CN115494614A - 一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁约束聚变等离子体技术领域，具体涉及一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，该系统包括前端成像物镜、中继微距镜头组和相机，前端成像物镜、中继微距镜头组和相机依次连接。本发明的F数可以达到1，成为磁约束聚变等离子体领域的最快速的成像系统，提供明亮的视野，尤其适用于弱光成像探测，具有成像分辨率高、光通量大及成本低的优势。

Description

一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统
技术领域
本发明属于磁约束聚变等离子体技术领域，具体涉及一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统。
背景技术
可见光成像诊断在磁约束聚变等离子体的研究中起到很重要的作用。通常地，该诊断用来观察等离子体位置，并实时监测真空室内部的面向等离子体组件(PFCs)。一些快速变化的等离子体现象则需要快速成像系统作为观察工具：例如，在等离子体启动的较短时间内，等离子体的形状和位移变化快，利用快速成像系统可以进行等离子体击穿位置和位移变化的判断；某些等离子体特定区域如偏滤器X-点附近的输运行为，以及一些小的结构如边缘局域模(ELM)放电丝、边缘湍流结构(凸峰或凹谷)也需要利用高分辨率的快速成像系统进行识别。
磁约束聚变等离子体的磁场强度高，且在等离子体启动和破裂期间磁场变化快，这会对成像探测器(CCD或CMOS)等精密电子设备的运行造成大的干扰。另外，聚变等离子体产生的高能粒子辐射与线辐射(如中子、X射线与伽马射线等)，也会对近距离放置的探测器造成损伤。因此，磁约束聚变等离子体领域的成像诊断系统有长光路的设计要求，以使探测器远离装置。
高通量长光路的设计，通常借助于计算机辅助设计软件(如ZEMAX、CODEV等)，这种设计方法基于的原理为“光线追迹”且技术难度较大。从“光能传递”的角度，基于双远心中继光学的成像系统可以实现高分辨率的成像效果，是一种简单可靠的长光路成像系统。然而，双远心镜头的数值孔径很难做大，这就限制了整套成像系统的通光量。微距镜头是一类工作距离短(往往在几个厘米至几十个厘米)、景深浅且具有一定放大倍率的镜头。与远心镜头相比，微距镜头具有光圈更大、成本更低的优势；并且，微距镜头也可以接近为远心设计，即最大视场的主光线在像平面的夹角可以控制在几度的水平。由于微距镜头的大光圈优势(F数可以达到1)，它可以作为理想的中继光学实现高画质的快速成像。因此需要设计一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其工作F数能够达到1，具有高光通量和高分辨率的长光路成像系统。
实现本发明目的的技术方案：
一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，该系统包括前端成像物镜、中继微距镜头组和相机，前端成像物镜、中继微距镜头组和相机依次连接。
所述的前端成像物镜由七组共十一片镜片和光阑构成，其中第一组镜片为双胶合镜片，第二组为单凸透镜片，第三组和第四组为双胶合镜片，第五组为大曲率面为非球面镜的单凸透镜片，第六组为双胶合镜片，第七组为双面非球面的单凸透镜片，光阑位于第三组和第四组双胶合镜片之间，七组镜片以及光阑在镜筒内部依次连接，七组镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
所述的中继微距镜头组包括微距镜头组单元a和微距镜头组单元b，微距镜头组单元a和微距镜头组单元b依次连接。
所述的微距镜头组单元a包括微距镜头a、微距镜头b，微距镜头a与微距镜头b依次连接并沿光轴对称放置，微距镜头a和前端成像物镜连接。
所述的微距镜头a和微距镜头b分别由八组共十片镜片构成，第一组为单凹透镜片，第二组和第三组为双胶合镜片，第四组为单凹透镜片，第五组、第六组和第七组为单凸透镜片，第八组为单凹透镜片，八组镜片在一个镜筒内部依次连接，八组镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
所述的微距镜头组单元b包括微距镜头c和微距镜头d，微距镜头c和微距镜头d依次连接并沿光轴对称放置，微距镜头d和相机连接。
所述的微距镜头c和微距镜头d分别由四组共六片镜片和光阑构成，第一组为单凸透镜片，第二组和第三组为双胶合镜片，第四组为单凸透镜片；光阑位于第二组和第三组双胶合镜片之间，四组镜片在一个镜筒内部依次连接，四组镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
所述的微距镜头组单元a与微距镜头组单元b之间设有一个或者多个微距镜头组单元。
所述的微距镜头a与微距镜头b的放大倍率为1×。
所述的微距镜头c与微距镜头d的放大倍率为0.5×。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明提供的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其F数可以达到1，成为磁约束聚变等离子体领域的最快速的成像系统；
(2)本发明可以提供明亮的视野，尤其适用于弱光成像探测；
(3)本发明具有成像分辨率高、光通量大及成本低的优势。
附图说明
图1为本发明所提供的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统示意图；
图中：1-前端成像物镜；2-中继微距镜头组；2.1-微距镜头组单元a；2.2-微距镜头组单元b；2.1.1-微距镜头a；2.1.2-微距镜头b；2.2.1--微距镜头c；2.2.2-微距镜头d；3-相机。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
如图1所示，本发明所提供的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，该系统包括前端成像物镜1、中继微距镜头组2和相机3，前端成像物镜1、中继微距镜头组2和相机3依次连接。前端成像物镜1对物方进行成像，该像经过中继微距镜头组2形成的长光路传至相机3的芯片，由相机3拍摄成像。
前端成像物镜1为定焦镜头，其镜头结构为双高斯物镜结构，其像方F数为1。前端成像物镜1由7组共11片镜片和光阑构成，其中第一组镜片为双胶合镜片，第二组为单凸透镜片，第三组和第四组为双胶合镜片，第五组为单凸透镜片(大曲率面为非球面镜)，第六组为双胶合镜片，最后一组为单凸透镜片(双面非球面)；光阑位于第三组和第四组双胶合镜片之间。7组共11片镜片以及光阑通过一个镜筒在内部依次连接，并且，镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
中继微距镜头组2包括微距镜头a2.1.1、微距镜头b2.1.2、微距镜头c2.2.1和微距镜头d2.2.2，前端成像物镜1与中继微距镜头组2的微距镜头a2.1.1连接。且微距镜头a2.1.1与微距镜头b2.1.2沿光轴对称放置，成为一个微距镜头组单元a2.1。微距镜头a2.1.1的放大倍率为1×，且微距镜头b2.1.2与微距镜头a2.1.1具有相同的放大倍率。微距镜头a2.1.1和微距镜头b2.1.2的光学结构为：由8组共10片镜片构成，第一组为单凹透镜片，第二组和第三组为双胶合镜片，第四组为单凹透镜片、第五组、第六组和第七组为单凸透镜片，第八组为单凹透镜片。微距镜头a2.1.1的8组共10片镜片由一个镜筒在内部依次连接，并且，镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
微距镜头c2.2.1和微距镜头d2.2.2构成微距镜头组单元b2.2，微距镜头d2.2.2与相机3连接。微距镜头c2.2.1与微距镜头d2.2.2具有相同的放大倍率(0.5×)且沿光轴对称式放置。微距镜头c2.2.1和微距镜头d2.2.2的光学结构为：由4组共6片镜片构成，第一组为单凸透镜片，第二组和第三组为双胶合镜片，第四组为单凸透镜片；光阑位于第二组和第三组双胶合镜片之间。微距镜头c2.2.1的4组共6片镜片由一个镜筒在内部依次连接，并且，镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
在微距镜头组单元a2.1与微距镜头组单元b2.2之间，可以放置多个微距镜头组单元。所有的微距镜头的工作F数为1，且微距镜头的个数决定了中继光路的总长度。整条光路通过精密的光机结构固定，并且，在镜头之间采用细螺纹结构调焦。本套成像系统可以实现的工作F数达到了1，为磁约束聚变等离子体领域中最快速的成像系统。
本发明从“光能传递”的角度，着力于单个光学传能单元(镜头)的大光圈设计，最终将每个传能单元有序拼接，形成高光通量和高分辨率的长光路成像系统。这很大程度地降低了长光路光学设计的难度。本发明不仅可以直接应用到磁约束聚变等离子体领域，它作为长光路图像传输的工具还适用于其他弱光成像的领域。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (10)

