CN100399099C - 一种用于点光源汇聚成像的光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明“一种用于点光源汇聚成像的光学镜头”属于光学技术，涉及对用于点光源汇聚成像光学镜头的改进。其特征在于，它由紧固螺钉[4]、镜筒[5]、非球面反射镜[6]、光阑[7]、球面反射镜[8]、球面反射镜紧固螺钉[9]、调整垫片[10]组成。本发明全部采用了反射镜光学元件，并利用了非球面光学设计技术，消除了采用透镜组存在的像差问题，获得的微小光点尺寸小，质量高。同时，结构简单，成本低，有利于装配加工和保证精度。

Description

一种用于点光源汇聚成像的光学镜头

技术领域

本发明属于光学技术，涉及对用于点光源汇聚成像光学镜头的改进。

背景技术

微小光点在光电测试领域有着独到的应用，如CCD敏感元的检测、红外探测器阵列元的检测、CPT电子枪性能测试、天体敏感器星体定位等。微小光点通常由特别设计的光学镜头***对点光源发出的光进行汇聚成像而得到。目前，国内外均采用平行光管，先把点光源发出的光束光变成平行光，然后再用汇聚透镜组对平行光进行汇聚得到微小光点。(如张清，“使平行光严格聚焦于一点的凸透镜”，安徽工业大学学报，Vol.18，No.2，2001：170-172；Born and Wolf，《Principles of Optics：Electromagnetic Theory of Propagation，Interference andDiffraction of Light，Seventh(Expanded)Edition》，CambridgeUniversity Press，1999)这种方式存在的问题是：一方面整个光学镜头***的结构比较复杂，另一方面，由于透镜固有的像差难以消除，往往很难获得理论设计的高质量的微小光点。

发明内容

本发明的目的是：针对目前国内外难以获得高质量微小光点的现状，提出一种用于点光源汇聚成像的、结构简单、可消除像差的光学镜头***，以获得高质量的微米级的微小光点，满足微小尺寸元件及天体敏感器高精度检测的需求。

本发明的技术方案是：一种用于点光源汇聚成像的光学镜头，其特征在于，它由紧固螺钉4、镜筒5、非球面反射镜6、光阑7、球面反射镜8、球面反射镜紧固螺钉9、调整垫片10组成，镜筒5由一个圆盘5a、与圆盘5a的圆周边缘连接为整体的圆环5b和位于圆盘5a的中心并与圆盘5a连接为整体的中心轴5c构成；在圆盘5a的中心有与圆盘5a同心的、由3～6段沿圆周均布的圆弧贯通槽组成的圆环形入瞳[1]，圆弧贯通槽的小圆弧直径r大于等于中心轴5c的直径，圆弧贯通槽的大圆弧直径R＝r+t，t为圆弧贯通槽的径向宽度，t＝5～10mm mm，相邻两段圆弧贯通槽端头之间的连接筋的宽度p＝1～3mm mm；在中心轴5c的端面中心有螺纹孔；在圆盘5a上有沿圆周均布的3～6个贯通的螺纹孔，在圆环5b上有沿圆周均布的3～6个贯通的螺纹孔，紧固螺钉4拧在上述螺纹孔内；圆环5b的端面为带有内螺纹的台阶端面，该台阶端面的大直径内圆带有内螺纹；非球面反射镜6为圆环形，其中心孔的直径大于入瞳[1]的大圆弧直径R，非球面反射镜6的外圆柱面与圆环5b的内圆柱面滑动配合，并被紧固螺钉4压紧，非球面反射镜6的左侧面为平面，贴靠在圆盘5a的右侧面上，非球面反射镜6的右侧面为凹下的非球面反射面；非球面反射镜6的轴向长度小于从圆盘5a的右侧面到圆环5b的台阶端面的距离；球面反射镜8是一个带有中心孔的圆环，其直径s＝20～30mm，球面反射镜8的左侧面为球面反射面，其右侧面为平面，球面反射镜紧固螺钉9穿过球面反射镜8的中心孔后拧进中心轴5c端面的螺纹孔内，将球面反射镜8固定在中心轴5c的端面上，调整垫片10位于中心轴5c的端面与球面反射镜8的左侧面之间；光阑7是一个圆筒，其左端面为带有外螺纹的台阶端面，其外螺纹与圆环5b端面的内螺纹啮合，光阑7的右侧面为一个带有中心光阑孔的、与圆筒连接为整体的光阑板，其光阑孔的直径D＝40～60mm；从位于入瞳[1]左侧光轴上的光源3发出的光线，经入瞳[1]入射到球面反射镜8的反射面上，经球面反射镜8的反射后入射到非球面反射镜6的反射面，经非球面反射镜6的反射后，穿过光阑7汇聚到光阑7右侧光轴上的汇聚点11。

