CN112630948A - 一种基于两曼金镜的折反光学镜头 - Google Patents

一种基于两曼金镜的折反光学镜头 Download PDF

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CN112630948A CN202011555231.0A CN202011555231A CN112630948A CN 112630948 A CN112630948 A CN 112630948A CN 202011555231 A CN202011555231 A CN 202011555231A CN 112630948 A CN112630948 A CN 112630948A
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Abstract

本发明涉及一种基于两曼金镜的折反光学镜头。前校正组为2片球面镜片组成的透射镜组，中间反射聚焦组由主曼金镜和次曼金镜2片曼金镜组成，主曼金镜的有效通光部分为其外围环形区域，次曼金镜为前校正组中的任意一片镜片的中间部分，次曼金镜的前表面镀制反射膜；后校正组采用3片镜片胶合结构，其中一片为主曼金镜的中心部分区域，其余两片镜片胶合固定于主曼金镜中心部分的两侧或同侧。本发明利用两个曼金镜缩短系统长度实现紧凑结构和降低边缘光线高度，结合前校正组可消除镜头主要的球差和位置色差。后校正组采用三胶合形式能有效校正系统剩余像差；反射光路和折射光路共用镜片，可实现紧凑的长焦距大数值孔径高分辨率的光学镜头。

Description

一种基于两曼金镜的折反光学镜头
技术领域
本发明涉及一种折反光学镜头，特别涉及一种基于两曼金镜的折反光学镜头，属光学成像技术领域。
背景技术
随着探测器像元越做越小，对光学镜头成像能力要求越来越高。传统的折射式镜头在高数值孔径、宽波段和长焦距要求下结构变得复杂且需要的镜片数量很多，采用非球面虽然能使镜片数量变少，但镜片的加工和组装要求变得很苛刻，且在长焦情况下镜头很长。反射式镜头为实现高分辨一般需要采用非球面去校正像差，加工、检测和组装都很复杂，且基于非球面反射镜制作的镜头造价昂贵，在民用市场很难推广。现有R-C +校正镜或卡塞格林+校正镜等类型折反镜头的次反镜或后校正镜组需要采用专门的机械支撑结构，带来的影响一是增加了系统组装复杂性，二是需要考虑这些结构的力学特性，三是增加的机械部件由于挡光降低光学系统能量的有效利用率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种镜片数量少，光路紧凑，像差校正能力强的折反光学镜头。
实现本发明目的的技术方案是提供一种基于两曼金镜的折反光学镜头，它包括前校正组、中间反射聚焦组和后校正组；前校正组为2片球面镜片组成的透射镜组，镜片材料为相同的普通冕牌玻璃；中间反射聚焦组由主曼金镜和次曼金镜2片曼金镜组成，主曼金镜片为球面，它的有效通光部分为其外围环形区域，材料与前校正组相同，次曼金镜为前校正组中的任意一片镜片的中间部分，次曼金镜的前表面镀制反射膜，入射光线经前校正组透射后入射到主曼金镜，经主曼金镜反射后进入到前校正组的某一片镜片中心部分的次曼金镜，再经反射后进入后组校正镜；后校正组采用三片镜片胶合结构，其中一片为主曼金镜的中心部分区域，其余两片镜片胶合固定于主曼金镜中心部分的两侧或同侧，其中的一片镜片的材料采用火石玻璃，其折射率n>1.7，阿贝数v<40。
本发明所述的一种基于两曼金镜的折反光学镜头，满足如下条件：
Figure 447760DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 50911DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 539661DEST_PATH_IMAGE003
；
式中，
Figure 11094DEST_PATH_IMAGE004
为次曼金镜与主曼金镜的有效孔径之比，也即遮拦比；
Figure 268900DEST_PATH_IMAGE005
为次曼金镜的放大倍数，dms为两个反射面之间的距离。
按实现功能，本发明提供的镜头可分成三部分，前校正组、中间反射聚焦组和后校正组。中间反射聚焦组由两片曼金镜组成，曼金镜的折射面产生的球差主要由其反射面和前校正组补偿校正。前校正组内部球差能部分相互消除，漫金镜的入射面（或出射面）产生的球差和曼金镜反射面、出射面（或入射面）产生的球差符号相反。由此前两部分能互相消除大部分的球差。残余的球差由后校正组补偿。
