[发明专利]一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统

说明书

本发明公开了一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统。该系统自物面开始依次为焦距为正负正正负正负负正正负正正的十三块透镜组成。该系统主要用于将微弱光信号有效的耦合进光纤，便于后端CCD进行数据采集。针对实际应用场景，将该系统设计为变焦系统，物距范围50至200毫米。为了提高光纤耦合效率，该光学系统轴上像点参数被精确设计，像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度。不仅能有效耦合进光纤，还能针对不同应用场景满足单根光纤耦合或者多根光纤束耦合。该系统工作波段覆盖可见光及部分近红外光波段，且很好的校正了各类像差。

技术领域

本发明涉及一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统，属于光与物质相互作用和光学检测领域。

背景技术

随着激光的产生和一系列光学检测技术的发展，对于微弱光信号的收集和检测变得越发重要。例如荧光光谱检测技术、激光诱导等离子体技术等都需要对微弱的光信号进行收集和分析。荧光是辐射跃迁的一种，是物质从激发态去激发到基态时所释放的辐射。荧光分析法用途广泛，且灵敏度高，检出限比吸收光度法低2～4个数量级，选择性强，结果准确，试样需用量少等优点。荧光光谱检测技术可以进行化合物的鉴定，进行未知化合物的结构分析，进行化合物的定量分析，进行化学反应动力学、晶变、相变、材料拉伸与结构的瞬变关系研究；工业流程与大气污染的连续检测；在煤炭行业对游离二氧化硅的监测；卫生检疫，食品，环保，公安，石油，化工，光学镀膜，光通信，材料科学等诸多领域珠宝行业的检测，还可以作为荧光探针、分子传感器应用于其他诸多领域。

激光元素分析主要利用激光诱导等离子体技术来进行物质的元素分析。激光器产生的高脉冲能量经聚焦透镜照射至靶材上，当靶材表面吸收能量大于靶材阈值，使靶材表面迅速气化、电离。电离的粒子向外扩散，而未电离的分子或原子吸收足够能量后继续电离，这种由激光诱导形成的离子和电子共存的状态，即为激光诱导等离子体。等离子体可以释放包含材料结构信息的光辐射。通过对此光辐射谱的分析可以精确地得到物质材料的组成。此技术可用于冶金、宝石、考古、生物医学、食品工业、军事、环境、太空等领域。

由于光纤在光的传输上有独特的优势，目前大部分系统都是将空间微弱光耦合进光纤，然后传输至CCD进行信号采集。对于微弱光信号收集大多使用耦合镜头进行会聚，后端通过一根光纤进行耦合或者一簇光纤束进行耦合。由于光纤的直径很小，基本在微米量级，对耦合镜头要求较高。而目前很多耦合镜头耦合效率较低，不能很好的聚集最多的光线，提供较高的入射能量。而且聚焦效果，如光斑直径，会聚光线发散角，色散等参数也不是很理想。给科研和实际应用方面带来较多的困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统。该系统主要解决将微弱光信号有效的耦合进光纤，便于后端CCD进行数据采集。针对实际应用场景，将该系统设计为变焦系统，物距范围50至200毫米。为了有效提取微弱光信号本系统采用大入瞳孔径。为了提高光纤耦合效率，该光学系统轴上像点参数被精确设计，像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度。不仅能有效耦合进光纤，还能针对不同应用场景满足单根光纤耦合或者多根光纤束耦合。该系统工作波段覆盖可见光及部分近红外光波段，且很好的校正了各类像差，尤其是色散。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于微弱光信号收集的变焦光学系统，包括沿光轴自物面到像面依次为第一透镜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；

所述第一透镜设置有孔径光阑；

所述第一透镜1为正透镜、第二透镜2为负透镜、第三透镜3为正透镜、第四透镜4为正透镜、第五透镜5为负透镜、第六透镜6为正透镜、第七透镜7为负透镜、第八透镜8为负透镜、第九透镜9为正透镜、第十透镜10为正透镜、第十一透镜11为负透镜、第十二透镜12为正透镜、第十三透镜13为正透镜；