一种近红外光短波的显微放大镜头

技术领域

本发明涉及一种近红外光短波段的显微放大镜头，属于近红外镜头技术领域。

背景技术

波长在400～650nm范围的称为可见光谱，是人眼可见光波段；近红外光(NearInfrared，NIR)是介于可见光(ⅥS)和中红外光(MIR)之间的电磁波段，是指波长在780nm～2526nm范围内的电磁波，是人眼不可见的波段。习惯上又将近红外区划分为近红外短波(780～1100nm)和近红外长波(1100～2526nm)两个区域。近红外区域是人们最早发现的非可见光区域。

近红外光波段的显微放大镜头适合用于多种应用，在食品分析、农副产品分析检测、化工产品以及药品分析、生物医学等方向显示出独到的优势，同时在半导体材料的质量控制、空气污染监测、司法鉴定、特别是在石油化工分析方向也有显著的优势；近红外光线具有很强的穿透能力，在检测样品时，不需要进行任何前处理，可以穿透玻璃和塑料，有包装也可以进行直接检测，可用于果蔬原料及成品的无损检测，也不需要任何化学试剂。和常规分析方法相比，既不会对环境造成污染，又可以节约大量的试剂费用。近红外光谱分析技术包括定性分析和定量分析，定性分析的目的是确定物质的组成与结构，而定量分析则是为了确定物质中某些组分的含量或是物质的品质属性的值。分析中在同一模式下，可以同时测定多种组分，比如在测小麦的模式中,可以同时测定其蛋白质含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指标。近红外波段的运用在近年来越来越广泛，为此，本发明提出一种成像质量优异的近红外光短波段的显微放大镜头。

发明内容

本发明提供一种近红外光短波段的显微放大镜头，为从近红外波段850nm到1150nm之间的近红外短波消色差光学成像镜头，具有优异的成像性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种近红外光短波段的显微放大镜头，包括沿光路传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；其中，第二透镜、第四透镜、第五透镜和第七透镜均为双胶合透镜，沿光路传播方向，第二透镜由第二负透镜和第二正透镜胶合形成，第四透镜由第四负透镜和第四正透镜胶合形成，第五透镜由第五负透镜和第五正透镜胶合形成，第七透镜由第七正透镜和第七负透镜胶合形成；第一透镜为凹凸形正透镜、第三透镜双凸正透镜；第六透镜为凸凹负透镜。

孔径光阑放置在第一面(第一透镜入射面)上。

上述双胶合镜头由两块透镜胶合在一起形成。

被测物方位于近红外光短波段的显微放大镜头前方有限距离。红外探测器靶面位于像面，接受近红外短波光谱范围内的光谱信号。该近红外光短波段的显微放大镜头数值孔径大，倍率为5倍。

上述镜头为从近红外短波波段850nm到1150nm之间的近红外短波消色差光学成像镜头，通过近红外探测器接受近红外短波光谱范围内的光谱信号，充分利用短波红外波段光谱内的信息，处理这些数据信息，满足各种材料检测、成份分析等科研、生产使用需求，如近红外光谱测定的运用有：酒类乙醇的含糖量、有机酸、含氮值、pH值测定等场景；饮料(可乐、果汁等)咖啡因、糖分、酸度的测量，果汁真伪鉴别；调味品(酱油、醋等)蛋白质、氨基酸总量、总糖的测量；食用油中的脂肪酸、水分、蛋白质、过氧化值、碘值测量，真伪鉴别；饲料干物质、粗蛋白、粗纤维、消化能、代谢能、氨基酸、植酸磷、添加剂中哇乙醇含量测定；咖啡的咖啡因、水分、绿原酸测定，种类、产地鉴别；茶叶的老嫩度、氨基酸、茶多酚、咖啡碱、水分、总氮测定，品质分级，真假识别，品种鉴定；制药的原料、原料药的主要活性成分鉴定；纺织混纺织品中各成分含量、棉纤维中还原糖、纤维外油、纤维的染色性、棉织物丝光度、羊毛髓化度、棉织物整理剂、二醋酸纤维素醋化值测量，地毯纤维类别鉴定；刑事鉴定毒品、伪钞鉴定等。

