光学镜头及包括该光学镜头的成像设备

1.本发明涉及光学设计技术领域，特别涉及一种光学镜头及包括该光学镜头的成像设备。


背景技术：

2.偏振光谱成像技术作为一种新型的光学探测技术，获取信息量相比于传统光学探测技术大大增加，逐渐在各领域得到广泛应用。随着无人机技术的发展，利用无人机作为遥感平台的机载偏振光谱遥感载荷迅速发展，其中偏振光谱强度调制技术是偏振光谱成像技术中的先进技术。利用偏振强度调制模块(psim)即可完成待测目标偏振光谱信息的同时获取，它可以实现对目标光的静态、快照式、全斯托克斯光谱测量。为了提升机载设备的工作效率与宽波段的探测范围，机载偏振成像光谱仪的主要发展方向为大视场与宽谱段探测。成像光谱仪中的望远镜头主要作用是对目标进行成像，因此望远系统决定着成像光谱仪的成像质量，对望远镜头进行设计是至关重要的。
3.为了保证机载偏振成像光谱仪能够对目标进行偏振信息的获取，采用psim模块对入射光进行偏振强度调制，psim模块对入射光线入射角的要求需要小于5
°
，同时为了与成像光谱仪后续的光谱分光系统完成拼接，要求望远系统具有像方远心的光路结构。因此，设计机载偏振光谱成像仪的望远镜头具有一定技术难度。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种光学镜头及包括该光学镜头的成像设备，保证在偏振强度调制模块使用要求的前提下，满足大视场角、覆盖宽波段的需求。
5.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
6.本发明提供一种光学镜头，沿着光轴由物侧至像侧依序包括：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、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜；
7.第一透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
8.第二透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
9.第三透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面；
10.第四透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；
11.第五透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；
12.第六透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；
13.第七透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
14.第八透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
15.第九透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
16.第十透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；
17.第十一透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；
18.第十二透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；
19.第十三透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；
20.第十四透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面。
21.第四透镜和第五透镜组成第一胶合透镜；第七透镜和第八透镜组成第二胶合透镜；第九透镜和第十透镜组成第三胶合透镜；
22.其中，第三透镜、第四透镜、第十一透镜和第十四透镜为玻璃非球面透镜，其余透镜为玻璃球面透镜。
23.优选地，还包括光阑；光阑位于第十透镜与第十一透镜之间；用于限制系统的入射光线。
24.优选地，还包括psim模块，psim模块放置在第三透镜与第四透镜之间；用于对光线中的偏振信息进行探测。
25.优选地，-0.09《ф1/ф《-0.07；
[0026]-0.35《ф2/ф《-0.3；
[0027]-0.35《ф3/ф《-0.25；
[0028]
0.1《ф4/ф《0.3；
[0029]-0.1《ф5/ф《0；
[0030]
0.1《ф6/ф《0.25；
[0031]-1.1《ф7/ф《-0.9；
[0032]
0.7《ф8/ф《0.9；
[0033]-0.8《ф9/ф《-0.7；
[0034]
1.1《ф
10
/ф《1.3；
[0035]-0.2《ф
11
/ф《-0.1；
[0036]
0.3《ф
12
/ф《0.45；
[0037]
0.3《ф
13
/ф《0.45；
