透镜、第十透镜（10）为正透镜、第十一透镜（11）为负透镜、第十二透镜（12）为正透镜、第十三透镜（13）为正透镜；
所述第一透镜（1）为弯月形凹透镜、第二透镜（2）为弯月形凹透镜、第三透镜（3）为双凸透镜、第四透镜（4）为双凸透镜、第五透镜（5）为双凹透镜、第六透镜（6）为双凸透镜、第七透镜（7）为双凹透镜、第八透镜（8）为弯月形凹透镜、第九透镜（9）为双凸透镜、第十透镜（10）为弯月形凹透镜、第十一透镜（11）为弯月形凹透镜、第十二透镜（12）为双凸透镜、第十三透镜（13）为弯月形凹透镜。
2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，
所述第二透镜（2）和第三透镜（3）组成胶合透镜J1，且双胶合透镜的胶合面朝向孔径光阑；所述第四透镜（4）和第五透镜（5）组成胶合透镜J2，且双胶合透镜的胶合面背离孔径光阑；所述第八透镜（8）和第九透镜（9）组成胶合透镜J3，且双胶合透镜的胶合面朝向孔径光阑；所述第十透镜（10）和第十一透镜（11）组成胶合透镜J4，且双胶合透镜的胶合面背离孔径光阑。
3.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，
所述第十一透镜（11）、第十二透镜（12）、第十三透镜（13）均为非球面透镜；所述第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）、第五透镜（5）、第六透镜（6）、第七透镜（7）、第八透镜（8）、第九透镜（9）、第十透镜（10）均为球面透镜；
所述第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）、第五透镜（5）和第六透镜（6）的组合焦距为f1-6，第七透镜（7）的焦距为f7；且1.5＜∣f1-6/f7∣＜3；
所述的第一透镜（1）的透光孔径为D1，且45mm<D1<55mm。
4.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，
镜片材料采用肖特公司的玻璃材料，第一透镜（1）为SF6，第二透镜（2）为SF5，第三透镜（3）为NLAF34，第四透镜（4）为SLAH71，第五透镜（5）为NSF56，第六透镜（6）为NLAK34，第七透镜（7）为SF57，第八透镜（8）为SF2，第九透镜（9）为NLAF21，第十透镜（10）为NLAF21，第十一透镜（11）为SF2，第十二透镜（12）为PPK53，第十三透镜（13）为SF5G10。
5.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述的物面，也就是微弱光信号点光源，距离所述的第一透镜（1）的空气间隔为变量，变化范围从50至200毫米。
6.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，
所述第一透镜（1）的中心厚度为4.678±0.1毫米，所述第一透镜（1）与第二透镜（2）和第三透镜（3）组成胶合透镜J1之间的空气间隔为1.0±0.1毫米；所述第二透镜（2）和第三透镜（3）组成胶合透镜J1的中心厚度为19.891±0.1毫米，所述第二透镜（2）和第三透镜（3）组成胶合透镜J1与第四透镜（4）和第五透镜（5）组成胶合透镜J2之间的空气间隔为9.986±0.1毫米；所述第四透镜（4）和第五透镜（5）组成胶合透镜J2的中心厚度为21.593±0.1毫米，所述第四透镜（4）和第五透镜（5）组成胶合透镜J2与第六透镜（6）之间的空气间隔为1.438±0.1毫米；所述第六透镜（6）的中心厚度为10.128±0.1毫米，所述第六透镜（6）与第七透镜（7）之间的空气间隔为变量，变化范围从4.563±0.1至69.469±0.1毫米；所述第七透镜（7）的中心厚度为2.0±0.1毫米，所述第七透镜（7）与第八透镜（8）和第九透镜（9）组成胶合透镜J3之间的空气间隔为1.0±0.1毫米；所述第八透镜（8）和第九透镜（9）组成胶合透镜J3的中心厚度为6.629±0.1毫米，所述第八透镜（8）和第九透镜（9）组成胶合透镜J3与第十透镜（10）和第十一透镜（11）组成胶合透镜J4之间的空气间隔为变量，变化范围从1.0±0.1至33.162±0.1毫米；所述第十透镜（10）和第十一透镜（11）组成胶合透镜J4的中心厚度为17.276±0.1毫米，所述第十透镜（10）和第十一透镜（11）组成胶合透镜J4与第十二透镜（12）之间的空气间隔为变量，变化范围从0.930±0.1至25.0±0.1毫米；所述第十二透镜（12）的中心厚度为6.614±0.1毫米，所述第十二透镜（12）与第十三透镜（13）之间的空气间隔为变量，变化范围从1.438±0.1至9.055±0.1毫米；所述第十三透镜（13）的中心厚度为5.356±0.1毫米，所述第十三透镜（13）与像面之间的空气间隔为18.0±0.1毫米。
7.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，
所述的光学系统工作波段为380nm至近红外1064nm。
8.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，
所述的光学系统的后工作距离为18.0毫米，轴上像点发散角2α为30.6度。
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