一种像方远心镜头的制作方法

1.本发明属于成像镜头设计领域，具体涉及一种像方远心镜头。


背景技术：

2.近年来，国内外的光谱成像技术日趋成熟，成像光谱仪使成像技术和光谱技术相互融合，既能对目标成像又能测量目标的光谱特征，解决了传统光学仪器不能同时对目标进行图像分析和光谱分析的技术难题。成像光谱仪在矿物资源、森林资源以及水利资源的勘察，农作物病虫害监测，环境污染监测，空间遥感，生物医学等方面具有越来越广泛的应用前景。
3.成像光谱仪主要由前置望远系统和后置分光系统组成。前置望远系统的作用是将观察目标成像到成像光谱仪的入射狭缝上以便后续分光，为了使前置望远系统的像面与狭缝重合，满足入瞳和出瞳衔接的要求以及克服光谱重叠，前置望远系统需要设计成像方远心。前置望远系统绝大多数采用反射式结构，虽然反射式结构在校正色差方面具有一定的优势，但系统存在中心遮挡，导致能量利用率降低。
4.中国专利公报公开了“可见光近红外宽光谱复消色差像方远心镜头及其应用”(申请号：202010358387.3)，该镜头为具有同轴结构的透射式光学系统，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；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；工作在400nm～1000nm波段。该镜头存在以下几个问题：(1)工作距离是无穷远并且不可调节，只能对无穷远物体成像，当对近距离物体成像时无法保证像质；(2)焦距较短，成像范围小，半像高仅为7.3mm；(3)第一透镜和第七透镜边缘很薄，透镜难于加工，而且光线从透镜边缘通过，给机械设计带来难度，第五透镜为大凸弯月形透镜，接近半球，边缘抛制较难，第六透镜很薄，直径厚度比例不均匀，同样加工存在难度。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种透射式结构的像方远心镜头，该镜头可应用于近距离目标光谱成像分析。
6.为了解决上述技术问题，本发明的像方远心镜头由沿光轴从物方到像方依次设置的前透镜组a和后透镜组b组成，所述前透镜组a由沿光轴从物方到像方依次设置的正光焦度弯月形透镜a1、负光焦度弯月形透镜a2、正光焦度弯月形透镜a3、负光焦度弯月形透镜a4、负光焦度弯月形透镜a5和双凸透镜a6组成；所述后透镜组b由沿光轴从物方到像方依次设置的双凹透镜b1、双凸透镜b2和双凸透镜b3；所述正光焦度弯月形透镜a1和负光焦度弯月形透镜a2构成第一胶合透镜，正光焦度弯月形透镜a3和负光焦度弯月形透镜a4构成第二胶合透镜；正光焦度弯月形透镜a1、负光焦度弯月形透镜a2和负光焦度弯月形透镜a5的凸
面面向物方，正光焦度弯月形透镜a3和负光焦度弯月形透镜a4的凸面面向像方；所有透镜表面均为球面。
7.进一步，所述正光焦度弯月形透镜a1前后表面曲率半径分别为22.45～24.60mm、53.29～80.86mm；负光焦度弯月形透镜a2前后表面曲率半径分别为53.29～80.86mm、9.78～9.96mm；正光焦度弯月形透镜a3前后表面曲率半径分别为-25.42～-23.99mm、-10.31～-10.14mm；负光焦度弯月形透镜a4前后表面曲率半径分别为-10.31～-10.14mm、-28.56～-26.24mm；负光焦度弯月形透镜a5前后表面曲率半径分别为29.82～36.64mm、15.50～16.76mm；双凸透镜a6前后表面曲率半径分别为17.65～22.50mm、-20.04～-19.57mm；双凹透镜b1前后表面曲率半径分别为-17.38～-13.18mm、74.22～211.98mm；双凸透镜b2前后表面曲率半径分别为147.48～158.31mm、-26.94～-22.46mm；双凸透镜b3前后表面曲率半径分别为49.68～60.75mm、-107.24～-100.43mm。
8.进一步，所述正光焦度弯月形透镜a1中心厚度为8.02～8.32mm；负光焦度弯月形透镜a2中心厚度为5.16～5.32mm；正光焦度弯月形透镜a3中心厚度为6.78～6.82mm；负光焦度弯月形透镜a4中心厚度为2.61～2.74mm；负光焦度弯月形透镜a5中心厚度为4.28～4.36mm；双凸透镜a6中心厚度为6.18～6.34mm；双凹透镜b1中心厚度为4.16～4.30mm；双凸透镜b2中心厚度为6.56～6.62mm；双凸透镜b3中心厚度为7.18～7.22mm。