折反镜头还有一个严重的像差即位置色差。如果前校正组设计为近无焦系统，位置色差产生较少，如果具有一定的焦距，则会产生不容忽视的位置色差，其产生的位置色差补偿主曼金镜折射面产生的位置色差。次曼金镜的折射面在光入射和出射时产生符号相反的位置色差，部分可抵消。由此前组校正镜、主曼金镜和次曼金镜可采用相同玻璃材料的镜片，而不会引起大的位置色差。
后校正组主要校正系统场曲、像散、倍率色差，并一定程度平衡残余的球差、慧差、位置色差，该系统前面光路畸变较小，后校正组两胶合面引起畸变与各自前或后折射面引起的畸变数值小且符号相反，从而整个系统的畸变很小。
本发明提供的折反光学镜头全部采用球面，并利用两个曼金镜缩短系统长度实现紧凑结构和降低边缘光线高度，结合前校正组可消除镜头主要的球差和位置色差。后校正组采用三胶合形式能有效校正系统剩余像差，且不需要专门的机械支撑结构，通过与主曼金镜中心部分胶合实现固定。反射光路和折射光路共用镜片，可实现紧凑的长焦距大数值孔径高分辨率的光学镜头。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.发明的折反镜头的反射光路中采用两浸没折反射镜即曼金镜，增加了像差校正能力，并能使光路变短而紧凑；主曼金镜和后校正组其中一片镜片为同一镜片，仅是使用区域不同，次曼金镜和前校正组其中一片镜片为同一片镜片，提高镜头光学性能的同时减少了镜片的使用数量。
2.前校正镜组的两个镜片和反射光路中的曼金镜全部采为球面，为三个镜片组成，这三个镜片采用相同的低成本的普通冕牌玻璃，能够校正系统的主要像差，如球差和位置色差。
3.后校正组采用三胶合镜形式，通过胶合固定在主曼金镜中心，不需要专门的机械支撑结构固定。整个镜头组装简单，当后校正组胶合完成后，仅需控制三个球面镜片安装位置。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种基于两曼金镜的折反光学镜头的结构示意图；
图中，101.前校正组的第一镜片；102.前校正组的第二镜片及次曼金镜；103.主曼金镜及后校正组中心（第二）镜片；104.后校正组第一镜片 ；105.后校正组第三镜片 ；s101.前校正组第一镜片前表面的外围环形区域；s102.前校正组第一镜片后表面的外围环形区域；s103.前校正组第二镜片前表面的外围环形区域；s104.前校正组第二镜片后表面的外围环形区域；s105和s107.主曼金镜前表面的外围环形区域；s106.主曼金镜后表面的外围环形区域；s108和s110. 次曼金镜前表面，也即前校正组第二镜片后表面的中心区域；s109.次曼金镜后表面，也即前校正组第二镜片前表面的中心区域；s111.后校正组第一镜片的前表面；s112.后校正组第一镜片的后表面，也即主曼金镜前表面的中心区域，该面为胶合面；s113.为后校正组第三镜片的前表面，也即主曼金镜后表面的中心区域，该面为胶合面；s114.为后校正组第三镜片的后表面；D1.为探测器焦平面。
图2为本发明实施一例提供的光学镜头的性能评价点列图；
图3为本发明实施例一提供的光学镜头的性能评价调制传递函数(MTF)曲线图；
图4为本发明实施例二提供的一种基于两曼金镜的折反光学镜头的结构示意图；
图中，201.前校正组的第一镜片及次曼金镜；202.前校正组的第二镜片，中心为空；203.主曼金镜及后校正组中心（第二）镜片；204.后校正组第一镜片 ；205.后校正组第三镜片；s201.前校正组第一镜片前表面的外围环形区域；s202.前校正组第一镜片后表面的外围环形区域；s203.前校正组第二镜片前表面的外围环形区域；s204.前校正组第二镜片后表面的外围环形区域；s205和s207.主曼金镜前表面的外围环形区域；s206.主曼金镜后表面的外围环形区域；s208和s210.次曼金镜前表面，也即前校正组第一镜片后表面的中心区域；s209.次曼金镜后表面，也即前校正组第一镜片前表面的中心区域；s211.后校正组第一镜片的前表面；s212.后校正组第一镜片的后表面，也即主曼金镜前表面的中心区域，该面为胶合面；s213.为后校正组第三镜片的前表面，也即主曼金镜后表面的中心区域，该面为胶合面；s214.为后校正组第三镜片的后表面；D1.为探测器焦平面。
图5为本发明实施二例提供的光学镜头的性能评价点列图；
图6为本发明实施例二提供的光学镜头的性能评价调制传递函数(MTF)曲线图。
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阐述。
实施例1：
本实施例所需设计的镜头参数指标为：
焦距：100mm
F数：2.5
视场：4.4°
光学长度：66mm
光学口径：41mm
波长范围：0.4um～1.0um。
