CN103913840B - 大口径折反式三组元连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

一种大口径折反式三组元连续变焦光学系统，涉及光学系统设计技术领域，解决现有折反射变焦距系统由于前后端的结构组成，导致无法充分利用大口径望远镜的集光能力和分辨率优势以及系统组构复杂，体积增大等问题；本发明由前端反射物镜和后端变倍系统组成；所述前端反射物镜为Cassegrain望远物镜，所述后端变倍系统为三组元机械补偿方式，所述三组元机械补偿方式包括前固定镜组、补偿镜组和变倍镜组，光束经Cassegrain望远物镜后在第一像面成像后，经场镜变为准直光束，所述准直光束依次经前固定镜组、补偿镜组和变倍镜组后在像面上成像。本发明充分利用望远镜的集光能力和分辨率，成像质量好，结构简单。

Description

大口径折反式三组元连续变焦光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，具体涉及一种可见光、近红外波段大口径望远镜连续变焦距光学系统设计。

背景技术

现有大口径望远镜形式包括Gregorian，Cassegrain，Newtonian，Schmidt,Maksutov等，由于Cassegrain形式结构紧凑，中心遮拦小，被广泛采用,以成为现代大型专用望远镜最常用的形式。变焦距系统按像面补偿方式不同分为光学补偿和机械补偿两种，光学补偿方式由于像面不能完全补偿，不符合系统需求。机械补偿方式按照技术指标要求不同，可以有两组式、三组式、四组式甚至五组式。其中三组式在变倍比小于5、相对口径和视场角适中的要求下，可用使结构更加简单、紧凑。

目前报道的折反射变焦距系统，有的前端采用牛顿式望远物镜，无法满足现代地面观测大口径望远镜的结构需求，并且变倍过程中，由于系统的通光口径变化，短焦时系统的通光口径减小，无法充分利用大口径望远镜镜的集光能力和分辨率优势；有的后端变倍补偿组采用四组元形式，使系统结构复杂、体积增大，增加了实现的难度。

发明内容

本发明为解决现有折反射变焦距系统由于前后端的结构组成，导致无法充分利用大口径望远镜镜的集光能力和分辨率优势以及系统组构复杂，体积增大等问题；提供一种大口径折反式三组元连续变焦光学系统。

一种大口径折反式三组元连续变焦光学系统，由前端反射物镜和后端透射式变倍系统组成；所述前端反射物镜为Cassegrain望远物镜，所述后端透射式变倍系统为三组元机械补偿方式，所述三组元机械补偿方式包括前固定镜组、补偿镜组和变倍镜组；

光束经Cassegrain望远物镜后在第一像面成像后，经场镜变为准直光束，所述准直光束依次经前固定镜组、补偿镜组和变倍镜组后在像面上成像；所述前固定组采用双胶合透镜，双胶合透镜为正负结构，负光焦度的透镜材料为TF3，所述光焦度的透镜用于二级光谱的校正；所述补偿组由负光焦度的双胶合透镜组成；采用变倍组实现变焦光学系统的倍率变化，采用补偿组补偿像面的偏移；所述变焦光学系统焦距与变倍组移动量呈线性关系；所述变倍组由正光焦度的三块单透镜和一块双胶合透镜组成；所述场镜由一块正光焦度单透镜组成。

本发明的有益效果：本发明所述的连续变焦光学系统，采用Cassegrain形式的反射物镜作为前端系统，适用于现代大口径望远镜结构形式，便于与望远镜其他焦点的切换；端变倍系统采用三组元机械补偿形式，光路形式简单、紧凑；变倍过程中，通光口径不变，充分利用望远镜主镜口径，进而能够充分利用望远镜的集光能力和分辨率；本发明的系统相对口径大(短焦位置可达1/1.5)、焦距长、使用波段范围宽(可达到可见至近红外波段)，具有良好的像差校正能力、成像质量优良；并且变倍补偿曲线平滑，易于凸轮实现；本发明能够充分利用望远镜的集光能力和分辨率，结构简单、像质优良的大口径连续变焦距光学系统。

附图说明

图1为本发明所述的大口径折反式三组元连续变焦光学系统的示意图；

图2中的a、b、c为本发明所述的大口径折反式三组元连续变焦光学系统中后端变倍系统的短焦、中焦和长焦的结构示意图；

图3中(a)和(b)分别为采用本发明所述的大口径折反式三组元连续变焦光学系统形成的变倍补偿曲线；(a)为变倍组与补偿组移动量与凸轮转角关系示意图，(b)为系统焦距与凸轮转角关系示意图；

