CN103926680A - 一种具有像方远心的长焦距光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有像方远心的长焦距光学系统，该长焦距光学系统包括：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第三透镜组为负光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和第四透镜组均为正光焦度；所述第一透镜组包括两个正透镜和一个负透镜；所述第二透镜组包括一个正透镜和一个负透镜；所述第三透镜组包括两个透镜，其中至少一个为负透镜；所述第四透镜组包括一个正透镜；所述第一透镜组至第四透镜组沿光路从物方到像方依次排列。该长焦距光学系统能够实现出瞳距离大于10000mm，同时光学传递函数接近衍射极限，在提高系统性能的同时降低了制作成本和难度。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种具有像方远心的长焦距光学系统。
背景技术
像方远心长焦距物镜将用作空间外差干涉仪的前置物镜，该物镜的观测目标为气辉或极光。由于干涉仪对入射光的波像差要求较高，因而对前置物镜的成像质量提出了较高的要求。此外，气辉和极光的强度较弱，因而要求相对孔径较大，进一步增加了设计难度。
长焦距物镜的二级光谱是影响系统性能提高的主要因素，校正二级光谱成为该系统的设计难点。目前公开的专利，很多采用了多种光学玻璃或采用晶体材料配合光学结构校正二级光谱，但是此种设计导致镀膜工艺复杂，且增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的长焦距物镜设计中，由于材料种类多导致成本偏高、加工工艺复杂以及光学结构不能实现像方远心等问题，本发明提出了一种具有像方远心的长焦距光学系统，该长焦距光学系统是只有4种材料的光学结构，具有大光圈、像方远心的长焦距物镜。
为实现上述目的，本发明提供一种具有像方远心的长焦距光学系统，该长焦距光学系统包括：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第三透镜组为负光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和第四透镜组均为正光焦度；所述第一透镜组包括两个正透镜和一个负透镜；所述第二透镜组包括一个正透镜和一个负透镜；所述第三透镜组包括两个透镜，其中至少一个为负透镜；所述第四透镜组包括一个正透镜；所述第一透镜组至第四透镜组沿光路从物方到像方依次排列。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜组中的负透镜位于该第一透镜组中两个正透镜之间，所述第二透镜组中的负透镜和正透镜分别靠近物方和像方。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜组中靠近像方一侧的正透镜为平凸透镜，该平凸透镜的凸面朝向物方，其形状因子X3=1，该正透镜的焦距满足：
0.5<f3/f<1
其中，f为系统焦距，f3为第一透镜组中靠近像方一侧的正透镜的焦距。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的第二透镜组的焦距满足：
1<fⅡ/f<2
其中，f为系统焦距，fⅡ为第二透镜组的焦距。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二透镜组中的负透镜为平凹透镜，该平凹透镜的凹面朝向像方，其形状因子X4=-1；
所述第二透镜组中的负透镜的焦距满足：
f4<0
其中，f为系统焦距，f4为第二透镜组中的负透镜的焦距。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二透镜组中的正透镜为平凸透镜，该平凸透镜的凸面朝向物方，其形状因子X5=1；
所述第二透镜组中的正透镜的焦距满足：
f5>0
其中，f为系统焦距，f5为第二透镜组中的正透镜的焦距。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜组中的两个透镜均为弯月透镜，其凹面均朝向物方；所述第三透镜组中靠近物方一侧透镜的焦距满足：
|f6/|＞6
其中，f为系统焦距，f6为第三透镜组中靠近物方一侧透镜的焦距。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜组中的两个正透镜的材料满足：
V1>70,V3>70
其中，V1和V3分别为第一透镜组中的两个正透镜材料的阿倍数。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二透镜组中的两个透镜的材料满足：
V4>50，V5<50
其中，V4和V5分别为第二透镜组中的负透镜和正透镜材料的阿倍数。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜组与第二透镜组之间的间隔满足：
0.1<d6/f<0.2
