CN109239898A - 一种紧凑型同轴折反射式望远物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型同轴折反射式望远物镜。它的全部元件表面均为球面，包括一块前组负透镜、一块前组正透镜、主反射镜、曼金镜、一块后组负透镜及三块后组正透镜；望远物镜关于主光轴旋转对称，孔径光阑位于主反射镜上。前组负透镜、前组正透镜和主反射镜均中心开孔。来自地面景物的入射光线经过前组透镜折射后，到达主反射镜，聚焦后无遮拦地依次经过曼金镜前表面、后表面、前表面到达后组透镜，通过后组负透镜和三块后组正透镜依次折射后，无遮拦地通过主反射镜中心开孔，最终到达像面。望远物镜的整体结构紧凑，总长为有效焦距的1/6，像质接近衍射极限，具有焦距长、成本低、体积小、重量轻、结构紧凑、成像质量好、易加工装调等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，适用于长焦距、低成本、轻小型望远物镜成像系统，属于光学成像技术领域。
背景技术
航天遥感能够获取大量地面信息，因此被广泛应用于气象观测、资源考察、地图测绘、环境监测等领域。但目前的高分辨率遥感相机存在尺寸大、重量重、研制成本和发射成本均居高不下等不足，制约了遥感产业的发展。
为获取较高的图像成像质量，光学相机载荷需要具备高的空间分辨力，要求光学系统具有长焦距。在长焦距的要求和体积、质量的限制下，轻小型、高分辨率、低成本空间相机仍是研究的重点。
长焦距光学系统一般采用全反射镜结构，如经典卡塞格林系统、Ritchey-Chretien系统、三反射镜Korsch结构和十字交叉结构等，这些系统结构紧凑，但使用非球面镜校正像差和提高系统性能，加工难度高。为降低加工难度且保证光学系统性能不下降，可考虑在球面反射系统中加入校正透镜组的方式校正像差，扩大视场。典型的折反射式光学系统主要分为两种，一是在像面附近加校正镜组，二是在系统前方加校正镜组。像面附近用球面小透镜，成本较低，质量较轻，但作用有限，在设计高性能相机时，不能使主、次镜由非球面镜改变为球面镜。系统前方的校正镜校正像差能力强，但存在重量大的问题。为使得相机尽可能低成本、轻小化，亟需设计研制现有情况下更紧凑、易加工装调的光学系统结构，以适应长焦距望远物镜发展需求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种长焦距、全球面、低成本、结构紧凑的可见光波段的同轴折反射式望远物镜成像系统。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是提供一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，它包括前组透镜、两镜结构、后组透镜及焦平面，所述的前组透镜依次包括一块前组负透镜和一块前组正透镜，所述的两镜结构依次为主反射镜和次镜曼金镜，所述的后组透镜依次包括一块后组负透镜、后组第一块正透镜、后组第二块正透镜和后组第三块正透镜；前组透镜、两镜结构和后组透镜的元件表面均为球面，前组负透镜、前组正透镜和主反射镜的中心开孔；望远物镜的结构关于主光轴旋转对称，孔径光阑位于主反射镜处；光线经前组透镜折射后由主反射镜聚焦反射，通过前组正透镜中心开孔无遮拦地入射至次镜曼金镜，再经过后组透镜后无遮拦地通过主反射镜的中心开孔，成像于焦平面；所述的前组透镜满足零光焦度条件，其中，、分别为前组负透镜、前组正透镜的光焦度，、分别为前组负透镜、前组正透镜所用材料的阿贝数；曼金镜与后组透镜满足消色差条件，其中，，分别对应各透镜，依次为次镜曼金镜，后组负透镜、后组第一块正透镜、后组第二块正透镜和后组第三块正透镜，分别为轴上视场边缘视场在各透镜上的高度，分别为各透镜的光焦度。
本发明技术方案中，次镜曼金镜的材料为K7；次镜曼金镜的后表面和前组负透镜的前表面，它们各自与主光轴的交点相互重合；次镜曼金镜的镜框结构置于前组负透镜的中心开孔处，次镜曼金镜的内遮光罩设置在前组负透镜和前组正透镜的中心开孔处；后组透镜的总光焦度为负。
本发明望远物镜的各元件采用同种玻璃。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.望远物镜采用全球面镜设计，引入校正透镜平衡像差和提高系统性能，结构紧凑，满足长焦距望远物镜低成本、小型、轻量的要求。
2.望远物镜的次镜为曼金镜，可有效缩短所需外遮光罩长度，并且次镜的结构可做在前组负透镜中心开孔处，次镜内遮光罩可做在前组透镜的中心开孔处，系统机械结构简单。
3.望远物镜的全部元件采用同种玻璃，有利于消除二级光谱和消热差设计。
4.与现有全球面望远物镜相比，本发明提供的光学体积更小，整体结构紧凑，总长约为有效焦距的1/6，像质接近衍射极限。
附图说明
图1为本发明实施案例提供的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜系统的结构示意图；
图2为本发明实施案例提供的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜系统的调制传递函数曲线图；
图3为本发明实施案例提供的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜系统的点列图；
图4为本发明实施案例提供的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜系统的畸变图；