孔径光阑是光学系统中限制成像光束口径大小的光阑，其在物空间的像为入射光瞳，在像空间的像为出射光瞳。光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的，如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑将会失去限制光束的作用，光束可能会被其他光孔所限制。本申请将孔径光阑放置在镜头第一面(第一透镜入射面)，和入射光瞳重合，这样即使物距放生变化，入射光瞳可以保持不变，有利于设计像质的稳定。

本申请采用色散系数不同第一材料和第二材料进行组合消色差，第一材料的色散系数为50～95，第二材料的色散系数为17.9～50。

为了提高成像质量，第一材料的折射率为1.430-1.750，第二材料的折射率为1.600-1.950。

上述第一材料为冕牌玻璃，第二材料为火石玻璃。

进一步优选，第一透镜、第二负透镜、第二正透镜、第四正透镜、第五负透镜、第五正透镜、第七正透镜和第七负透镜均采用第二材料；第三透镜、第四负透镜和第六透镜均采用第一材料。

沿光路传播方向，第一透镜的两面依次为第一透镜入射面和第一透镜出射面；第二透镜的两面依次为第二透镜入射面和第二透镜出射面，中间有一个胶合面；第三透镜的两面依次为第三透镜入射面和第三透镜出射面；第四透镜的两面依次为第四透镜入射面和第四透镜出射面，中间有一个胶合面；第五透镜的两面依次为第五透镜入射面和第五透镜出射面，中间有一个胶合面；第六透镜的两面依次为第六透镜入射面和第六透镜出射面；第七透镜的两面依次为第七透镜入射面和第七透镜出射面，中间有一个胶合面。

为了进一步确保成像质量，第一透镜入射面的曲率半径为-25.064±0.02mm，第一透镜出射面的曲率半径为-18.182±0.02mm；第二透镜入射面的曲率半径为-34.08±0.02mm，第二透镜中间胶合面的曲率半径为109.52±0.02mm，第二透镜出射面的曲率半径为-34.23±0.02mm；第三透镜入射面的曲率半径为113.818±0.02mm，第三透镜出射面的曲率半径为-32.57±0.02mm；第四透镜入射面的曲率半径-28.03±0.02mm，第四透镜中间胶合面的曲率半径是98.63±0.02mm，第四透镜出射面的曲率半径为-74.04±0.02mm；第五透镜入射面的曲率半径为188.41±0.02mm，第五透镜中间胶合面的曲率半径是27.57±0.02mm，第五透镜出射面的曲率半径为-156.02±0.02mm；第六透镜入射面的曲率半径为-34.295±0.02mm，第六透镜出射面的曲率半径为-83.431±0.02mm；第七透镜入射面的曲率半径为36.214±0.02mm，第七透镜中间胶合面的曲率半径是271.87±0.02mm，第七透镜出射面的曲率半径为19.665±0.02mm。

注意：如图1所示，若光线按由左向右方向传播，如果曲率半径的曲率中心在表面顶点的右边，则曲率半径为正值；如果曲率半径的曲率中心在表面顶点的左边，则曲率半径为负值。

为了更好地校正轴上像差，第六透镜入射面采用非球面。非球面采用偶次非曲面方程；

方程中各量的含义如下：

Z(Y)是非球面沿光轴方向的透镜失高；

R是透镜的曲率半径；

Y是透镜垂直与光轴方向的半口径；

K是圆锥系数；

A、B、C、D、E是非球面系数。

本申请近红外光短波段的显微放大镜头的数值孔径较大，为0.6，属于小视场大孔径光学系统，对于小视场大孔径系统，由于视场小，轴外象差不明显，主要考虑与孔径有关的象差：如球差，正弦差和位置色差等。本申请采用四组胶合镜可以校正位置色差；采用非球面透镜可以校正球差，同时多镜片组合互相补偿减小系统球差和正弦差。

为了更好地确保成像质量，上述近红外光短波段的显微放大镜头，物距为13.008±0.002mm；第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为0.60±0.02mm；第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为0.30±0.02mm；第三透镜和第四透镜之间的中心间隔为12.55±0.02mm；第四透镜和第五透镜之间的中心间隔为66.05±0.02mm；第五透镜和第六透镜之间的中心间隔为17.75±0.02mm；第六透镜和第七透镜之间的中心间隔为79.65±0.02mm；第七透镜与像面之间的中心间隔为20.548±0.02mm。

