[go: up one dir, main page]

CN114137735B - 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头 - Google Patents

一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头 Download PDF

Info

Publication number
CN114137735B
CN114137735B CN202111514149.8A CN202111514149A CN114137735B CN 114137735 B CN114137735 B CN 114137735B CN 202111514149 A CN202111514149 A CN 202111514149A CN 114137735 B CN114137735 B CN 114137735B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
meniscus
positive lens
aperture
intercept
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111514149.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114137735A (zh
Inventor
袁艳
苏丽娟
刘安琪
蒋一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202111514149.8A priority Critical patent/CN114137735B/zh
Publication of CN114137735A publication Critical patent/CN114137735A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114137735B publication Critical patent/CN114137735B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0015—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design
    • G02B13/005—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having spherical lenses only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

本发明提出了一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，沿入射光线传播方向，依次同轴设置孔径光阑、平板玻璃、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第一弯月正透镜、第三弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月负透镜和第四弯月正透镜。本发明的准直镜头F数为1.75，孔径满足收集微反射镜阵列反射光线的要求；前后截距满足IMS系统装配距离的要求，相较使用中继镜的装配方案，极大缩短光路，使得系统结构紧凑；通过对初始结构和玻璃材料的优化，对系统像差进行了优化和均衡，使孔径阵列投影位置接近设计值，保证孔径阵列和色散成像模块的耦合效率；选用环保玻璃材料，降低加工装配难度，成本低。