参见附图1，为本实施例提供的一种基于两曼金镜的折反光学镜头的结构示意图；本实施例提供的折反镜头由5个镜片组成，按功能可划分为前校正组、中间反射聚焦组和后校正组。前校正组前校正组的第一镜片101和前校正组的第二镜片102两个镜片组成透射镜组，材料为相同的普通冕牌玻璃；中间反射聚焦组由2片曼金镜组成，主曼金镜103的有效通光部分为其外围环形区域，主曼金镜片材料与前校正组相同，次曼金镜为前校正组的第二镜片102的中间部分，在该镜片的中心部分的前表面镀制反射膜，光线从主曼金镜反射后进入到前校正镜片中心部分，再反射后进入后组校正镜；后校正组采用三胶合形式，其中一片利用主曼金镜的中心部分，后校正组第一镜片104和后校正组第三镜片105分别置于两边；由于主曼镜采用了冕牌玻璃，与其中心部分胶合的其中一块镜片材料采用火石玻璃，该玻璃材料具有高折射率（如折射率n>1.7）和强色散能力（如阿贝数v<40）。入射光依次经2片球面透射镜的外围环形区域透射后，在组成的前组校正、中间反射聚焦和后组校正，成像于探测器焦平面上D1上。
本实施例中，前校正组的第一镜片101和前校正组的第二镜片102的外围环形区域构成了前校正组，用于校正后面反射聚焦光路的球差、位置色差等像差，前校正组的第一镜片101由有前表面s101和后表面s102，前校正组的第二镜片102有前表面s103和后表面s104；面s101和面s102的弯曲方向迎向光入射方向，面s103和面s104的弯曲方向相反。
中间反射聚焦组由主曼金镜和次曼金镜组成，主曼金镜103外围环形区域构成了主浸没折反射镜，前校正组的第二镜片102中心部分构成了次浸没折反射镜；在主曼金镜103后表面外围环形区域，即面s106，以及镜102前表面中心区域，即面s109，镀有反射膜，由此构成反射聚焦光路。主曼金镜两表面弯曲方向都背向光入射方向并与次曼金镜的两表面弯曲方向一致。
后校正组由镜104、镜103中心部分和镜105组成，镜104和镜105分别胶合在镜103中心区域的两侧。
入射光依次经过面s101至面s114。面s101、s102、s103和s104的外围环形区域为前校正组有效部分，镜102的前表面中间部分镀制反射膜即为面s109，镜102的后表面中间部分又同时为面s108和面s110。面s105和面s107相同，为镜103前表面的外围环形区域，面s106为镜103后表面的外围环形区域。光经过面s105折射后在面s106反射，又经过面s107折射后入射到面s108。面s108为次曼金镜的折射面，也是镜102后表面的中心区域。面s110和s108为相同区域。面s109为镜102前表面的中心区域。从面s107过来的光经过面s108折射后，在面s109反射又从面s110射出。面s111为镜104的前表面，光经过面s111进入后校正组。镜103前表面中间部分和镜104胶合，胶合面为面s112。镜105前表面与镜103后表面中间部分胶合，胶合面为s113。光经过后校正组后，从面s114出射，入射到探测器焦平面D1上。
面s106和面s109镀有反射膜，胶合面不镀膜，其余面镀制增透膜。
按本实施例提供的折反光学镜头的结构，镜头的设计方法包括如下步骤：
（1）依据成像要求，确定系统焦距、F数、视场等镜头参数。
（2）按两反结构，以主反射球面镜为系统光阑，由探测器位置和主镜厚度等因素确定光学镜头焦点位置在主反射球面镜后边面的距离，即焦点伸出距离。
（3）根据光能利用率和镜头长度要求，确定次反射球面镜口径或者遮拦比，协调次反射球面镜放大率与遮拦比，再根据镜头整体F数、主反射镜加工难度，确定主反射球面镜曲率，计算公式如下：
Figure 557799DEST_PATH_IMAGE006
（1）
Figure 268266DEST_PATH_IMAGE007
（2）
公式中，R 1为主反射球面镜曲率，Δ为焦点伸出距离，l 2为次反射球面镜曲率，a为遮拦比，0<a<1，b为次反射球面镜放大率，b<0。
（4）根据公式（3）和（4），得到次反射球面镜曲率和两镜之间距离：
Figure 543389DEST_PATH_IMAGE008
（3）
Figure 921281DEST_PATH_IMAGE009
（4）
公式中，R 2 为次反射球面镜曲率，d为主次两反射球面镜之间的距离。
（5）采用相同的冕牌玻璃把两反射球面镜改为曼金镜，调整两曼金镜的表面曲率和材料，满足镜头整体指标要求。
（6）根据密接透镜焦距和消色差公式，得到后校正组三胶合镜中外侧两个镜片的外表面曲率半径和材料，计算公式如下：
Figure 866234DEST_PATH_IMAGE010
（5）
Figure 329577DEST_PATH_IMAGE011
（6）
Figure 142812DEST_PATH_IMAGE012
（7）
式中，
