CN114879303B - 一种用于大截面光纤束成像系统的物镜 - Google Patents

一种用于大截面光纤束成像系统的物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，沿光轴从物方到像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、像面；其中第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜；第一透镜、第二透镜、第五透镜均具有负光焦度；第三透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜均具有正光焦度。本发明通过镜片结构及间隔的优化，实现了像方远心光路结构，保证物镜像面的光线能全部汇聚至光纤束端面，能与大截面光纤束高效耦合。本发明在空间频率150lp/mm处MTF均大于0.3，全视场的相对照度均大于0.82，成像效果好，相对照度均匀，且所有镜片均采用玻璃球面材料，降低了加工成本与难度。

Description

一种用于大截面光纤束成像系统的物镜
技术领域
本发明涉及一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，属于工业镜头应用技术领域。
背景技术
近年来，光纤束在医疗、工业、军事等领域都已广泛应用。在医用领域中，由光纤束制备的医用内窥镜可实现体内成像；在工业领域中，使用工业光纤内窥镜可深入到机器的内部，对机器内部的损耗情况进行检查；在军事领域中，军事光纤潜望镜能够帮助军事人员观察敌情。光纤束成像系统主要由物镜、光纤束、目镜/转接镜、探测器等组成。在强电磁干扰、核辐射等一些特殊环境中，传统的图像传输系统会受到电磁干扰的影响导致图像质量出现问题，使用光纤束成像系统进行图像传输，可有效避免电磁干扰的影响，克服了传统图像传输系统的缺点。
在光纤束成像系统中，物镜是决定系统成像质量的重要因素，所以设计一种符合光纤束参数的物镜可以提高系统的成像质量。目前市面上的光纤束物镜都是针对小截面光纤束而言，多用于内窥镜方面。而在工业监测环境中，大截面光纤束物镜的设计是非常重要的。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，该物镜具有性能好、照度均匀、结构合理的优点。
为了达到上述目的，本发明的构思是：
本发明提供的一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，采用像方远心光路结构，通过对每个镜片结构及间隔的优化，实现了高远心度，同时满足物镜像方数值孔径与光纤束数值孔径的匹配，能够将图像信息高效的汇聚至光纤束端面上，且物镜的所有镜片均采用玻璃球面设计，降低了加工成本，可进行大规模生产。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，沿光轴方向，从物面到像面之间依次设置具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、光阑、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜以及具有正光焦度的第八透镜；其中第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜；
所述具有负光焦度的第一透镜包含第一球面和第二球面；
所述具有负光焦度的第二透镜包含第三球面和第四球面；
所述具有正光焦度的第三透镜包含第五球面和第六球面；
所述具有正光焦度的第四透镜包含第七球面和第八球面；
所述具有负光焦度的第五透镜包含第九球面和第十球面；
所述具有正光焦度的第六透镜包含第十球面和第十一球面；
所述具有正光焦度的第七透镜包含第十二球面和第十三球面；
所述具有正光焦度的第八透镜包含第十四球面和第十五球面；
形成像方远心光路结构，使物镜像面的光线能全部汇聚至大截面光纤束的端面，使所述物镜的像面端部与大截面光纤束进行耦合，并通过光纤束进行图像传输。
优选地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的焦距f、光学折射率n、阿贝数v、厚度d沿光轴方向分别是：
第一透镜：f＝-22.238mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第二透镜：f＝-23.589mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第三透镜：f＝51.355mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝3.000mm；
第四透镜：f＝19.835mm，n＝1.658，v＝50.8，d＝2.600mm；
第五透镜：f＝-6.135mm，n＝1.755，v＝27.5，d＝2.160mm；
第六透镜：f＝17.483mm，n＝1.487，v＝70.4，d＝3.000mm；
第七透镜：f＝16.386mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝2.400mm；
第八透镜：f＝27.422mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝1.950mm。
优选地，物镜物方的清晰物距为1000mm。
优选地，物镜工作波段为可见光波段。
优选地，物镜有效焦距为5.365mm，TTL为61mm。
优选地，物镜的像方数值孔径需匹配光纤束的数值孔径。优选光纤束的极限分辨率为36lp/mm。
优选地，物镜满足像方远心光路结构。
优选地，物镜的像面高度应满足光纤束的端面大小。
