申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所

申请日：2019-01-04

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109656006B

主分类号：G02B13/06

分类号：G02B13/06;G02B7/00;G02B7/02;G02B13/22;G01J3/28;G01W1/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.05.14#实质审查的生效;2019.04.19#公开

摘要：本发明涉及一种气辉成像仪，针对现有气辉成像仪探测视场小、光谱范围窄以及需采用机械调焦装置，导致成像仪结构及使用操作复杂以及成像仪的光通量低等问题，提供一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪。成像仪包括像方远心鱼眼镜头、物方远心成像镜头和探测器；鱼眼镜头和成像镜头之间设置滤光轮，滤光轮上设有多个不同波段且光焦度为零的窄带滤光片，滤光轮可将窄带滤光片切换至鱼眼镜头的焦平面；鱼眼镜头包括负光焦度前透镜组和正光焦度后透镜组，前透镜组与后透镜组之间的光路上设有孔径光阑；成像镜头包括多个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜相对阿贝数差值的绝对值≥5，且其相对色散差值的绝对值≤0.001。

主权项：1.一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于，包括沿同一光轴从左向右依次设置的像方远心鱼眼镜头1、物方远心成像镜头3和探测器；鱼眼镜头1和成像镜头3之间设置滤光轮，滤光轮上设有多个不同波段且光焦度为零的窄带滤光片2，滤光轮可将窄带滤光片2切换至鱼眼镜头1的焦平面；所述鱼眼镜头1包括负光焦度前透镜组11和正光焦度后透镜组12，前透镜组11与后透镜组12之间的光路上设有孔径光阑116，孔径光阑116位于后透镜组12的前焦面；前透镜组11从左至右包括第一前透镜111、第二前透镜112、第三前透镜113、第一胶合镜114和第六前透镜115；第一胶合镜114从左至右由凹面向光阑的负透镜与双凸正透镜胶合而成，负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；后透镜组12从左至右包括第二胶合镜121和第三后透镜122；第二胶合镜121从左至右由双凹负透镜与双凸正透镜胶合而成，双凹负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；所述成像镜头3从左至右包括第一成像透镜31、第三胶合镜32、第四胶合镜33、第五胶合镜34和第八成像透镜35；第三胶合镜32从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2；第四胶合镜33从左至右由凸面向光阑的正透镜与双凸正透镜胶合而成，正透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；第五胶合镜34从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2；所述后透镜组12和成像镜头3中胶合镜的正透镜和负透镜相对阿贝数差值的绝对值≥5，且其相对色散差值的绝对值≤0.001；所述窄带滤光片2为玻璃平板；第一成像透镜31为双凸正透镜，第八成像透镜35为双凸正透镜；第一前透镜111为凹面向光阑的负透镜；第二前透镜112为凹面向光阑的负透镜；第三前透镜113为凹面反向光阑的负透镜；第六前透镜115为双凸正透镜；第三后透镜122为双凸正透镜；所述窄带滤光片2、第一成像透镜31以及第八成像透镜35采用的材料均为H-ZLAF92；第一前透镜111、第二前透镜112、第三前透镜113、第六前透镜115采用的材料分别是H-ZLAF92、H-FK61、H-ZF6、H-FK61；第三后透镜122采用的材料是H-FK61。

