CN218272891U - 一种短距离探测近红外望远镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种短距离探测近红外望远镜，为同轴透射式光学系统，工作波段为740nm～1440nm，包括一块窗口玻璃以及八块球面透镜。沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四负弯月透镜、孔径光阑、第五正双凸透镜、第六负弯月透镜、第七负弯月透镜、第八负弯月透镜、第九正双凸透镜。本实用新型适用近红外波段为740nm～1440nm；适用于短探测距离1000mm～1500mm；视角大、球差与畸变小；像方远心系统使得像面照度均匀，并容易与光谱仪分光系统拼接；在‑10～40℃范围内，成像质量接近衍射极限；能量利用率高、集光本领强、热适应性好、装调检测容易。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种短距离探测近红外望远镜。
背景技术
随着科技发展，红外系统被广泛应用于民生与国防领域。光谱成像系统是一种可同时获得目标图像和光谱信息的成像系统，一般由望远镜镜头系统和分光系统组成。由于自然界中的植被、农产品、地表、大气和矿物质在近红外波段发射率较好，近红外光谱仪广泛应用于植被分析、气候变化监测、农作物估产、物质成份分析等方面。
目前国内红外镜头多采用非球面，结构和系统都较为复杂，而且与分光系统拼接后像质较差。因此开发出一款适合近红外光谱仪系统的望远镜头尤为重要。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种短距离探测，成像质量高，热稳定性好，可应用于光谱仪系统，且工作于近红外波段的消热差像方远心镜头。
为了达到目的，本实用新型提供一种短距离探测近红外望远镜，所述望远镜为透射式光学系统，其光学系统的结构为同轴结构，全部透镜均为球面面型；沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四负弯月透镜、孔径光阑、第五正双凸透镜、第六负弯月透镜、第七负弯月透镜、第八负弯月透镜、第九正双凸透镜；像方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上；沿光线入射方向，所述各透镜的焦距依次对应
、
、
、
、
，它们相对望远镜焦距
的归一化值分别对应为
0、-4.0
-3.0、5
6、-5
-4、0.5
1.5、-4.0
-3.0、-8
-7、-2
-1、0.3
1。
进一步地，所述望远镜的透镜材质包括硫系玻璃、石英系列、氟化物中的任意三种。
进一步地，沿光线入射方向，各透镜的折射率依次对应为
、
、
、
、
，对应的取值范围分别为
、
、2.0
、
、
。
进一步地，所述望远镜工作波段为760nm～1440nm、工作温度范围为-10℃~40℃，所述望远镜适用探测距离为1000mm～1500mm
进一步地，所述望远镜的最大视场角为35.6°。
进一步地，所述望远镜的最大相对孔径为F/3.3。
进一步地，所述望远镜中透镜最大口径小于11.2mm，窗口玻璃最大口径小于15mm。
进一步地，所述望远镜中透镜最大焦距为7.5mm。
进一步地，所述望远镜可适用于探测器分辨率640×512，像元大小15μm。
进一步地，所述望远镜具有像方远心特性。
与现有技术相比，本实用新型优势在于：本实用新型提供的近红外望远镜适用于740nm～1440nm波段，适用温度-10～40℃，适用距离1000mm～1500mm，MTF＞0.799@33.4lp/mm，像质接近光学衍射极限，并具有像方远心性质，保证了像面照度均匀，同时易于与光谱仪分光系统进行拼接，望远镜视场角可达35.6°，增大了成像范围，实现一次性收集更多目标信息；可应用于用于无损检测、农业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文学等领域。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的短距离探测近红外望远镜的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的望远镜在1000mm探测距离，-10℃下的调制传递函数曲线图（截止频率33.4lp/mm）；
图3为本实用新型实施例提供的望远镜在1500mm探测距离，-10℃下的调制传递函数曲线图（截止频率33.4lp/mm）；
图4为本实用新型实施例提供的望远镜在1000mm探测距离，20℃下的调制传递函数曲线图（截止频率33.4lp/mm）；
图5为本实用新型实施例提供的望远镜在1500mm探测距离，20℃下的调制传递函数曲线图（截止频率33.4lp/mm）；
图6为本实用新型实施例提供的望远镜在1000mm探测距离，40℃下的调制传递函数曲线图（截止频率33.4lp/mm）；
图7为本实用新型实施例提供的望远镜在1500mm探测距离，40℃下的调制传递函数曲线图（截止频率33.4lp/mm）；
图8为本实用新型实施例提供的望远镜在1000mm探测距离，-10℃下的点列图；
图9为本实用新型实施例提供的望远镜在1500mm探测距离，-10℃下的点列图；
图10为本实用新型实施例提供的望远镜在1000mm探测距离，20℃下的点列图；
图11为本实用新型实施例提供的望远镜在1500mm探测距离，20℃下的点列图；
图12为本实用新型实施例提供的望远镜在1000mm探测距离，40℃下的点列图；
图13为本实用新型实施例提供的望远镜在1500mm探测距离，40℃下的点列图；
图14为本实用新型实施例提供的望远镜的场曲畸变图；
图15为本实用新型实施例提供的望远镜的相对照度图。
具体实施方式
下面根据附图，通过具体的实施例对本实用新型做进一步说明。
实施例1
本实施例本提供一种近红外波段消热差像方远心望远镜，该望远镜为透射式光学系统，其光学系统的结构为同轴结构，其工作于近红外波段740nm~1440nm，探测距离为1000mm~1500mm，工作温度范围为-10℃~40℃，焦距为7.5mm，F/#为3.3，全视场为35.6°，适用于探测器分辨率640×512，像元大小15μm。