第一透镜的中心厚度为7.85±0.02mm；第二透镜的中心厚度为10.35±0.02mm，其中，第二负透镜的中心厚度为2.35±0.02mm，第二正透镜的中心厚度为8.0±0.02mm；第三透镜的中心厚度为14.8±0.02mm；第四透镜的中心厚度为22.65±0.02mm，其中，第四负透镜的中心厚度为6.7±0.02mm，第四正透镜的中心厚度为15.95±0.02mm；第五透镜的中心厚度为16.9±0.02mm，其中，第五负透镜的中心厚度为2.0±0.02mm，第五正透镜的中心厚度为14.90±0.02mm；第六透镜的中心厚度为5.0±0.02mm；第七透镜的中心厚度为29.40±0.02mm，其中，第七正透镜的中心厚度为15.0±0.02mm，第七负透镜的中心厚度为14.40±0.02mm。

上述近红外光短波段的显微放大镜头，使用波长为850nm-1150nm，数值孔径为6.0，放大倍率为5倍。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明近红外光短波段的显微放大镜头，数值孔径较大，为0.6，属于小视场大孔径光学系统，对于小视场大孔径系统，由于视场小，轴外象差不明显，主要考虑与孔径有关的象差：如球差，正弦差和位置色差等，本发明采用四组胶合镜有效校正了位置色差，采用非球面透镜有效校正了球差，同时多镜片组合互相补偿减小了系统球差和正弦差，系统的光谱色差、轴上和轴外像差得到较好的平衡，系统的光学传递函数较好；使用波长为850nm-1150nm，放大倍率为5倍；进一步，将孔径光阑放置在镜头第一面，与入射光瞳重合，这样即使物距放生变化，入射光瞳可以保持不变，有利于确保像质的稳定。

附图说明

图1为本发明近红外光短波段的显微放大镜头的光学系统图；

图2为本发明实施例中近红外光短波段的显微放大镜头的像差曲线图；

图3为本发明实施例中近红外光短波段的显微放大镜头的弥散斑图；

图4为本发明实施例中近红外光短波段的显微放大镜头的场曲和畸变图；

图5为本发明实施例中近红外光短波段的显微放大镜头的MTF图；

图1中，1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜，4为第四透镜，5为第五透镜，6为第六透镜，7为第七透镜。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

如图1所示，一种近红外光短波段的显微放大镜头，沿光路传播方向从左向右，依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，孔径光阑在第一透镜的入射面(第一面)上，其中，第二透镜、第四透镜、第五透镜和第七透镜均为双胶合镜头，第二透镜由第二负透镜和第二正透镜胶合形成，第四透镜由第四负透镜和第四正透镜胶合形成，第五透镜由第五负透镜和第五正透镜胶合形成，第七透镜由第七正透镜和第七负透镜胶合形成；第一透镜为凹凸形正透镜、第三透镜双凸正透镜；第六透镜为负凸凹负透镜。被测物方位于近红外光短波段的显微放大镜头前方有限距离。

沿光路传播方向从左向右，第一透镜的两面依次为第一透镜入射面S1和第一透镜出射面S2，第二透镜的两面依次为第二透镜入射面S3和第二透镜出射面S5，中间有一个第二透镜胶合面S4；第三透镜的两面依次为第三透镜入射面S6和第三透镜出射面S7；第四透镜的两面依次为第四透镜入射面S8和第四透镜出射面S10，中间有一个第四胶合面S9；第五透镜的两面依次为第五透镜入射面S11和第五透镜出射面S13，中间有一个第五胶合面S12；第六透镜的两面依次为第六透镜入射面S14和第六透镜出射面S15，第七透镜的两面依次为第七透镜入射面S16和第七透镜出射面S18，中间有一个第七胶合面S17。第一透镜入射面的曲率半径为-25.064mm，第一透镜出射面的曲率半径为-18.182mm；第二透镜入射面的曲率半径为-34.08mm，第二透镜中间胶合面的曲率半径为109.52mm，第二透镜出射面的曲率半径为-34.23mm；第三透镜入射面的曲率半径为113.818mm，第三透镜出射面的曲率半径为-32.57mm；第四透镜入射面的曲率半径-28.03mm，第四透镜中间胶合面的曲率半径是98.63mm，第四透镜出射面的曲率半径为-74.04mm；第五透镜入射面的曲率半径为188.41mm，第五透镜中间胶合面的曲率半径是27.57mm，第五透镜出射面的曲率半径为-156.02mm；第六透镜入射面的曲率半径为-34.295mm，第六透镜出射面的曲率半径为-83.431mm；第七透镜入射面的曲率半径为36.214mm，第七透镜中间胶合面的曲率半径是271.87mm，第七透镜出射面的曲率半径为19.665mm。