[0038]-0.5《ф
14
/ф《-0.4；
[0039]
其中：
[0040]
ф1为第一透镜的光焦度；
[0041]
ф2为第二透镜的光焦度；
[0042]
ф3为第三透镜的光焦度；
[0043]
ф4为第四透镜的光焦度；
[0044]
ф5为第五透镜的光焦度；
[0045]
ф6为第六透镜的光焦度；
[0046]
ф7为第七透镜的光焦度；
[0047]
ф8为第八透镜的光焦度；
[0048]
ф9为第九透镜的光焦度；
[0049]
ф
10
为第十透镜的光焦度；
[0050]
ф
11
为第十一透镜的光焦度；
[0051]
ф
12
为第十二透镜的光焦度；
[0052]
ф
13
为第十三透镜的光焦度；
[0053]
ф
14
为第十四透镜的光焦度；
[0054]
ф为光学镜头的光焦度。
[0055]
优选地，第一透镜的材料为d-zlaf61，通光口径范围为：77mm-78mm，厚度范围为：19mm-20mm；
[0056]
第二透镜的材料为h-zpk7，通光口径范围为：51mm-52mm，厚度范围为：2mm-3mm；
[0057]
第三透镜的材料为h-laf10la，通光口径范围为：43mm-44mm，厚度范围为：2mm-3mm；
[0058]
第四透镜的材料为h-tf5，通光口径范围为：45mm-46mm，厚度范围为：6mm-7mm；
[0059]
第五透镜的材料为h-zlaf68n，通光口径范围为：47mm-48mm，厚度范围为：4mm-5mm；
[0060]
第六透镜的材料为d-zk2l，通光口径范围为：41mm-42mm，厚度范围为：9mm-10mm；
[0061]
第七透镜的材料为h-zf11，通光口径范围为：15mm-16mm，厚度范围为：2mm-3mm；
[0062]
第八透镜的材料为h-zf7lagt，通光口径范围为：13mm-14mm，厚度范围为：1mm-2mm；
[0063]
第九透镜的材料为h-zlaf55d，通光口径范围为：13mm-14mm，厚度范围为：0mm-1mm；
[0064]
第十透镜的材料为h-zpk7，通光口径范围为：12mm-13mm，厚度范围为：2mm-3mm；
[0065]
第十一透镜的材料为h-baf7，通光口径范围为：15mm-16mm，厚度范围为：3mm-4mm；
[0066]
第十二透镜的材料为h-zpk7，通光口径范围为：37mm-38mm，厚度范围为：9mm-10mm；
[0067]
第十三透镜的材料为h-fk95n，通光口径范围为：33mm-34mm，厚度范围为：9mm-10mm；
[0068]
第十四透镜的材料为d-lak5，通光口径范围为：30mm-31mm，厚度范围为：3mm-4mm。
[0069]
优选地，第三透镜出射光线与光轴的夹角θ《5
°
。
[0070]
7、根据权利要求6的光学镜头，其特征在于，光线镜头的焦距为20mm，f数为4，光谱范围为400nm～1700nm，视场角为72
°
。
[0071]
优选地，第三透镜、第四透镜、第十一透镜和第十四透镜的非球面面型为：
[0072][0073]
其中，
[0074]
z为非球面z向的轴向矢高；
[0075]
r为非球面上的点到光轴的距离；
[0076]
c为拟合球面的曲率，数值上为曲率半径的倒数；
[0077]
k为拟合圆锥系数；
[0078]
a、b、c分别为非球面多项式的4阶、6阶、8阶系数。
[0079]
本发明还提供一种成像设备，包括权利要求1-8任一项的光学镜头及用于将光学镜头形成的光学图像转换为电信号的成像元件。
[0080]
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
[0081]
1.本发明视场角72
°
，工作光谱范围为400nm-1700nm，具有像方远心光路结构，能够匹配后置光谱分光系统，望远镜头的焦距为20mm，f数为4，镜头具有大视场宽谱段特性，并且成像质量优异。
[0082]
2.本发明采用负透镜在前，正透镜在后的反远距结构，满足psim模块的使用要求，同时采用透射式结构降低光学系统对入射光的偏振效应，该镜头具有良好的偏振探测精度。
附图说明
[0083]
图1是根据本发明实施例提供的光学镜头的结构示意图。
[0084]
图2是根据本发明实施例提供的光学镜头的点列图。
[0085]
图3是根据本发明实施例提供的光学镜头的光学传递函数示意图。
[0086]
图4是根据本发明实施例提供的光学镜头的轴向色差曲线示意图。
[0087]
其中的附图标记包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13和第十四透镜14。
具体实施方式
[0088]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0089]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明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发明，而不构成对本发明的限制。