全文数据：一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪技术领域本发明涉及一种气辉成像仪，具体涉及一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪。背景技术气辉是地球空间环境中一种重要的自然发光现象，是由太阳短波紫外辐射激发大气中的分子原子所发出的一定波长的光，一般出现在地球上空50-500km之间，亮度很低，分布不均匀，不易被察觉，只有很敏感的仪器才能观测到。气辉的空间和时间分布受到诸如潮汐波、大气重力波和行星波等多种大气动力学过程调制，是大气动力学过程和大气光化学过程的重要示踪物，在日地物理研究领域中占有特殊的地位。如图1、图2所示，现有的一种气辉成像仪由鱼眼镜头01、光阑02、第一成像镜03、滤光轮04含滤光片041、第二成像镜05、CCD探测器06、机械调焦装置07以及计算机08等光学器件组成。由于现有成像仪的结构对滤光片面型质量要求较高，成像仪的探测波段范围宽、系统不同波段的滤光片存在轴向色差。在切换滤光片后会导致像面发生偏移，影响成像质量。因此需要在滤光轮04切换滤光片041后采用机械调焦装置07进行调焦。但机械调焦装置07的结构复杂，增加了成像仪的制造成本；且由于每次采用滤光轮04切换滤光片041后，都需要对不同波长滤光片041调焦，导致成像仪的使用操作较为繁琐、复杂；机械调焦装置07也可能发生故障，影响成像仪的成像质量、甚至不能成像。并且现有成像仪的鱼眼镜头01均采用常规鱼眼镜头例如：Nikon8mmf2.8的鱼眼镜头，需要配备额外的像方远心第一成像镜03以匹配滤光片041对入射光线入射角度的要求，但是现有这种常规鱼眼镜头01匹配成像镜结构形式的成像仪波段较窄，而且额外的第一成像镜03也导致成像仪结构更加复杂。同时由于这种结构的气辉成像仪采用的成品鱼眼镜头01在对应第一成像镜03的一次像面孔径较小，因而与其匹配的滤光片041有效相对孔径小，降低了系统的光通量，不能准确探测微弱的气辉信号。发明内容本发明的目的是克服现有气辉成像仪探测视场小、光谱范围窄以及需采用机械调焦装置，导致成像仪结构及使用操作复杂以及成像仪的光通量低等缺点，提供一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪。该成像仪能够在保证整个系统较高通光量的基础上，经济方便地实现多通道全天空气辉成像，实现较高精度的全天空气辉观测。为实现上述目的，本发明提供一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特殊之处在于，包括沿同一光轴从左向右依次设置的像方远心鱼眼镜头、物方远心成像镜头和探测器；鱼眼镜头和成像镜头之间设置滤光轮，滤光轮上设有多个不同波段且光焦度为零的窄带滤光片，滤光轮可将窄带滤光片切换至鱼眼镜头的焦平面；所述鱼眼镜头包括负光焦度前透镜组和正光焦度后透镜组，前透镜组与后透镜组之间的光路上设有孔径光阑，孔径光阑位于后透镜组的前焦面；所述成像镜头包括多个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜的相对阿贝数分别记为A和B，|A-B|≥5，正透镜和负透镜的相对色散分别记为C和D，C-D|≤0.001。正透镜一般采用阿贝数大的冕牌玻璃，负透镜一般采用阿贝数小的火石玻璃。进一步地，上述鱼眼镜头的后透镜组包括至少一个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜的相对阿贝数分别记为a和b，|a-b|≥5，正透镜和负透镜的相对色散分别记为c和d，|c-d|≤0.001。鱼眼镜头设置胶合镜可以对鱼眼镜头一次像面轴向色差进行优化，使得在一次像面处切换不同的滤光片系统总体像质不发生变化。进一步地，上述成像镜头从左至右包括第一成像透镜、第三胶合镜、第四胶合镜、第五胶合镜和第八成像透镜；第三胶合镜从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2；第四胶合镜从左至右由凸面向光阑的正透镜与双凸正透镜胶合而成，正透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；第五胶合镜从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2。进一步地，上述窄带滤光片为玻璃平板；成像镜头的第一成像透镜为双凸正透镜，第八成像透镜为双凸正透镜；窄带滤光片、第一成像透镜以及第八成像透镜采用的材料均为H-ZLAF92。