CN101201450A - 折反射式双波段成像望远镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波段成像望远镜光学系统，它用于0.25μm～0.8μm波段，即紫外光波段和可见光波段的双波段相机的光学成像系统。本发明的光学系统从物方至像方按顺序由一个次反射镜、一个主反射镜和一个消色差校正镜组组成。主反射镜和次反射镜均为标准二次曲面反射镜，消色差校正镜组由三片两种或三种不同材料的球面折射透镜组成，如需进一步提高光学系统成像质量，折射透镜可采用非球面透镜。

Description

折反射式双波段成像望远镜光学系统

技术领域

本发明涉及光学元件、系统，具体是指折反射式双波段成像望远镜光学系统，它用于0.25μm～0.8μm波段，即紫外光波段和可见光波段的双波段相机的光学成像系统。

背景技术

光学系统要在紫外至可见光宽波段范围内成像首先应考虑光学系统色差对成像质量的影响，由于全反射式光学系统不引入色差，因此全反射式光学系统可以实现紫外至红外全波段的成像。虽然全反射式光学系统，如美国专利US4,265,510提出的“离轴消象散三反射镜望远镜系统”可以实现宽波段的成像，但其光学系统结构复杂，反射镜的面形多为非球面，系统的加工、光学装校及检测非常困难。

折射式光学系统由于折射透镜会引入色差，系统很难同时实现双波段的成像，在紫外光和可见光波段，光学材料折射率随波长的变化较红外波段更为剧烈，系统更难实现双波段成像。目前已技术公开的双波段成像的光学系统主要集中在红外波段，如：专利CN20051002782.0公开了一种通过滤光片转换方法实现短波红外和中波红外双波段成像的红外相机光学系统，专利US7,218,444公开了一种通过增加或去除光学系统中第三组透镜组的方法来实现红外双波段成像的光学系统，专利CN02118850.5和专利CN01132130.X公开了采用二元光学元件技术实现中波红外和长波红外双波段成像的折衍混合式光学系统。

在折反射式光学系统中，双波段光学成像系统的工作波段主要集中在可见光波段和红外波段，专利CN97106683.3公开了一种1～3微米和3～5微米工作波段的双波段红外望远镜系统，专利CN02111811.6公开了一种工作波段为0.4～2.5微米的可见、短波红外光学成像系统，专利US6,374,047公开了一种可见、红外双波段折反射式光学成像系统。

从上述公开的技术来看，折射式和折反射式光学系统仅在可见光和红外波段实现了双波段成像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为相机提供一种工作波段为0.25～0.8微米即紫外、可见光双波段成像的折反射式望远镜光学系统，使相机可以同时对物体进行紫外光和可见光成像。

本发明的0.25～0.8微米双波段折反射式光学系统如图1所示。光学系统从物方至像方按顺序由一个次反射镜1、一个主反射镜2和一个消色差校正镜组3组成。来自物方的光束射向主反射镜2，经其反射至次反射镜1，再由次反射镜1反射向象方，依次通过消色差校正镜组3中的第一折射透镜301、第二折射透镜302和第三折射透镜303，在象方像平面4上成像。本发明所说的次反射镜1为凸反射镜，主反射镜2为中间有通光孔的凹反射镜，它们的反射面均为标准的二次曲线曲面，即抛物面、椭球面或双曲面。本发明所说的消色差校正镜组3用来校正光束经过主反射镜2和次反射镜1后的残余像差，同时负担光学系统一定的光焦度。消色差校正镜组3本身是消色差的，它由三片折射透镜组成，其中的第一折射透镜301和第二折射透镜302以及第三折射透镜303可以是球面透镜，也可以是非球面透镜，采用非球面透镜可以进一步提高系统成像质量。消色差校正镜组3中的折射透镜需采用两种或三种不同的光学材料，以消除校正镜组3的色差，透镜选用的材料要求对0.25～0.8微米波段是透明的，如石英玻璃、氟化钙晶体、氟化镁晶体、白宝石晶体、氟化钡晶体、氟化锂晶体等。当消色差校正镜组3采用两种光学材料时，第一透镜组301和第二透镜组302采用一种材料，第三透镜组303采用另一种材料，也可以第一透镜组301和第三透镜组303采用同一种材料，第二透镜302组采用另一种材料，还可以第二透镜组302和第三透镜组303采用同一种材料，第一透镜组301采用另一种材料。消色差校正镜组3各透镜的初始结构参数即透镜第一折射透镜301、第二折射透镜302和第三折射透镜303在可见光0.6μm波段的光焦度φ₃₀₁、φ₃₀₂、φ₃₀₃分配应满足以下公式(1)、(2)、(3)的要求：