图4中(a)、(b)和(c)分别为本发明所述的大口径折反式三组元连续变焦光学系统中焦距位置分别为f6000、f4000和f2000的场曲和畸变曲线示意图；

图5中(a)、(b)和(c)为与图5中对应的焦距位置的MTF曲线示意图；

图6中(a)、(b)和(c)为与图5中对应的焦距位置的能量集中度曲线示意图；

图7为本发明所述的大口径折反式三组元连续变焦光学系统的短焦位置畸变图；

图8为本发明所述的大口径折反式三组元连续变焦光学系统的短焦位置像面相对照度曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，一种大口径折反式三组元连续变焦光学系统，采用二次成像方式，系统由前端Cassegrain反射式望远物镜和后端透射式变倍系统组成；所述变倍系统采用三组元机械补偿方式，依次为前固定组7、补偿组8和变倍组9。所述前端的Cassegrain望远物镜采用反射形式，不产生色差，减轻后端透射系统的色差和二级光谱校正压力；光束依次经Cassegrain望远物镜中的主镜1、次镜2、三镜3和四镜4，在第一像面5后，通过场镜6将光束准直，并对轴外视场光线高度进行控制，以减小后面元件的尺寸；方便系统装调；并通过在第一像面5位置安装视场光阑，可以很好地对杂光进行抑制；

结合图3，本实施方式所述的变倍系统实现焦距的连续变化，变倍系统中的前固定组7为变倍组9和补偿组8提供一个稳定的物面，由于其承担的相对口径不大，因此采用一块双胶合透镜A1，由于前固定组产生的二级光谱较大，其中的负透镜采用特殊色散材料TF3，用于二级光谱的校正。变倍组9和补偿组8采用负正结构，即负光焦度的补偿组和正光焦度的变倍组，利用变倍组实现系统倍率变化，利用补偿组8来补偿像面偏移。系统焦距与变倍组移动量呈线性关系。所述补偿组8采用一块负光焦度的双胶合透镜B1；由于系统短焦时相对口径较大，对变倍组9进行了复杂化设计，由三块单透镜(单透镜C1、单透镜C3和单透镜C4)和一块双胶合透镜C2组成，其中，单透镜C3为厚弯月镜，用于对场曲进行校正。

另外双胶合透镜C2中的正透镜采用了特殊色散玻璃FK51用于对二级光谱进一步校正；第一像面5后通过场镜将光束准直，并对轴外视场光线高度进行控制，以减小后面系统的尺寸。场镜6由一块正光焦度单透镜组成；结合图2，在物方视场±0.03°范围内主系统第一像面成像接近衍射极限，便于系统装调；

本实施方式所述的变焦系统变倍过程中，通光口径不变，充分利用望远镜主镜口径，进而能够充分利用望远镜的集光能力和分辨率；相对孔径随焦距连续变化，短焦时相对孔径最大，可达到1/1.5；

本实施方式中由于Cassegarin望远镜系统仅在一个小视场范围内成像质量理想，因此变倍系统需要补偿前端系统的轴上和轴外像差，并且由于系统焦距较长，重点要对二级光谱进行校正。为了充分利用望远镜通光口径，系统在各焦距位置均为全口径成像，即均由入瞳口径(主镜)限制成像光束口径，不需要对出瞳位置和口径限制；本实施方式所述的系统工作于可见光到近红外波段。

具体实施方式二、结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种大口径折反式三组元连续变焦光学系统的实施例：

本实施方式提供一套口径1000mm、焦距2000mm～6000mm的折反式连续变焦距光学系统，该系统的工作波段为500nm～800nm，相对口径1/2～1/6，其视场角为0.33°～0.14°。

结合图1和图3，本实施方式所述的系统由前端Cassegrian反射物镜、场镜和后端变倍系统组成。反射物镜的设计充分考虑系统遮拦比、加工难度和结构尺寸等因素，主镜1口径1000mm，曲率半径3600mm，抛物面；次镜2的口径200mm，曲率半径795mm，二次曲面，k＝-1.61；主次镜间隔1450mm，通过两块平面反射镜将光路折叠。第一像面位置在±0.03°的物方视场范围内成像理想，便于系统装调。反射物镜焦距15170mm，系统线遮拦0.2。为使结构布局更加合理，通过两块平面反射镜，即三镜3和四镜4将光路折叠，得到BentCassegrain焦点。三镜3通光口径225×159mm，三镜3通光口径166×117mm。次镜2与三镜3空气间隔1200mm，三镜3和四镜的空气间隔1052mm，四镜4与第一像面5间隔698mm。

第一像面5后，通过正光焦度场镜将光束准直，同时对轴外光束方向折转。场镜6采用单片透镜F1，前后表面曲率半径依次为651.6mm和177.4mm，厚度为18mm，前后表面通光口径为119.2mm、120.5mm，光学材料为ZK7。第一像面5与场镜6距离336.8mm。

