專利名稱：一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，特別涉及一種采用同軸透射結構的、工作于短波紅外波段的大視場大相對孔徑前置成像物鏡。
背景技術：
成像光譜技術是成像技術和分光技術的有機結合，在對目標物進行兩維光學成像的同時，可獲取其光譜信息，成為航空、航天遙感領域獲取目標信息的重要手段。近年來，隨著大面陣平面探測器技術的不斷提高，成像光譜技術日趨成熟，向著大視場和高分辨率的方向發展。成像光譜儀的工作原理參見附圖1，成像光譜儀主要由前置物鏡、分光成像光學系統、探測器及電子電路、計算機數據處理等構成。前置物鏡用于捕捉感興趣的目標，對目標物成像，將目標物的空間像成到其像平面上，其像平面即為分光成像系統的物平面，目標物的像進入分光成像系統，分光成像系統再將不同波長的光譜像成到探測器的光敏面上，經探測器電子電路接收并傳送給計算機，通過軟件處理，可輸出用戶需要的光譜圖像數據。成像光譜儀的性能與其前置物鏡密切相關，成像光譜儀的發展對其前置物鏡的性能指標提出了更高的要求。首先要求前置物鏡有與之相匹配的大視場和大相對孔徑；第二是適用于寬波段。普通的成像物鏡難以在滿足大視場大相對孔徑要求的同時，實現在寬波段內的消色差。一般的透射系統受材料的限制，很難實現在寬波段內消色差，成像性能難以滿足成像光譜儀的要求。文獻報道，美國Navy EarthMap Observer(NEMO)衛星上搭載的海洋成像光譜儀(C0IS)，采用了離軸三反射式光學系統作為前置物鏡。然而，全反射式的系統很難實現大視場，通常適用于線視場，需經過推掃實現寬的覆蓋；同時，為避免中心遮攔，一般采用離軸結構，這種系統裝調難度大，穩定性難以保障。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種結構簡單緊湊、適用波段寬、成像性能優、穩定性好的用于短波紅外成像光譜儀的大視場、大相對孔徑的透射式前置物鏡。本發明所采用的技術方案是一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，它為透射式光學系統，工作波段為短波紅外波段；其光學系統的結構為同軸結構， 包括一塊正透鏡和三組雙膠合透鏡，沿光線入射方向，依次為球面正透鏡，第一組雙膠合透鏡的負透鏡、正透鏡，第二組雙膠合透鏡的正透鏡、負透鏡，和第三組雙膠合透鏡的正透鏡、負透鏡；該前置物鏡的光欄位于第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡之間， 兩透鏡組都彎向光欄；球面正透鏡和第三組雙膠合透鏡分別與第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡背向而置；各透鏡的焦距依次對應為i\、Z21 > /22、f31、/32、Z4I和f位；相對前置物鏡鏡頭焦距/的歸一化值分別對應為2.0彡廣i彡3.0、0.5彡廣21 ( 1.0、 0.2 彡 /，22 彡 0. 5,0. 2 彡 /，31 彡 0. 5,0. 5 彡廣 32 彡 1. 0,0. 5 彡 /，41 彡 1.0 和0.5≤1. 0 ；第一組雙膠合透鏡的正透鏡的后表面為非球面，其二次非球面系數 6222 滿足條件-4. 0 ≤ 6222 ≤ -2. 5o本發明提供的一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，各透鏡材料 的折射率依次對應為/ 1、/^、/^、《31、《32、和/ ，對應取值范圍分別為1. 3 J^fli ^^ 1. 8、
1.5 J^/721 < 2. 0、L1. 7、L 4 / 1. 9、L Wiu讓(2. 0、L 4 /741 1. 9 和 1. 5 ^^ /742 ^ 2. 0。各透鏡安裝于一個鏡頭筒內，鏡頭筒的長度小于25mm。該前置物鏡的最 大視場角為40°，最大口徑小于15mm。與現有技術相比，本發明的特點在于采用同軸透射結構，與用于遙感的反射系統 相比，具有視場大、分辨率高、結構簡單、裝調容易、穩定性好等優點。本發明提供的用于成 像光譜儀的透射式前置物鏡，具有消色差、畸變小的特點。
圖1是成像光譜儀的工作原理示意圖2是本發明實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡光學系統 的成像光路圖3是本發明實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡像面的光 線追跡點列圖4是本發明實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡的能量集 中度曲線；