其中，f为系统焦距，d6为第一透镜组与第二透镜组的间隔。
本发明的长焦距光学系统除用作干涉仪的前置物镜外，还可用作远距摄像物镜、望远物镜以及平行光管物镜。
与现有技术相比，本发明的一种具有像方远心长焦距光学系统的优点在于：系统仅使用了4种常见光学材料和8片镜片实现了出瞳距离大于10000mm，同时光学传递函数接近衍射极限，因而在提高系统性能同时降低了制作成本和难度。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种具有像方远心的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的光学布置图。
图2为实施例一中的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的传递函数图。
图3为实施例一中的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的轴向像差图。
图4为实施例二中的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的传递函数图。
图5为实施例二中的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的轴向像差图。
附图标记
G1、第一透镜组 G2、第二透镜组
G3、第三透镜组 G4、第四透镜组
1、第一透镜 2、第二透镜
3、第三透镜 4、第四透镜
5、第五透镜 6、第六透镜
7、第七透镜 8、第八透镜
r1、第一透镜进光面 r2、第一透镜出光面
r3、第二透镜进光面 r4、第二透镜出光面
r5、第三透镜进光面 r6、第三透镜出光面
r7、第四透镜进光面 r8、第四透镜出光面
r9、第五透镜进光面 r10、第五透镜出光面
r11、第六透镜进光面 r12、第六透镜出光面
r13、第七透镜进光面 r14、第七透镜出光面
r15、第八透镜进光面 r16、第八透镜出光面
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种具有像方远心长焦距光学系统进行详细说明。
本发明的一种具有像方远心的长焦距光学系统，包括：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第三透镜组为负光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和第四透镜组均为正光焦度，所述第一透镜组包括两个正透镜与一个负透镜；所述第二透镜组包括一个正透镜与一个负透镜；所述第三透镜组可以包括两个负透镜，也可以包括一个正透镜与一个负透镜，也可以是一个正透镜与一个负透镜胶合而成。所述第四透镜组包括一个正透镜。所述第一透镜组至第四透镜组沿光路从物方到像方依次排列。该长焦距光学系统出瞳距大于10000mm。系统光学传递函数接近衍射极限。
基于上述长焦距光学系统的结构，如图1所示，在根据本实施例的具有像方远心的长焦距光学系统中，第一透镜组G1包括第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3，具有正光焦度；第二透镜组G2包括第四透镜4和第五透镜5，具有正光焦度；第三透镜组G3包括第六透镜6和第七透镜7，具有负光焦度；第四透镜组G4包括第八透镜8，具有正光焦度。所述第一透镜1至第八透镜8沿光路从物方OBJ到像方IMG依次排列；第一透镜1、第三透镜3、第五透镜5和第八透镜8为正透镜，第二透镜2和第四透镜4为负透镜，第六透镜6和第七透镜7中至少有一个为负透镜。
第一透镜1与第二透镜2的光焦度之和较小，其主要作用为校正第一透镜组G1的球场、色差以及色球差。
所述第三透镜3为平凸透镜，该平凸透镜的凸面朝向物方，其形状因子X3=1，其焦距满足：
0.5<f3/f<1 （1）
其中f为系统焦距，f3为第三透镜3的焦距。上述不等式（1）限制了第三透镜3的光焦度范围。当第三透镜3焦距低于下限时，第三透镜3的光焦度太大，导致第一透镜组G1的球差、色差以及色球差变大。当第三透镜3的焦距高于上限时，为保证第一透镜组G1的光焦度，将导致第一透镜1与第二透镜2的光焦度变大，使得第一透镜组G1的公差灵敏度增大。
上述的形状因子X定义为：
其中R2为透镜靠近像方一侧的表面半径，R1为透镜靠近物方一侧的表面半径。
如图1所示，若第三透镜3为双凸透镜，第四透镜出光面r8的负球差增大，为平衡该像差，第二透镜出光面r4与第四透镜进光面r7曲率增大，提高了正球差。由于曲率增大，第二透镜出光面r4与第四透镜进光面r7的灵敏度增大，从而提高了公差要求。若第三透镜3为弯月透镜，第三透镜进光面r5的曲率增大，增大了该面的负球差，提高了灵敏度。
所述第二透镜组的焦距满足以下不等式：
1<fⅡ/f<2 （2）
其中fⅡ为第二透镜组G2的焦距。当fⅡ大于不等式上限时，第二透镜组分担的光焦度较弱，则第一透镜组G1需要提高光焦度，增大了第一透镜组的负球差，提高了第一透镜组的灵敏度。当fⅡ小于不等式下限时，第二透镜组分担的光焦度较强，虽然降低了第一透镜组的光焦度和灵敏度，但是增大了自身的负球差，使得后组透镜难以校正。
