CN212569262U - 一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，解决了现有反射光学系统实现超宽光谱成像时，使用非球面反射镜所带来的装调困难，其相对孔径很难做小，导致经济、时间成本较高的问题。该系统的具体结构包括沿着光路依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、光阑、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜。

Description

一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学领域，具体涉及一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统。主要用于空间对地成像相机光学系统，也可用于光谱成像仪的前置物镜等需要宽光谱的光学系统领域。

背景技术

随着我国国民经济与国防工业技术的迅速发展，对空间光学系统的需求量日益增加，对其能力的要求日臻提高。要求空间光学系统的相对孔径尽量小以便获得更多能量，同时要求成像光谱范围尽量宽，在此条件下希望获得较大的视场以便观测更大范围的目标。反射光学系统由于其自身特点可以实现超宽光谱，但是其视场较小且设计过程中不可避免使用非球面反射镜，非球面反射镜装调困难，同时其相对孔径很难做小，使得其经济、时间成本较高。

实用新型内容

为了解决技术背景中提及的反射光学系统实现超宽光谱成像时，使用非球面反射镜所带来的装调困难，其相对孔径很难做小，导致经济、时间成本较高的问题，本实用新型提出了一种用于空间的宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统。

本实用新型的技术解决方案是：

本实用新型提供了一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，其特殊之处在于：包括沿着光路依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、光阑、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜；

第一负透镜的光学参数为：

-1.53f′<f′₁<-1.93f′，1.42<n₁<1.48，0.42f′<R₁<0.45f′, 0.23f′<R₂<0.29f′；

第一正透镜的光学参数为：

0.43f′<f′₂<0.49f′，1.40<n₂<1.45，0.24f′<R₃<0.26f′, -0.73f′<R₄<-0.93f′；

第二负透镜的光学参数为：

-0.8f′<f′₃<-1.0f′，1.7<n₃<1.8，-0.55f′<R₅<-0.72f′, -7.0f′<R₆<-8.0f′；

第二正透镜的光学参数为：

1.4f′<f′₄<1.5f′，1.40<n₄<1.45，0.17f′<R₇<0.20f′, 0.22f′<R₈<0.24f′；

第三负透镜的光学参数为：

-75f′<f′₅<-80f′，1.70<n₅<1.80，-0.30f′<R₉<-0.35f′, -0.35f′<R₁₀<-0.37f′；

第三正透镜的光学参数为：

0.81f′<f′₆<0.85f′，1.70<n₆<1.80，0.60f′<R₁₁<0.66f′,R₁₂平面；

第四负透镜的光学参数为：

-0.5f′<f′₇<-0.52f′，1.70<n₇<1.75，-0.14f′<R₁₃<-0.17f′, -0.28f′<R₁₄<-0.30f′；

其中，f′为光学系统的焦距；

f′₁、f′₂、f′₃、f′₄、f′₅、f′₆、f′₇分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的焦距；

n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜所采用玻璃的折射率；

R₁、R₃、R₅、R₇、R₉、R₁₁、R₁₃分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的前表面的曲率半径；

R₂、R₄、R₆、R₈、R₁₀、R₁₂、R₁₄分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的后表面的曲率半径。

进一步地，上述第一负透镜的材质为JGSl熔融石英；所述第一正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的材质均为光学玻璃。

进一步地，上述第一正透镜、第二正透镜的材质均为CaF2。

进一步地，上述第三正透镜的后表面上镀带通滤光膜，可在光学系统中专门设置带通滤光片。

进一步地，为了校正系统色差，上述第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜均为分离透镜。

本实用新型的有益效果是：

1、系统的光焦度分配决定了场曲，本实用新型光学系统的光焦度采用“-+-+-+-”的组合结构，更加有利于场曲的校正。

2、考虑到空间环境应用抗辐照要求，光学系统选用熔融石英JGSl 作为第一负透镜，校正像差同时作为系统防辐射窗口。

3、将传统的双胶合镜组变成分离透镜，一方面为了减小高级球差，另一方面去除了胶合面在复杂空间环境下脱胶、变性和变色的风险。

4、光学系统相对孔径小,F4，成像视场大，在8°有效视场内成像质量接近衍射极限，全视场畸变小于0.4％；

5、光学系统成像波段范围大，可在450nm-900nm范围内成像，覆盖可见光和近红外波段，成像质量接近衍射极限。

6、为了校正系统色差，系统第一正透镜、第二正透镜的光学材料为CaF2；

7、系统第三正透镜的后表面为平面，可在其上镀带通滤光膜，节省系统带通滤光片。

附图说明

图1为本实用新型光学系统示意图

图2为本实用新型光学系统的畸变曲线

图3为本实用新型光学系统的MTF曲线

附图标记如下：1-第一负透镜、2-第一正透镜、3-第二负透镜、4-光阑、5第二正透镜、6-第三负透镜、7-第三正透镜、8-第四负透镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，本实施例提供一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统的具体结构，其包括沿光路上依次设置的第一负透镜1、第一正透镜2、第二负透镜3、光阑4、第二正透镜5、第三负透镜6、第三正透镜7以及第四负透镜8；