圖5是本發明實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡光學系統 的色差曲線；
圖6是本發明實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡光學系統 的畸變曲線；
圖7是本發明實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡光學系統 的調制傳遞函數曲線。圖中1、球面正透鏡；21、第一組雙膠合透鏡的負透鏡；22、第一組雙膠合透鏡的 正透鏡；31、第二組雙膠合透鏡的正透鏡；32、第二組雙膠合透鏡的負透鏡；41、第三組雙膠 合透鏡的正透鏡；42、第三組雙膠合透鏡的負透鏡；5、光欄；6、前置物鏡的像平面。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對發明的實施方案作進一步的具體闡述。實施例1
本實施例的技術方案是提供一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，它的 工作波段為1. 2. 5M.m,系統F數為F/#=4，全視場角35度。參見附圖2，它是本實施例提供的用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡 光學系統的成像光路圖；該前置物鏡由球面正透鏡和三組雙膠合透鏡組組成，沿光線入射 方向，依次為球面正透鏡1，第一組雙膠合透鏡的負透鏡21、正透鏡22，第二組雙膠合透鏡 的正透鏡31、負透鏡32，和第三組雙膠合透鏡的正透鏡41、負透鏡42 ；系統基本關于光欄對稱，垂軸像差，如畸變、倍率色差可得到較好地校正；光欄5位于第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡之間，兩透鏡組都彎向光欄，用于減小球差；球面正透鏡和第三組雙膠合透鏡分別與第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡背向而置，可平衡象散像差；前置物鏡的像平面6與最后一塊透鏡的后表面間有足夠的空間，可用于放置探測器。對應各透鏡的相關參數如下系統的焦距為20mm，透鏡1、透鏡21、透鏡22、 透鏡31、透鏡32、透鏡41和透鏡42的曲率半徑依次分別為25mm，-340mm、6mm、2. 5mm、 6mm、-13mm、-3mm, -6mm,22mm, -llmm、35_ ；沿光線入射方向，各透鏡、光欄及透鏡間的距離依次為 2. 5mm>0. lmm>3. 5mm>2. 5mm>0. 3mm> 1. 5mm、3mm、4mm、0. 2mm>2. 5mm>3. 2mm>8. 2mm ；各透鏡的折射率依次為1. 44、1· 71、1· 43、1· 43、1· 71、1· 72、1· 55 ；透鏡22的后表面的二次非球面系數為-3. 7。全部透鏡安裝于一個鏡頭筒內，鏡頭筒的長度小于35mm。為避免傳統的航空航天遙感用離軸反射式前置系統視場小、裝調困難的問題，并同時實現緊湊的結構，本發明采用同軸透射光學結構的設計原則，一方面，保證系統同時具有大視場和大的相對孔徑，保證成像光譜儀的空間分辨率；另一方面，保證系統具有緊湊的結構和好的穩定性，并且通過選擇合適的玻璃組合，實現寬波段內消色差。系統中的雙膠透鏡組中的正、負透鏡分別采用低折射率、低色散和高折射率、高色散的紅外玻璃材料組合， 可較好地校正色差。參見附圖3，它是本實施例所述的光學系統的光線追跡點列圖，即目標物經前置物鏡后在其像平面上的情況。圖中的方框為一個30timX^3tim的探測器像元范圍，由圖中可
以看出，系統各個波長的不同視場處的點列圖都能較好的落在一個探測像元內。參見附圖4，它是本實施例所述的光學系統的能量集中度曲線，圖5中的方框為一
個探測器像元范圍，即SOtImXSOttm。由圖中可以看出，系統各視場處、單個探測器像元內的成像光束能量集中度都在90%以上。附圖5是本實施例所述的光學系統的色差曲線，橫坐標上對應的五組曲線分別代表5個波長的子午和弧矢場曲曲線，縱坐標是視場。每組曲線之間的距離表示對應縱坐標
是某個視場處的像散值，可見最大像散值小于70W,小于焦深，在像差容限范圍內。橫坐標
上，每組曲線之間的間距即為位置色差，最大值小于Mww，同樣在像差允許范圍內。參見附圖6，是本實施例所述的光學系統的畸變曲線，橫坐標是畸變數值，縱坐標表示視場，由圖6可見，其最大值小于0. 4%。附圖7是本實施例所述的光學系統的光學傳遞函數曲線，橫坐標是空間頻率，縱坐標是光學函數值，由圖7可見，在探測器乃奎斯特頻率181p/mm處，光學系統的傳遞函數值高于0.8。實施例2
