CN1383021A - 折反射式宽波段成像望远镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折反射式宽波段成像望远镜光学系统,它用于对0.4μm～2.5μm波段,即可见光至短波红外的宽波段的光学成像。本发明的光学系统从物方至象方按顺序由一个次反射镜、一个主反射镜和一个消色差校正镜组组成。消色差校正镜组本身是消色差的,它由三片采用同一种材料制成的折射透镜组成。该光学系统结构简单,系统加工、装校通过常规技术就可解决,光学系统可采用同一种石英光学材料构成,从而有利于保证光学系统的温度稳定性。

Description

折反射式宽波段成像望远镜光学系统

技术领域

本发明涉及光学元件、系统，具体是指折反射式宽波段成像望远镜光学系统，它用于对0.4μm～2.5μm波段，即可见光至短波红外波段的光学成像。

背景技术

光学系统要在宽波段范围内进行成像首先应考虑光学系统色差对成像质量的影响，由于全反射式光学系统不引入色差，因此全反射式光学系统原则上可以实现全波段成像。虽然全反射式光学系统可以实现全波段成像，如美国专利US 4,265,510“离轴消象散三反射镜望远镜系统”，但由于这种全反射式光学系统结构比较复杂，因此加工及系统装校较困难。透射系统由于折射透镜会引入色差，因此很难实现宽波段的成像，目前只能实现较窄波段成象，如：瑞士威特厂的RC-10型航摄镜头、德国Zeiss的Super Lamegon PI5.6/90B镜头(引自《光学技术手册下册》，王之江主编，第976～985页，机械工业出版社1994年出版)，其成像带宽均为0.4～0.9μm波段。折反射系统由于含有折射透镜，同样存在色差问题，但通过采用一定的技术手段可以使系统的色差得到校正，从而实现宽波段成像，如双波段红外望远镜光学系统(专利号：  ZL 97106683.3)通过选用不同材料的折射透镜组合来校正色差，从而实现了对1～3微米和3～5微米波段成像。

发明内容

基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是设计一折反射望远镜光学系统，通过校正折射透镜的色差来实现0.4μm～2.5μm宽波段成象。

本发明的0.4μm～2.5μm宽波段成象望远镜光学系统如图1所示。光学系统从物方至象方按顺序由一个次反射镜1、一个主反射镜2和一个消色差校正镜组3组成。

来自物方的光束射向主反射镜2，经其反射至次反射镜1，再由次反射镜1反射向象方，依次通过消色差校正镜组3中的折射透镜301、折射透镜302和折射透镜303，在象方像平面4上成像。

所说的次反射镜1为凸反射镜，主反射镜2为凹反射镜，它们的曲面均为标准二次曲面，即抛物面、椭圆面或双曲面。

所说的消色差校正镜组3用来校正光束经过主反射镜2和次反射镜1后的残余单色象差，同时担负一定的光焦度。消色差校正镜组3本身是消色差的，它由三片折射透镜组成，其中的折射透镜301和折射透镜302为球面透镜，折射透镜303为非球面透镜，其R332曲面采用标准二次曲面，在系统像质要求不高场合，折射透镜303也可采用球面透镜。消色差校正镜组3采用同一种材料，选用的材料要求对0.4微米～2.5微米波段是透明的，如石英晶体、ZnSe晶体、ZnS晶体、CaF₂晶体等。折射透镜301、折射透镜302和折射透镜303的光焦度₃₀₁、₃₀₁、₃₀₁分配应满足以下公式(1)、(2)的要求：

                       ₃₀₁+₃₀₂+₃₀₃＝            (1)

公式(1)保证消色差校正镜3担负系统一定的光焦度，公式(2)保证消色差校正镜3本身是消色差的，公式中符号h表示光线入射各折射透镜时的高度。根据公式(2)的要求，通过合理调配消色差校正镜组3中各透镜的光焦度以及相对位置来消除校正镜组的色差。

本发明的光学系统的优点是：系统结构简单，加工、装校通过常规技术就可解决，光学系统可采用同一种石英光学材料构成，从而有利于保证光学系统对温度的稳定性。

附图说明

图1为光学系统结构示意图，

图中：d1为次反射镜1和主反射镜2间隔距离；

      d2为次反射镜1和消色差校正镜组3间隔距离；

      d3为折射透镜301与折射透镜302间隔距离；

      d4为折射透镜302与折射透镜303间隔距离；

      d5为折射透镜303与像面4间隔距离；

      R1为次反射镜1的顶点曲率半径；

      R2为主反射镜2的顶点曲率半径；

      R311为折射透镜301前表面曲率半径；

      R312为折射透镜301后表面曲率半径；

      R321为折射透镜302前表面曲率半径；

      R322为折射透镜302后表面曲率半径；

      R331为折射透镜303前表面曲率半径；

      R332为折射透镜303后表面曲率半径；

具体实施方式

根据图1的光学结构，我们设计了一宽波段望远镜光学系统，像质接近衍射极限。系统技术指标如下：

望远镜通光口径：              φ180mm；

相对孔径：                1∶2.5；

焦距：                    450mm；

视场：                    2.3°；

工作波长：                0.4μm～2.5μm；

光学系统具体设计参数如表1所示。

                  表1元件名称  面    曲率半径  非球面系   孔径        间隔或厚  材料

     序号     (mm)     数(e²)   (mm)        度(mm)主反射镜  R2    -266.43    1          180        79.40(d1)次反射镜  R1    -164.27    4.1714     79         65.39(d2)折射透镜  R311  35.43                 48         5.19      石英301       R312  44.08                 48         18.73(d3)折射透镜  R321  77.33                 38         3.81      石英302       R322  27.39                 38         10.20(d4)折射透镜  R331  -70.39                33         17.0      石英303       R332  -40.11    1.7638      33         48.0(d5)像面                                  18

Claims (3)

1.一种折反射式宽波段成像望远镜光学系统，包括主反射镜、次反射镜和一个消色差校正镜组，其特征在于：

a).光学系统从物方至象方按顺序由一个次反射镜(1)、一个主反射镜(2)和一个消色差校正镜组(3)组成；来自物方的光束射向主反射镜(2)，经其反射至次反射镜(1)，再由次反射镜(1)反射向象方，依次通过消色差校正镜组(3)中的折射透镜(301)、折射透镜(302)和折射透镜(303)，在象方像平面(4)上成像；

b).所说的次反射镜(1)为凸反射镜，主反射镜(2)为凹反射镜，它们的曲面均为标准二次曲面，即抛物面、椭圆面或双曲面；

c)所说的消色差校正镜组(3)由三片折射透镜组成，其中的折射透镜(301)和折射透镜(302)为球面透镜，折射透镜(303)为非球面透镜，其R332曲面采用标准二次曲面；三片折射透镜采用同一种材料，所选用的材料要求对0.4微米～2.5微米波段是透明的，如石英晶体、ZnSe晶体、ZnS晶体、CaF₂晶体等。

2.根据权利要求1.一种折反射式宽波段成像望远镜光学系统，其特征在于：所说的消色差校正镜组(3)具有光焦度，组成它的各折射透镜，即折射透镜(301)、折射透镜(302)和折射透镜(303)的光焦度₃₀₁、₃₀₁、₃₀₁的分配应满足下列公式的要求：

               ₃₀₁+₃₀₂+₃₀₃＝                       (1)

公式中符号h₍₎表示光线入射各折射透镜时的高度。

3.根据权利要求1.一种折反射式宽波段成像望远镜光学系统，其特征在于：所说的折射透镜(303)在系统像质要求不高的场合也可采用球面透镜。