CN102621666A

CN102621666A - 一种望远物镜光学系统

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Publication number: CN102621666A
Application number: CN2011104447970A
Authority: CN
Inventors: 曾春梅; 余景池
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: CN102621666B

Abstract

本发明公开了一种望远物镜光学系统。它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面；所述镜片的前表面，它的圆形孔径镀有内反射膜,它的环形孔径镀有减反射膜；所述镜片的后表面，它的圆形孔径镀有减反射膜,它的环形孔径镀有内反射膜。本发明在一个单片上实现了望远物镜系统，减少了镜片个数；在一个单片上实现了折射和反射的结合，在保持了反射式望远物镜优点的同时，极大地缩短了光路长度，使望远镜小型化；由于增加了透射面，且采用了非球面，提高了校正像差的能力，既可用于一般观察，也可用于天文观测。

Description

一种望远物镜光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学元件，特别涉及一种望远物镜光学系统。

背景技术

望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器。作为望远镜主要部件的望远镜物镜主要有三种结构形式：折射式、反射式和折反射式。折射式望远物镜结构简单，镜片个数2～3片，制造方便，光能损失小，通过合理选择玻璃对，可以校正球差、正弦差、色差，不能校正二级光谱，所成象为倒像。相比于反射式、折反射式系统，在相同物镜焦距条件下，它的筒长最长，和焦距长度相当。天文望远镜常用反射式望远物镜。因为天文望远镜需要的光学口径非常大，若用折射式物镜，一是无法保证玻璃熔炼时的均匀性，二是玻璃的自重使面形精度无法保证。反射式系统可以克服这些问题，而且反射式系统无需校正色差，系统筒长短，但口径有部分遮拦，光能损失大。常见的反射式望远物镜，主要是卡塞格林系统和格列果里系统，其中卡塞格林系统主镜是抛物镜，次镜是双曲面，所成象是倒像；格列果里系统的主镜为抛物面，次镜为椭球面，所成象为正像。反射系统对轴外像差的校正很困难，因此反射系统的视场角一般都比较小。折反射系统以一块反射镜为基础，加入折射元件，用来校正球差，得到了较好的效果。比较典型的折反射系统有施密特物镜和马克苏托夫物镜。施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是非球面。该系统焦面在校正板和球面主镜之间，观察时需靠反射镜引出光路外。马克苏托夫物镜由球面主镜和弯月型厚透镜组成。同样，马克苏托夫物镜的焦面也在弯月型厚透镜和球面主镜之间，需要靠反射镜引出光路外。

由以上分析可以知，折射式望远物镜无法满足大口径天文望远镜的需要，且光路较长，携带很不方便；反射式望远物镜口径大，筒长短，但对轴外像差的校正很困难，视场较小；相比而言，透射加反射的望远物镜系统筒长短，其像质好于反射式系统，但不利于观察。其次，要达到较好的像质，望远物镜的镜面数都在2个及2个以上，要在单片透镜或单片反射镜上达到良好的成像质量存在一定的困难，因此，材料和加工成本较高。

中国实用新型专利“非球面反射镜-非球面透镜整体成型镜片”(CN 201867533U)公开了一种具有复合功能且为整体成型的光学镜片，是由非球面反射镜和非球面透镜构成，用于折反射摄影物镜及折反射望远镜。该镜片外环域为非球面反射镜，内环域为双面非球面透镜，非球面反射镜和非球面透镜同轴且一体，采用光学塑料或光学玻璃整体成型。该技术方案仅为一个整体成型的镜片，镜片很薄，无法在镜片内部实现光线的二次反射；其次该镜片仅为折反射物镜系统中的一个元件，不能单独实现望远物镜功能；另外，该镜片外环域的两个面都为反射面，内环域的两个面都为折射面。

中国发明专利“折衍混合望远镜光学系统”(CN 100498414C)公开了一种折衍混合望远镜物镜系统。该系统有校正镜、主反射镜和副反射镜组成，在系统前端的校正镜为一块二元光学衍射透镜，主反射镜和副反射镜为球面镜。由于采用了球面镜，系统的加工、检验、装配的难度大大降低、制造成本也大大下降，加工效率提高；且采用模压复制工艺制作二元衍射元件也使制造成本降低。该系统光路长度缩短为焦距的一半左右，但系统中的元件个数相比与传统的望远物镜类型并没有减少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种光路短，视场大，像差校正能力强，系统像质高的望远物镜光学系统。

实现本发明目的的技术方案是提供一种望远物镜光学系统，它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面；所述镜片的前表面，它的圆形孔径镀有内反射膜，其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径镀有减反射膜；所述镜片的后表面，它的圆形孔径镀有减反射膜，其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径镀有内反射膜。