本实施方式中后端变倍系统采用机械补偿三组元形式，将前固定组7放在前面，为变倍组9合补偿组8提供一个统一的物面。通过高斯光学计算、倍率选择、像差分析和优化，得到变倍系统各元件相关参数结果：所述前固定组7采用一块双胶合透镜A1，由于其产生的二级光谱较大，双胶合透镜A1中的负透镜采用特殊色散材料TF3。所述的双胶合透镜A1通过光敏胶粘接而成，从外而内形成外侧表面、粘接表面和内侧表面，三个表面半径依次为118.1mm、45mm、219.3mm，透镜厚度为19mm和7mm，粘接表面为同心球面，三个表面通光口径依次为49.9mm、46.9mm、42.4mm，外侧透镜和内侧透镜材料分别为ZK4、TF3。前固定组焦距395mm。

所述变倍组9采用负正结构，即负光焦度的补偿组和正光焦度的变倍组，利用变倍组实现倍率变化，利用补偿组来补偿像面偏移。

所述补偿组8采样一块双胶合透镜B1；胶合透镜通过光敏胶粘接而成，从外而内形成外侧表面、粘接表面和内侧表面，三个表面半径依次为62.2mm、41.5mm、78.8mm，透镜厚度为6mm和10mm，粘接表面为同心球面，三个表面通光口径依次为38.2mm、37.8mm、36.5mm，外侧透镜和内侧透镜材料分别为QK3、LAF3。补偿组焦距-88.8mm。

本实施方式中由于系统短焦时相对口径较大，对变倍组进行了复杂化设计，采用三块单透镜C1,C3,C4和一块双胶合透镜C2，并通过厚弯月形透镜对C3场曲进行了校正。另外为了二级光谱的校正，双胶合透镜C2中的正透镜采用特殊色散玻璃FK51_SCHOTT。透镜C1前后表面半径依次为184.1mm、134.4mm，透镜厚度为12mm，前后表面通光口径依次为51.7mm和51.4mm；光学材料为ZBAF3。双胶合透镜C2；胶合透镜通过光敏胶粘接而成，从外而内形成外侧表面、粘接表面和内侧表面，三个表面半径依次为70.2mm、74mm、126mm，透镜厚度为18mm和7mm，粘接表面为同心球面，三个表面通光口径依次为48.7mm、44mm、41.2mm，外侧透镜和内侧透镜材料分别为FK51、ZF52。透镜C3前后表面半径依次为35.8mm、26.8mm，透镜厚度为18mm，前后表面通光口径依次为40mm和30mm；光学材料为ZLAF56。透镜C4前后表面半径依次为64.8mm、246mm，透镜厚度为8mm，前后表面通光口径依次为31.5mm和31mm；光学材料为ZF7。变倍组焦距72.9mm。

所述的前固定组7与补偿组8空气间隔为14.8mm～94.8mm，补偿组与变倍组空气间隔为10.4mm～124mm，变倍组与像面距离为53mm～86.6mm。

凸轮曲线由高斯光学计算数据，补偿组放大倍率-0.4006～-0.2944；变倍组放大倍率-0.846～-0.3832；变倍组导程33.6mm，补偿量113.6mm。绘出变倍补偿曲线如图3中的(a)和(b)，变倍补偿曲线平滑，合理，凸轮升角压力不大，易于实现。系统焦距与变倍组移动量成线性关系。

结合图4至图6，系统各焦距位置全视场在50lp/mm频率处MTF大于0.3,表明系统具有较高的分辨率；各焦距位置全视场80％能量集中在直径20um圆内；结合图7可以看出，系统的最大畸变在短焦位置，最大畸变小于4％；由图8可以看出在短焦位置，边缘视场相对照度为84％，表明像面照度较均匀；说明本实施方式所述系统的成像质量和变倍曲线性能均达到实用水平。

Claims (1)

1.一种大口径折反式三组元连续变焦光学系统，由前端反射物镜和后端透射式变倍系统组成；其特征是，所述前端反射物镜为Cassegrain望远物镜，所述后端透射式变倍系统为三组元连续变焦系统，所述三组元连续变焦系统包括前固定组(7)、补偿组(8)和变倍组(9)；

光束经Cassegrain望远物镜后在第一像面(5)成像后，经场镜(6)变为准直光束，所述准直光束依次经前固定组(7)、补偿组(8)和变倍组(9)后在像面(10)上成像；

所述前固定组(7)采用双胶合透镜(A1)，双胶合透镜为正负结构；

所述补偿组(8)由负光焦度的双胶合透镜(B1)组成；采用变倍组(9)实现变焦光学系统的倍率变化，采用补偿组(8)补偿像面的偏移；所述变焦光学系统焦距与变倍组移动量呈线性关系；

所述变倍组(9)由三块单透镜和一块双胶合透镜组成，所述变倍组(9)为正光焦度；所述场镜(6)由一块正光焦度单透镜(F1)组成。