CN114637103B - 一种长焦距光学镜头及成像装置 - Google Patents

一种长焦距光学镜头及成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学仪器，具体涉及一种长焦距光学镜头及成像装置，解决现有的长焦据镜头结构与加工复杂，且价格昂贵的技术问题；该长焦距光学镜头，包括沿入射光光路设置的主镜与次镜、及沿次镜反射光束方向依次同轴排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及焦平面；主镜的曲率半径为‑200mm±10mm；次镜的光焦度范围为0.0021＜光焦度绝对值＜0.0023；第一透镜的光焦度范围为0.017＜光焦度绝对值＜0.02；第二透镜的光焦度范围为0.05＜光焦度绝对值＜0.06；第三透镜的光焦度范围为0.03＜光焦度绝对值＜0.04；可以简化长焦距镜头的结构，降低加工和装调难度，进而减小成本；本发明还提供一种成像装置，包括上述长焦距光学镜头。

Description

一种长焦距光学镜头及成像装置
技术领域
本发明涉及一种光学仪器，具体涉及一种长焦距光学镜头及成像装置。
背景技术
随着远距离成像技术的发展，各种望远镜和长焦距镜头的需求也推动着技术的发展。经典的望远镜和长焦据镜头结构多种多样，从最早的透射型开普勒、伽利略式、经典的牛顿反射式、卡塞格林折反式以及现在常用的施密特卡塞格林式和马科斯托夫卡塞格林式。目前常用的结构主要为施密特卡塞格林式(如：星特朗150SLT)和马克斯托夫卡塞格林式(如：MEADE ETX-90PE、BOSMA150/1800、REFLEX 500mm f/8)等，但由于施密特校正镜加工复杂，马克斯托夫首片弯月透镜尺寸较大，且主镜与次镜均为二次曲面，故此类型镜头价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是针对现有的长焦距镜头结构与加工复杂，且价格昂贵的技术问题，而提供一种长焦距光学镜头及成像装置，可以简化长焦距镜头的结构，降低加工和装调难度，进而减小成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
本发明一种长焦距光学镜头，其特殊之处在于：包括沿入射光光路设置的主镜与次镜、及沿次镜的反射光束方向依次同轴排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及焦平面；主镜1为凹透镜，次镜2远离被测物象的一面设置有反射膜；
入射光经过所述主镜1反射、再经过次镜2折射-反射-折射后，通过第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5到达焦平面7；
主镜的曲率半径为-200mm±10mm；
次镜的光焦度范围为：0.0021＜光焦度绝对值＜0.0023；
第一透镜的光焦度范围为：0.017＜光焦度绝对值＜0.02；
第二透镜的光焦度范围为：0.05＜光焦度绝对值＜0.06；
第三透镜的光焦度范围为：0.03＜光焦度绝对值＜0.04。
进一步地，还包括滤光片，所述滤光片位于第三透镜与焦平面之间，其光谱范围为450nm-650nm。
进一步地，所述主镜、次镜均为球面镜；第一透镜、第二透镜、第三透镜均为球面结构。
进一步地，所述焦平面的对角线为12mm；焦距f为300mm，相对孔径1/F为1/5，视场角为2.3°。
进一步地，所述次镜与焦平面之间的距离为85mm。
进一步地，所述主镜材料为玻璃；
次镜与第三透镜的材料均为低折射率轻冕或冕牌玻璃；
第一透镜材料为高折射率的重火石玻璃；
第二透镜材料为高折射率的重火石或重钡火石玻璃。
同时，本发明还提供一种成像装置，其特殊之处在于：包括上述长焦距光学镜头。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明长焦距光学镜头及成像装置设计的长焦距镜头结构简单、体积小且重量轻，其焦距为300mm，次镜与焦平面之间的距离为85mm，口径为60mm。
2、本发明长焦距光学镜头没有用到施密特校正板和马克斯托夫首片负弯月结构，相比而言少用了一片复杂结构的大口径镜片，使得重量与造价大幅降低。
3、本发明长焦距光学镜头的结构可以保证较高的光学调制传递函数，不会为了简化结构而牺牲长焦距镜头的成像质量。
4、本发明长焦距光学镜头的设计方法考虑了整个长焦距光学镜头的可加工性和装配性，使得性能良好，便于实现。
5、本发明长焦距光学镜头采用主镜、次镜构成折反式结构，具有较好的色差矫正能力，有利于宽光谱段扩展。
6、本发明长焦距光学镜头中的主镜和次镜均为球面镜，相比于卡塞格林结构的二次曲面镜更利于加工，有利于进一步降低成本。
附图说明
图1为本发明长焦距光学镜头实施例的结构示意图；
图2为本发明长焦距光学镜头实施例，在可见光的光谱范围条件下光学调制传递函数示意图；
图3为本发明长焦距光学镜头实施例在光谱范围扩展至近红外边缘时的光学调制传递函数；
图4为本发明长焦距光学镜头实施例的畸变曲线示意图；
图5为本发明长焦距光学镜头实施例的装配公差曲线示意图。
图中附图标记为：
1-主镜，2-次镜，3-第一透镜，4-第二透镜，5-第四透镜，6-滤光片，7-焦平面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种长焦距光学镜头，包括沿入射光光路设置的主镜1与次镜2、及沿次镜2反射光束方向依次同轴排布的第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5以及焦平面7；焦平面7位于第三透镜5之后，且与第三透镜5同轴设置。
入射光光束经过主镜1反射后，通过次镜2折射-反射-折射再到达第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5，最后经过滤光片6到达焦平面7。
本实施例中，采用了三片透镜，两片反射镜，一片滤光片6，其中第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5均为球面结构。整个长焦距光学镜头的长度为85mm(从次镜2的远离被测物象一面的边缘到焦平面7)，宽度60mm，高度60mm。整个镜头仅采用了三种材料，实现了300mm焦距，F数为5，2.3°视场角的长焦距光学镜头设计，所有视场在100lp/mm的空间频率处达到0.45以上的光学调制传递函数指标。
主镜1为长焦距光学镜头的主反射镜，其为球面镜，曲率半径为-200mm±10mm，可以采用铝、微晶、HK9L等玻璃材料加工。
次镜2为长焦距光学镜头的次反射镜，同样为球面镜，采用低折射率轻冕或冕牌玻璃材料，透射状态下光焦度0.0021＜光焦度绝对值＜0.0023，实际使用时在次镜2的远离被测物象的一面镀反射膜，实现对光束的两次折射和一次反射效果，提升长焦距光学镜头对相差的校正能力。
第一透镜3为第一像差校正镜，采用高折射率的重火石玻璃材料，光焦度0.017＜光焦度绝对值＜0.02；第二透镜4为调焦镜，采用高折射率的重火石或重钡火石玻璃材料，光焦度0.05＜光焦度绝对值＜0.06；第三透镜5为第二像差校正镜，采用低折射率轻冕或冕牌玻璃材料，光焦度0.03＜光焦度绝对值＜0.04；
滤光片6为可见光滤光片6，光谱范围为450nm-650nm，由于长焦距光学镜头为折反结构，故适当扩展光谱范围仍具备较好的成像能力，如在450-700nm光谱范围内，其视场中心光学调制传递函仍可以保证。
焦平面7的对角线为12mm，可以满足2/3英寸以下相机成像。
相比于佳能等透射机构镜头，如EF300mm f/4L IS USM，光学镜头的长度221mm，口径90mm，在长度方向有明显减小；相比于福建浩蓝光电AZURE-NV7538M6M透射式镜头的长度70.5mm(结构件后端到像面约17.5mm)略长，但该镜头焦距仅达到75mm；相比于富士能HF75SA-1透射式镜头的长度76mm(结构件后端到像面约17.5mm)略长，但该镜头焦距仅达到75mm；相比于鲁比纳尔300mm的马克斯托夫卡塞格林结构镜头的长度98mm，略短。
如图2所示，为长焦距光学镜头的光学调制传递函数，由图可知，在可见光光谱范围条件下光学调制传递函数0.7视场范围内光学调制传递函数均大于0.58@100lp/mm，边缘视场光学调制传递函数大于0.45@100lp/mm。
如图3所示，光谱范围为扩展至近红外边缘时镜头的光学调制传递函数，0.7视场以内均大于0.55@100lp/mm，边缘视场光学调制传递函数大于0.3@100lp/mm。由图3可以看出，本发明的结构形式具有较好的光谱范围扩展能力。
如图4所示，是本发明提供的畸变曲线示意图，该畸变控制较好，全视场畸变可以控制达到0.5％以内。
如图5所示，是本发明提供的装配公差曲线示意图，在现有加工和装配水平下，从图5中可知，加工和装配在90％的概率下可以达到0.7视场以内，光学调制传递函数大于0.5，边缘视场大于0.3，满足一般使用要求。
另外，本发明还提供一种成像装置，包含上述的长焦距光学镜头。