优选地，在空间频率150lp/mm处MTF均不低于0.3，全视场的相对照度均不低于0.82。
优选地，所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为3.322mm；所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为9.859mm；所述第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为9.449mm；所述第四透镜与双胶合透镜之间的空气间隔为11.688mm；所述双胶合透镜与第七透镜之间的空气间隔为0.150mm；所述第七透镜与第八透镜之间的空气间隔为0.130mm。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明用于大截面光纤束成像系统的物镜，采用像方远心光路结构，与光纤束进行耦合，能够将图像信息高效汇聚至光纤束端面，且物镜的所有镜片均采用玻璃球面设计，降低了加工成本，可进行大规模生产；
2.本发明通过对透镜结构以及间隔的优化，使物镜头工作在可见光波段下，在空间频率150lp/mm处MTF均大于0.3，全视场的相对照度均大于0.82，成像效果好，相对照度均匀。
附图说明
图1为本发明优选实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜的结构示意图。
图2为本发明优选实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜的MTF曲线图。
图3为本发明优选实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜的相对照度曲线图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，沿光轴方向，从物面到像面IMA之间依次设置具有负光焦度的第一透镜L1、具有负光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3、具有正光焦度的第四透镜L4、光阑ST、具有负光焦度的第五透镜L5、具有正光焦度的第六透镜L6、具有正光焦度的第七透镜L7以及具有正光焦度的第八透镜L8；其中第五透镜L5和第六透镜L6组成双胶合透镜；
所述具有负光焦度的第一透镜L1包含第一球面S1和第二球面S2；
所述具有负光焦度的第二透镜L2包含第三球面S3和第四球面S4；
所述具有正光焦度的第三透镜L3包含第五球面S5和第六球面S6；
所述具有正光焦度的第四透镜L4包含第七球面S7和第八球面S8；
所述具有负光焦度的第五透镜L5包含第九球面S9和第十球面S10；
所述具有正光焦度的第六透镜L6包含第十球面S10和第十一球面S11；
所述具有正光焦度的第七透镜L7包含第十二球面S12和第十三球面S13；
所述具有正光焦度的第八透镜L8包含第十四球面S14和第十五球面S15；
形成像方远心光路结构，使物镜像面IMA的光线能全部汇聚至大截面光纤束的端面，使所述物镜的像面IMA端部与大截面光纤束进行耦合，并通过光纤束进行图像传输。
本实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜，采用像方远心光路结构，与光纤束进行耦合，能够将图像信息高效汇聚至光纤束端面，且物镜的所有镜片均采用玻璃球面设计，降低了加工成本，可进行大规模生产。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8的焦距f、光学折射率n、阿贝数v、厚度d沿光轴方向分别是：
第一透镜L1：f＝-22.238mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第二透镜L2：f＝-23.589mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第三透镜L3：f＝51.355mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝3.000mm；
第四透镜L4：f＝19.835mm，n＝1.658，v＝50.8，d＝2.600mm；
第五透镜L5：f＝-6.135mm，n＝1.755，v＝27.5，d＝2.160mm；
第六透镜L6：f＝17.483mm，n＝1.487，v＝70.4，d＝3.000mm；
第七透镜L7：f＝16.386mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝2.400mm；
第八透镜L8：f＝27.422mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝1.950mm。
在本实施例中，物镜物方的清晰物距为1000mm。
在本实施例中，物镜工作波段为可见光波段。
在本实施例中，物镜有效焦距为5.365mm，TTL为61mm。
在本实施例中，物镜的像方数值孔径需匹配光纤束的数值孔径。
在本实施例中，物镜满足像方远心光路结构。
在本实施例中，物镜的像面高度应满足光纤束的端面大小。
在本实施例中，在空间频率150lp/mm处MTF均不低于0.3，全视场的相对照度均不低于0.82。
在本实施例中，所述第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间隔为3.322mm；所述第二透镜L2与第三透镜L3之间的空气间隔为9.859mm；所述第三透镜L3与第四透镜L4之间的空气间隔为9.449mm；所述第四透镜L4与双胶合透镜L5、L6之间的空气间隔为11.688mm；所述双胶合透镜L5、L6与第七透镜L7之间的空气间隔为0.150mm；所述第七透镜L7与第八透镜L8之间的空气间隔为0.130mm。
