CN111522132B - 可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头及其应用 - Google Patents
可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头及其应用。所述光学镜头为具有同轴结构的透射式光学***,且所述光学***内的全部透镜均为球面面型;所述光学镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七及第八透镜,第三透镜与第四透镜之间设置有孔径光阑。所述光学镜头工作在400nm~1000nm波段。本申请通过合理设计,并采用低色散玻璃与其他光学玻璃有效匹配,以及采用通用光学玻璃材料全球面设计,从而构建了一种可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,该光学镜头的色差可以被控制在合理范围,光学性能优良,成本低,可以在侦察与监视、空间遥感、机器视觉、农林监测等领域广泛应用。
Description
技术领域
本申请涉及一种光学镜头,具体涉及一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头,其可应用于侦察与监视、空间遥感、机器视觉、农林监测等领域,属于光学技术领域。
背景技术
基于光栅推扫的成像光谱技术,成像光谱仪是应用最成熟的技术,可广泛用于气体成像光谱检测、农林遥感、机器视觉等领域。
特别地,与之配套的前置物镜要求为像方远心镜头,如此方可保证像面照度均匀,而在可见光近红外波段,即400nm-1000nm,市面上几乎无法找到该镜头。实际困难在于400-1000nm波段的镜头鲜有厂家提供,即使提供也无法满足像方远心的条件。
CN109324402A公开了一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头,其包括按光路走向从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光阑、光焦度为正的补偿组、光焦度为负的补偿组和光焦度为正的后固定组等。该可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头的波段范围虽然为400nm~1000nm,然其为变焦镜头,不是像方远心镜头,不适用于光栅推扫成像光谱仪使用。
CN105911672A公开了一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜。它为同轴透射式光学***,工作波段为1.0~2.5μm,包括八块球面透镜,沿光线入射方向,依次为三块正弯月透镜、一块负弯月透镜、一块双凹负透镜、一块正弯月透镜和两块双凸正透镜,光阑位于第四块与第五块透镜之间,前七块透镜均弯向光阑,第八块透镜使像方主光线平行于光轴垂直入射到像面上,但是其不适于在400nm~1000nm波段使用。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头及其应用,从而克服现有技术的不足。
为了达到前述发明目的,本申请采用了以下方案:
本申请实施例的一个方面提供了一种可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,它为具有同轴结构的透射式光学***,且所述光学***内的全部透镜均为球面面型;所述光学镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜至第八透镜,第三透镜与第四透镜之间设置有孔径光阑;所述第一透镜、第二透镜为正透镜,所述第三透镜为负透镜,所述第四透镜为正透镜,所述第五透镜为负弯月透镜,所述第六透镜、第七透镜为正透镜,所述第八透镜为负弯月透镜,所述负透镜均弯向孔径光阑,像方主光线平行于光轴或与光轴成小于1°的夹角并垂直入射到像面上;以及,所述光学镜头工作在400nm~1000nm波段。
在一些实施方式中,所述第五透镜、第八透镜由低色散玻璃制成。
在一些实施方式中,所述光学镜头的各镜头安装在长度小于60mm的镜头筒内。
在一些实施方式中,所述光学镜头的半视场角为17°。
在一些实施方式中,所述光学镜头的焦距为23mm。
在一些实施方式中,所述光学镜头的弥散斑直径在0.7视场时小于10μm。
在一些实施方式中,所述光学镜头的最大相对孔径为F/2.43。
在一些实施方式中,所述光学镜头的各透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8,其取值范围为(单位均为mm):62.63≤f1≤76.548、22.433≤f2≤27.418、-9.485≤f3≤-7.761、16.575≤f4≤20.258、-60.109≤f5≤-49.180、118.734≤f6≤145.119、20.756≤f7≤25.369、-260.047≤f8≤-212.766。