第一负透镜1的光学参数为：

-1.53f′<f′₁<-1.93f′，1.42<n₁<1.48，0.42f′<R₁<0.45f′, 0.23f′<R₂<0.29f′；

第一正透镜2的光学参数为：

0.43f′<f′₂<0.49f′，1.40<n₂<1.45，0.24f′<R₃<0.26f′, -0.73f′<R₄<-0.93f′；

第二负透镜3的光学参数为：

-0.8f′<f′₃<-1.0f′，1.7<n₃<1.8，-0.55f′<R₅<-0.72f′, -7.0f′<R₆<-8.0f′；

第二正透镜5的光学参数为：

1.4f′<f′₄<1.5f′，1.40<n₄<1.45，0.17f′<R₇<0.20f′, 0.22f′<R₈<0.24f′；

第三负透镜6的光学参数为：

-75f′<f′₅<-80f′，1.70<n₅<1.80，-0.30f′<R₉<-0.35f′, -0.35f′<R₁₀<-0.37f′；

第三正透镜7的光学参数为：

0.81f′<f′₆<0.85f′，1.70<n₆<1.80，0.60f′<R₁₁<0.66f′,R₁₂平面；

第四负透镜8的光学参数为：

-0.5f′<f′₇<-0.52f′，1.70<n₇<1.75，-0.14f′<R₁₃<-0.17f′, -0.28f′<R₁₄<-0.30f′；

其中，f′为光学系统的焦距；

f′₁、f′₂、f′₃、f′₄、f′₅、f′₆、f′₇分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的焦距；

n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜所采用玻璃的折射率；

R₁、R₃、R₅、R₇、R₉、R₁₁、R₁₃分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的前表面的曲率半径；

R₂、R₄、R₆、R₈、R₁₀、R₁₂、R₁₄分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的后表面的曲率半径。

需要说明的是：此处所说前表面即正对光路的表面。

其中，第一负透镜的材质为JGSl熔融石英；所述第一正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的材质均为光学玻璃，优选地第一正透镜、第二正透镜的材质均为CaF2。第三正透镜的后表面上镀带通滤光膜，可在光学系统中专门设置带通滤光片。第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜均为分离透镜。

根据上述光学系统的结构描述，可知该光学系统具有以下特性:

1、由于需要该光学系统满足空间环境应用抗辐照要求，光学系统选用熔融石英JGSl作为第一负透镜，校正像差的同时作为光学系统防辐射窗口。

2、为了校正系统色差，系统第一正透镜、第二正透镜的光学材料为CaF2；

3、系统第三正透镜的后表面为平面，可在其上镀带通滤光膜，节省系统带通滤光片。

4、将传统的双胶合镜组变成分离透镜，一方面为了减小高级球差，另一方面去除了胶合面在复杂空间环境下脱胶、变性和变色的风险。

5、光学系统相对孔径小,F4，成像视场大，在8°有效视场内成像质量接近衍射极限，全视场畸变小于0.4％；

6、光学系统成像波段范围大，可在450nm-900nm范围内成像，覆盖可见光和近红外波段，成像质量接近衍射极限。

为了获得大范围的清晰成像，需要尽可能大的通光孔径来提供更多的能量及信息，故在设计时采用全视场无渐晕设计。

上述光学系统的后工作距大于75mm，整个光学系统的长度小于 255mm。

本实施例所提供的光学系统的系统焦距为230mm，视场角大于 8°，入瞳直径57mm，全视场无渐晕，无胶合面。如图2和图3所示，在450nm-900nm波段范围内、全视场范围内MTF在100lp/mm处大于 0.5，成像质量接近衍射极限，相对畸变小于0.5％.光学系统的后工作距大于75mm，对后期装调有利。

本实用新型主要用于空间对地成像相机光学系统，也可用于光谱成像仪的前置物镜等需要宽光谱的光学系统领域。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，其特征在于：包括沿着光路依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、光阑、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜；

第一负透镜的光学参数为：

-1.53f′<f′₁<-1.93f′，1.42<n₁<1.48，0.42f′<R₁<0.45f′,0.23f′<R₂<0.29f′；

第一正透镜的光学参数为：

0.43f′<f′₂<0.49f′，1.40<n₂<1.45，0.24f′<R₃<0.26f′,-0.73f′<R₄<-0.93f′；

第二负透镜的光学参数为：

-0.8f′<f′₃<-1.0f′，1.7<n₃<1.8，-0.55f′<R₅<-0.72f′,-7.0f′<R₆<-8.0f′；

第二正透镜的光学参数为：

1.4f′<f′₄<1.5f′，1.40<n₄<1.45，0.17f′<R₇<0.20f′,0.22f′<R₈<0.24f′；

第三负透镜的光学参数为：

-75f′<f′₅<-80f′，1.70<n₅<1.80，-0.30f′<R₉<-0.35f′,-0.35f′<R₁₀<-0.37f′；

第三正透镜的光学参数为：

0.81f′<f′₆<0.85f′，1.70<n₆<1.80，0.60f′<R₁₁<0.66f′,R₁₂平面；

第四负透镜的光学参数为：

-0.5f′<f′₇<-0.52f′，1.70<n₇<1.75，-0.14f′<R₁₃<-0.17f′,-0.28f′<R₁₄<-0.30f′；

其中，f′为光学系统的焦距；

f′₁、f′₂、f′₃、f′₄、f′₅、f′₆、f′₇分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的焦距；

n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜所采用玻璃的折射率；

R₁、R₃、R₅、R₇、R₉、R₁₁、R₁₃分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的前表面的曲率半径；

R₂、R₄、R₆、R₈、R₁₀、R₁₂、R₁₄分别为第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的后表面的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，其特征在于：所述第一负透镜的材质为JGSl熔融石英；所述第一正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜的材质均为光学玻璃。

3.根据权利要求1所述的宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，其特征在于：所述第一正透镜、第二正透镜的材质均为CaF2。

4.根据权利要求1所述的宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，其特征在于：所述第三正透镜的后表面上镀带通滤光膜。

5.根据权利要求1所述的宽光谱大视场长焦距高像质的透射光学系统，其特征在于：上述第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜以及第四负透镜均为分离透镜。

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