Figure 375210DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 5912DEST_PATH_IMAGE014
(i=1,2,3)为三胶合镜总焦距以及三个透镜各自的焦距，
Figure 690971DEST_PATH_IMAGE015
(i=1,2,3)为三胶合镜中三个镜片的材料阿贝数，
Figure 307897DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 394802DEST_PATH_IMAGE017
(i=1,2,3) 为三胶合镜中三个镜片的前后表面曲率半径，其中
Figure 944207DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 116563DEST_PATH_IMAGE019
，三胶合镜中间透镜由主曼金镜中间部分构成，其焦距为
Figure 271600DEST_PATH_IMAGE020
。由于主曼镜的材料、中心厚度、前后表面曲率前面已经确定，由此可以确定其余两镜片的材料和外表面曲率半径。初始结构可按照
Figure 478591DEST_PATH_IMAGE021
，确定三胶合镜的参数。
（7）扩大次曼金镜口径，使其外围区域作为前校正组的一部分，并在次曼金镜前或后放置一块与次曼金镜的两面曲率符号相反且位置顺序交换、厚度和材料一致的透镜。
（8）把初始结构输入光学设计软件，建立优化函数，经过合理优化和完善得到最终的镜头参数。
表1为按上述方法设计得到的折反光学镜头各元件的曲率、中心厚度及材料参数。
表1
面 曲率 厚度 玻璃(折射率，阿贝数)
s101 148.9 4 1.52, 64
s102 396.3 10
s103 -271.1 4 1.52, 64
s104 -154.8 38
s105 -84.4 3.5 1.52, 64
s106 -156.3 -3.5 Mirror
s107 -84.4 -38
s108 -154.8 -4 1.52, 64
s109 -271.1 4 Mirror
s110 -154.8 33.5
s111 33.5 4.5 1.77, 49
s112 -84.4 3.5 1.52, 64
s113 -156.3 2.1 1.80, 25
s114 73.1 5.0
由于全部采用球面，镜片加工容易。整个镜头仅有5个镜片，采用三种普通玻璃材料，且三个较大镜片的玻璃材料为相同的普通冕牌玻璃，由此镜头成本低。整个镜头组装简单，当后校正组胶合完成后，仅需控制三个球面镜片安装位置。
参见附图2，为本实施例提供的光学镜头像质评价的MTF图。由于受到中心遮拦影响，中频段的MTF有所下降。从图中可以看出，光学性能达到衍射极限，此镜头在空间频率400lp/mm时MTF可以达到0.2，从而可以结合小像元CMOS图像传感器成像使用，比如1.25μm左右像元的CMOS图像传感器。
参见附图3，为本实施例提供的光学镜头的点列图。从图中可以看出，光线追迹点都在艾里斑以内，系统成像良好。
实施例2：
本实施例提供的镜头结构参见附图4，镜头指标参数为：
焦距：100mm
F数：1.5
视场：4°
光学长度：69mm
光学口径：66mm
波长范围：0.4um～1.0um 。
参见附图4，本实施例提供的折反镜头由5个镜片组成，按照功能可划分为前校正组、中间反射聚焦组和后校正组。图中，前校正组的第一镜片及次曼金镜201，前校正组的第二镜片202，中心为空；主曼金镜及后校正组中心（第二）镜片203，后校正组第一镜片204，后校正组第三镜片205；前校正组第一镜片前表面的外围环形区域s201，前校正组第一镜片后表面的外围环形区域s202，前校正组第二镜片前表面的外围环形区域s203，前校正组第二镜片后表面的外围环形区域s204，主曼金镜前表面的外围环形区域s205和s207，主曼金镜后表面的外围环形区域s206，次曼金镜前表面s208和s210，也即前校正组第一镜片后表面的中心区域；次曼金镜后表面s209，也即前校正组第一镜片前表面的中心区域；后校正组第一镜片的前表面s211，后校正组第一镜片的后表面s212，也即主曼金镜前表面的中心区域，该面为胶合面；后校正组第三镜片的前表面s213，也即主曼金镜后表面的中心区域，该面为胶合面；后校正组第三镜片的后表面s214；D1为探测器焦平面。