所述镜片的前表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。

所述镜片的后表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。

所述的镜片，其材料为光学塑料、光学玻璃或光学晶体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在一个单片上实现了望远物镜系统，减少了镜片个数，降低了材料和加工成本；在一个单片上实现了折射和反射的结合，继承了反射式望远物镜的优点，极大地缩短了光路长度，缩短长度到物镜焦距的15％左右，使望远镜小型化，便于携带；由于增加了透射面，且采用了非球面，提高了校正像差的能力。既可用于一般观察，也可用于天文观测；镜面材料可以是光学塑料，光学玻璃或光学晶体。

附图说明

图1是本发明实施例提供的望远物镜光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的望远物镜光学系统的垂轴像差图；

图3是本发明实施例提供的望远物镜光学系统的波像差图；

图4是本发明实施例提供的望远物镜光学系统的点列图；

图5是本发明实施例提供的望远物镜加入目镜后组成的望远镜光学系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的成正像的望远物镜光学系统的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的望远物镜光学系统的光学传递函数曲线图；

其中、1、第一折射面；2、第一反射面；3、第二反射面；4、第二折射面；5、物镜像面；6、单片式望远物镜；7、目镜系统；8、出瞳面(该处设有一片理想透镜，焦距为16.9mm)；9、像平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例提供一种望远物镜的光学系统，镜片材料采用光学塑料，光学系统具体指标如下：

望远物镜通光口径： φ80mm；

相对口径D/F： 1/8；

系统焦距： 640mm；

工作波长： 0.4861μm～0.6563μm；

全视场： 1°；

本实施例提供一种望远物镜的光学系统，它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形可以为轴对称非球面或球面，相比较，使用球面的系统像质差于非球面。

参见图1，按光线经过的顺序，入射的平行光首先经过第一折射面1，即镜片前表面的环形孔径，折射到第一反射面2，即镜片后表面的环形孔径，然后反射到第二反射面3，即镜片前表面的圆形孔径上，再反射到第二折射面4，即镜片后表面的圆形孔径上，经折射，最后会聚到物镜像面5。本实施例中，第一折射面1(镜片前表面的环形孔径)为镀有减反射膜的凸面，第一反射面2(镜片后表面的环形孔径)为镀有内反射膜的凹面，第二反射面3(镜片前表面的圆形孔径)为镀有内反射膜的凹面，第二折射面4(镜片后表面的圆形孔径)为镀有减反射膜的凸面，入射光为平行光，出射光为会聚光，所成像为倒像，构成一个单片式的望远物镜。光学系统具体结构设计参数如表1和表2所示。厚度指各面在光轴上的顶点之间的距离。折射面1和4为高次非球面，反射面2和3为二次非球面。

表1

非球面方程表示如下：

z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ α_{i} r^{2 i},

其中，c＝1/R，R为顶点曲率半径，K为圆锥系数，R和K的值如表1所示。z表示非球面在光轴方向的矢高，r表示非球面的径向坐标。α_i是非球面的高次系数，表示非球面径向坐标r的2i次项系数。面1和面4的高次系数如表2所示。

表2

从表1的厚度值可以看出，面与面之间的厚度要适当控制，以保证镜片上同一面的两个孔径在边界区域面形的自然过渡，以便于加工。为此，本实施例中第一折射面1和第二反射面3在光轴上的顶点之间的距离控制到2mm，第二反射面3到第二折射面4在光轴上的顶点之间的距离控制到1.577mm。

该系统的垂轴像差、波像差和场曲/畸变图分别参见图2～图4。从像质看，可以满足使用要求，具有实用价值。

参见附图2，图中提供了本实施例望远物镜光学系统的垂轴像差图。本实施例中理想透镜焦距是16.9mm，这意味着进入该理想透镜的1mrad角弥散对应像面内16.9μm。因此从图2可知，除了边缘两个视场的弧矢方向垂轴像差在±(1～2)mrad内，其他视场的垂轴像差都在±1mrad以内，性能较好。

参见附图3，图中提供了本实施例望远物镜光学系统的波像差图。从图3可以看到其轴上波像差小于0.6λ，其他视场的最大波像差小于2.3λ，像质较好。

参见附图4，图中提供了本实施例望远物镜光学系统的点列图，由图4可以看出系统弥散斑较小，像质较好。

本实施例提供的技术方案，在一个单片上实现了望远物镜系统，减少了镜片个数，降低了材料和加工成本；在一个单片上实现了折射和反射的结合，使该系统兼有二者的优点：既可保持一个较大的视场，同时可缩短光路长度。本实施例中焦距640mm的物镜其光路长度仅为80.85mm，相比同焦距的传统的折射式望远物镜，光路缩短了85％以上，也达到了反射式望远镜缩短光路的极限，使用该系统有利于望远镜的小型化，便于携带，降低了制造成本；本实例中系统孔径遮拦比仅为16.75％，相比一般反射式望远镜30％的遮拦比小了近一倍；由于增加了透射面，且所有透射面和反射面均采用非球面，提高了校正像差的能力。