1.一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：该系统包括前端成像物镜(1)、中继微距镜头组(2)和相机(3)，前端成像物镜(1)、中继微距镜头组(2)和相机(3)依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的前端成像物镜(1)由七组共十一片镜片和光阑构成，其中第一组镜片为双胶合镜片，第二组为单凸透镜片，第三组和第四组为双胶合镜片，第五组为大曲率面为非球面镜的单凸透镜片，第六组为双胶合镜片，第七组为双面非球面的单凸透镜片，光阑位于第三组和第四组双胶合镜片之间，七组镜片以及光阑在镜筒内部依次连接，七组镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
3.根据权利要求2所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的中继微距镜头组(2)包括微距镜头组单元a(2.1)和微距镜头组单元b(2.2)，微距镜头组单元a(2.1)和微距镜头组单元b(2.2)依次连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头组单元a(2.1)包括微距镜头a(2.1.1)、微距镜头b(2.1.2)，微距镜头a(2.1.1)与微距镜头b(2.1.2)依次连接并沿光轴对称放置，微距镜头a(2.1.1)和前端成像物镜(1)连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头a(2.1.1)和微距镜头b(2.1.2)分别由八组共十片镜片构成，第一组为单凹透镜片，第二组和第三组为双胶合镜片，第四组为单凹透镜片，第五组、第六组和第七组为单凸透镜片，第八组为单凹透镜片，八组镜片在一个镜筒内部依次连接，八组镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
6.根据权利要求5所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头组单元b(2.2)包括微距镜头c(2.2.1)和微距镜头d(2.2.2)，微距镜头c(2.2.1)和微距镜头d(2.2.2)依次连接并沿光轴对称放置，微距镜头d(2.2.2)和相机(3)连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头c(2.2.1)和微距镜头d(2.2.2)分别由四组共六片镜片和光阑构成，第一组为单凸透镜片，第二组和第三组为双胶合镜片，第四组为单凸透镜片；光阑位于第二组和第三组双胶合镜片之间，四组镜片在一个镜筒内部依次连接，四组镜片之间的间隔距离通过镜筒内部的隔圈进行调节和固定。
8.根据权利要求7所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头组单元a(2.1)与微距镜头组单元b(2.2)之间设有一个或者多个微距镜头组单元。
9.根据权利要求8所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头a(2.1.1)与微距镜头b(2.1.2)的放大倍率为1×。
10.根据权利要求9所述的一种基于微距镜头中继光学的高画质快速成像系统，其特征在于：所述的微距镜头c(2.2.1)与微距镜头d(2.2.2)的放大倍率为0.5×。
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