Claims (4)

1.一种长焦距光学镜头，用于可见光光谱范围，其特征在于：包括沿入射光光路设置的主镜（1）与次镜（2）、及沿次镜（2）的反射光束方向依次同轴排布的第一透镜（3）、第二透镜（4）、第三透镜（5）、滤光片（6）以及焦平面（7）；所述次镜（2）远离被测物象的一面设置有反射膜；
入射光经过所述主镜（1）反射、再经过次镜（2）折射-反射-折射后，通过第一透镜（3）、第二透镜（4）、第三透镜（5）到达焦平面（7）；
所述主镜（1）的曲率半径为：-200mm±10mm；
所述次镜（2）的光焦度范围为：0.0021＜光焦度绝对值＜0.0023；
所述第一透镜（3）的光焦度范围为：0.017＜光焦度绝对值＜0.02；
所述第二透镜（4）的光焦度范围为：0.05＜光焦度绝对值＜0.06；
所述第三透镜（5）的光焦度范围为：0.03＜光焦度绝对值＜0.04；
所述滤光片（6）位于第三透镜（5）与焦平面（7）之间，其光谱范围为450nm-650nm；
所述主镜（1）、次镜（2）均为球面镜；
所述第一透镜（3）、第二透镜（4）、第三透镜（5）均为球面结构；
所述主镜（1）材料为玻璃；
所述次镜（2）与第三透镜（5）的材料均为低折射率轻冕或冕牌玻璃；
所述第一透镜（3）材料为高折射率的重火石玻璃；
所述第二透镜（4）材料为高折射率的重火石或重钡火石玻璃。
2.根据权利要求1所述的长焦距光学镜头，其特征在于：所述焦平面（7）的对角线为12mm；焦距f为300mm，相对孔径1/F为1/5，视场角为2.3°。
3.根据权利要求2所述的长焦距光学镜头，其特征在于：所述次镜（2）与焦平面（7）之间的距离为85mm。
4.一种成像装置，其特征在于：包括权利要求1至3任一所述长焦距光学镜头。
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