如图1所示，第四透镜4为平凹透镜，其凹面朝向像方；其形状因子X4=-1；该第四透镜4的焦距满足：
f4<0
其中，f为系统焦距，f4为第四透镜4的焦距。
所述的第五透镜5为平凸透镜，其凸面朝向物方，其形状因子X5=1；该第五透镜5的焦距满足：
f5>0
其中，f为系统焦距，f5为第五透镜5的焦距。采用上述的光学结构，加工与装配简单。
另外，所述第三透镜组G3产生正球差与正色差，其主要作用为平衡前组透镜的负球差与负色差。第三透镜组G3中的第六透镜6与第七透镜7都为弯月型透镜，其凹面均朝向物方。该第六透镜6的光焦度较弱，其作用为校正光学系统的高级像差，其焦距满足以下不等式：
|f6/＞6 （3）
其中，f为系统焦距，f6为第六透镜6的焦距。当第六透镜6不满足不等式时，其光焦度变大，产生过量的像差，需要前组透镜平衡，从而增大了前组透镜的负担，不利于系统性能的提高。
所述第一透镜1和第三透镜3的阿倍数满足以下条件：
V1,V3>70 （4）
其中V1和V3分别为第一透镜1与第三透镜3材料的阿倍数。若阿倍数不符合上述条件，则第一透镜1与第三透镜3的色散较大，从而增大了第一透镜组G1的色差和二级光谱，且后组透镜很难平衡正色差和二级光谱。
所述第四透镜4与第五透镜5的材料满足以下条件：
V4>50;V5<50 （5）
其中V4和V5分别为第四透镜4与第五透镜5材料的阿倍数。其中，第四透镜4为负光焦度，采用低色散材料，第五透镜5为正透镜，采用高色散材料，将产生较大的负色差用于补偿第二透镜2产生的过量正色差。当材料使用相反时，第二透镜组G2的色差较小，不足以平衡第一透镜组G1的正色差。
另外，所述第三透镜3与第四透镜4的间隔满足以下条件：
0.1<d6/f<0.2
其中，f为系统焦距，d6为第三透镜3与第四透镜4的间隔。当d6大于上限时，第六透镜6的正光焦度增大，负球差增大。为平衡第六透镜6产生的负球差，第二透镜2与第七透镜7的负光焦度增大。光焦度增大导致其灵敏度提高，公差要求高，因而不易加工。当d6小于下限时，第二透镜组G2的正光焦度减弱，不足以分担第一透镜组G1的光焦度，从而导致第一透镜组G1的负球差增大。若要平衡第一透镜组G1的像差，第二透镜2的负光焦度增大，同样增大第二透镜2的公差灵敏度。
实施例一：
如图1所示，所述的长焦距光学系统包括：第一透镜组G1，具有正光焦度；第二透镜组G2，具有正光焦度；第三透镜组G3，具有负光焦度；第四透镜组G4，具有正光焦度。其中，第一透镜组G1包括：第一透镜1（正透镜）、第二透镜2（负透镜）和第三透镜3（正透镜）；第二透镜组G2包括：第四透镜4（负透镜）和第五透镜5（正透镜）；第三透镜组G3包括：第六透镜6（正透镜）和第七透镜7（负透镜）；第四透镜组G4包括：第八透镜8（正透镜）。
上述八个透镜的数据如下所示:
且满足EFL=100，FNO=4，FOV=3°，其中，EFL为焦距；FNO为光圈F数；FOV为全视场。
| 透镜表面曲率半径(r) | 厚度(d) | 折射率(Nd) | 阿贝数（Vd） |
| r141.5115 | 4.9276 | 1.50 | 81.6 |
| r2-112.893 | 1.9801 | ||
| r3-76.2654 | 2 | 1.61 | 44.1 |
| r444.3806 | 1.6 | ||
| r532.118 | 4.2719 | 1.50 | 81.6 |
| r6无穷大 | 14.5653 | ||
| r7无穷大 | 1.5 | 1.49 | 70.4 |
| r856.9702 | 1.3334 | ||
| r938.6665 | 3 | 1.60 | 38.0 |
| r10无穷大 | 16.6543 | ||
| r11-30.5767 | 1.5 | 1.49 | 70.4 |
| r12-29.2421 | 1.3334 | ||
| r13-21.8158 | 1.5 | 1.60 | 38.0 |
| r14-67.1033 | 16.1873 | ||
| r1512.2047 | 1.5 | 1.49 | 70.4 |
| r1619.1594 | 10.8034 | ||
| image无穷 | 0 |
根据上述透镜的结构，能够得出如图2和图3所示的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的传递函数图与轴向像差图。从图中可知，所有视场在40lp/mm时的调制度均大于0.86，几乎接近衍射极限，二级光谱小于0.005mm。可见，光学性能优良，成像质量高。
实施例二：
如图1所示，所述的长焦距光学系统包括：第一透镜组G1，具有正光焦度；第二透镜组G2，具有正光焦度；第三透镜组G3，具有负光焦度；第四透镜组G4，具有正光焦度。其中，第一透镜组G1包括：第一透镜1（正透镜）、第二透镜2（负透镜）和第三透镜3（正透镜）；第二透镜组G2包括：第四透镜4（负透镜）和第五透镜5（正透镜）；第三透镜组G3包括：第六透镜6（负透镜）和第七透镜7（负透镜）；第四透镜组G4包括：第八透镜8（正透镜）。
上述八个透镜的数据如下所示:
且满足EFL=100，FNO=4，FOV=3°，其中，EFL为焦距；FNO为光圈F数；FOV为全视场。
