CN1687813A

CN1687813A - 大口径长焦距远摄物镜光学系统

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Publication number: CN1687813A
Application number: CN 200510010791
Authority: CN
Inventors: 韩燕宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-01
Filing date: 2005-05-01
Publication date: 2005-10-26

Abstract

大口径长焦距远摄物镜光学系统，由折反射主镜(2)与反射主镜(3)组成，折反射主镜(2)位于反射主镜(3)前端，本发明特征是，在折反射主镜(2)的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜(1)。本发明可使光学仪器短镜身、口径大、焦距长、并可采用普通光学材料制成反射镜、其镜面形状均为球形，极易于生产加工，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像质量。

Description

大口径长焦距远摄物镜光学系统

技术领域本发明所属光电技术，光学设计在数码成像中的运用技术领域。

背景技术二十世纪电子工业的发展达到了一个新的高峰，光的特质性越来越体现其运用的广泛性。光电结合的产品—数码相机、激光设备等正在不断的发展和完善，现代光学在国防、航天等各个方面如激光信息元件、光电子应用领域已非常很广泛。

光电子信息处理产品包括数码照相机、照相手机、扫描仪、激光读取头、多媒体投影仪、投影电视、网络摄像头等，光学在电子领域的运用已经不断的冲击传统光学领域每一种产品，如何将光学传统产业如照相机、望远镜等合理的与现代光电子学进行接洽、融合，是传统光学设计的一大难点。目前，光学系统在光电领域的运用主要包括：

1、光学设计的领域中，涉及到光电转换器件的镜头设计主要是中、小口径的透镜设计，如数码照相机、照相手机、扫描仪、激光读取头、多媒体投影仪、投影电视、网络摄像头等；以数码照相机、照相手机为例，其特性是镜头片数多，焦距短，镜片小型化较多，对材料特殊性要求高；多运用非球面设计，加工困难；

2、大口径的产品主要是运用在天文望远镜上，但其光学设计的要求一般都是很高的，根据其使用方式的划分，可分为专业性的和业余爱好性的两大种类，对专业性的来讲，其光学性能的要求不仅仅只是中心分辨率要几乎等于理论设计值，其在光学设计中的光学传递函数等的要求都很高，无论设计或是制造都很困难；

3、光电数码成像器件在传统光学系统中的运用是困难的，无法做到高像素，即使是所谓的高像素也仅仅在无穷远成像的中心分辨率处，例如原业余爱好型天体望远镜，目视时在中心是没有太多像差的，但总是不会得到清晰、一致的视场成像；还有双筒望远镜的数码成像系统更是让人感到有无法同步、又得不到更高像素的缺憾；

4、在长焦镜头数码镜头的设计中，日本Kowa公司曾设计了一个长焦300万像素的变倍照相镜头，它是一个物镜、目镜都可变倍的观靶镜头，但却需要特殊光学材料才能制成，成本十分高昂。

目前市场上常见的折反射式远摄光学结构系统即马克斯托夫-卡塞格林系统(见图1)，该系统现在已经广泛应用在望远镜系统之中，其工作原理是：

光线先通过一个弯月形校正透镜，然后经过第一反射镜反射到第二反射面，然后再经过第二反射面反射，通过第二个光栏射出。它的优点是结构紧凑，能在相同口径和焦距的情况下，比其他类型的望远镜的机身短，并且玻璃元件都是由球面组成，容易加工制造。但是它还存在一些缺点：如球差大，彗差大，仅对目视时成像情况可以认可，在用作数码系统的时候，此光学系统的分辨率不够高。

发明内容本发明的目的正是为了克服上述现有技术存在的不足之处而提供一种短镜身、口径大、焦距长、采用普通光学材料制成反射镜、其镜面形状为球形，极易于生产加工的大口径长焦距远摄物镜光学系统。本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。

本发明由折反射主镜与反射主镜组成，折反射主镜位于反射主镜前端，本发明的其特征是，在折反射主镜的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜；本发明修正透镜所具有的曲面均为球面；本发明修正透镜即可以是一面为凸球面一面为凹球面，还可以是一面为平面一面为凸球面。本发明修正透镜与折反射主镜有效口径D一致，其有效口径D范围为60-300mm，其中优选相对口径为D/F＝1/6～1/10；本发明修正透镜与折反射主镜的间隔距离为L＝H_R2+H_R3+t，该公式中：