9.所述第一胶合透镜的负光焦度弯月形透镜a2与第二胶合透镜的正光焦度弯月形透镜a3的中心空气间隔为8.50～9.22mm；负光焦度弯月形透镜a4与负光焦度弯月形透镜a5的中心空气间隔为3.59～3.72mm；负光焦度弯月形透镜a5与双凸透镜a6的中心空气间隔为0.96～1.04mm；双凹透镜b1与双凸透镜b2的中心空气间隔为1.26～1.88mm；双凸透镜b2与双凸透镜b3的中心空气间隔为6.06～6.50mm，双凸透镜b3到像面的中心空气间隔为12.48～12.54mm。
10.进一步，所述前透镜组a和后透镜组b的中心距离可根据不同的工作距离进行调节。
11.所述前透镜组a和后透镜组b的中心空气间隔为16.10～16.88mm。
12.进一步，本发明中所有透镜均为玻璃材质，正光焦度弯月形透镜a1的折射率nd1和色散系数vd1满足条件：1.9＜nd1＜2.0、20＜vd1＜35；负光焦度弯月形透镜a2的折射率nd2和色散系数vd2满足条件：1.5＜nd2＜1.6、58＜vd2＜68；正光焦度弯月形透镜a3的折射率nd3和色散系数vd3满足条件：1.6＜nd3＜1.7、60＜vd3＜65；负光焦度弯月形透镜a4的折射率nd4和色散系数vd4满足条件：1.7＜nd4＜1.8、29＜vd4＜35；正光焦度弯月形透镜a5的折射率nd5和色散系数vd5满足条件：1.6＜nd5＜1.8、25＜vd5＜40；双凸透镜a6的折射率nd6和色散系数vd6满足条件：1.5＜nd6＜1.6、70＜vd6＜75；双凹透镜b1的折射率nd7和色散系数vd7满足条件：1.9＜nd7＜2.0、18＜vd7＜22；双凸透镜b2的折射率nd8和色散系数vd8满足条件：1.9＜nd8＜2.0、20＜vd8＜22；双凸透镜b3的折射率nd9和色散系数vd9满足条件：1.8＜nd9＜1.9、20＜vd9＜45；
13.本发明的有益效果在于：镜头工作波段范围宽，可应用于成像光谱仪前置望远系统中，能对目标的可见光光谱区域和近红外光谱区域同时成像和光谱分析，提高了镜头对目标的观测分析能力并拓展了其应用领域；采用透射式像方远心光路设计，具有复消色差功能，使前置望远系统与狭缝有效衔接，避免了反射式结构存在中心遮挡的问题，弥补了反
射式结构能量利用率低的不足，可保证不同工作距离下像面稳定。所有透镜均为玻璃球面结构，易于加工装调和降低成本，不同工作距离下成像，像质稳定、畸变低。与现有技术相比，本发明工作距离范围宽并可对近距离物体成像，观察距离可在1-2m范围内进行调节；在探测器靶面和后透镜组b固定的情况下，观察不同距离的物体时，只需要移动前透镜组a即可在不同工作距离下实现像面补偿以保证像质，避免了调节靶面带来的影响，除了可用于光谱仪前端望远系统之外，还能用于普通工业远心镜头；大多数工业远心镜头的观察距离是150mm-800mm，所以本发明可弥补市面上1米之外用于成像的镜头。本发明焦距较长，半像高可达到11.64mm，因此可在大靶面探测器上成像，探测范围广。后透镜组b中所有透镜均采用高透玻璃材料，透雾功能更好。
附图说明
14.图1是本发明的像方远心镜头的结构示意图；
15.图2是本发明的像方远心镜头实施例1工作距离为1m时的调制传递函数曲线图；
16.图3是本发明的像方远心镜头实施例1工作距离为1.5m时的调制传递函数曲线图；
17.图4是本发明的像方远心镜头实施例1工作距离为2m时的调制传递函数曲线图；
18.图5是本发明的像方远心镜头实施例1工作距离为1m时的畸变曲线图；
19.图6是本发明的像方远心镜头实施例1工作距离为1.5m时的畸变曲线图；
20.图7是本发明的像方远心镜头实施例1工作距离为2m时的畸变曲线图；
21.图1中，1为像面。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
23.如图1所示，本发明的像方远心镜头，由沿光轴从物方到像方依次设置的前透镜组a和后透镜组b组成，所述前透镜组a由沿光轴从物方到像方依次设置的正光焦度弯月形透镜a1、负光焦度弯月形透镜a2、正光焦度弯月形透镜a3、负光焦度弯月形透镜a4、负光焦度弯月形透镜a5和双凸透镜a6组成；所述后透镜组b由沿光轴从物方到像方依次设置的双凹透镜b1、双凸透镜b2和双凸透镜b3；所述正光焦度弯月形透镜a1和负光焦度弯月形透镜a2构成第一胶合透镜、正光焦度弯月形透镜a3和负光焦度弯月形透镜a4构成第二胶合透镜；正光焦度弯月形透镜a1、负光焦度弯月形透镜a2和负光焦度弯月形透镜a5的凸面面向物方，正光焦度弯月形透镜a3和负光焦度弯月形透镜a4的凸面面向像方；所有透镜表面均为球面。公知的双凹透镜为负光焦度透镜，双凸透镜为正光焦度透镜。
24.实施例1：