镜片201和镜202的外围环形区域构成了前校正组，用于校正后面反射聚焦光路的球差、位置色差等像差，镜201由有前表面s201和后表面s202，镜202有前表面s203和后表面s204。面s201、面s202和面s203的弯曲方向迎向光入射方向，面s204的弯曲方向相反。中间反射聚焦组由主曼金镜和次曼金镜组成，镜203外围环形区域构成了主曼金镜，镜201中心部分构成了次曼金镜。在镜203后表面外围环形区域，即面s206，以及镜201前表面中心区域，即面s209，镀有反射膜，由此构成反射聚焦光路。主曼金镜两表面弯曲方向都背向光入射方向并与次曼金镜的两表面弯曲方向相反。后校正组由镜204、镜203中心部分和镜205组成，镜204和镜205分别胶合在镜203中心区域的两侧。
入射光依次经过面s201至面s214。面s201、s202、s203和s204的外围环形区域为前校正组有效部分，镜201前表面的中间部分镀制反射膜为面s209，镜201后表面中心部分同时为面s208和面s210。面s205和面s207相同，是镜203前表面的外围环形区域，面s206为镜203后表面的外围环形区域。光经过面s205折射后在面s206反射，又经过s207折射后入射到面s208。面s208为次曼金镜的折射面，也是镜201后表面的中心区域。面s208和面s210为相同区域。面s209为镜201前表面的中心区域。从面s207过来的光经过面s208折射后，在面s209反射又从面s210射出。面s211为镜204的前表面，光经过面s211进入后校正组。镜203前表面中间部分和镜204胶合，胶合面为面s212。镜205前表面与镜203后表面中间部分胶合，胶合面为面s213。光经过后校正组后，从面s214出射，入射到探测器焦平面D2上。
面S206和面s209镀有反射膜，胶合面不镀膜，其余面镀制增透膜。
镜头的设计方法如实施例1。表2给出了镜头各元件的曲率、中心厚度的设计参数及材料。
表2
面 曲率 厚度 玻璃(折射率，阿贝数)
s201 2108 4 1.52, 64
s202 223.5 0.5
s203 131.5 4 1.52, 64
s204 -735.6 38
s205 -156.6 6 1.52, 64
s206 -227.4 -6 Mirror
s207 -156.6 -42.5
s208 223.5 -4 1.52, 64
s209 2108 4 Mirror
s210 223.5 40
s211 30.8 2.9 1.60,68
s212 -156.6 6 1.52, 64
s213 -227.4 2 1.85, 24
s214 -1622 7.2
参见附图5，为本实施例提供的光学镜头像质评价的MTF图。由于受到中心遮拦影响，中频段的MTF有所下降。从图中可以看出，光学性能达到衍射极限，此镜头在空间频率400lp/mm时MTF可以达到0.2，从而可以结合小像元CMOS图像传感器成像使用，比如1.25μm左右像元的CMOS图像传感器。
参见附图6，为本实施例提供的光学镜头的点列图。从图中可以看出，光线追迹点都在艾里斑以内，系统成像良好。
由于全部采用球面，镜片加工容易。整个镜头仅有5个镜片，采用三种普通玻璃材料，且三个较大镜片的玻璃材料为相同的普通冕牌玻璃，由此镜头成本低。整个镜头组装简单，当后校正组胶合完成后，仅需控制三个球面镜片安装位置。

Claims (2)

1.一种基于两曼金镜的折反光学镜头，其特征在于：它包括前校正组、中间反射聚焦组和后校正组；前校正组为2片球面镜片组成的透射镜组，镜片材料为相同的普通冕牌玻璃；中间反射聚焦组由主曼金镜和次曼金镜2片曼金镜组成，主曼金镜片为球面，它的有效通光部分为其外围环形区域，材料与前校正组相同，次曼金镜为前校正组中的任意一片镜片的中间部分，次曼金镜的前表面镀制反射膜，入射光线经前校正组透射后入射到主曼金镜，经主曼金镜反射后进入到前校正组的某一片镜片中心部分的次曼金镜，再经反射后进入后组校正镜；后校正组采用三片镜片胶合结构，其中一片为主曼金镜的中心部分区域，其余两片镜片胶合固定于主曼金镜中心部分的两侧或同侧，其中的一片镜片的材料采用火石玻璃，其折射率n>1.7，阿贝数v<40。
2.根据权利要求1所述的一种基于两曼金镜的折反光学镜头，其特征在于：所述的镜头满足如下条件：
Figure 546093DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 728813DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 915075DEST_PATH_IMAGE006
；
式中，
Figure 575863DEST_PATH_IMAGE008
为次曼金镜与主曼金镜的有效孔径之比，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为次曼金镜的放大倍数，dms为两个反射面之间的距离。
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