CN102360115A - 低畸变大视场像方远心光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用了非球面技术的低畸变大视场像方远心光学装置，该低畸变大视场像方远心光学装置包括第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜；第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜依次设置于同一光路上，其中第二正透镜和第二负透镜双胶合，第一正透镜第一面为偶次非球面；本发明提供了一种针对660纳米红光照明设计的，可满足高精度测量以及全视场照度均匀性要求的、可应用于光纤传像束的前置成像装置。

Description

低畸变大视场像方远心光学装置

技术领域：

本发明专利属于光学成像领域，涉及一种低畸变大视场像方远心光学装置，尤其涉及一种适合用于光纤传像束镜头等测量、观察用内窥镜头的光学装置。

背景技术：

光纤传像束是将多根一定长度的光纤，有规则地集合成束而达到传递图像的纤维光学元件，也是一种可任意弯曲的传输图像的无源器件。由于其特有的不可替代的特性，被广泛应用于医学、工业、科研、军事等众多领域。一般应用对成像质量要求不高，前置成像物镜比较简单。随着CCD成像技术和大截面光纤传像束技术的发展，在某些特殊的应用场合(例如对特定激光信号进行探测)，为了保证系统具有较高的探测距离和测量精度，采用了大截面光纤传像束，对传像束前置光学系统的成像质量和通光口径提出了更高的要求，传统的设计已经不能满足要求，必须对前置光学系统进行优化设计。

对于一般工业或医用内窥镜，由于视场相对较小，实现光学系统的像方远心光路可以将孔径光阑置于光学系统的前焦点处，但是在宽视场的条件下，这将造成光学系统的横向尺寸过大，随之质量也过大。传统的光纤传像束物镜有“正-负”结构和“负-正”结构两种。“正-负”光学系统具有畸变较小、成像质量较高的优点，但它的能量集中度不好，像面照度不均匀，尤其大视场条件下，低能量集中度难以适应高分辨率光纤传像束的要求。传统“负-正”光学系统具有能量集中度高、成像质量高(一定空间频域内MTF(光学调制传递函数)值较高)的优点，但它的轴外像差校正比较困难，图像畸变较大，通常在视场角2ω＝6O°时相对畸变能达到20％。

并且，随着高亮度LED照明技术的提高，其单色光亮度已经能够满足医用内窥镜等需要高精度测量系统的需求。

目前国内尚无此类针对单色光设计的大视场低畸变像方远心光学装置。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对660纳米单色光照明，能够提供一种用于光纤传像束前置物镜的大视场低畸变像方远心光学装置。

本发明的技术解决方案如下：

本发明涉及一种使用了非球面技术的低畸变大视场像方远心光学装置，该低畸变大视场像方远心光学装置包括第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜；第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜依次设置于同一光路上，其中第二正透镜和第二负透镜双胶合，第一正透镜第一面为偶次非球面；本发明提供了一种针对660纳米红光照明设计的，可满足测量系统高精度的以及不同视场照度均匀性的要求的低畸变大视场像方远心光学装置。

上述低畸变大视场像方远心光学装置，包括第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜；所述第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜依次设置于同一光路上，其中第二正透镜和第二负透镜胶合。

上述的低畸变大视场像方远心光学装置，其第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜是采用普通光学玻璃。

上述的低畸变大视场像方远心光学装置，其第一正透镜第一面采用非球面，为偶次非球面。

上述的低畸变大视场像方远心光学装置，其第一负透镜采用冕牌光学玻璃、第二正透镜采用重冕牌光学玻璃。

上述的低畸变大视场像方远心光学装置，其第一正透镜、第二负透镜采用高折射率的重火石光学玻璃。

本发明的优点是：

1、在保证大视场低畸变的同时尽量简化系统。本发明采用将孔径光阑置于光学系统中间，光学系统前组为负光焦度，孔径光阑处于光学系统后组的前焦点处，形成“负-正”型式的大视场像方远心光路，在全视场达到60°时仍能够保持小畸变。

2、全视场畸变很低，被控制在0.1％以下，完全可以满足测量需求。本发明第一正透镜第一面采用高阶偶次项非球面，并采用高折射率材料提高偏折光线能力，利用弯月形厚透镜减小场曲，双胶合透镜有助于减小彗差。