进一步地，上述鱼眼镜头的前透镜组从左至右包括第一前透镜、第二前透镜、第三前透镜、第一胶合镜和第六前透镜；第一胶合镜从左至右由凹面向光阑的负透镜与双凸正透镜胶合而成，负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；后透镜组从左至右包括第二胶合镜和第三后透镜；第二胶合镜从左至右由双凹负透镜与双凸正透镜胶合而成，双凹负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61。进一步地，上述鱼眼镜头前透镜组的第一前透镜为凹面向光阑的负透镜；第二前透镜为凹面向光阑的负透镜；第三前透镜为凹面反向光阑的负透镜；第六前透镜为双凸正透镜；后透镜组的第三后透镜为双凸正透镜；第一前透镜、第二前透镜、第三前透镜、第六前透镜采用的材料分别是H-ZLAF92、H-FK61、H-ZF6、H-FK61；第三后透镜采用的材料是H-FK61。进一步地，上述滤光轮包括8个尺寸均为4英寸的窄带滤光片，8个窄带滤光片的中心波长分别为427.8nm、557.7nm、578.0nm、589.3nm、598.5nm、630.0nm、777.4nm、865.0nm。由滤光轮的电机带动进行旋转切换，可实现多通道轮流观测。进一步地，上述鱼眼镜头的焦距为35.35mm，F#为10.3，上述成像镜头的F#为2.8，β为-0.2721。进一步地，上述前透镜组和后透镜组间隔为77.9mm，后透镜组和窄带滤光片之间的间隔为123.78mm，窄带滤光片和成像镜之间的间隔为160mm。上述第一前透镜和第二前透镜的间隔为35.42mm，第二前透镜和第三前透镜的间隔为97.91mm，第三前透镜和第一胶合镜的间隔为3.13mm，第一胶合镜和第六前透镜的间隔为5.38mm；第二胶合镜和第三后透镜的间隔为157.66mm；第一成像透镜和第三胶合镜的间隔为132.59mm，第三胶合镜和第四胶合镜的间隔为7.46mm，第四胶合镜和第五胶合镜的间隔为2mm，第五胶合镜和第八成像透镜的间隔为5.33mm。上述第一前透镜的靠近物方的表面与成像仪光学系统的焦平面之间的距离为1099.42mm。进一步地，上述探测器为科学级CCD相机。与现有技术相比，本发明的优点是：1、本发明窄带滤光片设置在一次像面，降低了对滤光片面型质量的要求；且成像镜的胶合镜选取特定的玻璃材料如KF2、H-FK61，对系统全波段宽光谱范围内427.8～865nm进行复消色差优化，不仅消除了边缘光线的位置色差，还对全谱段内的光线形成复消色差。即实现了高质量成像，满足微弱气辉辐射探测的需求；又省去了像面调焦装置，降低了系统复杂程度，节约了成像仪的制造成本。2、本发明采用像方远心的鱼眼镜头，能够使不同视场的主光线都垂直于滤光片，保证一次像面轴上和轴外视场成像光束孔径角一致，进而保证滤光片透射均匀性；同时还能够使入射光线的入射角度达到滤光轮多个不同波段滤光片的带宽要求，能够实现多波段的多通道观测。3、本发明通过简化成像仪系统结构、减少镜片数量以及采用特殊的像方远心鱼眼镜头，增大了一次像面的孔径，从而增大了滤光片的有效相对孔径，最终增大系统的光通量，使成像仪具备更高的探测能力。附图说明图1是现有气辉成像仪的系统组成示意图；图2是现有气辉成像仪的光路结构示意图；图3是本发明气辉成像仪一个实施例的光路结构示意图；图4是图3实施例光学系统在空间频率371pmm传递函数图；图5是图3实施例光学系统的点列图；图6是图3实施例光学系统的近轴色差曲线。图1、图2中各标号的说明如下：01—鱼眼镜头，02—光阑，03—第一成像镜，04—滤光轮、041—滤光片，05—第二成像镜，06—CCD探测器，07—机械调焦装置，08—计算机；图3～图6中各标号的说明如下：1—鱼眼镜头；11—前透镜组，111—第一前透镜、112—第二前透镜、113—第三前透镜、114—第一胶合镜、115—第六前透镜、116—孔径光阑；12—后透镜组，121—第二胶合镜、122—第三后透镜；2—窄带滤光片；3—成像镜头，31—第一成像透镜、32—第三胶合镜、33—第四胶合镜、34—第五胶合镜、35—第八成像透镜。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本实施例提供一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，包括沿同一光轴从左向右依次设置的像方远心鱼眼镜头1、物方远心成像镜头3和探测器未图示。探测器可采用科学级CCD相机。