CN108549145A - 一种单物双目望远镜的新结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于望远镜技术领域，提供了一种单物双目望远镜的新结构，一种单物双目望远镜的新结构，包括一个物镜、分光转像系统和两个目镜；光线依次经过物镜、分光转像系统后分别从两个目镜射出；所述分光转像系统的分光系统为无需光程补偿的分光系统，所述无需光程补偿的分光系统为具有两个相互垂直的全反射面的全反射光学元件。本发明的光路都是对称的，无需光程补偿，所用光学元件少，其结构更简单可靠。而且无半反半透膜带来的光损失，也无需经过多余的光学元件，所以光利用率更高，成像更明亮清晰。

Description

一种单物双目望远镜的新结构

技术领域

本发明属于望远镜技术领域，具体涉及一种单物双目望远镜的新结构。

背景技术

望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。又称“千里镜”。

望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径(最大8毫米)粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。

望远镜主要分为折射式望远镜和反射式望远镜；由于折射望远镜的成像质量在同样口径下比反射望远镜好，视场大，使用方便，易于维护，中小型天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统；但大型折射望远镜制造起来比反射望远镜困难得多，因为冶炼大口径的优质透镜非常困难，且存在玻璃对光线的吸收问题，并且主镜镜片会因为重力而发生形变，造成光学质量不佳，所以大口径望远镜都采用反射式望远镜。折射式望远镜分为伽利略望远镜和开普勒望远镜；由凹透镜作目镜的称伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。开普勒式望远镜的基本原理是首先远处的光线进入物镜的凸透镜，第1次成倒立、缩小的实像，相当于照相机；然后这个像被第2个凸透镜放大，这相当于放大镜。伽利略望远镜成像为正立放大的像，其视野相对狭窄；开普勒望远镜其成像为倒立放大的像，其视野相对宽广。因此，一般的折射望远镜都是采用开普勒结构。然而，无论是伽利略望远镜还是开普勒望远镜，其特征都是一个物镜对应一个目镜的，如果是需要倒像的开普勒望远镜，则是一个物镜对应一套倒像棱镜，再对应一个目镜，这样就构成了我们常见的望远镜系统。但有些时候，一个物镜只对应一个目镜，并不方便，比如观鸟镜和观靶镜。因为这些望远镜比较大，通常作为单筒望远镜来使用。观察的时候也只能用一只眼睛，观察立体感比较差，也不符合人眼的观察习惯，容易疲劳；从而就有了单物双目望远镜。

现有的单物双目望远镜，其原理是光进入物镜后，先经过分光板或者分光棱镜的分光；分光板或分光棱镜镀有半反半透膜，可以实现一半的光反射，一半的光透射，一半倒像后进入左眼，一半倒像后进入右眼，这样就制成了单物双目的望远镜；然而，这样的设计导致其具有如下的缺陷：1、分光倒像系统体积过大，结构复杂，稳定性不够；2、半反半透膜会损失约20％左右的光线，影响成像质量。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题的至少一项，本发明目的在于提供一种单物双目望远镜的新结构。

本发明所采用的技术方案为：

一种单物双目望远镜的新结构，包括一个物镜、分光转像系统和两个目镜；光线依次经过物镜、分光转像系统后分别从两个目镜射出；所述分光转像系统的分光系统为无需光程补偿的分光系统，所述无需光程补偿的分光系统为具有两个相互垂直的全反射面的全反射光学元件。

进一步的，光线依次经过物镜、全反射光学元件的一个全反射面、分光转像系统的转像系统进入一个目镜；光线依次经过物镜、全反射光学元件的另一个全反射面、分光转像系统的转像系统进入另一个目镜。

进一步的，转像系统包括上下转像系统和左右转像系统；光线依次经过物镜、上下转像系统、全反射光学元件的一个全反射面、左右转像系统后进入一个目镜；光线依次经过物镜、上下转像系统、全反射光学元件的另一个全反射面、左右转像系统后进入另一个目镜。

进一步的，转像系统包括上下转像系统和左右转像系统；光线依次经过物镜、左右转像系统、全反射光学元件的一个全反射面、上下转像系统后进入一个目镜；光线依次经过物镜、左右转像系统、全反射光学元件的另一个全反射面、上下转像系统后进入另一个目镜。

进一步的，所述全反射光学元件为外反棱镜式光劈；所述光劈的剖面为直角三角形结构；所述光劈的两个相互垂直的面上镀有反射膜。

进一步的，所述全反射光学元件由两块相互垂直的反光板构成；所述反光板的外侧镀有反射膜。

进一步的，所述全反射光学元件为内反棱镜式光劈；所述内反棱镜式光劈具有直角缺口，所述直角缺口具有两个相互垂直的平面。

进一步的，所述全反射光学元件为双棱镜式光劈，所述双棱镜式光劈由两个剖面为三角形的棱镜组成，两个剖面为三角形的棱镜的相互靠近的角相连，每个棱镜至少具有一个反射面，两个棱镜的反射面相连且相互垂直。