本实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜，采用像方远心光路结构，与光纤束进行耦合，能够将图像信息高效汇聚至光纤束端面，降低了加工成本，可进行大规模生产；本实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜具有性能好、照度均匀、结构合理的优点。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图1所示，一直用于大截面光纤束成像系统的物镜，包括具有负光焦度的第一透镜L1、具有负光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3、具有正光焦度的第四透镜L4、具有负光焦度的第五透镜L5、具有正光焦度的第六透镜L6、具有正光焦度的第七透镜L7、具有正光焦度的第八透镜L8、光阑面ST、像面IMA；所述第五透镜L5和第六透镜L6组成双胶合透镜；所述第一透镜L1包括第一球面S1和第二球面S2；所述第二透镜L2包括第三球面S3和第四球面S4；所述第三透镜L3包括第五球面S5和第六球面S6；所述第四透镜L4包括第七球面S7和第八球面S8；所述第五透镜L5包括第九球面S9和第十球面S10；所述第六透镜L6包括第十球面S10和第十一球面S11；所述第七透镜L7包括第十二球面S12和第十三球面S13；所述第八透镜L8包括第十四球面S14和第十五球面S15。
在本发明中，各个光学元件的参数如表1所示。
表1.用于大截面光纤束成像系统的物镜的各个光学元件的参数表
表面序号 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
S1 38.566 1.000 1.744 44.9
S2 11.450 3.322
S3 无限 1.000 1.744 44.9
S4 17.550 9.859
S5 -23.920 3.000 1.640 60.2
S6 -14.522 9.449
S7 13.060 2.600 1.658 50.8
S8 无限 8.622
ST 无限 9.496
S9 -5.343 2.160 1.755 27.5
S10 14.522 3.000 1.487 70.4
S11 -6.685 0.150
S12 49.420 2.400 1.640 60.2
S13 -13.060 0.130
S14 17.550 1.950 1.640 60.2
S15 无限 9.296
参照表1所示，在本实施例中采用了六种光学材料的透镜，其中L1与L2透镜材料相同，L7与L8透镜材料相同，具体为：所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8的各自焦距f，光学折射率n，阿贝数v，厚度d沿光轴方向分别是：
第一透镜L1：f＝-22.238mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第二透镜L2：f＝-23.589mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第三透镜L3：f＝51.355mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝3.000mm；
第四透镜L4：f＝19.835mm，n＝1.658，v＝50.8，d＝2.600mm；
第五透镜L5：f＝-6.135mm，n＝1.755，v＝27.5，d＝2.160mm；
第六透镜L6：f＝17.483mm，n＝1.487，v＝70.4，d＝3.000mm；
第七透镜L7：f＝16.386mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝2.400mm；
第八透镜L8：f＝27.422mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝1.950mm。
在本实施例中，所述第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间隔为3.322mm；所述第二透镜L2与第三透镜L3之间的空气间隔为9.859mm；所述第三透镜L3与第四透镜L4之间的空气间隔为9.449mm；所述第四透镜L4与双胶合透镜L5、L6之间的空气间隔为11.688mm；所述双胶合透镜L5、L6与第七透镜L7之间的空气间隔为0.150mm；所述第七透镜L7与第八透镜L8之间的空气间隔为0.130mm。
在本实施例中，所述光纤束的端面大小为8mm，数值孔径为0.6，光纤单丝直径为16μm，采用六边形排列方式，光纤束的极限分辨率为36lp/mm，光纤单丝达二十万根。
在本实施例中，所述物镜的像面大小为8mm，匹配光纤束端面大小。
在本实施例中，所述物镜物方清晰物距为1000mm，满足像方远心结构，各视场远心度均小于0.5°。
在本实施例中，所述物镜工作波段为可见光波段，有效焦距为5.365mm，TTL为61mm，视场角为76°，工作F数为3.99。
在本实施例中，所述物镜像方数值孔径为0.12，小于光纤束的数值孔径0.6，符合光纤全反射原理，所有光线均可传输至光纤束中。
在本实施例中，所述物镜最大几何弥散斑直径为5.366μm，小于光纤束的单丝直径，光线集中，满足成像要求。
在本实施例中，如图2所示，为所述物镜的MTF曲线图，纵坐标表示系统的对比度，数值从0到1，数值越高表示成像质量越好。图中可知，在光纤束极限分辨率36lp/mm处各视场MTF均大于0.8，在空间频率150lp/mm处各视场MTF均大于0.3，具有较高的成像质量。