上述镜头的物距为13.008mm；第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为0.60mm；第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为0.30mm；第三透镜和第四透镜之间的中心间隔为12.55mm；第四透镜和第五透镜之间的中心间隔为66.05mm；第五透镜和第六透镜之间的中心间隔为17.75mm；第六透镜和第七透镜之间的中心间隔为79.65mm；第七透镜与像面之间的中心间隔为20.548mm。

第一透镜的中心厚度为7.85mm；第二透镜的中心厚度为10.35mm，其中，第二负透镜的中心厚度为2.35mm，第二正透镜的中心厚度为8.0mm；第三透镜的中心厚度为14.8mm；第四透镜的中心厚度为22.65mm，其中，第四负透镜的中心厚度为6.7mm，第四正透镜的中心厚度为15.95mm；第五透镜的中心厚度为16.9mm，其中，第五负透镜的中心厚度为2.0mm，第五正透镜的中心厚度为14.90mm；第六透镜的中心厚度为5.0mm；第七透镜的中心厚度为29.40mm，其中，第七正透镜的中心厚度为15.0mm，第七负透镜的中心厚度为14.40mm。第一透镜、第二负透镜、第二正透镜、第四正透镜、第五负透镜、第五正透镜、第七正透镜和第七负透镜均采用冕牌玻璃；第三透镜、第四负透镜和第六透镜均采用火石玻璃。

表1为光学元件参数表

第六入射面采用非球面，非球面采用偶次非曲面方程；

方程中各量的含义如下：

Z(Y)是非球面沿光轴方向的透镜失高；

R是透镜的曲率半径；

Y是透镜垂直与光轴方向的半口径；

K是圆锥系数；

A、B、C、D、E是非球面系数。

表2为本例的非球面系数

上述近红外光短波段的显微放大镜头的光学系统参数如下：

倍率：5倍；数值孔径：0.6；波长：850nm-1150nm；像面尺寸：

上述镜头为从近红外波段850nm到波段1150nm之间的光学成像显微放大镜头，接受近红外光短波段光谱范围内的光谱信号，可充分利用近红外短波光波段光谱内的信息，处理这些数据信息，满足各种科研和生产的使用需求。如食品分析、农副产品分析检测、化工产品以及药品分析、生物医学等场景。

上述镜头采用两类色散系数不同的材料进行组合消色差设计；孔径光阑放置在镜头第一面位置，和入射光瞳重合，这样即使物距放生变化，入射光瞳可以保持不变，有利于设计像质的稳定。该近红外光短波段的显微放大镜，数值孔径较大，为0.6，属于小视场大孔径光学系统，对于小视场大孔径系统，由于视场小，轴外象差不明显，主要考虑与孔径有关的象差：如球差，正弦差和位置色差等，上述采用三组胶合镜校正位置色差，采用非球面透镜校正球差，同时多镜片组合互相补偿减小系统球差和正弦差；系统的光谱色差、轴上和轴外像差得到较好的平衡，系统的光学传递函数较好，该发明的近红外光短波段的显微放大镜头满足实际使用要求。

由图2的像差曲线图可以看出，该镜头已将各种像差进行了较好的校正，轴上像差最大值在6.1um左右，轴外子午像差和弧矢像差最大值在20um左右；由图3弥散斑图可看出，系统的宽光谱色差、轴上和轴外像差得到较好的平衡，彗差也不大，轴上系统的弥散斑半径RMS在2微米左右，轴外最大弥散斑半径RMS在9um左右；由图4场曲和畸变图可看出，场曲在0.18mm以内，畸变小于0.25％，能最大限度减小系统中间和边缘的像质误差；由图5的MTF曲线可看出，光学系统的光学传递函数在全视场范围内大于0.35@100lp/mm；综上，上述红外光短波段的显微放大镜头质量完全满足实际使用要求。