Description

一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域,更具体的说是涉及一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头。
背景技术
基于微反射镜阵列的快照式光谱成像系统(Image Mapping Spectrometer,IMS)可以在单次曝光时间内获取目标景物的三维图谱信息(x,y,λ)。IMS技术在探测时变目标方面具有显著优势，在生物成像、医学诊断、遥感探测等领域应用广泛。
目标经IMS系统前置成像镜头一次成像于微反射镜阵列，微反射镜阵列由多个具有不同二维空间指向角的狭长镜面组成，能够将一次像分割并投影到不同方向。孔径光阑经前置镜和准直镜成像于准直镜的后焦面，在微反射镜阵列的调制下，形成与各空间指向角相对应的孔径阵列。反射光线经准直镜准直后，入射到相应子孔径进行分光色散，经过成像镜阵列二次成像，最终在探测器获得重新排列的目标图谱信息。在成像过程中，准直镜头需要具备以下条件：1)较大的孔径以收集微反射镜阵列的反射光线；2)较长的前后截距以保证与前端微反射镜阵列以及后端色散成像模块有足够的机械距离，便于系统装配；3)控制像差使得孔径阵列的投影位置达到设计值，以保证孔径阵列和色散成像模块的耦合效率，提高成像质量。
一般的成像镜头为了保证与感光元件的耦合，通常只对后截距做出限制，而前截距较小。因此，目前现有的成像镜头难以同时满足大孔径、长截距和小像差的条件。针对IMS系统的解决方案包括使用扩束镜以降低对准直镜孔径的要求，或者使用1:1中继镜延长光路，以满足装配需求。但是，以上解决方案引入了额外的光学镜组，增加了装配难度，降低了光通量。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，可以同时满足系统对成像质量和装配距离的需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，其特征在于，该准直镜头沿入射光线传播方向，依次同轴设置：孔径光阑、平板玻璃、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第一弯月正透镜、第三弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月负透镜和第四弯月正透镜；其中，所述第三弯月负透镜和第二双凸正透镜组成第一个双胶合透镜；所述第三弯月正透镜和第四弯月负透镜组成第二个双胶合透镜。
优选的，在上述一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头中，所述准直镜头的焦距为50mm，F数≤1.77。
优选的，在上述一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头中，所述准直镜头的前截距等于第一双凸正透镜前表面与后续色散成像模块的距离，该距离不少于15mm。
优选的，在上述一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头中，所述准直镜头的后截距等于第四弯月正透镜后表面与微反射镜阵列的距离，该距离不少于35mm。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头焦距为50mm，F数为1.75，孔径满足了收集微反射镜阵列反射光线的要求。
(2)本发明提供的准直镜头前截距为17.5mm，后截距为39.36mm，光学总长为121.24mm，满足了IMS系统装配距离的要求，相较于使用中继镜的装配方案，极大缩短光路，使得系统结构紧凑。
(3)本发明提供的准直镜头通过对初始结构和玻璃材料的优化，对系统像差进行了优化和均衡。所述准直镜头全视场角为12.6°，最大视场角的畸变不超过0.8％，使得孔径阵列投影位置接近设计值，保证了孔径阵列和色散成像模块的耦合效率。
(4)本发明提供的准直镜头采用10片球面镜片，选用环保的玻璃材料，降低了加工和装配难度，成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的IMS光谱成像系统孔径阵列投影示意图；
图2附图为本发明的结构图；
图3附图为本发明的调制传递函数(MTF)曲线图；
图4附图为本发明的场曲及畸变图；
图5附图为本发明的色焦移曲线；
图6附图为本发明的孔径阵列投影分布。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1-6，为本发明公开的一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，具体包括：孔径光阑STOP、平板玻璃0、第一双凸正透镜1、第一弯月负透镜2、第二弯月负透镜3、第一弯月正透镜4、第三弯月负透镜5、第二双凸正透镜6、第二弯月正透镜7、第三弯月正透镜8、第四弯月负透镜9和第四弯月正透镜10；其中，所述第三弯月负透镜和第二双凸正透镜组成第一个双胶合透镜；所述第三弯月正透镜和第四弯月负透镜组成第二个双胶合透镜。
为了进一步优化上述技术方案，所述准直镜头的焦距为50mm，F数≤1.77。
为了进一步优化上述技术方案，所述准直镜头的前截距等于第一双凸正透镜1前表面与后续色散成像模块的距离，该距离不少于15mm。
为了进一步优化上述技术方案，所述准直镜头的后截距等于第四弯月正透镜10后表面与微反射镜阵列的距离，该距离不少于35mm。
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
首先，根据IMS系统参数确定准直镜的孔径参数。图1(a)为孔径阵列投影的等效光路图，如图中所示，孔径光阑经前置镜和准直镜后成像于准直镜后焦面，形成子孔径。微反射镜阵列各镜面的二维空间指向角为(αm,n,βm,n)，对应的反射光线空间指向角为
Figure BDA0003406206090000041
二者满足以下关系：
Figure BDA0003406206090000042
其中，θ为微反射镜阵列的整体偏转角。
根据反射光线空间指向角
Figure BDA0003406206090000051
和准直镜焦距f2，可以确定每个子孔径的中心位置坐标(xm,ym)，见下式：
Figure BDA0003406206090000052
准直镜出瞳面的孔径阵列排布如图1(b)所示，根据子孔径中心位置坐标(xm,ym)可得相邻子孔径水平和垂直方向间距分别为dx，dy。根据物像关系，子孔径直径dsub与孔径光阑直径Dape有如下关系：
Figure BDA0003406206090000053
其中，f1为前置镜的焦距。
孔径阵列水平方向和垂直方向排列的子孔径数量分别为Nx和Ny，准直镜出瞳孔径DL2应满足下述条件：
Figure BDA0003406206090000054
本实施例中，准直镜焦距f2为50mm，根据上述计算方法，在成像设计阶段，准直镜入瞳孔径至少为28.16mm，即F≤1.77。
根据IMS系统的装配需求，微反射镜阵列和色散成像模块分别位于准直镜的前后焦面，准直镜的前后截距需保证足够的装配距离。本实施例中，准直镜头的前截距≥15mm，后截距≥35mm。
在光学设计软件中，根据设计要求设置物方视场、入瞳直径和波段范围。输入准直镜头的初始结构，将准直镜焦距、前后截距、调制传递函数等作为约束目标，将各镜面的曲率半径、厚度、材料设置为变量，反复运行软件，直至获得较好的成像结果。
本实施例提供的一种大孔径长截距的IMS系统准直镜头的结构图如图2所示。该准直镜头按照逆向光路设计，设计时准直镜头的出瞳成为入瞳，各视场光线以平行光的形式进入入瞳。IMS光谱成像系统的前置成像镜为像方远心结构，为实现光瞳衔接，准直镜头的光学结构为像方远心。沿入射光线传播方向，依次同轴设置：孔径光阑STOP、平板玻璃0、双凸正透镜1、弯月负透镜2、弯月负透镜3、弯月正透镜4、弯月负透镜5、双凸正透镜6、弯月正透镜7、弯月正透镜8、弯月负透镜9和弯月正透镜10。所述弯月负透镜5和双凸正透镜6组成第一个双胶合透镜，所述弯月正透镜8和弯月负透镜9组成第二个双胶合透镜。
本实施例实现的光学性能指标如下：
该准直镜头焦距为50mm，入瞳直径为28.5mm，F数为1.75，全视场角为12.6°，波段范围450～650nm，前截距为17.5mm，后截距为39.36mm。本实施例中准直镜头的F数满足了收集微反射镜阵列反射光线的要求，前后截距满足了IMS系统装配距离的要求，无需引入额外的光学元件，使得系统结构紧凑，无需损失光通量。
具体镜片参数如下表所示：
Figure BDA0003406206090000061
Figure BDA0003406206090000071
图3为本实施例中准直镜头的调制传递函数图，在Nyquist频率22lp/mm处，各视场下的调制传递函数均高于0.6，成像质量较高。图4为本实施例中准直镜头的场曲和畸变图，可以看出在最大视场下畸变值小于0.8％。图5为本实施例中准直镜头的色焦移曲线，可以看出该实施例校正了初级色差。将本实施例应用于IMS光谱成像系统，图6为孔径光阑投影形成的孔径阵列各子孔径中心坐标分布图，可以看出经过本实施例提出的准直镜头调制后，子孔径投影位置接近设计值，最大偏差值仅为0.38mm，各子孔径准直光束和后续色散成像模块可以进行很好的耦合。
上述实施例仅是本发明的较佳实施例，而非全部实施例。本发明中使用的光学设计软件可以是ZEMAX、CODEV等任一款光学设计软件。本发明提供的准直镜头设计参数计算方法可以适用于其他参数的IMS光谱成像系统。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头,其特征在于,该准直镜头沿入射光线传播方向,依次同轴设置:孔径光阑、平板玻璃、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第一弯月正透镜、第三弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月负透镜和第四弯月正透镜;其中,所述第三弯月负透镜和第二双凸正透镜组成第一个双胶合透镜;所述第三弯月正透镜和第四弯月负透镜组成第二个双胶合透镜；
所述准直镜头的焦距为50mm,F数≤1.77；
所述准直镜头的前截距等于第一双凸正透镜前表面与后续色散成像模块的距离,准直镜头的前截距不少于15mm；
所述准直镜头的后截距等于第四弯月正透镜后表面与微反射镜阵列的距离,准直镜头的后截距不少于35mm。
CN202111514149.8A 2021-12-13 2021-12-13 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头 Active CN114137735B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111514149.8A CN114137735B (zh) 2021-12-13 2021-12-13 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111514149.8A CN114137735B (zh) 2021-12-13 2021-12-13 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114137735A CN114137735A (zh) 2022-03-04
CN114137735B true CN114137735B (zh) 2022-11-25