进一步的，所述转像系统由底面直立三角棱镜和底面横置三角棱镜组成；底面直立三角棱镜的底面与底面横置三角棱镜的底面连接。

进一步的，上下转像系统为端面为正三角形的棱镜；左右转像系统为反射镜。

本发明的有益效果为：本发明的一种单物双目望远镜的新结构通过采用具有两个相互垂直的全反射面的全反射光学元件，替换掉原有的望远镜的分光元件，解决了现有的望远镜光损失严重，不够明亮清晰，结构复杂的问题；又由于采用了新的分光元件使望远镜的光路更加的对称平衡，从而取消了光路补偿的相关部件，简化了整体结构，进一步的又由于采用新的分光元件，使分光元件在分光时具有部分转像系统的功能和作用，从而简化了转像系统的元件使用数量，从而使本发明的望远镜重量更轻，体积更小，成像更清晰。

附图说明

图1是现有的单物双目望远镜的结构原理示意图。

图2是现有的单物单目望远镜的光锥分布示意图。

图3是实施例的第一种单物双目望远镜的结构原理示意图。

图4是本发明的全反射光学元件的第一种结构示意图。

图5是本发明的全反射光学元件的第二种结构示意图。

图6是本发明的全反射光学元件的第三种结构示意图。

图7是本发明的全反射光学元件的第四种结构示意图。

图8是实施例的第二种单物双目望远镜的结构原理示意图。

图9是实施例的第三种单物双目望远镜的结构原理示意图。

图10是实施例的第四种单物双目望远镜的结构原理示意图。

图11是实施例转像系统的结构示意图。

图12是图3中右分光棱镜的光线路径示意图。

图中：101-第一物镜；102-转像系统；103-半反半透膜；104-斜方棱镜；105-目镜；106-分光棱镜；107-光程补偿镜；201-第二物镜；202-光阑；203-转像系统前置位置；204-转像系统合理位置；11-第一全反射面；12-第二全反射面；21-第三全反射面；22-第四全反射面；31-第五全反射面；32-第六全反射面；41-第七全反射面；42-第八全反射面；51-底面直立三角棱镜；52-底面横置三角棱镜；301-第三物镜；302-左分光棱镜；303-第三目镜；304-右分光棱镜；305-第一光劈；401-第四物镜；402-第一转像棱镜；403-第一反射棱镜；404-第二光劈；405-第二转像棱镜；406-第二反射棱镜；501-第五物镜；502-第三光劈；503-第三反射棱镜；504-第四目镜；505-第四反射棱镜；506-第三转像棱镜；601-第六物镜；602-第七反射棱镜；603-第六目镜；604-第四转像棱镜；605-第五反射棱镜；606-第四光劈；607-第八反射棱镜；608-第六反射棱镜；3041-右分光棱镜直立面；3042-右分光棱镜横置面。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例

本实施例提供一种单物双目望远镜的新结构，具体地，本实施例对现有的单物双目望远镜的分光倒像系统进行了改进，不使用现有的单物双目望远镜中的设有半反半透膜的分光板或分光棱镜作为分光部件。以下具体说明。

如图1-11所示，现有的单物双目镜的光路结构如图1所示。由图1可知，其光路为：光线从物镜射入、经过转像系统调整像的方向后进入分光棱镜上设有半反半透膜的一侧，光线的一部分透射过分光棱镜，经由斜方棱镜的两次反射后，射入一个目镜105；而光线的另一部分经过两次反射后，通过光程补偿镜补偿光程后，射入另一个目镜。具体地，光线通过第一物镜101进入转像系统102中，由于在经过第一物镜的成像后像的位置发生了变化，像的位置上下颠倒，左右颠倒不利于直接观看，因此一般转像系统必不可少，一般转像系统通过在上下和左右方向上发生全反射来进行调整，将经过物镜成像之后上下左右颠倒的像转成正立的像；转像系统在调整像的位置后，在分光棱镜106镀有半反半透膜103的一面发生反射和透射，反射光的光程较短，需要通过光程补偿镜107对其进行补偿以使透射光与反射光同时到达目镜，从而保证人眼看到的画面相同。

