CN116449542B - 大视场高精度紫外成像镜头 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了大视场高精度紫外成像镜头。该紫外成像镜头从物侧至像侧依次包括滤光片、紫外探测像面双高斯光学系统，由从物侧至像侧依次包括同轴设置的前镜组、孔径光阑和后镜组，这样目标发出的光束经过所述的双高斯光学系统，由渐变滤光片滤光后，被紫外探测像面所接收以进行光谱分析，进而能够满足紫外成像高分辨率，大视场和高精度的使用需求。
Description
技术领域
本申请涉及紫外光学镜头的技术领域，尤其涉及大视场高精度紫外成像镜头。
背景技术
大视场紫外成像镜头可用于临近空间尘埃等离子体探测，通过散射角度对单个夜光云进行多次曝光，以消除信号的瑞利散射成分，确定夜光云的存在，提供夜光云的空间形态。由于地球的平流层和中间层中臭氧的吸收导致在Hartley波段的峰值255nm附近的大气和表面辐亮度最小，大气中该波段的背景辐射不明显，利用紫外成像镜头探测200-280nm波段的紫外辐射确定夜光云的位置和形态，可以轻松实现无太阳光干扰的清晰成像。选择265nm作为镜头的中心波长。紫外成像对镜头的一些指标有着严格的限制，一般要求紫外镜头大视场、高精度、高能量等，针对上述问题深入研究，遂有本案产生。
发明内容
有鉴于此，本申请所公开大视场高精度紫外成像镜头，能够满足紫外成像高分辨率，大视场和高精度的使用需求。
本申请提供一种大视场高精度紫外成像镜头，包括：
双高斯光学系统，由从物侧至像侧依次包括同轴设置的前镜组、孔径光阑和后镜组；
滤光片，用以对由经过所述双高斯光学系统进行滤光处理；
紫外探测像面，用以接收已经过所述滤光处理的光束进行光谱分析。
可选地，所述前镜组从物侧至像侧依次包括同轴设置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜和具有正光焦度的第四透镜。
可选地，所述后镜组从物侧至像侧依次包括同轴设置的、具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜和具有负光焦度的第九透镜。
可选地，所述第一透镜为凸凹透镜，第二透镜为凸凹透镜，第三透镜为双凹透镜，第四透镜为双凸透镜。
可选地，所述第五透镜为双凸透镜，第六透镜为双凸透镜，第七透镜为凹凸透镜，第八透镜为凹凸透镜，第九透镜为凹凸透镜。
可选地，所述滤光片被配置成可透过200-280nm光束。
可选地，所述第一透镜、第四透镜材质均为氟化钙，或者均为石英。
可选地，所述第二透镜、第三透镜材质均为融石英，或者均为氟化钙。
可选地，所述第五透镜、第六透镜、第八透镜、第九透镜材质均为氟化钙，或者均为石英。
可选地，所述第七透镜材质为融石英或者氯化钙。
以上所公开大视场高精度紫外成像镜头，从物侧至像侧依次包括滤光片、探测器双高斯光学系统，由从物侧至像侧依次包括同轴设置的前镜组、孔径光阑和后镜组，这样目标发出的光束经过所述的双高斯光学系统，由渐变滤光片滤光后，被紫外探测像面所接收以进行光谱分析，进而能够满足紫外成像高分辨率，大视场和高精度的使用需求。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例所公开的第一种紫外成像镜头双高斯系统的光路图。
图2为本申请实施例所公开的第一种紫外成像镜头光学系统调制传递函数曲线图。
图3为本申请实施例所公开的第一种紫外成像镜头光学系统场曲和畸变曲线图。
图4为本申请实施例所公开的第一种紫外成像镜头的点列图。
图5为本申请实施例所公开的第二种紫外成像镜头双高斯系统的光路图
图6为本申请实施例所公开的第二种紫外成像镜头光学系统调制传递函数曲线图。
图7为本申请实施例所公开的第二种紫外成像镜头光学系统场曲和畸变曲线图。
图8为本申请实施例所公开的第二种紫外成像镜头点列图。
其中，图中元件标识如下：
1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜3，4-第四透镜，5-第五透镜，6-第六透镜，7-第七透镜，8-第八透镜，9-第九透镜，10-孔径光阑，11-平板玻璃。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
【实施例1】