25.本实施例中各透镜的具体参数如表1所示，其中表面序号s1～s18为从物方到像方各光学表面排列序号。
26.表1
[0027][0028]
在本实施例中，像方远心镜头的工作波段为400～1000nm，有效焦距为43mm，f数为2.7，对角线最大半视场角为15
°
，后工作距为12.5mm，光学总长(第一透镜a1前表面中心顶点到像面的距离)小于101.5mm。
[0029]
图2～图4本实施例的像方远心镜头工作距离为1m、1.5m、2m时的调制传递函数曲线图表明，中心视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.63，最大视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.5，公差分析后所有视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.41，满足设计要求，像质稳定。
[0030]
图5～图7本实施例的像方远心镜头工作距离为1m、1.5m、2m时的畸变曲线图表明，全视场最大光学畸变优于1％，保真程度较好。
[0031]
实施例2
[0032]
本实施例中各透镜的具体参数如表2所示。
[0033]
表2
[0034][0035]
在本实施例中，像方远心镜头的工作波段为400～1000nm，有效焦距为43mm，f数为2.7，对角线最大半视场角为15
°
，后工作距为12.5mm，光学总长(第一透镜a1前表面中心顶点到像面的距离)小于101.5mm。
[0036]
本实施例的像方远心镜头工作距离为1m、1.5m、2m时，中心视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.61，最大视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.45，公差分析后所有视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.38，满足设计要求，像质稳定。
[0037]
本实施例的像方远心镜头工作距离为1m、1.5m、2m时，全视场最大光学畸变优于1.1％，保真程度较好。
[0038]
实施例3
[0039]
本实施例中各透镜的具体参数如表3所示。
[0040]
表3
[0041][0042]
在本实施例中，像方远心镜头的工作波段为400～1000nm，有效焦距为43mm，f数为2.7，对角线最大半视场角为15
°
，后工作距为12.48mm，光学总长(第一透镜a1前表面中心顶点到像面的距离)小于100.48mm。
[0043]
本实施例的像方远心镜头工作距离为1m、1.5m、2m时，中心视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.59，最大视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.46，公差分析后所有视场在频率28lp/mm处的调制传递函数值均优于0.35，满足设计要求，像质稳定。
[0044]
本实施例的像方远心镜头工作距离为1m、1.5m、2m时，全视场最大光学畸变优于1.13％，保真程度较好。

技术特征：
1.一种像方远心镜头，其特征在于由沿光轴从物方到像方依次设置的前透镜组a和后透镜组b组成，所述前透镜组a由沿光轴从物方到像方依次设置的正光焦度弯月形透镜a1、负光焦度弯月形透镜a2、正光焦度弯月形透镜a3、负光焦度弯月形透镜a4、负光焦度弯月形透镜a5和双凸透镜a6组成；所述后透镜组b由沿光轴从物方到像方依次设置的双凹透镜b1、双凸透镜b2和双凸透镜b3；所述正光焦度弯月形透镜a1和负光焦度弯月形透镜a2构成第一胶合透镜，正光焦度弯月形透镜a3和负光焦度弯月形透镜a4构成第二胶合透镜；正光焦度弯月形透镜a1、负光焦度弯月形透镜a2和负光焦度弯月形透镜a5的凸面面向物方，正光焦度弯月形透镜a3和负光焦度弯月形透镜a4的凸面面向像方；所有透镜表面均为球面。2.