需要光程补偿是因为分光后，两部分光线走过的光程不同；一部分光线比另一部分走的光程要长，若不进行光程补偿，则传入两个目镜中的光阑的位置会不同为了让两部分光线的光程相同，需要将光程短的另一部分光线经过一个光程补偿镜(就是一块厚的光学平面玻璃)进行光程补偿，来使两部分光线的光程相同；经过光线补偿后，两部分光线分别射入两个目镜中的光阑位置相同，从而保证了左右目镜调整的一致性，即左右目镜同时看清光阑的图像。

然而在此过程中，当光线在通过分光棱镜上的半反半透膜时，并不是没有损失的将光线均匀的分成两部分，理论上来说，经过半反半透膜要损失约16％的光线，这是由半反半透膜本身的性质决定的，不可避免。换句话说，即使通过半反半透膜的调整，可以做到两束光线的光强基本一致，但整体上半反半透膜效率只有84％，造成了严重的光损失。因此，在经过该现有技术分光后，存在如下三个问题：1、光线损失；2、分光后的两部分光的偏转角度不对称；3、分光后的两部分光的光程不同。

在现有的单物双目望远镜系统中，都是采用图1类似的光路结构的分光原理进行分光的；因此，为了达到较好的效果，不可避免的需要后续增加多个光学元件，对分出来的光进行调整，使其满足观察的需要；这些都会导致结构上的复杂、庞大；从而造成整体上的光学系统的不稳定性。

另外，现有技术中的转像系统也可能导致光线损失。转像系统一般是两块保罗式直角棱镜。要把所有有效光线包括进去不能切割光线，因此，转像棱镜要有一定尺寸。

如图2所示，光线通过第二物镜201进入转像系统，然后转像系统处理后光线在光阑202成像；高倍望远镜物镜大(直径80～100mm)目镜小(直径20～25mm)。望远镜物镜来的光，到达光阑面，并布满光阑。即边光A,B聚焦于光阑中点O，轴上光线C布满光阑面D、E。转像系统必须包含这两个锥形，才可不损失光线。若转像系统处于前部，第一个锥形(即第一个锥形AOB)起作用，则截面积过大，如GH。若转像系统后移，因光阑直径小(一般只有物镜的五分之一左右)，此时第二个锥形DCE起主要作用。则转像系统截面KM较小。图示GH比KM大了一倍。

对比转像系统的位置，即转像系统前置位置203和转像系统合理位置204；可以看出，为了不损失光线，现有的单物双目望远镜的体积要大的多。比如在光锥前端GH段布置转像系统，与在KM布置转像系统，截面尺寸要大得多。根据体积的立方关系，尺寸大三倍，体积就增加了27倍，重量也随之增加了27倍。因此，现有的开普勒望远镜的光路中，尽量把转像系统放置到光束“细”的地方，以减少转像系统的体积。也就是说，图2所示的单物双目望远镜，虽然少用了一个物镜，一个物镜筒，一个转像系统。但其转像棱镜的增大，以及增加了分光棱镜，平行棱镜，光程补偿镜等，导致其重量相比双筒望远镜并无明显减轻，而结构的复杂程度上大为增加。因此，现有技术的单物双目望远镜具有体积大、结构复杂、光线损失多、光线不对称、光程不一致的问题。

基于此，如图3所示，本实施例提供一种单物双目望远镜的新结构，包括一个物镜、分光转像系统和两个目镜；光线依次经过物镜、分光转像系统后分别从两个目镜射出；所述分光转像系统的分光系统为无需光程补偿的分光系统，所述无需光程补偿的分光系统为具有两个相互垂直的全反射面的全反射光学元件。

优选地，所述全反射光学元件为第一光劈305；如图3所示，所述新结构包括第三物镜301、第一光劈305、左分光棱镜302、右分光棱镜304、第三目镜303，第三目镜包括左目镜和右目镜；所述第一光劈的端面为三角形结构；所述第三物镜的焦点所在的直线与第一光劈的尖端在同一个平面上且相互平行；光线通过第三物镜的焦点射向第一光劈的两侧的全反射面，并在该两侧上发生全反射后分别进入左分光棱镜和右分光棱镜，左分光棱镜中的光线通过左目镜射出；右分光棱镜中的光线通过右目镜射出；所述第一光劈与第三物镜的中心在同一直线上，所述第一光劈位于左分光棱镜和右分光棱镜的之间的中部；所述第一光劈中心与第三物镜中心的连线与左分光棱镜中心和右分光棱镜中心的连线相互垂直；所述第一光劈中心分别与左分光棱镜中心和右分光棱镜中心的距离相同。