参考图1，本实施例的第一种紫外成像镜头从物侧到像侧依此包括：具有负光焦度的第一透镜1、具有正光焦度的第二透镜2、具有负光焦度的第三透镜3、具有正光焦度的第四透镜4、孔径光阑10、具有正光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6、具有负光焦度的第七透镜7、具有负光焦度的第八透镜8、具有负光焦度的第九透镜9、平板玻璃11、紫外探测像面。
其中第一透镜1为凸凹透镜、第二透镜2为凸凹透镜、第三透镜3为双凹透镜、第四透镜4为双凸透镜、第五透镜5为双凸透镜、第六透镜6为双凸透镜、第七透镜7为凹凸透镜、第八透镜8为凹凸透镜、第九透镜9为凹凸透镜，透镜之间的间隔为空气。
本例中，第一透镜1前表面半径为39.359mm，第一透镜1后表面半径为18.486mm；第二透镜2前表面半径为23.941mm，第二透镜2后表面半径为65.556mm；第三透镜3前表面半径为-52.009mm，第三透镜3后表面半径为6.271mm；第四透镜4前表面半径为6.271mm，第四透镜4后表面半径为-126.899mm；第五透镜5前表面半径为11.563mm，第五透镜5后表面半径为-88.937mm；第六透镜6前表面半径为40.871mm，第六透镜6后表面半径为-6.011mm；第七透镜7前表面半径为-6.011mm，第七透镜7后表面半径为-26.083mm；第八透镜8前表面半径为-10.991mm，第八透镜8后表面半径为-23.196mm；第九透镜9前表面半径为-8.731mm，第九透镜9后表面半径为-33.191mm。
第一透镜1前表面与后表面中心距为2mm，第一透镜1后表面与第二透镜2前表面中心距为8.907mm；第二透镜2前表面与后表面中心距为4.049mm，第二透镜2后表面与第三透镜3前表面中心距为14.942mm；第三透镜3前表面与后表面中心距为6mm，第三透镜3后表面与第四透镜4前表面中心距为0mm；第四透镜4前表面与后表面中心距为5.998mm，第四透镜4后表面与孔径光阑10中心距为0.400mm；孔径光阑10与第五透镜5前表面中心距为0.400mm；第五透镜5前表面与后表面中心距为3.318mm，第五透镜5后表面与第六透镜6前表面中心距为1.307mm；第六透镜6前表面与后表面中心距为6mm，第六透镜6后表面与第七透镜7前表面中心距为0mm；第七透镜7前表面与后表面中心距为2mm，第七透镜7后表面与第八透镜8前表面中心距为4.034mm；第八透镜8前表面与后表面中心距为2mm，第八透镜8后表面与第九透镜9前表面中心距为4.310mm；第九透镜9前表面与后表面中心距为1.999mm，第九透镜9后表面与平板玻璃11中心距为3mm；平板玻璃11厚1mm，后表面与像面中心距为0.4mm。
本例中，第一透镜1机械半直径为18.614mm；第二透镜2机械半直径为13.904mm；第三透镜3机械半直径为6.425mm；第四透镜4机械半直径为6.425mm；孔径光阑10机械半直径为2.840mm；第五透镜5机械半直径为3.633mm；第六透镜6机械半直径为5.933mm；第七透镜7机械半直径为5.933mm；第八透镜8机械半直径为7.122mm；第九透镜9机械半直径为9.794mm；平板玻璃11机械半直径为14.478mm。
本例中，紫外成像镜头系统焦距为24.85mm，F数为5，全视场为60°，属于大视场成像镜头。
综合考虑成本和易加工性，本例中紫外成像镜头的材料选择融石英和氟化钙，由三个融石英透镜、六个氟化钙（CaF2）透镜组成。设计完成的透镜组形式如图1所示。其中第一透镜1、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第八透镜8、第九透镜9材质为氟化钙，第二透镜2、第三透镜3、第七透镜7材质为融石英。第三透镜3与第四透镜4，第六透镜6与第七透镜7均采用双胶合结构，便于镜头装配。光阑设置在第四透镜4与第五透镜5中间。所有透镜均使用球面透镜，有效减少了生产成本，降低了加工损耗。
参考图2，其为紫外成像镜头光学系统调制传递函数曲线图。调制传递函数表示调制度与图像内每毫米线对数(lp/mm)之间的关系，反映了一个正弦目标经过被测系统后强弱变化的情况，用来综合评价镜头的成像质量。该图中七条曲线由上至下依次为0子午（或0弧矢）、16弧矢、22弧矢、16子午、31弧矢、22子午、31子午。