根据权利要求1所述的像方远心镜头，其特征在于所述正光焦度弯月形透镜a1前后表面曲率半径分别为22.45～24.60mm、53.29～80.86mm；负光焦度弯月形透镜a2前后表面曲率半径分别为53.29～80.86mm、9.78～9.96mm；正光焦度弯月形透镜a3前后表面曲率半径分别为-25.42～-23.99mm、-10.31～-10.14mm；负光焦度弯月形透镜a4前后表面曲率半径分别为-10.31～-10.14mm、-28.56～-26.24mm；负光焦度弯月形透镜a5前后表面曲率半径分别为29.82～36.64mm、15.50～16.76mm；双凸透镜a6前后表面曲率半径分别为17.65～22.50mm、-20.04～-19.57mm；双凹透镜b1前后表面曲率半径分别为-17.38～-13.18mm、74.22～211.98mm；双凸透镜b2前后表面曲率半径分别为147.48～158.31mm、-26.94～-22.46mm；双凸透镜b3前后表面曲率半径分别为49.68～60.75mm、-107.24～-100.43mm。3.根据权利要求2所述的像方远心镜头，其特征在于所述正光焦度弯月形透镜a1中心厚度为8.02～8.32mm；负光焦度弯月形透镜a2中心厚度为5.16～5.32mm；正光焦度弯月形透镜a3中心厚度为6.78～6.82mm；负光焦度弯月形透镜a4中心厚度为2.61～2.74mm；负光焦度弯月形透镜a5中心厚度为4.28～4.36mm；双凸透镜a6中心厚度为6.18～6.34mm；双凹透镜b1中心厚度为4.16～4.30mm；双凸透镜b2中心厚度为6.56～6.62mm；双凸透镜b3中心厚度为7.18～7.22mm。4.根据权利要求1所述的像方远心镜头，其特征在于根据不同工作的距离，所述前透镜组a和后透镜组b的中心距离可前后调节，a和b的中心空气间隔为16.10～16.88mm；所述第一胶合透镜的负光焦度弯月形透镜a2与第二胶合透镜的正光焦度弯月形透镜a3的中心空气间隔为8.50～9.22mm；负光焦度弯月形透镜a4与负光焦度弯月形透镜a5的中心空气间隔为3.59～3.72mm；负光焦度弯月形透镜a5与双凸透镜a6的中心空气间隔为0.96～1.04mm；双凹透镜b1与双凸透镜b2的中心空气间隔为1.26～1.88mm；双凸透镜b2与双凸透镜b3的中心空气间隔为6.06～6.50mm，双凸透镜b3到像面的中心空气间隔为12.48～12.54mm。5.根据权利要求1所述的像方远心镜头，其特征在于所述前透镜组a和后透镜组b的中心距离可根据不同的工作距离进行调节。6.根据权利要求5所述的像方远心镜头，其特征在于所述前透镜组a和后透镜组b的中心空气间隔为16.10～16.88mm。7.根据权利要求1所述的像方远心镜头，其特征在于所有透镜均为玻璃材质，正光焦度弯月形透镜a1的折射率nd1和色散系数vd1满足条件：1.9＜nd1＜2.0、20＜vd1＜35；负光焦度弯月形透镜a2的折射率nd2和色散系数vd2满足条件：1.5＜nd2＜1.6、58＜vd2＜68；正光焦度弯月形透镜a3的折射率nd3和色散系数vd3满足条件：1.6＜nd3＜1.7、60＜vd3＜65；负光焦度弯月形透镜a4的折射率nd4和色散系数vd4满足条件：1.7＜nd4＜1.8、29＜vd4＜35；
正光焦度弯月形透镜a5的折射率nd5和色散系数vd5满足条件：1.6＜nd5＜1.8、25＜vd5＜40；双凸透镜a6的折射率nd6和色散系数vd6满足条件：1.5＜nd6＜1.6、70＜vd6＜75；双凹透镜b1的折射率nd7和色散系数vd7满足条件：1.9＜nd7＜2.0、18＜vd7＜22；双凸透镜b2的折射率nd8和色散系数vd8满足条件：1.9＜nd8＜2.0、20＜vd8＜22；双凸透镜b3的折射率nd9和色散系数vd9满足条件：1.8＜nd9＜1.9、20＜vd9＜45。8.根据权利要求1所述的像方远心镜头，其特征在于该镜头的工作波段覆盖400～1000nm。

技术总结
本发明涉及一种像方远心镜头，该镜头由沿光轴从物方到像方依次设置的前透镜组A和后透镜组B组成，前透镜组A沿光轴从物方到像方依次设置正光焦度弯月形透镜A1、负光焦度弯月形透镜A2、正光焦度弯月形透镜A3、负光焦度弯月形透镜A4、负光焦度弯月形透镜A5和双凸透镜A6；后透镜组B沿光轴从物方到像方依次设置双凹透镜B1、双凸透镜B2和双凸透镜B3。本发明工作波段范围宽，可应用于成像光谱仪前置望远系统中，能对目标的可见光光谱区域和近红外光谱区域同时成像和光谱分析，采用透射式像方远心光路设计，具有复消色差功能，使前置望远系统与狭缝有效衔接，弥补了反射式结构能量利用率低的不足，可保证不同工作距离下像面稳定。可保证不同工作距离下像面稳定。可保证不同工作距离下像面稳定。


技术研发人员：杨德静 曲锋 孙金霞 韩希珍
受保护的技术使用者：苏州东方克洛托光电技术有限公司
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/8/24