优选地，所述转像系统由底面直立三角棱镜和底面横置三角棱镜组成。

如图11所示，所述转像系统由底面直立三角棱镜51和底面横置三角棱镜52组成，底面直立三角棱镜的底面与底面横置三角棱镜的底面连接；底面直立三角棱镜51和底面横置三角棱镜52也可制成一体结构，所述转像系统起到上下转像的作用，当光线从第三物镜射入至第一光劈后进入所述转像系统时，经过第一光劈的分光的同时也进行了左右转像。从而当光线在经过该转像系统后，使颠倒的像再次颠倒后变为原本的像；从而实现像的转像。

具体到如图3的技术方案中，左分光棱镜302和右分光棱镜304均采用图11的结构，图3中从第一光劈305射入至左分光棱镜302和右分光棱镜304中的光线有省略，第一光劈305射入左分光棱镜302和右分光棱镜304中的光线路径相同，方向相反；以右分光棱镜304的光线路径为例，如图12所示，光线从第一光劈出来进入右分光棱镜横置面3042，按图示的光线路径反射至右分光棱镜直立面3041，最后从右分光棱镜直立面3041射出进入目镜。

本发明的上述方案，不但包含了分光，也完成了全转像，不再需要额外的转像系统；由于避免了使用半反半透膜，从而避免了在分光转像过程中造成的光损失。

本发明的上述方案的转像系统可以设于分光系统前也可以设于分光系统后，可以根据实际使用情况调整。从而，本发明的单物双目望远镜还有如下的结构，具体地如下：

第二个方案，一种单物双目望远镜的新结构，光线依次经过物镜、全反射光学元件的一个全反射面、分光转像系统的转像系统进入一个目镜；光线依次经过物镜、全反射光学元件的另一个全反射面、分光转像系统的转像系统进入另一个目镜。

如图8所示，一种单物双目望远镜的新结构，包括第四物镜401、第一转像棱镜402、第一反射棱镜403、第二光劈404、第二转像棱镜405和第二反射棱镜406；第四物镜的焦点与第二光劈的尖部对齐；优选地，第一转像棱镜和第二转像棱镜的端部为正三角形；光线通过第四物镜、第二光劈的一个全反射面、然后经过第一反射棱镜反射进入第一转像棱镜后射入右目镜；光线通过第四物镜、第二光劈的另一个全反射面、然后经过第二反射棱镜进入第二转像棱镜后射入左目镜。

第三个方案，一种单物双目望远镜的新结构，包括转像系统包括上下转像系统和左右转像系统；光线依次经过物镜、上下转像系统、全反射光学元件的一个全反射面、左右转像系统后进入一个目镜；光线依次经过物镜、上下转像系统、全反射光学元件的另一个全反射面、左右转像系统后进入另一个目镜。

如图9所示的，一种单物双目望远镜的新结构，包括第五物镜501、第三光劈502、第三反射棱镜503、第四目镜504、第四反射棱镜505和第三转像棱镜506；优选地，第三转像棱镜的端面为正三角形；第三光劈的端面为正三角形；第三光劈的尖端与第三转像棱镜的底部相对；第三光劈的底部与第五物镜相对；光线从第五物镜射入第三转像棱镜的底部、在第三转像棱镜内发生两次全反射后射出至第三光劈502的一个全反射面上，然后光线经过反射棱镜反射射入目镜。

第四个方案，一种单物双目望远镜的新结构，转像系统包括上下转像系统和左右转像系统；光线依次经过物镜、左右转像系统、全反射光学元件的一个全反射面、上下转像系统后进入一个目镜；光线依次经过物镜、左右转像系统、全反射光学元件的另一个全反射面、上下转像系统后进入另一个目镜。

如图10所示的，一种单物双目望远镜的新结构，包括第六物镜601、第七反射棱镜602、第六目镜603、第四转像棱镜604、第五反射棱镜605、第四光劈606、第八反射棱镜607和第六反射棱镜608；优选地，所述第四转像棱镜、第七反射棱镜、第五反射棱镜、第八反射棱镜和第六反射棱镜为矩形结构；光线从第六物镜射入后至第四转像棱镜604反射至第四光劈的一个全反射面上，然后反射至第五反射棱镜和第六反射棱镜，第五反射棱镜反射光线至第八反射棱镜；第六反射棱镜反射光线至第七反射棱镜。需要说明的是上述转像棱镜、反射棱镜为转像面或反射面的具体的关学器件的一种，上述转像棱镜或反射棱镜也可以为反光板。

