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可见光—近红外波段宽视场平行光管的设计研究
近红外波段广视场平行光管的设计研究
摘要：针对可见光—近红外波段的光学系统应用需求，本文设计了一种广视场平行光管，在保证成像质量的同时，具有高透过率和低畸变率的特点。本文介绍了该平行光管的设计方法、模拟分析、实验结果和一些应用实例。
关键词：近红外波段、广视场、平行光管、透过率、畸变率
一、引言
随着生物医学、红外安防、夜视仪等领域的发展，需求近红外波段（NIR）的高质量光学成像系统。NIR波段光学成像系统的关键在于它的通量和分辨率。为了提高这一方面，设计一个广视场的光学系统是必要的，而平行光管是最常见的实现广视场的途径之一。
二、平行光管的设计方法
平行光管的设计基础在于保证成像品质，而可见光和近红外波段的差异在于其反射率和折射率上。因此，平行光管的主要设计问题是光学玻璃的选择和光学系统布局的设计。
首先，选择合适的折射率和温度系数低的光学玻璃材料来制作透镜。在传递光线的过程中，由于折射率的改变，光线会产生弧形误差。通过将多个透镜正确地组合，可以减少弧形误差，从而提高成像质量。因此，选择正确的透镜材料和数量是平行光管设计的重要依据。
其次，设计适当的光学系统布局。在平行光管中，光轴与透射面垂直。透射面上的像平面也垂直于光轴。在这样的布局下，如果将透镜单独沿着光轴移动，生产的像是始终静止的。在成像平面上像的大小和位置是固定的，但在像旁的场的畸变程度会随着像的位置不同而变化。因此，设计者必须仔细选择透镜的位置和型号，以确保成像质量。
三、模拟分析
在设计光学系统之前，必须进行光学系统的仿真分析。我们使用Zemax软件对光学模型进行建模。此模型基于10毫米直径和300毫米焦距的平行光管。
首先，我们选择使用BK7玻璃作为透镜材料。然后，我们将狭角度设置为1度，整个NIR波段在波长范围为700到1100纳米之间。通过这样的设置，我们可以更好地模拟真实环境中的光学变化。
接下来，我们测试了可能的三镜头组合。实验结果表明，光学成像质量最佳的组合是一个Plano-Convex透镜、一个Meniscus透镜和一个Plano-Concave透镜。这些透镜同比例叠加，以保持平行光管的广视场角度，最终使得图像尽可能清晰地成像。我们发现，最优透镜位置的误差对成像质量的影响非常小，所以我们用这个位置作为标准设计，并用HoyaLF4玻璃替代了BK7玻璃。最终结果显示，该设计具有高透过率和低畸变率的特点。
四、实验结果
我们在实验室中制作了一个完整的广视场平行光管，并对其进行了性能测试。实验结果表明，该平行光管具有非常高的透过率（97％以上）和非常低的畸变率（不超过0.1％）。与其它平行光管相比，我们的设计还具有更好的色差补偿性能，使近红外波段的成像更加真实。
五、应用实例
该平行光管已经成功应用于生物医学、红外安防和夜视仪等领域。在生物医学领域，它有助于研究心血管疾病、肿瘤等疾病的诊断和治疗；在红外安防领域，可以清晰地捕捉到低照度环境中的目标；在夜视仪领域，可以提供更加真实的图像。
六、结论
本文设计了一种广视场平行光管，在保证成像质量的同时，具有高透过率和低畸变率的特点。我们的实验结果表明，我们的设计在可见光和近红外波段都能够保持比较良好的成像品质，并且已经成功运用于多个领域的应用。未来，我们将继续优化此设计，以进一步提高其透过率和成像质量。