参见附图5，它是本实施例提供的物镜加入目镜后组成的望远镜光学系统的结构示意图，光线从单片式望远物镜6入射，经过物镜像面5、目镜系统7到出瞳面8，平行光入射，平行光出射，构成一个望远镜系统。为评价该系统的像质，在出瞳面8处放置一理想透镜(焦距为16.9mm，模拟人眼的作用)，使系统出射的平行光最终在像平面9上成像。该望远镜光学系统可用于天文观测，若再加入转像系统，可用于一般远距观察。

实施例2

本实施例提供另一种望远物镜光学系统，镜片材料采用光学玻璃，光学系统具体指标如实施例1。

该望远物镜的光学系统参见附图6，按光线经过的顺序，入射的平行光首先经过第一折射面1，即镜片前表面的环形孔径，折射到第一反射面2，即镜片后表面的环形孔径，然后反射到第二反射面3，即镜片前表面的圆形孔径上，再反射到第二折射面4，即镜片后表面的圆形孔径上，经折射，最后会聚到物镜像面5。与实施例1不同的是：镜片的前表面上的第一折射面1(环形孔径)为凹面，第二反射面3(圆形孔径)为凸面，镜片的后表面上的第二折射面4(圆形孔径)为凹面，所成像为正像，构成一个单片式的望远物镜。

光学系统具体结构设计参数如表3和表4所示。厚度指各面在光轴上的顶点之间的距离。第一折射面1和第二折射面4为高次非球面，第一反射面2和第二反射面3为二次非球面。非球面的表达式与实施例1相同，面1和面4的高次系数如表4所示。H-K9L为成都光明玻璃牌号。

表3

表4

由表3可知，本实施例中第一折射面1和第二反射面3在光轴上的顶点之间的距离控制到1.3mm，第二反射面3到第二折射面4在光轴上的顶点之间的距离控制到0mm，以实现不同孔径之间面形的自然过渡。

本实施例所成像为正像，无需转像系统，在其后加入目镜可直接观察。从设计结果看，焦距640mm的物镜其光路长度仅为46.7mm，相比同焦距的传统的折射式望远物镜，光路缩短了92％以上，而孔径遮拦比仅为7.75％。

实施例3

本实施例提供一种望远物镜的光学系统，镜片材料采用光学塑料，光学系统具体指标参照文献中国发明专利“折衍混合望远镜光学系统”(CN 100498414C)的实施例，具体如下：

望远物镜通光口径： φ125mm；

相对口径D/F： 1/8；

系统焦距： 1000mm；

工作波长： 0.4861μm～0.6563μm；

全视场： 20′；

参见附图1，本实施例提供的望远物镜的光学系统参见实施例1，按光线经过的顺序，入射的平行光首先经过第一折射面1，即镜片前表面的环形孔径，折射到第一反射面2，即镜片后表面的环形孔径，然后反射到第二反射面3，即镜片前表面的圆形孔径上，再反射到第二折射面4，即镜片后表面的圆形孔径上，经折射，最后会聚到物镜像面5。平行光首先经过第一折射面1(镜片前表面的环形孔径)，折射到第一反射面2(镜片后表面的环形孔径)上，然后反射到第二反射面3(镜片前表面的圆形孔径)上，再反射到第二折射面4(镜片后表面的圆形孔径)上，经折射最终在像平面5上成像。

其具体结构设计参数如表5和表6所示。厚度指各面在光轴上的顶点之间的距离。第一折射面1和第二折射面4为高次非球面，第一反射面2和第二反射面3为二次非球面，非球面的表达式与实施例1相同，面1和面4的高次系数如表6所示。镜片材料为PMMA。当第一折射面1为凸面，第一反射面2、第二反射面3为凹面，第二折射面4为凸面时，所成象为倒像。

表5

表6

由表5可知，本实施例中，第一折射面1和第二反射面3在光轴上的顶点之间的距离控制到2mm，第二反射面3到第二折射面4在光轴上的顶点之间的距离控制到2mm，以实现不同孔径之间面形的自然过渡。

参见附图7，它是本实施例提供的望远物镜光学系统的光学传递函数的曲线图，由图7可见，该系统成像质量接近衍射极限。本实施例提供的技术方案，用单片镜片达到了对比文献(CN 100498414C)用三个光学元件达到的效果，且光路长度缩短到焦距的14.1％，大大缩短了光路长度。孔径遮拦比为16.8％，小于对比文献中实施例48％的遮拦比，光能损失更小。

Claims

1. 一种望远物镜光学系统，其特征在于：它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面；所述镜片的前表面，它的圆形孔径镀有内反射膜,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径镀有减反射膜；所述镜片的后表面，它的圆形孔径镀有减反射膜,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径镀有内反射膜。

2. 根据权利要求1所述的一种望远物镜光学系统，其特征在于：所述镜片的前表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。

3. 根据权利要求1所述的一种望远物镜光学系统，其特征在于：所述镜片的后表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。

4. 根据权利要求1所述的一种望远镜光学系统，其特征在于：所述的镜片，其材料为光学塑料、光学玻璃或光学晶体。