参见图3，鱼眼镜头1和成像镜头3之间设置滤光轮未图示，滤光轮上设有8个不同波段、光焦度为零且尺寸均为4英寸的窄带滤光片2，滤光轮可将窄带滤光片2切换至鱼眼镜头1的焦平面；窄带滤光片2为玻璃平板，采用的材料均为H-ZLAF92。8个窄带滤光片2的中心波长分别为427.8nm、557.7nm、578.0nm、589.3nm、598.5nm、630.0nm、777.4nm、865.0nm。由滤光轮的电机带动进行旋转切换，实现多通道轮流观测。8个滤光片的探测波段对应的主要气体成分和分布高度如下表所示。鱼眼镜头1的后透镜组12包括至少一个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜相对阿贝数差值的绝对值≥5，且相对色散差值的绝对值≤0.001。本实施例中鱼眼镜头1包括负光焦度前透镜组11和正光焦度后透镜组12，前透镜组11与后透镜组12之间的光路上设有孔径光阑116，孔径光阑116位于后透镜组12的前焦面。前透镜组11主要负担视场角和后工作距离；后透镜组12属于对近距离成像的投影物镜，负担较大的偏角，提供部分象差与前透镜组11残余象差进行平衡。鱼眼镜头1的前透镜组11从左至右包括第一前透镜111、第二前透镜112、第三前透镜113、第一胶合镜114和第六前透镜115；第一前透镜111为凹面向光阑的负透镜，采用的材料是H-ZLAF92；第二前透镜112为凹面向光阑的负透镜，采用的材料是H-FK61；第三前透镜113为凹面反向光阑的负透镜，采用的材料是H-ZF6；第一胶合镜114从左至右由凹面向光阑的负透镜与双凸正透镜胶合而成，负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；第六前透镜115为双凸正透镜，采用的材料是H-FK61。后透镜组12从左至右包括第二胶合镜121和第三后透镜122；第二胶合镜121从左至右由双凹负透镜与双凸正透镜胶合而成，双凹负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61。第三后透镜122为双凸正透镜，采用的材料是H-FK61。成像镜头3包括多个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜相对阿贝数差值的绝对值≥5，且相对色散差值的绝对值≤0.001。本实施例中，成像镜头3从左至右包括第一成像透镜31、第三胶合镜32、第四胶合镜33、第五胶合镜34和第八成像透镜35。第一成像透镜31为双凸正透镜，采用的材料为H-ZLAF92；第三胶合镜32从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2；第四胶合镜33从左至右由凸面向光阑的正透镜与双凸正透镜胶合而成，正透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；第五胶合镜34从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2；第八成像透镜35为双凸正透镜，采用的材料为H-ZLAF92。入射光线经鱼眼镜头1到达其焦平面处的窄带滤光片2后，利用窄带滤波片2提取中高层大气特征高度区域的气辉辐射的强度信息；使用高灵敏度探测器记录全天空气辉辐射强度分布图像。通过计算机分析图像，即可得到气辉高度区域大气波动的观测数据。本实施例成像仪光学系统的具体结构参数详见下表。本实施例成像仪光学系统的F#为2.8；焦距为9.63mm；像高为13.824mm，视场为180°；能够适配像元数为2048×2048，像元尺寸为13.5um的CCD成像器件；鱼眼镜头的焦距为35.35mm，F#为10.3。成像镜头的F#为2.8，β为-0.2721。参见图4，系统在空间频率37lpmm处，无论是弧矢平面S还是子午平面T，MTF值都大0.82，接近衍射极限，具有优良的成像质量。图5点列图反映了系统在像面上成像弥散斑的大小。如图5所示，轴上弥散均方根半径为2.289um，全视场均方根半径为3.613um，该光学系统在整个视场范围内，成像质量分布均匀。由图6可以看出，二级光谱色差约为0.048mm，其最大焦移在衍射极限变化的五倍范围之内，具有较小的最大焦移，满足了二级光谱要求，能够较好的实现二级光谱的校正。综上，本实施通过像方远心鱼眼镜头、光焦度为零的窄带滤光片、物方远心成像镜头并配合探测器，实现以大气气辉辐射为示踪物，全天空多通道气辉的成像观测。以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