H_{R 2} = R_{2} - \sqrt{{R_{2}}^{2} - {(D / 2)}^{2}},

H_{R 3} = R_{3} - \sqrt{{R_{3}}^{2} - {(D / 2)}^{2}},

t＝0～50mm；

其中：R₂为修正透镜的第二面半径，R₃为折反射主镜的第一面的半径，H_R2为R₂面的弧高，H_R3为R₃面的弧高，D为修正透镜的有效口径，t为间隔的最合理变化区域。

本发明结构的优点：

1、短镜身，长焦距，大口径；

2、透镜少，可依据成像系统的需要，采用低色散的光学材料；

3、可在此结构的基础上，在后添加像差校正透镜；

4、回避开了透镜过多、材料特殊、结构复杂等的问题；

5、也回避了透镜加工复杂的问题

6、最主要的解决了在数码成像系统中，原来无法做到的大口径、高像素的远心光路的市场需求；

7、比现有产品易于加工，没有非球面零件的介入，没有薄壁零件的介入，没有内反射镜零件的介入，没有胶合零件的介入，没有打孔透镜的介入等；

8、成像质量良好，在相对一致的视场比较中，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像质量；

9、可以广泛的将此光学结构系统运用在地面观测如长焦数码照相镜头，并兼备目视和天文望远使用之中，甚至可以使用在微光、红外的产品设计中。

下面结合说明书附图及实施例进一步阐述本发明内容：

附图说明图1为现有的折反射式远摄光学结构系统即马克斯托夫-卡塞格林系统原理图；

图2为本发明折反射式远摄光学结构系统原理图；

图3为本发明折反射式远摄光学结构系统产品结构示意图。

具体实施方式见图2，修正透镜1、折反射主镜2、反射主镜3均采用普通光学材料按同轴安装在镜头筒体5上，转向机构4位于镜头筒体5后部，修正透镜1为一面凸一面凹的球面；折反射主镜2也为一面凸一面凹的球面，其凹面向着折反射主镜2的凹面；反射主镜3为一面凹球面一面平面，其凹球面向着折反射主镜2的凸面，修正透镜1、折反射主镜2、反射主镜3的球面半径分别是R1、R2、R3、R4、R5，此光学结构是修正透镜1、折反射主镜2的4个透射面为前组物镜组，两个外反射面为后组物镜组；其工作原理是：光线通过修正透镜1、折反射主镜2的球面R1、R2、R3、R4后到达反射主镜3的球面R5，将光线反射到折反射主镜2的R4上，再经过R4的反射，将不同物点的光线会聚到视场成像面6上对应的像点位置，最终将不同物点在视场成像面上的成像点组成了一个像面。在此基础上根据不同的需要(如目视、胶片照相、数码照相等)连接相关的光学成像器件，满足人们观测的需要。

修正透镜1的球面半径R1、R2是根据具体的光学仪器产品设计参数如口径、焦距、透镜间距、后截距、光学材料、像差等要求进行相应变化而确定的，可以是一凸一凹球面组成，也可是一平面一凸面组成；

修正透镜1的曲面皆为球面或平面与球面组成，只有在特殊用途下方可以改用非球面的面型；所有透镜的光学材质可采用普通光学材料，通常采用K9材料，并且如果采用更低色散的光学材料，如ED材料，像差减小、成像效果会更好；如果采用非球面，则也可改用树脂镜片；

折反射主镜2的球面半径R3、R4也是根据具体的设计参数如口径、焦距、透镜间距、后截距、光学材料、像差等要求进行相应变化而确定的，通常是由一凹一凸球面组成，并在半径R4上通常采用了反射球面的运用；

折反射主镜2通常上只采用球面设计，只有在特殊用途要求下可以将R3改用非球面的面型；折反射主镜2的光学材质一般化，通常采用K9材料，并且如果采用更低色散的光学材料，如ED材料，像差减小、成像效果会更好；如果采用非球面，也可改用树脂镜片；

反射主镜3的反射镜R5采用的是外反射设计；反射主镜3通常采用球面设计，只有在特殊用途要求下可以将R5改用非球面的面型；反射主镜3光学材质一般化，基本只采用K9材料，如果采用非球面，可改用树脂镜片；