由该图可知，镜头成像质量高，在全视场范围内，在截止频率50线对每毫米处的调制传递函数优于0.7，且各个视场的调制传递函数曲线非常集中，分辨率高。
参考图3，其为紫外成像镜头光学系统场曲和畸变曲线图，表示了光学系统场曲和畸变与波长和视场的关系。该图中六条曲线由左至右依次为0.258弧矢、0.265弧矢、0.273弧矢、0.258子午、0.265子午、0.273子午。子午场曲和弧矢场曲均小于0.05mm，最大畸变值优于1%，系统成像保真度高。
参考图4，其为紫外成像镜头的点列图。点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，其中不同形状的点表示不同波长。由该图可知，本实施例的各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于4μm，像点质心集中，探测精度高。
【实施例2】
参考图5，本实施例的第二种紫外成像镜头从物侧到像侧依此包括：具有正光焦度的第一透镜1、具有负光焦度的第二透镜2、具有负光焦度的第三透镜3、具有正光焦度的第四透镜4、孔径光阑10、具有负光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6、具有负光焦度的第七透镜7、具有正光焦度的第八透镜8、具有负光焦度的第九透镜9、平板保护玻璃、紫外探测像面。
其中第一透镜1为凸凹透镜、第二透镜2为凸凹透镜、第三透镜3为双凸透镜、第四透镜4为凹凸透镜、第五透镜5为凸凹透镜、第六透镜6为双凸透镜、第七透镜7为双凸透镜、第八透镜8为凹凸透镜，透镜之间的间隔为空气。
本例中，第一透镜1前表面半径为27.114mm，第一透镜1后表面半径为48.465mm；第二透镜2前表面半径为120.712mm，第二透镜2后表面半径为12.714mm；第三透镜3前表面半径为14.772mm，第三透镜3后表面半径为-14.387mm；第四透镜4前表面半径为-13.077mm，第四透镜4后表面半径为-101.100mm；第五透镜5前表面半径为41.460mm，第五透镜5后表面半径为12.327mm；第六透镜6前表面半径为10.148mm，第六透镜6后表面半径为-7.679mm；第七透镜7前表面半径为-7.123mm，第七透镜7后表面半径为-25.684mm；第八透镜8前表面半径为28.913mm，第八透镜8后表面半径为-391.092mm；第八透镜8前表面半径为-8.670mm，第九透镜9后表面半径为-161.709mm。
本例中，第一透镜1前表面与后表面中心距为4.276mm，第一透镜1后表面与第二透镜2前表面中心距为1.315mm；第二透镜2前表面与后表面中心距为3.000mm，第二透镜2后表面与第三透镜3前表面中心距为16.305mm；第三透镜3前表面与后表面中心距为3.917mm，第三透镜3后表面与第四透镜4前表面中心距为0.228mm；第四透镜4前表面与后表面中心距为3.000mm，第四透镜4后表面与孔径光阑10中心距为0.200mm；孔径光阑10与第五透镜5前表面中心距为0.200mm；第五透镜5前表面与后表面中心距为3.000mm，第五透镜5后表面与第六透镜6前表面中心距为0.200mm；第六透镜6前表面与后表面中心距为4.798mm，第六透镜6后表面与第七透镜7前表面中心距为0.363mm；第七透镜7前表面与后表面中心距为3.000mm，第七透镜7后表面与第八透镜8前表面中心距为1.535mm；第八透镜8前表面与后表面中心距为5.477mm，第八透镜8后表面与第九透镜9前表面中心距为3.385mm；第九透镜9前表面与后表面中心距为3.000mm，第九透镜9后表面与平板玻璃11中心距为6.000mm；平板玻璃11厚1mm，后表面与像面中心距为0.801mm。
本例中，第一透镜1机械半直径为14.376mm；第二透镜2机械半直径为13.050mm；第三透镜3机械半直径为5.638mm；第四透镜4机械半直径为4.757mm；孔径光阑10机械半直径为3.475mm；第五透镜5机械半直径为3.306mm；第六透镜6机械半直径为4.113mm；第七透镜7机械半直径为5.106mm；第八透镜8机械半直径为6.401mm；第九透镜9机械半直径为8.930mm；平板玻璃11机械半直径为13.586mm。
本例中，紫外成像镜头系统焦距为24.85mm，F数为5，全视场为60°，属于大视场成像镜头。