在一些实施方式中,所述光学镜头的各透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8,其取值范围为(单位均为mm):62.587≤f1≤76.495、22.005≤f2≤26.895、-11.205≤f3≤-9.168、13.589≤f4≤16.609、-19.667≤f5≤-16.092、27.182≤f6≤33.223、26.004≤f7≤31.783、-272.953≤f8≤-223.325。
本申请的以上实施例中,通过合理选取低色散玻璃、正负透镜光焦度的合理分配,实现了宽波段400nm-1000nm的复消色差镜头。
本申请的以上实施例中,通过将光阑设置于后组镜头的前焦面上,实现了像方远心的特性,保证了像面照度均匀。
本申请的以上实施例中,所有透镜均为球面面型,降低了加工、制造、检测、装调的难度,且使得所述光学镜头的总长小于60mm,结构小巧,紧凑。
本申请的以上实施例中,所述光学镜头的相对口径最大达到F/2.43、视场角17°,提高了像方远心镜头的集光能力,有利于增强成像***的信噪比。
本申请实施例的另一个方面还提供了所述可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头的用途。
例如,本申请实施例还提供了一种成像光谱仪,包括前置物镜和光谱成像机构,所述前置物镜包括所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头。
进一步的,所述光谱成像机构包括色散模块和图像传感器等,且不限于此。
较之现有技术,本申请通过合理设计,并采用低色散玻璃与其他光学玻璃有效匹配,以及采用通用光学玻璃材料全球面设计,从而构建了一种可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,该光学镜头的色差可以被控制在合理范围,光学性能优良,成本低,可以在侦察与监视、空间遥感、机器视觉、农林监测等领域广泛应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例1中一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头的结构示意图;
图2是本申请实施例1中0.4μm~1μm波长调制传递函数曲线图;
图3是本申请实施例1中弥散斑尺寸随视场变化曲线图;
图4是本申请实施例2中一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头的结构示意图;
图5是本申请实施例2中0.4μm~1μm波长调制传递函数曲线图;
图6是本申请实施例2中弥散斑尺寸随视场变化曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下通过实施例,并结合附图,对本申请的技术方案进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1:请参阅图1示出了该实施例中的一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心光学镜头,其为具有同轴结构的透射式光学***,该光学***内的全部透镜均为球面面型;该光学镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜17、第八透镜18。其中,第三透镜与第四透镜之间设置有孔径光阑。第一透镜、第二透镜为正透镜,第三透镜为负透镜,第四透镜为正透镜,第五透镜为负弯月透镜,第六透镜、第七透镜为正透镜,第八透镜为负弯月透镜,负透镜均弯向孔径光阑,像方主光线基本平行于光轴(与光轴成大于或等于0但小于1°左右的夹角)并垂直入射到成像面19上。
本实施例光焦度按照正、正、负、正、负、正、正、负的方式排列,其中第五负透镜采用低色散玻璃SF5、第八负弯月透镜采用高折射率、低色散玻璃N-SF57HT,其余透镜根据校正像差的需要,亦根据像差理论进行了合理筛选,如此即实现了宽波段范围复消色差的要求。第八负弯月透镜凹面背离像面,有利于校正像差(特别是场曲)。
进一步的,所述光学镜头的结构及工作参数可以参阅下表1。
表1
F数 | 2.43 |
焦距 | 23mm |
半像高 | 7.3mm |
像方远心 | 是 |
波段范围 | 400nm~1000nm |
半视场角 | 17° |
弥散斑直径 | 优于8um |
MTF | >0.4@45c/mm |
长度 | 60mm |
进一步的,所述光学镜头中第五透镜、第八透镜由低色散玻璃制成,其余透镜可以由其它的合适类型的光学玻璃制成。