此光学结构的几个重要参数的控制：

修正透镜1、折反射主镜2、反射主镜3的口径D(入射光瞳)一般不作限制，最实用范围为φ60~300mm，本发明相对口径D/F：＝1/6～1/10；

在图2中，修正透镜1、折反射主镜2组成的前组物镜中，透镜的大小基本一致，其间隔L在D＝φ60~300mm之下的控制范围是：

L＝H_R2+H_R3+t

其中

H_{R 2} = R_{2} - \sqrt{{R_{2}}^{2} - {(D / 2)}^{2}},

H_{R 3} = R_{3} - \sqrt{{R_{3}}^{2} - {(D / 2)}^{2}},

t＝0～50mm；

R₂为修正透镜(1)的第二面半径，R₃为折反射主镜(2)的第一面的半径，H_R2为R₂面的弧高，H_R3为R₃面的弧高，D为修正透镜的有效口径，t为间隔的最合理变化区域。口径D(入射光瞳)与R₄上反射区域d₄的相对比例B的控制：

B＝D/d₄≈2.0～3.5之间

由以上的参数控制和相关的设计要求(口径、焦距、透镜间距、后截距、光学材料、像差要求等等)已经确定了图2中L1、L2的变化范围；

本发明系统的基本结构参数采用归一化数据，以80mm口径的光学系统为例，具体结构形成以下参数：

口径：D＝80mm

相对口径：1/7.5

后工作距离L₂：210.0mm

视场：至少1.4°的目视视场，1°的数码成像范围；

归一化后的系统设计数据：

序号	半径R	间隔L	折射率nd
序号	半径R	间隔L	折射率nd	1	0.0	0.088	K9
2	-23.8	0.088	1	1	0.0	0.088	K9
2	-23.8	0.088	1	3	-2.02	0.1	K9
4	-2.26	1.5	1	3	-2.02	0.1	K9
4	-2.26	1.5	1	5	-4.56	-1.5	1
6	-2.26	2.62	1	5	-4.56	-1.5	1

本发明使用范围：

1、地面观测——如观靶镜、数码长焦照相镜头、摄影镜头等；

2、带数码成像技术的天文望远物镜；

1、大口径长焦距远摄物镜光学系统，由折反射主镜(2)与反射主镜(3)组成，折反射主镜(2)位于反射主镜(3)前端，其特征是，在折反射主镜(2)的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜(1)。

3、近红外仪器、微观观测镜等；

例如本发明使用在观靶镜时，如图3，按照本发明的结构，将修正透镜1、折反射主镜2、反射主镜3分别安装在镜头筒体5内，转向机构4设置在反射主镜3的后面，通过修正透镜1、折反射主镜2、反射主镜3在转向机构4后面形成视场成像面6，在视场成像面6上设置有数码成像电路7，能够实现照相、实时观测，分辨率达到300万像素。

Claims

2、根据权利要求1所述的大口径长焦距远摄物镜光学系统，其特征是，修正透镜(1)所具有的曲面均为球面。

3、根据权利要求1所述的大口径长焦距远摄物镜光学系统，其特征是，修正透镜(1)是一面为凸球面一面为凹球面。

4、根据权利要求1所述的大口径长焦距远摄物镜光学系统，其特征是，修正透镜(1)为一面为平面一面为凸球面。

5、根据权利要求1所述的大口径长焦距远摄物镜光学系统，其特征是，修正透镜(1)与折反射主镜(2)有效口径D一致，其有效口径D范围为60-300mm，其中优选相对口径为D/F＝1/6～1/10。

6、根据权利要求1所述的大口径长焦距远摄物镜光学系统，其特征是，修正透镜(1)与折反射主镜(2)的间隔距离为L＝HR2+HR3+t，该公式中：

HR 2 = R 2 - \sqrt{R 2^{2} - {(D / 2)}^{2}},

HR 3 = R_{3} - \sqrt{{R_{3}}^{2} - {(D / 2)}^{2}},

t＝0～50mm；

其中：R2为修正透镜(1)的第二面半径，R3为折反射主镜(2)的第一面的半径，HR2为R2面的弧高，HR3为R3面的弧高，D为修正透镜的有效口径，t为间隔的最合理变化区域。