本例中紫外成像镜头选择石英和氟化钙，由六个石英透镜、三个氟化钙（CaF2）透镜，一个石英平板保护玻璃组成。设计完成的透镜组形式如图1所示。其中第一透镜1、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第八透镜8、第九透镜9为石英，第二透镜2、第三透镜3、第七透镜7材质为氟化钙。光阑设置在第四透镜4与第五透镜5中间。所有透镜均使用球面透镜，没有采用双胶合等结构，有效减少了生产成本，降低了加工损耗。
参考图6，其为紫外成像镜头光学系统调制传递函数曲线图。调制传递函数表示调制度与图像内每毫米线对数(lp/mm)之间的关系，反映了一个正弦目标经过被测系统后强弱变化的情况，用来综合评价镜头的成像质量。该图中七条曲线从上至下依次为21弧矢、15弧矢、0子午（或0弧矢）、15子午、21子午、30弧矢、30子午。镜头成像质量高，在全视场范围内，在截止频率50线对每毫米处的调制传递函数优于0.42，且各个视场的调制传递函数曲线非常集中，分辨率高。
参考图7，其为紫外成像镜头光学系统场曲和畸变曲线图，表示了光学系统场曲和畸变与波长和视场的关系。该图中六条曲线由左至右依次为0.255弧矢、0.265弧矢、0.255子午、0.275弧矢、0.265子午、0.275子午。子午场曲和弧矢场曲均小于0.2mm，最大畸变值优于1%，系统成像保真度高。
参考图8，其为紫外成像镜头的点列图。点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，其中不同形状的点表示不同波长。由该图可知，本实施例的各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于10μm，像点质心集中，探测精度高。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，包括：
双高斯光学系统，由从物侧至像侧依次包括同轴设置的前镜组、孔径光阑和后镜组；所述后镜组从物侧至像侧依次包括同轴设置的具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜和具有负光焦度的第九透镜；
滤光片，用以对由经过所述双高斯光学系统进行滤光处理；
紫外探测像面，用以接收已经过所述滤光处理的光束进行光谱分析。
2.根据权利要求1所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述前镜组从物侧至像侧依次包括同轴设置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜和具有正光焦度的第四透镜。
3.根据权利要求2所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜为凸凹透镜，第二透镜为凸凹透镜，第三透镜为双凹透镜，第四透镜为双凸透镜。
4.根据权利要求1所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述第五透镜为双凸透镜，第六透镜为双凸透镜，第七透镜为凹凸透镜，第八透镜为凹凸透镜，第九透镜为凹凸透镜。
5.根据权利要求1所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述滤光片被配置成可透过200-280nm光束。
6.根据权利要求2所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第四透镜材质均为氟化钙，或者均为石英。
7.根据权利要求2所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜、第三透镜材质均为融石英，或者均为氟化钙。
8.根据权利要求1所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述第五透镜、第六透镜、第八透镜、第九透镜材质均为氟化钙，或者均为石英。
9.根据权利要求1所述大视场高精度紫外成像镜头，其特征在于，所述第七透镜材质为融石英或者氯化钙。
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