[0090]
图1示出了根据本发明实施例提供的光学镜头的结构示意图。
[0091]
如图1所示，本发明实施例提供的光学镜头包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13和第十四透镜14；总共14枚透镜。
[0092]
其中，第三透镜3、第四透镜4、第十一透镜11和第十四透镜14为玻璃非球面透镜。
[0093]
本发明提供的光学系统还包括光阑；光阑位于第十透镜10与第十一透镜之间的光路中；光阑可以限制系统的入射光线，通过合理的调节光阑的位置有利于提高成像质量。
[0094]
本发明提供的光学系统还可以包括psim模块，通过将psim模块放置在第三透镜3与第四透镜4之间的光路中，便可以进行偏振信息的探测、获取。
[0095]
第四透镜4和第五透镜5组成一个胶合透镜；第七透镜7和第八透镜8组成一个胶合透镜；第九透镜9和第十透镜10组成一个胶合透镜；胶合透镜可以有效的减小甚至消除系统色差，同时，胶合透镜可以消除两枚透镜的空气间隙，使得光学系统更加紧凑。
[0096]
本发明提供的光学系统的光谱范围为400nm-1700nm，视场角为72
°
，有利于提高机载偏振遥感载荷的工作效率。
[0097]
本发明提供的光学系统为像方远心光路结构，望远镜头各个视场的入射光线的主
光线均垂直入射到像面，能够与后续光谱分光系统实现良好拼接，完全满足作为成像光谱仪望远镜头的技术要求。
[0098]
第一透镜的光焦度为ф1，第二透镜的光焦度为ф2，第三透镜的光焦度为ф3，第四透镜的光焦度为ф4，第五透镜的光焦度为ф5，第六透镜的光焦度为ф6，第七透镜的光焦度为ф7，第八透镜的光焦度为ф8，第九透镜的光焦度为ф9，第十透镜的光焦度为ф
10
，第十一透镜的光焦度为ф
11
，第十二透镜的光焦度为ф
12
，第十三透镜的光焦度为ф
13
，第十四透镜的光焦度为ф
14
。
[0099]
光学镜头的光焦度为ф。
[0100]
其中：
[0101]-0.09《ф1/ф《-0.07；
[0102]-0.35《ф2/ф《-0.3；
[0103]-0.35《ф3/ф《-0.25；
[0104]
0.1《ф4/ф《0.3；
[0105]-0.1《ф5/ф《0；
[0106]
0.1《ф6/ф《0.25；
[0107]-1.1《ф7/ф《-0.9；
[0108]
0.7《ф8/ф《0.9；
[0109]-0.8《ф9/ф《-0.7；
[0110]
1.1《ф
10
/ф《1.3；
[0111]-0.2《ф
11
/ф《-0.1；
[0112]
0.3《ф
12
/ф《0.45；
[0113]
0.3《ф
13
/ф《0.45；
[0114]-0.5《ф
14
/ф《-0.4。
[0115]
通过合理分配各枚透镜的光焦度，有效减小系统球差与场曲，同时保证各个视场的像质。
[0116]
在本发明提供的实施例中，任一透镜临近物面的一侧为物方表面，任一透镜临近像面的一侧为像方表面。
[0117]
第一透镜1的物方表面朝向物面凸起，第一透镜1的像方表面朝向像面凹陷；
[0118]
第二透镜2的物方表面朝向物面凸起，第二透镜2的像方表面朝向像面凹陷；
[0119]
第三透镜3的物方表面朝向物面凹陷，第三透镜3的像方表面朝向像面凹陷；
[0120]
第四透镜4的物方表面朝向物面凹陷，第四透镜4的像方表面朝向像面凸起；
[0121]
第五透镜5的物方表面朝向物面凹陷，第五透镜5的像方表面朝向像面凸起；
[0122]
第六透镜6的物方表面朝向物面凹陷，第六透镜6的像方表面朝向像面凸起；
[0123]
第七透镜7的物方表面朝向物面凸起，第七透镜7的像方表面朝向像面凹陷；
[0124]
第八透镜8的物方表面朝向物面凸起，第八透镜8的像方表面朝向像面凹陷；
[0125]
第九透镜9的物方表面朝向物面凸起，第九透镜9的像方表面朝向像面凹陷；
[0126]
第十透镜10的物方表面朝向物面凸起，第十透镜10的像方表面朝向像面凸起；
[0127]
第十一透镜11的物方表面朝向物面凹陷，第十一透镜11的像方表面朝向像面凸起；
[0128]
第十二透镜12的物方表面朝向物面凸起，第十二透镜12的像方表面朝向像面凸起；
[0129]
第十三透镜13的物方表面朝向物面凸起，第十三透镜13的像方表面朝向像面凸起；
[0130]
第十四透镜14的物方表面朝向物面凹陷，第十四透镜14的像方表面朝向像面凹陷。
[0131]
在本发明提供的实施例中：
[0132]
第一透镜1材料为d-zlaf61，77mm《通光口径《78mm,19mm《厚度《20mm；
[0133]
第二透镜2材料为h-zpk7，51mm《通光口径《52mm,2mm《厚度《3mm；
[0134]
第三透镜3材料为h-laf10la，43mm《通光口径《44mm,2mm《厚度《3mm；
[0135]
第四透镜4材料为h-tf5，45mm《通光口径《46mm，6mm《厚度《7mm；
[0136]
第五透镜5材料为h-zlaf68n，47mm《通光口径《48mm，4mm《厚度《5mm；
[0137]