本发明的优点是：本发明全部采用了反射镜光学元件，并利用了非球面光学设计技术，消除了采用透镜组存在的像差问题，获得的微小光点尺寸小，质量高。同时，结构简单，成本低，有利于装配加工和保证精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，本发明的光学镜头，其特征在于，它由紧固螺钉4、镜筒5、非球面反射镜6、光阑7、球面反射镜8、球面反射镜紧固螺钉9、调整垫片10组成。

镜筒5是整个镜头的载体，它由一个圆盘5a、与圆盘5a的圆周边缘连接为整体的圆环5b和位于圆盘5a的中心并与圆盘5a连接为整体的中心轴5c构成。在圆盘5a的中心有与圆盘5a同心的、由3～6段沿圆周均布的圆弧贯通槽组成的圆环形入瞳[1]，圆弧贯通槽的小圆弧直径r大于等于中心轴5c的直径，圆弧贯通槽的大圆弧直径R＝r+t，t为圆弧贯通槽的径向宽度，t＝5～10mm。相邻两段圆弧贯通槽端头之间的连接筋的宽度p＝1～3mm。这些连接筋的作用是将圆环5b和中心轴5c连接为整体。在中心轴5c的端面中心有螺纹孔。在圆盘5a上有沿圆周均布的3～6个贯通的螺纹孔，在圆环5b上有沿圆周均布的3～6个贯通的螺纹孔，紧固螺钉4拧在上述螺纹孔内。位于圆盘5a上的紧固螺钉4的作用是对非球面反射镜6的位置进行微调。圆环5b的端面为带有内螺纹的台阶端面，该台阶端面的大直径内圆带有内螺纹。

非球面反射镜6为圆环形，其中心孔的直径大于入瞳[1]的大圆弧直径R，非球面反射镜6的外圆柱面与圆环5b的内圆柱面滑动配合，并被紧固螺钉4压紧，非球面反射镜6的左侧面为平面，贴靠在圆盘5a的右侧面上，非球面反射镜6的右侧面为凹下的非球面反射面。非球面反射镜6的轴向长度小于从圆盘5a的右侧面到圆环5b的台阶端面的距离。

球面反射镜8是一个带有中心孔的圆环，其直径s＝20～30mm，球面反射镜8的左侧面为球面反射面，其右侧面为平面，球面反射镜紧固螺钉9穿过球面反射镜8的中心孔后拧进中心轴5c端面的螺纹孔内，将球面反射镜8固定在中心轴5c的端面上，调整垫片10位于中心轴5c的端面与球面反射镜8的左侧面之间。

光阑7是一个圆筒，其左端面为带有外螺纹的台阶端面，其外螺纹与圆环5b端面的内螺纹啮合，光阑7的右侧面为一个带有中心光阑孔的、与圆筒连接为整体的光阑板，其光阑孔的直径D＝40～60mm。

从位于入瞳[1]左侧光轴上的光源3发出的光线，经入瞳[1]入射到球面反射镜8的反射面上，经球面反射镜8的反射后入射到非球面反射镜6的反射面，经非球面反射镜6的反射后，穿过光阑7汇聚到光阑7右侧光轴上的汇聚点11。

所说的非球面反射镜6的非球面反射面为高次非球面，可以采用如下方程：

$z=\frac{c{x}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{x}^2+a_2{x}^4+a_3{x}^6,$ 式中：

$c=\frac{1}{60.47732},$ 常数；

k＝0.01641094，常数；

a₁＝4.966437×10^-5，二次项系数；

a₂＝1.4413332×10^-9，四次项系数；

a₃＝8.5087897×10^-14，六次项系数；

所说的球面反射镜8的球面反射面的球半径为20～30mm。

所说的非球面反射镜6和球面反射镜8可以为玻璃反射镜，在其反射面上镀有反射膜；或者，所说的非球面反射镜6和球面反射镜8为铝制反射镜，其反射面为抛光面。

实施例。

本发明的一个实施例中，镜头的各项设计参数为：

物距：600mm

像距：19.35mm

像方焦距：20.23mm

入瞳的大圆弧直径：24.90mm

入瞳的小圆弧直径：10.90mm

入瞳圆弧贯通槽的径向宽度：7.00mm

连接筋的宽度：1.50mm

球面反射镜圆环的直径：26.20mm

球面反射镜的球半径：25.32mm

入瞳圆弧贯通槽的个数：3个

在圆盘5a上沿圆周均布6个贯通的M5螺纹孔

在圆环5b上沿圆周均布6个贯通的M5螺纹孔

轴上点弥散斑直径：小于10.00μm

直径0.40mm点光源汇聚成像大小：7.81μm

Claims (3)

1.一种用于点光源汇聚成像的光学镜头，其特征在于，它由紧固螺钉[4]、镜筒[5]、非球面反射镜[6]、光阑[7]、球面反射镜[8]、球面反射镜紧固螺钉[9]、调整垫片[10]组成，镜筒[5]由一个圆盘[5a]、与圆盘[5a]的圆周边缘连接为整体的圆环[5b]和位于圆盘[5a]的中心并与圆盘[5a]连接为整体的中心轴[5c]构成；在圆盘[5a]的中心有与圆盘[5a]同心的、由3～6段沿圆周均布的圆弧贯通槽组成的圆环形入瞳[1]，圆弧贯通槽的小圆弧直径r大于等于中心轴[5c]的直径，圆弧贯通槽的大圆弧直径R＝r+t，t为圆弧贯通槽的径向宽度，t＝5～10mm，相邻两段圆弧贯通槽端头之间的连接筋的宽度p＝1～3mm；在中心轴[5c]的端面中心有螺纹孔；在圆盘[5a]上有沿圆周均布的3～6个贯通的螺纹孔，在圆环[5b]上有沿圆周均布的3～6个贯通的螺纹孔，紧固螺钉[4]拧在上述螺纹孔内；圆环[5b]的端面为带有内螺纹的台阶端面，该台阶端面的大直径内圆带有内螺纹；非球面反射镜[6]为圆环形，其中心孔的直径大于入瞳[1]的大圆弧直径R，非球面反射镜[6]的外圆柱面与圆环[5b]的内圆柱面滑动配合，并被紧固螺钉[4]压紧，非球面反射镜[6]的左侧面为平面，贴靠在圆盘[5a]的右侧面上，非球面反射镜[6]的右侧面为凹下的非球面反射面；非球面反射镜[6]的轴向长度小于从圆盘[5a]的右侧面到圆环[5b]的台阶端面的距高；球面反射镜[8]是一个带有中心孔的圆环，其直径s＝20～30mm，球面反射镜[8]的左侧面为球面反射面，其右侧面为平面，球面反射镜紧固螺钉[9]穿过球面反射镜[8]的中心孔后拧进中心轴[5c]端面的螺纹孔内，将球面反射镜[8]固定在中心轴[5c]的端面上，调整垫片[10]位于中心轴[5c]的端面与球面反射镜[8]的左侧面之间；光阑[7]是一个圆筒，其左端面为带有外螺纹的台阶端面，其外螺纹与圆环[5b]端面的内螺纹啮合，光阑[7]的右侧面为一个带有中心光阑孔的、与圆筒连接为整体的光阑板，其光阑孔的直径D＝40～60mm；从位于入瞳[1]左侧光轴上的光源[3]发出的光线，经入瞳[1]入射到球面反射镜[8]的反射面上，经球面反射镜[8]的反射后入射到非球面反射镜[6]的反射面，经非球面反射镜[6]的反射后，穿过光阑[7]汇聚到光阑[7]右侧光轴上的汇聚点[2]。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所说的非球面反射镜[6]的非球面反射面为高次非球面，其方程为：

$z=\frac{c{x}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{x}^2+a_2{x}^4+a_3{x}^6,$ 式中：

$c=\frac{1}{60.47732},$ 常数；

k＝0.01641094，常数；

a₁＝4.966437×10^-5，二次项系数；

a₂＝1.4413332×10^-9，四次项系数；

a₃＝8.5087897×10^-14，六次项系数；

所说的球面反射镜[8]的球面反射面的球半径为20～30mm。

3.根据权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，所说的非球面反射镜[6]和球面反射镜[8]为玻璃反射镜，在其反射面上镀有反射膜；或者，所说的非球面反射镜[6]和球面反射镜[8]为铝制反射镜，其反射面为抛光面。

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