权利要求：1.一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于，包括沿同一光轴从左向右依次设置的像方远心鱼眼镜头1、物方远心成像镜头3和探测器；鱼眼镜头1和成像镜头3之间设置滤光轮，滤光轮上设有多个不同波段且光焦度为零的窄带滤光片2，滤光轮可将窄带滤光片2切换至鱼眼镜头1的焦平面；所述鱼眼镜头1包括负光焦度前透镜组11和正光焦度后透镜组12，前透镜组11与后透镜组12之间的光路上设有孔径光阑116，孔径光阑116位于后透镜组12的前焦面；所述成像镜头3包括多个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜相对阿贝数差值的绝对值≥5，且其相对色散差值的绝对值≤0.001。2.根据权利要求1所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述鱼眼镜头1的后透镜组12包括至少一个由正透镜和负透镜胶合而成的胶合镜，正透镜和负透镜相对阿贝数差值的绝对值≥5，且其相对色散差值的绝对值≤0.001。3.根据权利要求1或2所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述成像镜头3从左至右包括第一成像透镜31、第三胶合镜32、第四胶合镜33、第五胶合镜34和第八成像透镜35；第三胶合镜32从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2；第四胶合镜33从左至右由凸面向光阑的正透镜与双凸正透镜胶合而成，正透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；第五胶合镜34从左至右由双凸正透镜与双凹负透镜胶合而成，双凸正透镜采用的材料是H-FK61，双凹负透镜采用的材料是KF2。4.根据权利要求3所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述窄带滤光片2为玻璃平板；成像镜头3的第一成像透镜31为双凸正透镜，第八成像透镜35为双凸正透镜；窄带滤光片2、第一成像透镜31以及第八成像透镜35采用的材料均为H-ZLAF92。5.根据权利要求3所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述鱼眼镜头1的前透镜组11从左至右包括第一前透镜111、第二前透镜112、第三前透镜113、第一胶合镜114和第六前透镜115；第一胶合镜114从左至右由凹面向光阑的负透镜与双凸正透镜胶合而成，负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61；后透镜组12从左至右包括第二胶合镜121和第三后透镜122；第二胶合镜121从左至右由双凹负透镜与双凸正透镜胶合而成，双凹负透镜采用的材料是KF2，双凸正透镜采用的材料是H-FK61。6.根据权利要求5所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述鱼眼镜头1前透镜组11的第一前透镜111为凹面向光阑的负透镜；第二前透镜112为凹面向光阑的负透镜；第三前透镜113为凹面反向光阑的负透镜；第六前透镜115为双凸正透镜；后透镜组12的第三后透镜122为双凸正透镜；第一前透镜111、第二前透镜112、第三前透镜113、第六前透镜115采用的材料分别是H-ZLAF92、H-FK61、H-ZF6、H-FK61；第三后透镜122采用的材料是H-FK61。7.根据权利要求6所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述滤光轮包括8个尺寸均为4英寸的窄带滤光片2，8个窄带滤光片2的中心波长分别为427.8nm、557.7nm、578.0nm、589.3nm、598.5nm、630.0nm、777.4nm、865.0nm。8.根据权利要求7所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述鱼眼镜头1的焦距为35.35mm，F#为10.3，所述成像镜头3的F#为2.8，β为-0.2721。9.根据权利要求8所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述前透镜组11和后透镜组12间隔为77.9mm，所述后透镜组12和窄带滤光片2之间的间隔为123.78mm，所述窄带滤光片2和成像镜之间的间隔为160mm，所述第一前透镜111和第二前透镜112的间隔为35.42mm，所述第二前透镜112和第三前透镜113的间隔为97.91mm，所述第三前透镜113和第一胶合镜114的间隔为3.13mm，所述第一胶合镜114和第六前透镜115的间隔为5.38mm；所述第二胶合镜121和第三后透镜122的间隔为157.66mm；所述第一成像透镜31和第三胶合镜32的间隔为132.59mm，所述第三胶合镜32和第四胶合镜33的间隔为7.46mm，所述第四胶合镜33和第五胶合镜34的间隔为2mm，所述第五胶合镜34和第八成像透镜35的间隔为5.33mm；所述第一前透镜111的靠近物方的表面与成像仪光学系统的焦平面之间的距离为1099.42mm。10.根据权利要求9所述的一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪，其特征在于：所述探测器为科学级CCD相机。

百度查询： 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪

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