在本实施例中，如图3所示，为所述物镜的相对照度曲线图。图中可知，在成像面上，各视场相对照度高达0.82以上，可保证图像信息在光纤束端面具有较好的亮度均匀性。
本实施例用于大截面光纤束成像系统的物镜，沿光轴从物方到像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、光阑ST、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、像面IMA；其中第五透镜L5和第六透镜L6组成双胶合透镜；第一透镜L1、第二透镜L2、第五透镜L5均具有负光焦度；第三透镜L3、第四透镜L4、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8均具有正光焦度。本实施例通过镜片结构及间隔的优化，实现了像方远心光路结构，保证物镜像面的光线能全部汇聚至光纤束端面，能与大截面光纤束高效耦合。本发明在空间频率150lp/mm处MTF均大于0.3，全视场的相对照度均大于0.82，成像效果好，相对照度均匀，且所有镜片均采用玻璃球面材料，降低了加工成本与难度。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：沿光轴方向，从物面到像面(IMA)之间依次设置具有负光焦度的第一透镜(L1)、具有负光焦度的第二透镜(L2)、具有正光焦度的第三透镜(L3)、具有正光焦度的第四透镜(L4)、光阑(ST)、具有负光焦度的第五透镜(L5)、具有正光焦度的第六透镜(L6)、具有正光焦度的第七透镜(L7)以及具有正光焦度的第八透镜(L8)；其中第五透镜(L5)和第六透镜(L6)组成双胶合透镜；
所述具有负光焦度的第一透镜(L1)包含第一球面(S1)和第二球面(S2)；
所述具有负光焦度的第二透镜(L2)包含第三球面(S3)和第四球面(S4)；
所述具有正光焦度的第三透镜(L3)包含第五球面(S5)和第六球面(S6)；
所述具有正光焦度的第四透镜(L4)包含第七球面(S7)和第八球面(S8)；
所述具有负光焦度的第五透镜(L5)包含第九球面(S9)和第十球面(S10)；
所述具有正光焦度的第六透镜(L6)包含第十球面(S10)和第十一球面(S11)；
所述具有正光焦度的第七透镜(L7)包含第十二球面(S12)和第十三球面(S13)；
所述具有正光焦度的第八透镜(L8)包含第十四球面(S14)和第十五球面(S15)；
形成像方远心光路结构，使物镜像面(IMA)的光线能全部汇聚至大截面光纤束的端面，使所述物镜的像面(IMA)端部与大截面光纤束进行耦合，并通过光纤束进行图像传输。
2.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)和第八透镜(L8)的焦距f、光学折射率n、阿贝数v、厚度d沿光轴方向分别是：
第一透镜(L1)：f＝-22.238mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第二透镜(L2)：f＝-23.589mm，n＝1.744，v＝44.9，d＝1.000mm；
第三透镜(L3)：f＝51.355mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝3.000mm；
第四透镜(L4)：f＝19.835mm，n＝1.658，v＝50.8，d＝2.600mm；
第五透镜(L5)：f＝-6.135mm，n＝1.755，v＝27.5，d＝2.160mm；
第六透镜(L6)：f＝17.483mm，n＝1.487，v＝70.4，d＝3.000mm；
第七透镜(L7)：f＝16.386mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝2.400mm；
第八透镜(L8)：f＝27.422mm，n＝1.640，v＝60.2，d＝1.950mm。
3.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：物镜物方的清晰物距为1000mm。
4.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：物镜工作波段为可见光波段。
5.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：物镜有效焦距为5.365mm，TTL为61mm。
6.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：物镜的像方数值孔径需匹配光纤束的数值孔径。
7.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：物镜满足像方远心光路结构。
8.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：物镜的像面高度应满足光纤束的端面大小。
9.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：在空间频率150lp/mm处MTF均不低于0.3，全视场的相对照度均不低于0.82。
10.根据权利要求1所述用于大截面光纤束成像系统的物镜，其特征在于：所述第一透镜(L1)与第二透镜(L2)之间的空气间隔为3.322mm；所述第二透镜(L2)与第三透镜(L3)之间的空气间隔为9.859mm；所述第三透镜(L3)与第四透镜(L4)之间的空气间隔为9.449mm；所述第四透镜(L4)与双胶合透镜(L5、L6)之间的空气间隔为11.688mm；所述双胶合透镜(L5、L6)与第七透镜(L7)之间的空气间隔为0.150mm；所述第七透镜(L7)与第八透镜(L8)之间的空气间隔为0.130mm。
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