φ₃₀₁+φ₃₀₂+φ₃₀₃＝φ                   (1)

κ₃₀₁φ₃₀₁+κ₃₀₂φ₃₀₂+κ₃₀₃φ₃₀₃＝φ    (2)

$\frac{{\mathrm{\φ}}_{301}}{v_{301}}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{302}}{v_{302}}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{303}}{v_{303}}=0---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{\κ}}_{301}{\mathrm{\φ}}_{301}}{v_{301}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\κ}}_{302}{\mathrm{\φ}}_{302}}{v_{302}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\κ}}_{303}{\mathrm{\φ}}_{303}}{v_{303}^{\′}}=0---\left(4\right)$

公式(1)、公式(2)保证消色差校正镜组3在可见光和紫外光波段担负系统同样的光焦度φ，公式(3)保证消色差校正镜组3在可见光0.4μm～0.8μm成像波段是消色差的，公式(3)中符号v_n表示各折射透镜光学材料对于中心波长位于0.6μm时的色散倒数，下标n为各折射透镜编号。公式(4)保证消色差校正镜组3在紫外光0.25μm～0.4μm成像波段是消色差的，公式(4)中符号v_n′表示各折射透镜光学材料对于中心波长位于0.325μm时的色散倒数，下标n为各折射透镜编号符号，κ_n为各透镜可见光波段的光焦度与紫外光波段光焦度之间的比例系数，下标n为各折射透镜编号，比例系数κ_n由公式(5)确定：

${\mathrm{\κ}}_n=\frac{n_{0.325}-1}{n_{0.6}-1}---\left(5\right)$

式中n_λ为各透镜材料在紫外和可见波段中心波长λ的折射率。根据公式(1)、(2)、(3)和(4)的要求，通过合理选配各个透镜的光学材料以及调配各透镜的光焦度来、可以消除消色差校正镜组3的色差。

本发明的优点是：光学系统采用折反射式形式，结构较离轴全反射式系统简单，光学元件加工难度大大降低，系统装校与检测通过常规技术就可解决。

附图说明

图1为光学系统结构示意图

图中：d1为次反射镜1和主反射镜2之间的间隔距离；

d2为次反射镜1和消色差校正镜组3之间的间隔距离；

d3为第一折射透镜301与第二折射透镜302之间的间隔距离；

d4为第二折射透镜302与第三折射透镜303之间的间隔距离；

d5为第三折射透镜303与像面4之间的间隔距离；

R1为次反射镜1的顶点曲率半径；

R2为主反射镜2的顶点曲率半径；

R311为第一折射透镜301前表面顶点曲率半径；

R312为第一折射透镜301后表面顶点曲率半径；

R321为第二折射透镜302前表面顶点曲率半径；

R322为第二折射透镜302后表面顶点曲率半径；

R331为第三折射透镜303前表面顶点曲率半径；

R332为第三折射透镜303后表面顶点曲率半径；

具体实施方式

实施例1

根据图1的光学结构，我们设计了一紫外光波段和可见光波段的双波段成像光学系统，消色差校正镜组3采用石英玻璃和氟化钙晶体两种材料。设计结果：系统光学传递函数可见光波段达到0.86，紫外光波段达到0.91(空间频率27.8线对/毫米)。光学系统技术指标如下：

望远镜通光口径： φ180mm；

相对孔径D/F：    1/2.5；

系统焦距：       450mm；

工作波长：       0.25μm～0.8μm；

全视场：         2.3°；

光学系统具体结构设计参数如表1所示。

表1

元件名称	面序号	曲率半径(mm)	非球面系数(e2)	通光口径(mm)	间隔距离或厚度(mm)	材料
							主反射镜2	R2	-372.138	1.306167(双曲面)	180	113.147(d1)
次反射镜1	R1	-247.148	9.366544(双曲面)	78	69.845(d2)
							第一折射透镜301	R311	40.395	0(球面)	50.9	5.25	石英
R312	42.031	0(球面)	48.3	3.732(d3)
						第二折射透镜302		R321	75.017	0(球面)	48.2	20.0	石英
R322	33.288	0(球面)	37.5	18.206(d4)
							第三折射透镜303	R331	58.028	0(球面)	35.4	13.671	氟化钙
R332	130.987	0(球面)	32.1	47.447(d5)
						像面4			平面		18

实施例2

根据图1的光学结构，我们设计了一紫外光波段和可见光波段的双波段相机光学成像系统，消色差校正镜组3采用3片不同材料的折射透镜。设计结果：系统光学传递函数可见光波段达到0.89，紫外光波段达到0.91(空间频率27.8线对/毫米)。光学系统技术指标如下：