图中，1.前组负透镜；2.前组正透镜；4.主反射镜；4.曼金镜；5.后组负透镜；6.后组第一块正透镜；7.后组第二块正透镜；8.后组第三块正透镜；9.焦平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的具体阐述。
实施例1
本实施例提供的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，物镜工作波段为450～750nm，有效焦距为1400mm，F/#为10.5，全视场1.5°×1.5°。
参见附图1，它为本实施例提供的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜的结构示意图，系统包括前组负透镜1、前组正透镜2、主反射镜3、曼金镜4、后组负透镜5、后组第一块正透镜6、后组第二块正透镜7、后组第三块透镜8和焦平面9。望远物镜系统关于主光轴旋转对称，所有元件表面均为球面，且全部元件采用同种玻璃；孔径光阑位于主反射镜3处。前组负透镜1、前组正透镜2和主反射镜3开有中心孔。来自地面景物的入射光线依次经过前组负透镜1、前组正透镜2折射后，到达主反射镜3，聚焦后无遮拦地依次经过曼金镜4前表面、后表面、前表面到达后组透镜，通过后组透镜5、透镜6、透镜7、透镜8依次折射后，无遮拦地通过主反射镜3中心开孔，最终到达像面。
在本实施例中，次镜曼金镜4的后表面和前组负透镜1的前表面，它们各自与主光轴的交点相互重合；次镜曼金镜4的镜框结构置于前组负透镜1的中心开孔处，次镜曼金镜4的内遮光罩设置在前组负透镜1和前组正透镜2的中心开孔处。
在本实施例中，前组透镜满足零光焦度条件，其中，、分别为前组负透镜1、前组正透镜2的光焦度，、分别为前组负透镜1、前组正透镜2所用材料的阿贝数；曼金镜4与后组透镜满足消色差条件，其中，，分别对应各透镜，依次为次镜曼金镜4，后组负透镜5、后组第一块正透镜6、后组第二块正透镜7和后组第三块正透镜8，分别为轴上视场边缘视场在各透镜上的高度，分别为各透镜的光焦度。
经光学设计软件优化设计,得到的系统具体结构参数列于表1。
表1 系统结构参数
取参考波长450nm、600nm、750 nm，权重因子均为1，视场分别为(0,0)、 (0.55,0.55)、(0, 0.75)、(0.75,0)、(-0.55,-0.55)共5个参考视场(degree)进行像质评价，表1中半径和间隔单位为mm。
参见附图2，它是本实施例光学系统在像平面处的调制传递函数MTF曲线，横坐标为空间频率，纵坐标为系统调试传递函数值，可见成像质量接近衍射极限。
参见附图3，它是光线追迹理想平面上的点列图，图中黑色圆圈表示艾里斑，可见像斑能量大部分在艾里斑范围内，表明该系统具有好的成像质量。
参见附图4它是该光学系统相对畸变曲线，表明边缘视场畸变最大，其相对畸变小于0.5%。
在本实施例中，后组透镜的总光焦度为负，起到放大两镜结构焦距和校正像差的作用。
望远物镜的各元件采用同种玻璃，有利于消除二级光谱和消热差设计。
次镜曼金镜4的材料为K7，有效压缩边缘视场最大孔径的光线高度，缩短所需外遮光罩长度，加上外遮光罩总长度为有效焦距的1/4.5。
Claims (5)
1.一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，其特征在于：它包括前组透镜、两镜结构、后组透镜及焦平面（9），所述的前组透镜依次包括一块前组负透镜（1）和一块前组正透镜（2），所述的两镜结构依次为主反射镜（3）和次镜曼金镜（4），所述的后组透镜依次包括一块后组负透镜（5）、后组第一块正透镜（6）、后组第二块正透镜（7）和后组第三块正透镜（8）；前组透镜、两镜结构和后组透镜的元件表面均为球面，前组负透镜（1）、前组正透镜（2）和主反射镜（3）的中心开孔；望远物镜的结构关于主光轴旋转对称，孔径光阑位于主反射镜（3）处；光线经前组透镜折射后由主反射镜（3）聚焦反射，通过前组正透镜（2）中心开孔无遮拦地入射至次镜曼金镜（4），再经过后组透镜后无遮拦地通过主反射镜（3）的中心开孔，成像于焦平面（9）；所述的前组透镜满足零光焦度条件，其中，、分别为前组负透镜（1）、前组正透镜（2）的光焦度，、分别为前组负透镜（1）、前组正透镜（2）所用材料的阿贝数；曼金镜（4）与后组透镜满足消色差条件，其中，，分别对应各透镜，依次为次镜曼金镜（4），后组负透镜（5）、后组第一块正透镜（6）、后组第二块正透镜（7）和后组第三块正透镜（8），分别为轴上视场边缘视场在各透镜上的高度，分别为各透镜的光焦度。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，其特征在于：次镜曼金镜（4）的材料为K7。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，其特征在于：次镜曼金镜（4）的后表面和前组负透镜（1）的前表面，它们各自与主光轴的交点相互重合；次镜曼金镜（4）的镜框结构置于前组负透镜（1）的中心开孔处，次镜曼金镜（4）的内遮光罩设置在前组负透镜（1）和前组正透镜（2）的中心开孔处。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，其特征在于：望远物镜的各元件采用同种玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型同轴折反射式望远物镜，其特征在于：后组透镜的总光焦度为负。
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