CN110187481B - 光学系统、透射式天文望远镜 - Google Patents

光学系统、透射式天文望远镜 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光学系统，包括：从物侧到像侧依次共光轴地设置第一月牙正透镜、第二月牙正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第三月牙正透镜、平凸正透镜、第四月牙正透镜、第三弯月负透镜和非球面正透镜。该光学系统可随火箭发射至外太空，用于地外目标探测和跟踪，且具有大孔径和大视场等特点。本申请还提供了一种包含该光学系统的透射式天文望远镜。

Description

光学系统、透射式天文望远镜
技术领域
本申请涉及一种用于天文观测的光学系统、透射式天文望远镜，属于光学领域。
背景技术
天文学家于2019年04月10日公布了史上第一张黑洞照片，其与广义相对论建立的数值仿真结果非常接近。照片一经发出就引起了全民热议，不仅天文爱好者，连普通市民也显示出对太空世界的浓厚兴趣。
另一方面，天文望远镜对太空目标的探测和监视工作起着基础性和关键性的作用。
天文望远镜要求通光孔径越大越好，为此大部分的天文望远镜都采用反射式。但是反射式天文望远镜体积大造价高。反射式天文望远镜还有一个致命的缺陷，当视场角增大时，慧差会急剧增大，因此反射式望远镜的视场角一般小于4°，即反射式望远镜用于跟踪移动的太空目标时，跟踪难度较大，现已难以满足日益增长的各种天文观测的需求。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种光学系统，可用于天文观测，具有大孔径和大视场的特点，能实现透射效果。
所述光学系统，包括：从物侧到像侧依次共光轴地设置第一月牙正透镜、第二月牙正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第三月牙正透镜、平凸正透镜、第四月牙正透镜、第三弯月负透镜和非球面正透镜。
可选地，所述第一月牙正透镜和所述第二月牙正透镜满足以下条件：
fBfC/[(fB+fC)Φ]≤1.2
Φ≥20mm
其中，Φ表示所述光学系统的入瞳直径，fB表示所述第一月牙正透镜B的焦距，fC表示所述第二月牙正透镜C的焦距。
可选地，所述第一弯月负透镜和所述第二弯月负透镜满足以下条件：
|fDfE/(fD+fE)|≤10.5mm
(VD+VE)/2≤28
其中，fD表示所述第一弯月负透镜的焦距，fE表示所述第二弯月负透镜的焦距，VD表示所述第一弯月负透镜的色散系数，VE表示所述第二弯月负透镜的色散系数。
可选地，所述第三月牙正透镜、所述平凸正透镜和所述第四月牙正透镜满足以下条件：
fFfGfH/(fFfG+fFfH+fGfH)≤8.5mm
(VF+VG+VH)/3≥40
其中，fF表示所述第三月牙正透镜的焦距，fG表示所述平凸正透镜的焦距，fH表示所述第四月牙正透镜的焦距，VF表示所述第三月牙正透镜的色散系数，VG表示所述平凸正透镜的色散系数，VH表示第四月牙正透镜的色散系数。
可选地，所述第三弯月负透镜和所述非球面正透镜满足以下条件：
|fI|≤14.5mm
|RI2|≤9.5mm
|RJ1-RJ2|≤10mm
其中，fI表示所述第三弯月负透镜的焦距，RI2表示所述第三弯月负透镜的第二个表面半径，RJ1表示所述非球面正透镜靠近物侧表面的半径；RJ2表示所述非球面正透镜靠近像侧表面的半径。
可选地，所述平凸正透镜采用氟冕(FK)玻璃制成。
可选地，所述第一月牙正透镜为中心厚度大于等于3mm的LAK9G15。
根据本申请的又一个方面，提供了一种用于天文观测的透射式望远镜，包括如上述的光学系统。
可选地，还包括：保护玻璃，所述保护玻璃设置于所述光学系统靠近物侧的一侧。
所述透射式望远镜的性能参数包括：
全视场：≥26°
通光直径：≥20mm
适用温度：-40℃至+60℃
分辨率：≤10um
光谱范围：0.5um至0.8um
F数：≤0.95
畸变：≤0.2％
相对照度：≥75％。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的用于天文观测的光学系统，可实现如下参数：全视场：≥26°；通光直径：≥20mm；适用温度：-40℃至+60℃；分辨率：≤10um；光谱范围：0.5um至0.8um；F数：≤0.95；畸变：≤0.2％；相对照度：≥75％，进而实现大视场大孔径。
2)本申请所提供的透射式天文望远镜，可随火箭发射至外太空，用于地外目标探测和跟踪。与常规的透射式望远镜相比，其具有较大的通光直径，与常规的反射式望远镜相比，其具有较大的视场角。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中用于天文观测的光学系统图；