进一步的,所述光学镜头中第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8,其取值范围为(单位均为mm):62.63≤f1≤76.548、22.433≤f2≤27.418、-9.485≤f3≤-7.761、16.575≤f4≤20.258、-60.109≤f5≤-49.180、118.734≤f6≤145.119、20.756≤f7≤25.369、-260.047≤f8≤-212.766。例如,本实施例中提供的一种光学镜头样品中各透镜的光学参数、材质等可以参阅下表2-表3。
表2
注:面序号1、3、5、7、9、11、13、15分别对应于第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜的前表面,面序号16对应于第八透镜的后表面。IMG对应于图像传感器(即成像面)。
表3
实施例1 | 折射率Nd | 阿贝数Vd | |
第一透镜 | N-LAK33B | 1.755 | 52.28 |
第二透镜 | N-SK16 | 1.62041 | 60.3 |
第三透镜 | N-BASF64 | 1.704 | 39.37 |
第四透镜 | N-PK52A | 1.497 | 81.58 |
第五透镜 | SF5 | 1.672698 | 32.2 |
第六透镜 | N-BK10 | 1.497821 | 66.93 |
第七透镜 | N-PK52A | 1.497 | 81.58 |
第八透镜 | N-SF57HT | 1.84666 | 23.77 |
该光学镜头样品的一些性能测试数据可以参阅图2-图3。其中,图2示出了该光学镜头样品的归一化视场的传递函数曲线,MTF曲线是分析镜头的解像力的科学的方法,可以看出,在波长400nm-1000nm范围内,在10c/mm时,MTF>0.9、在30c/mm时,MTF>0.7,探测器像元大小11μm*11μm,在奈奎斯特频率45c/mm处,MTF>0.4,表明该镜头解像力达到了使用需求。图3示出了该光学镜头样品的弥散斑尺寸随视场变化曲线,可以看出,曲线平滑,且在各视场下数值均小于8μm,小于像元尺寸11μm,具有良好的成像质量。
实施例2:请参阅图4示出了该实施例中的一种可见光近红外宽光谱复消色差像方远心光学镜头,其也为具有同轴结构的透射式光学***,该光学***内的全部透镜均为球面面型。进一步的,该光学镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25、第六透镜26、第七透镜27、第八透镜28。其中,第三透镜与第四透镜之间设置有孔径光阑;第一透镜、第二透镜为正透镜,第三透镜为负透镜,第四透镜为正透镜,第五透镜为负弯月透镜,第六透镜、第七透镜为正透镜,第八透镜为负弯月透镜,负透镜均弯向孔径光阑,像方主光线基本平行于光轴(与光轴成大于或等于0但小于1°左右的夹角)并垂直入射到成像面29上。
进一步的,所述光学镜头的结构及工作参数可以参阅下表3。
表3
F数 | 2.43 |
焦距 | 23mm |
半像高 | 7.3mm |
像方远心 | 是 |
波段范围 | 400nm~1000nm |
半视场角 | 17° |
弥散斑直径 | 10μm |
MTF | 0.3@45c/mm |
长度 | 60mm |
进一步的,所述光学镜头中第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8,其取值范围为(单位均为mm):62.587≤f1≤764495、22.005≤f2≤26.895、-11.205≤f3≤-9.168、13.589≤f4≤16.609、-19.667≤f5≤-16.092、27.182≤f6≤33.223、26.004≤f7≤31.783、-272.953≤f8≤-223.325。例如,本实施例中提供的一种光学镜头样品中各透镜的光学参数、材质等可以参阅下表4-表5。
表4
注:面序号1、3、5、7、9、11、13、15分别对应于第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜的前表面,面序号16对应于第八透镜的后表面。IMG对应于图像传感器(即成像面)。
表5
实施例2 | 折射率Nd | 阿贝数Vd | |
第一透镜 | N-LAK21 | 1.640495 | 60.08 |
第二透镜 | N-PSK3 | 1.552322 | 63.43 |
第三透镜 | LF5 | 1.58144 | 40.83 |
第四透镜 | P-SK58A | 1.58913 | 61.13 |
第五透镜 | N-LASF46B | 1.90366 | 31.31 |
第六透镜 | N-PSK3 | 1.552322 | 63.43 |
第七透镜 | N-PSK3 | 1.552322 | 63.43 |
第八透镜 | N-SF57HT | 1.84666 | 23.77 |