优选地上述第三个方案和第四个方案中，上下转像系统为端面为直角三角形的棱镜；左右转像系统为反射镜。

为了达到更好的效果，针对上述四中技术方案，本发明还对全反射光学元件进行了优选，具体地，有如下四种选择。

第一个实施方式，如图4所示，所述全反射光学元件为外反棱镜式光劈；所述光劈的剖面为直角三角形结构；所述光劈的两个相互垂直的面上镀有反射膜。

如图5所示，所述全反射光学元件为外反棱镜式光劈；所述光劈的剖面为直角三角形结构；所述外反棱镜式光劈的外侧有两个全反射面，即第三全反射面21和第四全反射面22，优选地，该两个全反射面上镀有反射膜。

第二种实施方式，如图4所示，所述全反射光学元件由两块相互垂直的反光板构成；所述反光板的外侧镀有反射膜。

如图4所示，所述全反射光学元件由两块相互垂直的反光板构成；该两个反光板的一端连接成直角结构；该直角结构的外侧镀有反射膜，从而该直角结构的外侧构成两个全反射面，即第一全反射面11和第二全反射面12。

第三种实施方式，如图6所示，所述全反射光学元件为内反棱镜式光劈；所述内反棱镜式光劈具有直角缺口，所述直角缺口具有两个相互垂直的平面。

如图6所示，所述全反射光学元件为内反棱镜式光劈，所述内反棱镜式光劈的内部具有直角缺口，该缺口上的两个相互垂直的平面为全反射面，使用时光线通过其外部射入至全反射面上发生全反射，该两个全反射面为第五全反射面31和第六全反射面32。

第四种实施方式，如图7所示，所述全反射光学元件为双棱镜式光劈，所述双棱镜式光劈由两个剖面为三角形的棱镜组成，两个剖面为三角形的棱镜的相互靠近的角相连，每个棱镜至少具有一个全反射面，两个棱镜的反射面相连且相互垂直。

如图7所示，所述全反射光学元件为双棱镜式光劈，该光劈由两个三角形棱镜组成，一个三角形棱镜的顶角与另一个三角形棱镜的底部的角连接，每个三角形棱镜上具有一个全反射面，即第七全反射面41和第八全反射面42。

经过本发明的上述的技术方案的设置，本发明可以解决现有的望远镜结构复杂，光损失严重，成像不够清晰的技术问题；本发明的上述技术方案无论哪种，光路都是对称的，无需补偿。其所用光学元件也少，其结构更简单可靠。光路中，无半反半透膜带来的光损失，也无需经过多余的光学元件，所以光利用率更高，更明亮清晰。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种单物双目望远镜的新结构，包括一个物镜、分光转像系统和两个目镜；光线依次经过物镜、分光转像系统后分别从两个目镜射出；其特征在于：所述分光转像系统的分光系统为无需光程补偿的分光系统，所述无需光程补偿的分光系统为具有两个相互垂直的全反射面的全反射光学元件。

2.根据权利要求1所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：光线依次经过物镜、全反射光学元件的一个全反射面、分光转像系统的转像系统进入一个目镜；光线依次经过物镜、全反射光学元件的另一个全反射面、分光转像系统的转像系统进入另一个目镜。

3.根据权利要求1所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：转像系统包括上下转像系统和左右转像系统；光线依次经过物镜、上下转像系统、全反射光学元件的一个全反射面、左右转像系统后进入一个目镜；光线依次经过物镜、上下转像系统、全反射光学元件的另一个全反射面、左右转像系统后进入另一个目镜。

4.根据权利要求1所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：转像系统包括上下转像系统和左右转像系统；光线依次经过物镜、左右转像系统、全反射光学元件的一个全反射面、上下转像系统后进入一个目镜；光线依次经过物镜、左右转像系统、全反射光学元件的另一个全反射面、上下转像系统后进入另一个目镜。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：所述全反射光学元件为外反棱镜式光劈；所述光劈的剖面为直角三角形结构；所述光劈的两个相互垂直的面上镀有反射膜。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：所述全反射光学元件由两块相互垂直的反光板构成；所述反光板的外侧镀有反射膜。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：所述全反射光学元件为内反棱镜式光劈；所述内反棱镜式光劈具有直角缺口，所述直角缺口具有两个相互垂直的平面。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：所述全反射光学元件为双棱镜式光劈，所述双棱镜式光劈由两个剖面为三角形的棱镜组成，两个剖面为三角形的棱镜的相互靠近的角相连，每个棱镜至少具有一个反射面，两个棱镜的反射面相连且相互垂直。

9.根据权利要求2所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：所述转像系统由底面直立三角棱镜和底面横置三角棱镜组成；底面直立三角棱镜的底面与底面横置三角棱镜的底面连接。

10.根据权利要求3-4任意一项所述的一种单物双目望远镜的新结构，其特征在于：上下转像系统为端面为正三角形的棱镜；左右转像系统为反射镜。