本實施例中，F數F/No. =4，工作波段為短波紅外(1. O 2. 5μιη)全視場角40度，光學系統結構及成像光路參見附圖2。光學系統的其余參數如下焦距20mm，透鏡1、透鏡21、透鏡22、透鏡 31、透鏡32、透鏡41和透鏡42的曲率半徑分別為25mm，-184mm、5. 8mm, 2. 5mm、 6mm,-12mm,-2. 8mm、-5. 7mm、19mm、-13. 5mmJ9mm。沿光線入射方向，各透鏡、光欄及透鏡間的距離依次為 2. 5mm、0. lmm>3. 5mm>2. 5mm、0. 3mm> 1. 7mm、2. 8mm、3. 8mm、0. 6mm、3. 3mm、2mm、 7. 5mm ；各透鏡的折射率依次為1. 44、1· 71、1· 43、1· 43、1· 71、1· 72、1· 55。透鏡22后表面的二次非球面系數為-3.6。
權利要求
1.一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，其特征在于它為透射式光學系統，工作波段為短波紅外波段；其光學系統的結構為同軸結構，包括一塊正透鏡和三組雙膠合透鏡，沿光線入射方向，依次為球面正透鏡(1)，第一組雙膠合透鏡的負透鏡(21)、正透鏡(22)，第二組雙膠合透鏡的正透鏡(31)、負透鏡(32)，和第三組雙膠合透鏡的正透鏡 (41)、負透鏡(42)；光欄(5)位于第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡之間，兩透鏡組都彎向光欄；球面正透鏡和第三組雙膠合透鏡分別與第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡背向而置；所述各透鏡的焦距依次對應為Λ、Z21 > Z22> /31、/32、Z41和/42 ；相對前置物鏡鏡頭焦距/的歸一化值分別對應為2. 0彡彡3. 0、0. 5彡廣21 ( 1.0,0. 2 ^( 0.5、0.2 彡 / 彡 0. 5,0. 5 彡 / 彡 1. 0,0. 5 ^ /^41 ^ 1. 0 和 0. 5 彡 / 2 彡 1. 0 ； 所述的第一組雙膠合透鏡的正透鏡(22)的后表面為非球面，其二次非球面系數 e:22滿足條件-4. 0彡e222彡-2. 5。
2.根據權利要求1所述的一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，其特征在于所述各透鏡材料的折射率依次對應為/^fl21、/ 22、/ 31、/ 32、/ 41和/ ，對應的取值范圍分別為 1. 3 彡 A1 彡 1. 8、1· 5 彡/ 21彡2· 0、1· 2 彡/ 22彡 1. 7、1. 4 彡/ 31 彡 1. 9、1· 5 彡/ 彡 2. 0、1.4 ^ 1. 9 和 1. 5 ^ 2. 0。
3.根據權利要求1所述的一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，其特征在于所述各透鏡安裝于一個鏡頭筒內，鏡頭筒的長度小于25mm。
4.根據權利要求1所述的一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，其特征在于它的最大視場角為40°。
5.根據權利要求1所述的一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡，其特征在于它的最大口徑小于15mm。
全文摘要
本發明公開了一種用于成像光譜儀的大視場大相對孔徑前置物鏡。它為透射式光學系統，工作波段為短波紅外波段；其光學系統的結構為同軸結構，由一塊球面正透鏡和三組雙膠合透鏡組構成，光欄位于第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡之間，兩透鏡組都彎向光欄，球面正透鏡和第三組雙膠合透鏡分別與第一組雙膠合透鏡和第二組雙膠合透鏡背向而置。由于采用了透射式及同軸結構，結構簡單緊湊，適用波段寬、色差小、畸變小、成像質量好，安裝與調試容易，穩定性好；同時，它無遮攔、能量利用率高；且具有裝調容易、視場大、相對孔徑大、集光本領強，分辨率高的特點，具有應用前景。
文檔編號G02B13/22GK102289056SQ20111028954
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月27日 優先權日2011年9月27日
發明者季軼群, 徐莉, 沈為民, 石榮寶, 賀虎成 申請人:蘇州大學