Family

ID=80385771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111514149.8A Active CN114137735B (zh) 2021-12-13 2021-12-13 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114137735B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116893503B (zh) * 2023-09-11 2023-11-24 昆明明汇光学有限公司 一种观靶镜光学系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103616074A (zh) * 2013-11-21 2014-03-05 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 数字微镜光栅光谱仪的波长标定方法
CN110579877A (zh) * 2019-09-23 2019-12-17 中国科学院上海技术物理研究所 共轭校正检验非球面镜的光学系统及理论
CN112229516A (zh) * 2020-11-02 2021-01-15 苏州大学 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法
CN113029340A (zh) * 2021-03-25 2021-06-25 中国计量大学 一种入射光瞳离轴像映射光谱仪结构
CN113167691A (zh) * 2018-09-10 2021-07-23 富鲁达加拿大公司 自动聚焦样本成像设备和方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103616074A (zh) * 2013-11-21 2014-03-05 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 数字微镜光栅光谱仪的波长标定方法
CN113167691A (zh) * 2018-09-10 2021-07-23 富鲁达加拿大公司 自动聚焦样本成像设备和方法
CN110579877A (zh) * 2019-09-23 2019-12-17 中国科学院上海技术物理研究所 共轭校正检验非球面镜的光学系统及理论
CN112229516A (zh) * 2020-11-02 2021-01-15 苏州大学 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法
CN113029340A (zh) * 2021-03-25 2021-06-25 中国计量大学 一种入射光瞳离轴像映射光谱仪结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN114137735A (zh) 2022-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104570296B (zh) 超短焦投影镜头
CN110058387B (zh) 一种双远心投影镜头及投影系统
US6552852B2 (en) Catoptric and catadioptric imaging systems
CN111290100B (zh) 投影镜头及投影成像系统
US8908294B2 (en) Catadioptric optical system with high numerical aperture
CN111766754B (zh) 光学系统及投影装置
CN105334608B (zh) 一种棱镜光学系统
CN112229516A (zh) 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法
CN115657275A (zh) 一种超短焦投影镜头及投影系统
CN111367066B (zh) 一种同轴四反光学系统
CN107436482B (zh) 转折式望远定焦镜头及摄像装置
CN102289056B (zh) 一种用于成像光谱仪的大视场大相对孔径前置物镜
CN114137735B (zh) 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头
CN112630948A (zh) 一种基于两曼金镜的折反光学镜头
CN100587544C (zh) 一种折反射投影光学系统
CN105759543A (zh) 投影光学系统及投影装置
US6850361B1 (en) Wide-angle catoptric system
CN214067483U (zh) 一种基于两曼金镜的折反光学镜头
CN212364709U (zh) 一种大视场长焦距离轴三反式平行光管光学系统
CN107817593B (zh) 一种超短焦投影镜头
CN212364710U (zh) 一种大视场离轴三反式平行光管光学系统
CN105004421A (zh) 以光栅为分界的成像光谱仪
CN116449538B (zh) 一种光学镜头和摄像头模组
CN116299979A (zh) 一种线扫描光谱共焦色散物镜
CN109975949A (zh) 一种投影镜头及投影系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant