CN111061047B - 一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头及光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头及光学***，大相对孔径长焦距日盲紫外镜头包括由物方到像方依次排列的第一透镜、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，其光学***还包括位于第四、第五透镜之间的孔径光阑及第八透镜后侧的紫外探测像面，其中，第一、第七透镜均为负光焦度凸凹透镜，第二、第四和第六透镜均为正光焦度双凸透镜，第三透镜为负光焦度平凹透镜，第五透镜为负光焦度双凹透镜，第八透镜为正光焦度凸凹透镜。本发明的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***具有快焦比、长焦距、高分辨率、高精度探测等优点，适用于日盲紫外光谱区的紫外告警、电晕检测和森林防火等方面的光电探测***应用。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头及光学***。
背景技术
紫外光电成像探测技术在森林防火、刑事侦察、电晕检测及告警技术等方面具有非常重要的应用。紫外镜头是紫外光电成像探测***中的重要组成部分，通常将波长处于200nm至300nm的紫外辐射称为日盲紫外光谱区，该波段的太阳光辐射几乎被地球臭氧层全部吸收，使得在大气层中该波段的背景辐射几乎为零，从而形成了天然的紫外探测窗口，具有低背景噪声的独特优势，日盲紫外光谱区的紫外镜头也因此得到了研究人员的广泛关注。宋姗姗等人在《日盲紫外告警光学***设计》（激光与光电子学进展，2013，50(10)：102203）中利用非球面与二元光学元件设计了一个小相对孔径、短焦距、结构相对简单的日盲紫外告警***，但难以实现高分辨率成像，另外，由于该***采用了非球面与二元光学元件，增加了加工难度；曹桂丽等人在《大相对孔径长焦距的紫外告警光学***设计》（激光与光电子学进展，2019，56(12)：122203）中基于准像方远心光学的方式设计了一个紫外告警光学***，该***具有大相对孔径和长焦距的特点，但最大视场的像点弥散斑半径均方根值接近50微米，仅适用于含有大像元的紫外探测器***；由于紫外光电成像探测***属于弱光探测，需要有大相对孔径的特点，并且还要兼具高成像性能。鉴于常用的紫外波段光学材料较少，主要有熔石英、氟化钙和氟化镁，***的色差对***成像性能有较大影响，因而，现有大部分日盲紫外镜头难以兼具大相对孔径、长焦距和高分辨率、高精度探测的特征。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头及光学***，该大相对孔径长焦距日盲紫外光学***具有快焦比、长焦距和高分辨率、高精度探测等优点，适用于日盲紫外光谱区的紫外告警、电晕检测和森林防火等方面的光电探测***应用。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头，包括八片球面透镜，八片球面透镜由物方到像方依次排列的第一透镜、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，第一透镜为负光焦度凸凹透镜，第二透镜为正光焦度双凸透镜，第三透镜为负光焦度平凹透镜，第四透镜为正光焦度双凸透镜，第五透镜为负光焦度双凹透镜，第六透镜为正光焦度双凸透镜，第七透镜为负光焦度凸凹透镜，第八透镜为正光焦度凸凹透镜。
进一步地，所述第一透镜、第三透镜、第五透镜、第七透镜均采用熔石英材料，所述第二透镜、第四透镜、第六透镜和第八透镜均采用氟化钙材料。
进一步地，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表面均为球面，各个透镜之间的间隔为空气。
进一步地，从物方到像方，所述第一透镜的前表面半径为76.270mm，第一透镜的后表面半径为39.090mm，所述第二透镜的前表面半径为46.540mm，第二透镜的后表面半径为-88.134mm，所述第三透镜的前表面半径为-71.211mm，第三透镜的后表面半径为平面，所述第四透镜的前表面半径为41.921mm，第四透镜的后表面半径为-96.555mm，所述第五透镜的前表面半径为-150.394mm，第五透镜的后表面半径为30.545mm，所述第六透镜的前表面半径为108.799mm，第六透镜的后表面半径为-69.882mm，所述第七透镜的前表面半径为49.888mm，第七透镜的后表面半径为19.869mm，所述第八透镜的前表面半径为20.110mm，第八透镜的后表面半径为31.333mm。
进一步地，所述大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的光圈数F值为1.99，大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的焦距f为100mm，大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的全视场角为11.34°。
本发明还提供了一种大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，包括上述大相对孔径长焦距日盲紫外镜头、孔径光阑和紫外探测像面，所述孔径光阑位于第四透镜和第五透镜之间，所述紫外探测像面位于第八透镜靠像方侧。
进一步地，所述第一透镜的前、后表面中心间距为11.384mm，第一透镜后表面与第二透镜前表面中心间距为2.028mm，第二透镜前、后表面中心间距为14.088mm，第二透镜后表面与第三透镜前表面中心间距为1.000mm，第三透镜前、后表面中心间距为10.075mm，第三透镜后表面与第四透镜前表面中心间距为5.775mm，第四透镜的前、后表面中心间距为12.124mm，第四透镜后表面与孔径光阑重合，孔径光阑与第五透镜前表面中心间距为1.102mm，第五透镜的前、后表面中心间距为14.957mm，第五透镜后表面与第六透镜前表面中心间距为10.401mm，第六透镜的前、后表面中心间距为8.654mm，第六透镜后表面与第七透镜前表面中心间距为1.000mm，第七透镜的前、后表面中心间距为14.885mm，第七透镜后表面与第八透镜前表面中心间距为1.000mm，第八透镜的前、后表面中心间距为15.000mm，第八透镜后表面与紫外探测像面中心间距为26.524mm。
