一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪制造技术

本发明专利技术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。

A Wide Band Non-Focused All-Sky Glow Imaging Instrument

The present invention relates to an airglow imager, which provides a wide-band non-focusing all-sky airglow imager aiming at the problems of small detection field of view, narrow spectral range and the need for mechanical focusing device, resulting in complex structure and operation of the imager and low luminous flux of the imager. The imager includes image telecentric fisheye lens, object telecentric imaging lens and detector; a filter wheel is arranged between the fisheye lens and the imaging lens, and a narrow band filter with multiple different bands and zero optical focus is arranged on the filter wheel, which can switch the narrow band filter to the focal plane of the fisheye lens; the fisheye lens includes a negative focus front lens group and a positive focus rear lens group, and a front one. The aperture aperture is arranged on the optical path between the lens group and the rear lens group; the imaging lens consists of several cemented lenses composed of positive and negative lenses. The absolute value of the relative Abelian number difference between the positive and negative lenses is greater than or equal to 5, and the absolute value of the relative dispersion difference is less than or equal to 0.001.

【技术实现步骤摘要】
一种宽谱段非调焦全天空气辉成像仪
本专利技术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。
技术介绍
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：Nikon8mmf/2.8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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的优点是：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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，增大本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉涛，李战涛，郝雄波，张智南，畅晨光，白清兰，胡炳樑，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61