图2为本申请一种实施例1中光学系统在60lp/mm下的子午方向传递函数、弧矢方向传递函数图；
图3为本申请一种实施例1中入射光学系统光的波长范围为0.5um-0.8um时的色差图；
图4为本申请一种实施例1中光学系统畸变图；
图5为本申请一种实施例1中相对照度图；
部件和附图标记列表：
部件名称 附图标记 部件名称 附图标记
保护玻璃 A 第三月牙正透镜 F
第一月牙正透镜 B 平凸正透镜 G
第二月牙正透镜 C 第四月牙正透镜 H
第一弯月负透镜 D 第三弯月负透镜 I
第二弯月负透镜 E 非球面正透镜 J
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
参见图1，本申请提供的用于天文观测的光学系统，包括：沿光线入射方向，从物侧到像侧依次共光轴设置地第一月牙正透镜B、第二月牙正透镜C、第一弯月负透镜D、第二弯月负透镜E、第三月牙正透镜F、平凸正透镜G、第四月牙正透镜H、第三弯月负透镜I和非球面正透镜J。
本申请提供的上述光学系统，用于天文观测时通光孔径大，能平衡各种像差，能实现光束走势的汇聚、发散、再汇聚过程，进一步还能实现矫正场曲，提高成像精度的效果。第一月牙正透镜B、第二月牙正透镜C、第一弯月负透镜D、第二弯月负透镜E、第三月牙正透镜F、平凸正透镜G、第四月牙正透镜H、第三弯月负透镜I和非球面正透镜J按上述顺序排布后，相互之间光路连接。
为使该光学系统适应外太空工作环境，适应外太空的紫外线和β射线，优选地，所述第一月牙正透镜B采用抗辐射玻璃制成，所述第一月牙正透镜B的中心区域镜片厚度大于等于3mm，从而满足在轨运行10年的需要。
优选地，所述第一月牙正透镜B和所述第二月牙正透镜C满足以下条件，
fBfC/[(fB+fC)Φ]≤1.2
Φ≥20mm
其中，Φ表示所述光学系统的入瞳直径，fB表示所述第一月牙正透镜B的焦距，fC表示所述第二月牙正透镜C的焦距。
优选地，所述第一弯月负透镜D和所述第二弯月负透镜E满足以下条件：
|fDfE/(fD+fE)|≤10.5mm
(VD+VE)/2≤28
其中，fD表示所述第一弯月负透镜D的焦距，fE表示所述第二弯月负透镜E的焦距，VD表示所述第一弯月负透镜D的色散系数，VE表示所述第二弯月负透镜E的色散系数。
优选地，所述第三月牙正透镜F、所述平凸正透镜G和所述第四月牙正透镜H满足以下条件：
fFfGfH/(fFfG+fFfH+fGfH)≤8.5mm
(VF+VG+VH)/3≥40
其中，fF表示所述第三月牙正透镜F的焦距，fG表示所述平凸正透镜G的焦距，fH表示所述第四月牙正透镜H的焦距,VF表示所述第三月牙正透镜F的色散系数，VG表示所述平凸正透镜G的色散系数，VH表示第四月牙正透镜H的色散系数。
优选地，所述平凸正透镜G采用FK系列玻璃制成。此时当外界温度剧烈变化时，该光学系统仍然可以正常工作，实现无热化。
优选地，第三弯月负透镜I和非球面正透镜J满足以下条件，
|fI|≤14.5mm
|RI2|≤9.5mm
|RJ1-RJ2|≤10mm
其中，fI表示所述第三弯月负透镜I的焦距，RI2表示所述第三弯月负透镜I的第二个表面半径，RJ1表示所述非球面正透镜J靠近物侧表面的半径；RJ2表示所述非球面正透镜J靠近像侧表面的半径。
本申请的另一方面还提供了一种用于天文观测的透射式望远镜，包含如上述任一项中所述的光学系统。
该光学系统可根据望远镜的组装需要，设置外壳等保护装置，以实现组装。
可选地，为使该透射式望远镜能在太空环境和地面环境中运用，适应太空环境的气密、温度和湿度等条件，可选地，还包括：保护玻璃A，保护玻璃A设置于所述光学系统靠近物侧的一侧外。保护玻璃A可以起到对镜头的保护作用。保护玻璃A可以对镜头进行密封作用。此外，当镜头在运输、调试和测试过程中可能会被刮擦，只要更换保护玻璃即可继续使用，无需对镜头进行返修。
保护玻璃A，只起物理保护作用，不对系统成像产生影响，因此可以根据具体要求更换，只要保护玻璃的两个表面都是平面，不对光线产生像差就可以。
实施例1
本实施例中光学系统如图1所示。沿光线入射方向，依次设有共光轴的的保护玻璃A、第一月牙正透镜B、第二月牙正透镜C、第一弯月负透镜D、第二弯月负透镜E、第三月牙正透镜F、平凸正透镜G、第四月牙正透镜H、第三弯月负透镜I和非球面正透镜J。第一月牙正透镜B、第二月牙正透镜C、第一弯月负透镜D、第二弯月负透镜E、第三月牙正透镜F、平凸正透镜G、第四月牙正透镜H、第三弯月负透镜I和非球面正透镜J从物侧至像侧依序排布，且共光轴。