进一步地，所述孔径光阑位于第四透镜与第五透镜之间，并且孔径光阑与第四透镜的后表面重合。
进一步地，所述紫外探测像面的对角线尺寸为20mm。
进一步地，所述大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的中心工作波长为260nm，其工作波段为240nm～280nm。
本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头，所有透镜均采用球面透镜，便于加工和检测；还提供了大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，在全视场范围内，在截止频率40线/毫米处的调制传递函数值优于0.6，能够实现目标的高精度探测；各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于13微米，成像性能优良；该***的垂轴色差在全视场范围内最大不超过6.5微米，最大畸变值优于2%，相对照度值优于90%，能够实现低色差成像，有利于目标探测的高精度定位和高保真度，兼具了大相对孔径、长焦距和高分辨率、高精度探测等特点，适用于日盲紫外光谱区的紫外告警、电晕检测和森林防火等方面的光电探测***应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***结构示意图；
图2是图1的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的调制传递函数曲线图；
图3是图1的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的点列图；
图4是图1的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的垂轴色差曲线图；
图5是图1的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的畸变曲线图；
图6是图1的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的相对照度曲线图。
其中的附图标记为：第一透镜1、、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、孔径光阑9、紫外探测像面10。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头，包括八片球面透镜，八片球面透镜由物方到像方依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8，第一透镜1为负光焦度凸凹透镜，第二透镜2为正光焦度双凸透镜，第三透镜3为负光焦度平凹透镜，第四透镜4为正光焦度双凸透镜，第五透镜5为负光焦度双凹透镜，第六透镜6为正光焦度双凸透镜，第七透镜7为负光焦度凸凹透镜，第八透镜8为正光焦度凸凹透镜，其中，第一透镜1、第三透镜3、第五透镜5、第七透镜7均采用熔石英材料，第二透镜2、第四透镜4、第六透镜6和第八透镜8均采用氟化钙材料，上述所有透镜均采用球面透镜，便于加工和检测。
如图1所示，本发明的一种大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，包括大相对孔径长焦距日盲紫外镜头、孔径光阑9和紫外探测像面10，由物方到像方依次排列为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8和紫外探测像面10，其中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、孔径光阑9、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8的表面均为球面，且各个透镜之间的间隔为空气，从物方到像方，第一透镜1的前表面半径为76.270mm，第一透镜1的后表面半径为39.090mm，第二透镜2的前表面半径为46.540mm，第二透镜2的后表面半径为-88.134mm，第三透镜3的前表面半径为-71.211mm，第三透镜3的后表面半径为平面，第四透镜4的前表面半径为41.921mm，第四透镜4的后表面半径为-96.555mm，第五透镜5的前表面半径为-150.394mm，第五透镜5的后表面半径为30.545mm，第六透镜6的前表面半径为108.799mm，第六透镜6的后表面半径为-69.882mm，第七透镜7的前表面半径为49.888mm，第七透镜7的后表面半径为19.869mm，第八透镜8的前表面半径为20.110mm，第八透镜8的后表面半径为31.333mm，第一透镜1的前、后表面中心间距为11.384mm，第一透镜1后表面与第二透镜2前表面中心间距为2.028mm，第二透镜2前、后表面中心间距为14.088mm，第二透镜2后表面与第三透镜3前表面中心间距为1.000mm，第三透镜3前、后表面中心间距为10.075mm，第三透镜3后表面与第四透镜4前表面中心间距为5.775mm，第四透镜4的前、后表面中心间距为12.124mm，第四透镜4后表面与孔径光阑9重合，孔径光阑9与第五透镜5前表面中心间距为1.102mm，第五透镜5的前、后表面中心间距为14.957mm，第五透镜5后表面与第六透镜6前表面中心间距为10.401mm，第六透镜6的前、后表面中心间距为8.654mm，第六透镜6后表面与第七透镜7前表面中心间距为1.000mm，第七透镜7的前、后表面中心间距为14.885mm，第七透镜7后表面与第八透镜8前表面中心间距为1.000mm，第八透镜8的前、后表面中心间距为15.000mm，第八透镜8后表面与紫外探测像面10中心间距为26.524mm，从第一透镜1的前表面到紫外探测像面10的距离为149.998mm，该长度（149.998mm）与大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的焦距f（100mm）之比约为1.5。
实施例中，大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的光圈数F值为1.99，焦距f为100mm，全视场角为11.34°
实施例中，紫外探测像面10的对角线尺寸为20mm，。
进一步地，本大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的工作波段为240nm～280nm，中心波长为260nm。
如图2所示，图1所示大相对孔径长焦距日盲紫外光学***全视场范围内在截止频率为40线对/毫米处的调制传递函数值优于0.6，且各个视场的调制传递函数曲线相对集中，表明该日盲紫外光学***能够实现目标的高精度探测。
如图3所示，图1所示大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于13微米，成像性能优良。
如图4所示，图1所示大相对孔径长焦距日盲紫外光学***垂轴色差在全视场范围内最大不超过6.5微米，有效地校正了***的色差。
如图5所示，图1所示大相对孔径长焦距日盲紫外光学***在全视场范围内的畸变值不超过2%，实现了目标探测的高保真度。
如图6所示，图1所示大相对孔径长焦距日盲紫外光学***在全视场范围内的相对照度值优于90%，保证了该光学***的高能量利用率。
综上，本实施例提供的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***基于八片全球面透镜能够兼具大相对孔径、长焦距和高分辨率、高精度探测的特点，可应用于日盲紫外光谱区的紫外告警、电晕检测和森林防火等方面的光电探测***。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大相对孔径长焦距日盲紫外镜头，其特征在于，包括八片球面透镜，所述八片球面透镜由物方到像方依次排列的第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）、第五透镜（5）、第六透镜（6）、第七透镜（7）和第八透镜（8），所述第一透镜（1）为负光焦度凸凹透镜，第二透镜（2）为正光焦度双凸透镜，第三透镜（3）为负光焦度平凹透镜，第四透镜（4）为正光焦度双凸透镜，第五透镜（5）为负光焦度双凹透镜，第六透镜（6）为正光焦度双凸透镜，第七透镜（7）为负光焦度凸凹透镜，第八透镜（8）为正光焦度凸凹透镜；
所述第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）、第五透镜（5）、第六透镜（6）、第七透镜（7）和第八透镜（8）的表面均为球面，各个透镜之间的间隔为空气；
所述第一透镜（1）、第三透镜（3）、第五透镜（5）、第七透镜（7）均采用熔石英材料，所述第二透镜（2）、第四透镜（4）、第六透镜（6）和第八透镜（8）均采用氟化钙材料；
从物方到像方，所述第一透镜（1）的前表面半径为76.270mm，第一透镜（1）的后表面半径为39.090mm，所述第二透镜（2）的前表面半径为46.540mm，第二透镜（2）的后表面半径为-88.134mm，所述第三透镜（3）的前表面半径为-71.211mm，第三透镜（3）的后表面半径为平面，所述第四透镜（4）的前表面半径为41.921mm，第四透镜（4）的后表面半径为-96.555mm，所述第五透镜（5）的前表面半径为-150.394mm，第五透镜（5）的后表面半径为30.545mm，所述第六透镜（6）的前表面半径为108.799mm，第六透镜（6）的后表面半径为-69.882mm，所述第七透镜（7）的前表面半径为49.888mm，第七透镜（7）的后表面半径为19.869mm，所述第八透镜（8）的前表面半径为20.110mm，第八透镜（8）的后表面半径为31.333mm；
所述第一透镜（1）的前、后表面中心间距为11.384mm，第一透镜（1）后表面与第二透镜（2）前表面中心间距为2.028mm，第二透镜（2）前、后表面中心间距为14.088mm，第二透镜（2）后表面与第三透镜（3）前表面中心间距为1.000mm，第三透镜（3）前、后表面中心间距为10.075mm，第三透镜（3）后表面与第四透镜（4）前表面中心间距为5.775mm，第四透镜（4）的前、后表面中心间距为12.124mm，第四透镜（4）后表面与第五透镜（5）前表面中心间距为1.102mm，第五透镜（5）的前、后表面中心间距为14.957mm，第五透镜（5）后表面与第六透镜（6）前表面中心间距为10.401mm，第六透镜（6）的前、后表面中心间距为8.654mm，第六透镜（6）后表面与第七透镜（7）前表面中心间距为1.000mm，第七透镜（7）的前、后表面中心间距为14.885mm，第七透镜（7）后表面与第八透镜（8）前表面中心间距为1.000mm，第八透镜（8）的前、后表面中心间距为15.000mm。
2.根据权利要求1所述的大相对孔径长焦距日盲紫外镜头，其特征在于：所述大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的光圈数F值为1.99，大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的焦距f为100mm，大相对孔径长焦距日盲紫外镜头的全视场角为11.34°。
3.一种大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，其特征在于，包括权利要求1～2任一项所述的大相对孔径长焦距日盲紫外镜头、孔径光阑（9）和紫外探测像面（10），所述孔径光阑（9）位于第四透镜（4）和第五透镜（5）之间，所述紫外探测像面（10）位于第八透镜（8）靠像方侧。
4.根据权利要求3所述的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，其特征在于：所述孔径光阑（9）位于第四透镜（4）与第五透镜（5）之间，并且孔径光阑（9）与第四透镜（4）的后表面重合。
5.根据权利要求4所述的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，其特征在于：所述紫外探测像面（10）的对角线尺寸为20mm。
6.根据权利要求5所述的大相对孔径长焦距日盲紫外光学***，其特征在于：所述大相对孔径长焦距日盲紫外光学***的中心工作波长为260nm，其工作波段为240nm～280nm。
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