3、满足测量系统高精度以及不同视场照度均匀性的要求，且成像质量高。采用波长660nm照明，第一负透镜、第二正透镜采用冕牌光学玻璃，第一正透镜、第二负透镜采用重火石光学玻璃。

附图说明：

图1是本发明所提供的光学装置结构示意图。

图2是本发明所提供的光学装置的MTF(光学调制传递函数)曲线。

图3是本发明所提供的光学装置的场曲和相对畸变曲线。

图4是本发明所提供的光学装置的能量集中度曲线。

具体实施例：

参见图1，本发明提供一种使用了非球面技术的低畸变大视场像方远心光学装置，该光学系统包括第一负透镜1、光阑6、第一正透镜2、第二正透镜3以及第二负透镜4；第一负透镜1、光阑6、第一正透镜2、第二正透镜3以及第二负透镜4依次设置于同一光路5上。

为了提高成像质量，减小各种像差，本发明中第二正透镜3和第二负透镜4双胶合，第一正透镜为弯月形厚透镜，第一负透镜1第一面为平面，第一正透镜2第一面为偶次非球面，其余各面为标准球面。

随着LED照明技术的提高，其单色光亮度已经能够满足内窥镜的需求，本发明特别针对660纳米红光照明设计。

考虑到内窥镜是非常长而且窄的光学成像系统，通常是为了探测人体内或其它结构内部而专门设计的。应用物空间介质可设为水，为观察方便，第一面设为平面。

本发明中第一负透镜采用冕牌光学玻璃，第二正透镜采用重冕牌光学玻璃，其第一正透镜、第二负透镜采用高折射率的重火石光学玻璃。

本发明中各透镜的技术参数是：

对于第一负透镜：

f′₁＝-2.11f′ n₁＝1.52

R₁＝∞         R₂＝1.08f′

对于第一正透镜：

f′₂＝4.94   f′n₂＝1.92

R₃＝1.27f′  R₄＝4.25f′

c＝-0.77

α₁＝3.01

α₂＝2.15

α₃＝89.36

α₄＝-1592.32

对于第二正透镜：

f′₃＝4.49   f′n₃＝1.62

R₅＝4.95     f′R₆＝3.88f′

对于第二负透镜：

f′₄＝4.13f′n₄＝1.76

R₇＝3.88f′ R₈＝15.57f′

对于以上各参数，其中，f′₁，f′₂，f′₃以及f′₄分别为第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3以及第二负透镜4的焦距；R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆，R₇以及R₈分别为第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3以及第二负透镜4的八个面的曲率半径；n₁，n₂，n₃以及n₄分别为第一负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3以及第二负透镜4的折射率。c为第一正透镜第一面(四阶偶次非球面)的顶点曲率，α₁∶α₄为第一正透镜第一面的高次非球面系数。c，α₁∶α₄由以下偶次非球面公式确定：

$z=\frac{c{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{r}^{2i}$

本发明工作波长660nm，，焦距1.22cm，全视场60°，后工作距大于4.75mm，出瞳距60000cm。对设计结果的分析表明，该镜头全视场内相对畸变小于0.1％，各视场MTF在空间频率401p/mm以内大于0.8，弥散半径4μm处0°、10°、20°、30°视场能量集中度分别为0.8667，0.8675，0.8428，0.8021，而6μm处各视场能量集中度均大于0.9，表明成像质量优良。

Claims (5)

1.一种低畸变大视场像方远心光学装置，其特征在于：所述低畸变大视场像方远心光学装置包括第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜；所述第一负透镜、光阑、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜依次设置于同一光路上，其中第二正透镜和第二负透镜胶合。

2.根据权利要求1所述的低畸变大视场像方远心光学装置，其特征在于：所述第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜以及第二负透镜是采用普通光学玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的低畸变大视场像方远心光学装置，其特征在于：所述第一正透镜第一面采用非球面，为偶次非球面

4.根据权利要求2所述的低畸变大视场像方远心光学装置，其特征在于：所述第一负透镜、第二正透镜采用冕牌光学玻璃。

5.根据权利要求2所述的低畸变大视场像方远心光学装置，其特征在于：所述第一正透镜、第二负透镜采用重火石光学玻璃。

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