参见附图1，它是本实施例所提供的近红外的望远镜示意图，本近红外望远镜为透射式光学系统，其光学系统的结构为同轴结构，全部透镜均为球面面型。沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片1、第二负弯月透镜2、第三正弯月透镜3、第四负弯月透镜4、孔径光阑5、第五正双凸透镜6、第六负弯月透镜7、第七负弯月透镜8、第八负弯月透镜9、第九正双凸透镜10、像面11。像方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上；沿光线入射方向，各透镜的焦距依次对应
、
、
、
、
，它们相对望远镜焦距
的归一化值分别对应为
0、-4.0
-3.0、5
6、-5
-4、0.5
1.5、-4.0
-3.0、-8
-7、-2
-1、0.3
1。各透镜的折射率依次对应为
、
、
、
、
，对应的取值范围分别为
、
、2.0
、
、
。其中，透镜最大口径小于11.2mm，窗口玻璃最大口径小于15mm，透镜最大焦距为7.5mm。更为优选地，望远镜的透镜材质包括硫系玻璃、石英系列、氟化物中的任意三种。
利用消热差与消像差理论，选用了透过率较高的红外光学玻璃材料，使得成像质量在一定温度范围内接近光学衍射极限。
将光阑置于后组透镜前焦面上，使望远镜具有像方远心的特性，即像方光线垂直入射到像面上，可保证像面照度均匀。同时像方远心光路较容易与分光系统进行拼接，组成新的光谱仪系统。
望远镜第一块为窗口保护玻璃，根据实际情况选用，望远镜最后一块透镜后表面与像面留有足够的空间，用于放置探测器。透镜全部采用球面面型，系统采用同心同轴，降低了加工与制造成本、检测难度，且易于装调。
用于短距离探测近红外望远镜各透镜，本实施例提供一个优选的方案，具体数据及所采用的材料参见表1。
表1 镜头的光学结构参数
参见附图2~7，本实施例光学系统在-10℃、20℃、40℃下，调制传递函数（MTF）曲线，探测器像元大小为15μm×15μm，在奈奎斯特频率33.4lp/mm处，系统的MTF在不同温度下保持稳定，均大于0.799，成像质量接近光学衍射极限。
参见附图8~13，本实施例光学系统在-10℃、20℃、40℃下，光线追迹得到像平面上的点列图，图中的圆代表系统衍射艾里斑。各视场点列图能量均集中在艾里斑范围内，具有良好的成像质量。
参见附图14，本实施例光学系统的场曲畸变图，畸变小于1.32%，图像不会失真。
参见附图15，本实施例光学系统的相对照度曲线图，可见像面相对照度均匀，边缘视场的相对照度值接近1。
由上述可知，本实用新型提供的短距离探测近红外望远镜，在-10℃~40℃下，探测距离1000mm~1500mm范围内，具有较好的成像质量。
最后需要注意的是：上述实施例仅用于说明本实用新型专利，并非限制本实用新型专利所描述的技术方案。因此，虽然本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细说明，但本领域的技术人员应当理解，仍可以对本实用新型进行修改；而一切不脱离本实用新型范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜为透射式光学系统，其光学系统的结构为同轴结构，全部透镜均为球面面型；沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片（1）、第二负弯月透镜（2）、第三正弯月透镜（3）、第四负弯月透镜（4）、孔径光阑（5）、第五正双凸透镜（6）、第六负弯月透镜（7）、第七负弯月透镜（8）、第八负弯月透镜（9）、第九正双凸透镜（10）；像方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上；沿光线入射方向，所述各透镜的焦距依次对应
、
、
、
、
，它们相对望远镜焦距
的归一化值分别对应为
0、-4.0
-3.0、5
6、-5
-4、0.5
1.5、-4.0
-3.0、-8
-7、-2
-1、0.3
1。
2.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜的透镜材质包括硫系玻璃、石英系列、氟化物中的任意三种。
3.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：沿光线入射方向，各透镜的折射率依次对应为
、
、
、
、
，对应的取值范围分别为
、
、2.0
、
、
。
4.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜工作波段为740nm～1440nm、工作温度范围为-10℃~40℃，所述望远镜适用探测距离范围为1000mm～1500mm。
5.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜的最大视场角为35.6°。
6.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜的最大相对孔径为F/3.3。
7.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜中透镜最大口径小于11.2mm，窗口玻璃最大口径小于15mm。
8.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜中透镜最大焦距为7.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜可适用于探测器分辨率640×512，像元大小15μm。
10.根据权利要求1所述的一种短距离探测近红外望远镜，其特征在于：所述望远镜具有像方远心特性。
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