望远镜通光口径：    φ180mm；

相对孔径D/F：       1/2.5；

系统焦距：          450mm；

工作波长：    0.25μm～0.8μm；

全视场：      2.3°；

光学系统具体结构设计参数如表2所示。

表2

元件名称	面序号	曲率半径(mm)	非球面系数(e2)	通光口径(mm)	间隔距离或玻璃中心厚度(mm)	材料
							主反射镜2	R2	-341.822	1.253449(双曲面)	180	103.76(d1)
次反射镜1	R1	-218.276	7.815721(双曲面)	78	60.58(d2)
							第一折射透镜301	R311	57.247	0(球面)	54.0	17.0	石英
R312	38.934	0(球面)	44.5	0.1(d3)
						第二折射透镜302		R321	32.335	0(球面)	44.1	10.0	氟化镁
R322	28.739	0(球面)	38.7	56.867(d4)
							第三折射透镜303	R331	47.674	0(球面)	26.9	10.0	氟化钙
R332	58.904	0(球面)	23.8	20.0(d5)
						像面4			平面		18

Claims (3)

1.一种折反射式紫外、可见光双波段成像望远镜光学系统，包括主反射镜、次反射镜和一个消色差校正镜组，其特征在于：

a).光学系统从物方至象方按顺序由一个次反射镜(1)、一个主反射镜(2)和一个消色差校正镜组(3)组成；来自物方的光束射向主反射镜(2)，经其反射至次反射镜(1)，再由次反射镜(1)反射向象方，依次通过消色差校正镜组(3)中的第一折射透镜(301)、第二折射透镜(302)和第三折射透镜(303)，在象方像平面(4)上成像；

b).所说的次反射镜(1)为凸反射镜，主反射镜(2)为中间有通光孔的凹反射镜，它们的曲面均为标准二次曲面，即抛物面、椭球面或双曲面；

c).所说的消色差校正镜组(3)中第一折射透镜(301)、第二折射透镜(302)、第三折射透镜(303)是球面透镜，透镜所选的材料要求对0.25～0.8微米波段是透明的，一般可以选石英玻璃，或氟化钙晶体，或氟化镁晶体，或氟化锂，或氟化钡晶体，或白宝石晶体，消色差校正镜组(3)中的三片透镜采用两种或三种光学材料制成，当消色差校正镜组(3)采用两种光学材料时，第一透镜组301和第二透镜组302采用一种材料，第三透镜组303采用另一种材料，也可以第一透镜组301和第三透镜组303采用同一种材料，第二透镜302组采用另一种材料，还可以第二透镜组302和第三透镜组303采用同一种材料，第一透镜组301采用另一种材料。

2.根据权利要求1一种折反射式紫外、可见光双波段成像望远镜光学系统，其特征在于：所说的消色差校正镜组(3)具有光焦度φ，校正镜组(3)中各透镜，即第一折射透镜(301)、第二折射透镜(302)、第三折射透镜(303)在可见光0.6μm波段的光焦度φ₃₀₁、φ₃₀₂、φ₃₀₂的分配满足下列公式的要求：

φ₃₀₁+φ₃₀₂+φ₃₀₃＝φ                   (1)

κ₃₀₁φ₃₀₁+κ₃₀₂φ₃₀₂+κ₃₀₃φ₃₀₃＝φ    (2)

$\frac{{\mathrm{\φ}}_{301}}{v_{301}}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{302}}{v_{302}}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{303}}{v_{303}}=0---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{\κ}}_{301}{\mathrm{\φ}}_{301}}{v_{301}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\κ}}_{302}{\mathrm{\φ}}_{301}}{v_{302}^{\′}}+\frac{{\mathrm{\κ}}_{303}{\mathrm{\φ}}_{303}}{v_{303}^{\′}}=0---\left(4\right)$

式中：κ_n为各透镜可见光波段的光焦度与紫外光波段光焦度之间的比例系数，下标n为各折射透镜编号；v_n表示各折射透镜光学材料对于中心波长位于0.6μm时的色散倒数，下标n为折射透镜编号；v_n′表示各折射透镜光学材料对于中心波长位于0.325μm时的色散倒数，下标n为折射透镜编号；系数κ_n由公式(5)确定：

${\mathrm{\κ}}_n=\frac{n_{0.325}-1}{n_{0.6}-1}---\left(5\right)$

式中n_λ为各透镜材料在紫外和可见波段中心波长λ的折射率。

3.根据权利要求1一种折反射式紫外、可见光双波段成像望远镜光学系统，其特征在于：所说的消色差校正镜组(3)中的第一折射透镜(301)、第二折射透镜(302)、第三折射透镜(303)可以是非球面透镜。

Images