本实施例中，保护玻璃A为H-K9L玻璃，两个表面为平面，保护玻璃A厚度为3mm。第一月牙正透镜B采用中心厚度等于3.45mm的抗辐射玻璃LAK9G15。
为了增大通光孔径，以及汇聚尽量多的光线，第一月牙正透镜B和第二月牙正透镜C满足以下条件，
fBfC/[(fB+fC)Φ]＝0.97
Φ＝20mm
其中，Φ表示光学系统的入瞳直径，fB表示第一月牙正透镜B的焦距，fC表示第二月牙正透镜C的焦距。
在本实施例中，为了校正前面两个正透镜产生的球差、慧差以及色差，需要使用负透镜使光线发散，第一弯月负透镜D和第二弯月负透镜E满足以下条件，
|fDfE/(fD+fE)|＝10.3mm
(VD+VE)/2＝27.6
其中，fD表示第一弯月负透镜D的焦距，fE表示第二弯月负透镜E的焦距，VD表示第一弯月负透镜D的色散系数，VE表示第二弯月负透镜E的色散系数。
第三月牙正透镜F、平凸正透镜G和第四月牙正透镜H满足以下条件，
fFfGfH/(fFfG+fFfH+fGfH)＝8.09mm
(VF+VG+VH)/3＝54.4
其中，fF表示第三月牙正透镜F的焦距，fG表示平凸正透镜G的焦距，fH表示第四月牙正透镜H的焦距，VF表示第三月牙正透镜F的色散系数，VG表示平凸正透镜G的色散系数，VH表示第四月牙正透镜H的色散系数。
所述平凸正透镜G采用H-FK61玻璃。
所述第三弯月负透镜I和非球面正透镜J满足以下条件：
|fI|＝13.85mm
|RI2|＝9.05mm
|RJ1-RJ2|＝5.8mm
其中，fI表示第三弯月负透镜I的焦距，RI2表示第三弯月负透镜I的第二个表面半径，RJ1和RJ2分别表示非球面正透镜J的第一个和第二个表面半径。
本实施例中各镜片参数如表1所示。
表1实施例各个镜片的参数：
表面 半径 厚度 折射率 色散系数
1(平面) 无穷大 3.00 1.52 64.21
2(平面) 无穷大 2.00
3 22.40 3.45 1.69 54.76
4 74.13 0.10
5 16.21 3.68 1.88 40.81
6 31.98 1.18
7 74.99 1.50 1.78 25.72
8 11.35 4.56
9(光栏) -12.31 1.00 1.72 29.51
10 -41.00 0.10
11 -68.06 3.99 1.88 40.81
12 -17.50 0.10
13 17.50 3.85 1.50 81.59
14 无穷大 0.10
15 13.19 4.35 1.88 40.81
16 76.81 0.10
17 43.25 1.00 1.85 23.79
18 9.05 1.27
19 12.31 3.18 1.88 40.81
20(非球面) 18.11 3.74
第20个表面是非球面，非球面矢高z与口径y的关系如下：
Figure GDA0002402786870000101
其中，c＝1/r，r表示该非球面表面半径，k表示圆锥系数，A2表示二次非球面系数，A4表示四次非球面系数，A6表示六次非球面系数，A8表示八次非球面系数，A10表示十次非球面系数。
本实施例中上述系数具体数值如表2所示：
表2
r k A2 A4 A6 A8 A10
18.11 6.03 0.00 7.21E-05 -2.85E-06 1.06E-07 -4.83E-10
实施例2
将实施例1中光学系统物侧增设保护玻璃A后，容纳于壳体中，并组装得到透射式天文望远镜。
采用ZEMAX软件光学设计软件，根据本实施例1中镜片参数，模拟仿真该光学系统并进行测试，所得测试结果如图2～5所示：
如图2所示，图中T1表示60lp/mm在子午方向的传递函数，图中S1表示60lp/mm在弧矢方向的传递函数。T1显示子午方向的传递函数随视场角的增大维持在一个较稳定区间内；S1显示弧矢方向的传递函数随视场角的增大同样可以维持在一个较稳定区间内。由此可知，该光学系统具有较大视场角，且在两个方向上，图像信息传递准确稳定性高。由图2可以看出，对于60lp/mm的全视场的传递函数在子午和弧矢方向都大于0.4。
图2中两个方向上传递函数是根据该光学系统中各个参数计算出瞳的波前后求解，所需计算参数包括：镜片参数、入瞳直径20mm、全视场角26°、波长分布0.5um～0.8um和渐晕系数等等；然后对波前函数进行傅里叶变换计算所述传递函数。传递函数可以体现光学系统的分辨率，传递函数反映的分辨率与实际仪器测试结果一致，准确可靠。
由图3可以看出，该光学系统入射0.5um～0.8um波长的光时，轴向色差小于20um，其中0.5um-0.8um的入射光是该光学系统的灵敏响应区。
由图4可以看出，全视场畸变小于0.2％，该畸变值在测量的误差范围内，可认为该光学系统不产生畸变。
由图5可以看出，该光学系统的相对照度大于75％，说明该光学系统成像时不会出现暗角问题。