| 透镜表面 | 曲率半径(r) | 厚度(d) | 折射率(Nd) | 阿贝数（Vd） |
| r1 | 39.1944 | 5 | 1.50 | 81.6 |
| r2 | -116.629 | 1.98 | ||
| r3 | -75.9951 | 2 | 1.61 | 44.1 |
| r4 | 45.3560 | 1.6 | ||
| r5 | 30.9806 | 5 | 1.50 | 81.6 |
| r6 | 无穷大 | 14.97 | ||
| r7 | 无穷大 | 1.5 | 1.49 | 70.4 |
| r8 | 50.4482 | 1.33 | ||
| r9 | 36.4787 | 2.5 | 1.60 | 38.0 |
| r10 | 无穷大 | 14.768 | ||
| r11 | -27.1306 | 1.5 | 1.49 | 70.4 |
| r12 | -29.795 | 1.33 | ||
| r13 | -21.0992 | 1.5 | 1.60 | 38.0 |
| r14 | -88.6604 | 30.65 | ||
| r15 | 23.0538 | 1.5 | 1.49 | 70.4 |
| r16 | 127.6682 | 15.7392 | ||
| image | 无穷 | 0 |
根据上述透镜的结构，能够得出如图4和图5所示的长焦距光学系统聚焦在无穷远处时的传递函数图与轴向像差图。从图中可知，所有视场在40lp/mm时的调制度均大于0.86，几乎接近衍射极限，二级光谱小于0.005mm。可见，光学性能优良，成像质量高。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，该长焦距光学系统包括：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第三透镜组为负光焦度，所述第一透镜组、第二透镜组和第四透镜组均为正光焦度；所述第一透镜组包括两个正透镜和一个负透镜；所述第二透镜组包括一个正透镜和一个负透镜；所述第三透镜组包括两个透镜，其中至少一个为负透镜；所述第四透镜组包括一个正透镜；所述第一透镜组至第四透镜组沿光路从物方到像方依次排列。
2.根据权利要求1所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第一透镜组中的负透镜位于该第一透镜组中两个正透镜之间，所述第二透镜组中的负透镜和正透镜分别靠近物方和像方。
3.根据权利要求2所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第一透镜组中靠近像方一侧的正透镜为平凸透镜，该平凸透镜的凸面朝向物方，其形状因子X3=1，该正透镜的焦距满足：
0.5<f3/f<1
其中，f为系统焦距，f3为第一透镜组中靠近像方一侧的正透镜的焦距。
4.根据权利要求2所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述的第二透镜组的焦距满足：
1<fⅡ/f<2
其中，f为系统焦距，fⅡ为第二透镜组的焦距。
5.根据权利要求4所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第二透镜组中的负透镜为平凹透镜，该平凹透镜的凹面朝向像方，其形状因子X4=-1；
所述第二透镜组中的负透镜的焦距满足：
f4<0
其中，f为系统焦距，f4为第二透镜组中的负透镜的焦距。
6.根据权利要求4所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第二透镜组中的正透镜为平凸透镜，该平凸透镜的凸面朝向物方，其形状因子X5=1；
所述第二透镜组中的正透镜的焦距满足：
f5>0
其中，f为系统焦距，f5为第二透镜组中的正透镜的焦距。
7.根据权利要求1所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，
所述第三透镜组中的两个透镜均为弯月透镜，其凹面均朝向物方；所述第三透镜组中靠近物方一侧透镜的焦距满足：
|f6/f|＞6
其中，f为系统焦距，f6为第三透镜组中靠近物方一侧透镜的焦距。
8.根据权利要求1所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第一透镜组中的两个正透镜的材料满足：
V1>70,V3>70
其中，V1和V3分别为第一透镜组中的两个正透镜材料的阿倍数。
9.根据权利要求1所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第二透镜组中的两个透镜的材料满足：
V4>50，V5<50
其中，V4和V5分别为第二透镜组中的负透镜和正透镜材料的阿倍数。
10.根据权利要求1所述的具有像方远心的长焦距光学系统，其特征在于，所述第一透镜组与第二透镜组之间的间隔满足：
0.1<d6/f<0.2
其中，f为系统焦距，d6为第一透镜组与第二透镜组的间隔。
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