第六透镜6材料为d-zk2l，41mm《通光口径《42mm，9mm《厚度《10mm；
[0138]
第七透镜7材料为h-zf11，15mm《通光口径《16mm，2mm《厚度《3mm；
[0139]
第八透镜8材料为h-zf7lagt，13mm《通光口径《14mm，1mm《厚度《2mm；
[0140]
第九透镜9材料为h-zlaf55d，13mm《通光口径《14mm，0mm《厚度《1mm；
[0141]
第十透镜10材料为h-zpk7，12mm《通光口径《13mm，2mm《厚度《3mm；
[0142]
第十一透镜11材料为h-baf7，15mm《通光口径《16mm，3mm《厚度《4mm；
[0143]
第十二透镜12材料为h-zpk7，37mm《通光口径《38mm，9mm《厚度《10mm；
[0144]
第十三透镜13材料为h-fk95n，33mm《通光口径《34mm，9mm《厚度《10mm；
[0145]
第十四透镜14材料为d-lak5，30mm《通光口径《31mm，3mm《厚度《4mm。
[0146]
宽谱段大视场复消色差远心望远镜头均采用成都光明玻璃，通过合理选择玻璃材料，消除色差有利于进一步提高宽波段像质的表现。
[0147]
进一步的，在本发明提供的实施例中：
[0148]
第一透镜1的通光口径为77.73mm，厚度为19.75mm；
[0149]
第二透镜2的通光口径为51.42mm，厚度为2.34mm；
[0150]
第三透镜3的通光口径为43.58mm，厚度为2.77mm；
[0151]
第四透镜4的通光口径为45.84mm，厚度为6.74mm；
[0152]
第五透镜5的通光口径为47.73mm，厚度为4.78mm；
[0153]
第六透镜6的通光口径为41.15mm，厚度为9.38mm；
[0154]
第七透镜7的通光口径为15.48mm，厚度为2.87mm；
[0155]
第八透镜8的通光口径为13.72mm，厚度为1.94mm；
[0156]
第九透镜9的通光口径为13.38mm，厚度为0.60mm；
[0157]
第十透镜10的通光口径为12.67mm，厚度为2.85mm；
[0158]
第十一透镜11的通光口径为15.58mm，厚度为3.03mm；
[0159]
第十二透镜12的通光口径为37.93mm，厚度为9.46mm；
[0160]
第十三透镜13的通光口径为33.80mm，厚度为9.61mm；
[0161]
第十四透镜14的通光口径为30.36mm，厚度为3.50mm。
[0162]
本发明提供的光学系统具有像质优良、小型化和轻量化等优点。
[0163]
图2示出了根据本发明实施例提供的光学镜头的点列图。
[0164]
如图2所示，可以看出本发明提供的光学系统在各个视场对应的弥散斑大小均小于4.3um，表明该镜头具有良好的成像质量。
[0165]
图3示出了根据本发明实施例提供的光学镜头的光学传递函数示意图。
[0166]
如图3所示，从图中可以看出在55lp/mm以内的空间频率中，本发明提供的光学系统在各个视场的mtf均高于0.4，满足光学镜头的设计要求。
[0167]
图4示出了根据本发明实施例提供的光学镜头的轴向色差曲线示意图。
[0168]
如图4所示，从图中可以看出本发明提供的光学系统在不同波长光线(0.4um、0.7um、1.0um和1.7um)的轴向色差均在0.04mm以内，并且在0.707带近似相交，说明系统色差很小。
[0169]
本发明提供的宽谱段大视场复消色差远心望远镜头的镜头数据为：
[0170]
表1示出了光学镜头中各枚透镜的相关光学参数。
[0171]
表1
[0172][0173]
本发明实施例中所采用的非球面面型表示公式为：
[0174][0175]
其中，
[0176]
z为非球面z向的轴向矢高；
[0177]
r为非球面上的点到光轴的距离；
[0178]
c为拟合球面的曲率，数值上为曲率半径的倒数；
[0179]
k为拟合圆锥系数；
[0180]
a、b、c分别为非球面多项式的4阶、6阶、8阶系数。
[0181]
表2示出了本实施例中各个非球面高次项的系数。
[0182]
表2
[0183]
面号4阶项6阶项8阶项57.672e-007-3.636e-0105.760e-013 7-1.380e-006-9.824e-011-3.910e-013 192.651e-0055.302e-0081.341e-009 261.354e-005-2.807e-0086.651e-011
[0184]
本发明提供的光学系统焦距为20mm，f数为4，工作波段为400nm-1700nm，视场角为72
°
，系统光学总长为277mm；该镜头设计为像方远心结构，可放入psim模块用作偏振光谱成像仪的望远镜头；该镜头的设计中采用了非球面技术，对系统各种像差进行了校正，镜头像质优良。
[0185]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0186]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。