该可见光近红外宽光谱复消色差像方远心光学镜头的一些性能测试数据可以参阅图5-图6。其中,图5示出了实施例2光学镜头样品的归一化视场的传递函数曲线,MTF曲线是分析镜头的解像力的科学的方法,可以看出,在波长400nm-1000nm范围内,在10c/mm时,MTF>0.9、在30c/mm时,MTF>0.4,探测器像元大小11um*11μm,在奈奎斯特频率45c/mm处,MTF>0.3,表明该镜头解像力达到了使用需求。图6示出了实施例2光学镜头样品的弥散斑尺寸随视场变化曲线,可以看出,曲线平滑,且在各视场下数值均小于11μm,小于像元尺寸11μm,具有良好的成像质量。
以上仅是本申请的两个较为典型的实施例,当将本申请的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头在光栅式成像光谱仪等装置内应用时,例如作为前置物镜应用时,还可以根据图像传感器等成像机构的尺寸而调整。以图像传感器尺寸14.4mm*14.4mm,像素大小15μm为例,与之匹配的所述远心光学镜头的视场角FOV和焦距f可以按照下式计算:
最终确定FOV=17.3°,x=14.4mm(图像空间维尺寸),f=23.74mm,据此可以对所述远心光学镜头的结构进行简单调整。
本申请通过合理设计,并采用低色散玻璃与其他光学玻璃有效匹配,以及采用通用光学玻璃材料全球面设计,从而构建了一种可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,该光学镜头的色差可以被控制在合理范围,光学性能优良,成本低,可以在侦察与监视、空间遥感、机器视觉、农林监测等领域广泛应用。
对于本领域技术人员而言,显然本申请不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本申请。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,它为具有同轴结构的透射式光学***,且所述光学***内的全部透镜均为球面面型;其特征在于:所述光学镜头由沿光线入射方向依次设置的第一透镜至第八透镜组成;其中,第三透镜与第四透镜之间设置有孔径光阑,第一透镜、第二透镜为正透镜,第三透镜为负透镜,第四透镜为正透镜,第五透镜为负弯月透镜,第六透镜、第七透镜为正透镜,第八透镜为负弯月透镜,所述负弯月透镜均弯向孔径光阑,像方主光线平行于光轴或与光轴成小于1°的夹角并垂直入射到像面上;以及,所述光学镜头工作在400nm~1000nm波段。
2.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于:所述第五透镜、第八透镜由低色散玻璃制成。
3.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于:所述光学镜头的各透镜安装在长度小于60mm的镜头筒内。
4.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于:所述光学镜头的半视场角为17°。
5.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于:所述光学镜头的焦距为23mm。
6.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于:所述光学镜头的弥散斑直径在0.7视场时小于10μm。
7.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于,所述光学镜头的各透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8,其取值范围为:62.63≤f1≤76.548、22.433≤f2≤27.418、-9.485≤f3≤-7.761、16.575≤f4≤20.258、-60.109≤f5≤-49.180、118.734≤f6≤145.119、20.756≤f7≤25.369、-260.047≤f8≤-212.766,以上取值的单位均为mm。
8.根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头,其特征在于,所述光学镜头的各透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8,其取值范围为:62.587≤f1≤76.495、22.005≤f2≤26.895、-11.205≤f3≤-9.168、13.589≤f4≤16.609、-19.667≤f5≤-16.092、27.182≤f6≤33.223、26.004≤f7≤31.783、-272.953≤f8≤-223.325,以上取值的单位均为mm。
9.一种成像光谱仪,包括前置物镜和光谱成像机构,其特征在于:所述前置物镜包括权利要求1-8中任一项所述的可见光近红外宽波段复消色差像方远心光学镜头。
10.根据权利要求9所述的成像光谱仪,其特征在于:所述光谱成像机构包括色散模块和图像传感器。
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