另外，利用该渐晕曲线，结合计算机数值技术，可以准确计算星光的亮度数值。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种光学系统，其特征在于，由从物侧到像侧依次共光轴地设置的第一月牙正透镜、第二月牙正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第三月牙正透镜、平凸正透镜、第四月牙正透镜、第三弯月负透镜和非球面正透镜组成；
所述第一月牙正透镜和所述第二月牙正透镜满足以下条件：
Figure 988636DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 725648DEST_PATH_IMAGE002
表示所述光学系统的入瞳直径，
Figure 249033DEST_PATH_IMAGE003
表示所述第一月牙正透镜的焦距，
Figure 678877DEST_PATH_IMAGE004
表示所述第二月牙正透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一弯月负透镜和所述第二弯月负透镜满足以下条件：
Figure 982820DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 257943DEST_PATH_IMAGE006
表示所述第一弯月负透镜的焦距，
Figure 901414DEST_PATH_IMAGE007
表示所述第二弯月负透镜的焦距，
Figure 236580DEST_PATH_IMAGE008
表示所述第一弯月负透镜的色散系数，
Figure 965502DEST_PATH_IMAGE009
表示所述第二弯月负透镜的色散系数。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三月牙正透镜、所述平凸正透镜和所述第四月牙正透镜满足以下条件：
Figure 857366DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 355343DEST_PATH_IMAGE011
表示所述第三月牙正透镜的焦距，
Figure 126990DEST_PATH_IMAGE012
表示所述平凸正透镜的焦距，
Figure 77629DEST_PATH_IMAGE013
表示所述第四月牙正透镜的焦距，
Figure 960134DEST_PATH_IMAGE014
表示所述第三月牙正透镜的色散系数，
Figure 374935DEST_PATH_IMAGE015
表示所述平凸正透镜的色散系数，
Figure 317483DEST_PATH_IMAGE016
表示第四月牙正透镜的色散系数。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三弯月负透镜和所述非球面正透镜满足以下条件：
Figure 755418DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 176035DEST_PATH_IMAGE018
表示所述第三弯月负透镜的焦距，
Figure 648604DEST_PATH_IMAGE019
表示所述第三弯月负透镜的第二个表面半径，
Figure 762054DEST_PATH_IMAGE020
表示所述非球面正透镜靠近物侧表面的半径；
Figure 995939DEST_PATH_IMAGE021
表示所述非球面正透镜靠近像侧表面的半径。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述平凸正透镜采用氟冕玻璃中的一种制成。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一月牙正透镜为中心厚度大于等于3mm的LAK9G15。
7.一种用于天文观测的透射式望远镜，其特征在于，包括如权利要求1~6中任一项所述的光学系统。
8.根据权利要求7所述的用于天文观测的透射式望远镜，其特征在于，还包括：保护玻璃，所述保护玻璃设置于所述光学系统靠近物侧的一侧。
9.根据权利要求7所述的用于天文观测的透射式望远镜，其特征在于，所述透射式望远镜的性能参数包括：
全视场：≥26°
通光直径：≥20mm
适用温度：-40℃至+60℃
分辨率：≤10um
光谱范围：0.5um至0.8um
F数：≤0.95
畸变：≤0.2%
相对照度：≥75%。
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