TWI754877B - 折反射式光學系統 - Google Patents

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TWI754877B
TWI754877B TW109100006A TW109100006A TWI754877B TW I754877 B TWI754877 B TW I754877B TW 109100006 A TW109100006 A TW 109100006A TW 109100006 A TW109100006 A TW 109100006A TW I754877 B TWI754877 B TW I754877B
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optical system
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林聖峯
陳嘉瑞
郭添全
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財團法人國家實驗研究院
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    • G02B17/0864—Catadioptric systems having non-imaging properties
    • G02B17/0876—Catadioptric systems having non-imaging properties for light collecting, e.g. for use with a detector

Abstract

一種折反射式光學系統依入射光行進方向依序包含：具正屈光度第一鏡組，由里奇-克萊琴型反射面鏡組構成，包括一凹面主反射面鏡及一凸面次反射面鏡，該凹面主反射面鏡中心具有一通孔；及具負屈光度第二修正透鏡組，設置於該第一鏡組像側面，依序包括：一新月形第一透鏡，具正屈折力及凸面物側面；一第二透鏡，具負屈折力及凹面物側面與凹面像側面；一新月形第三透鏡，具負屈折力及凹面物側面；及第四透鏡，具正屈折力及凸面物側面與凸面像側面。該折反射式光學系統可將入射光修正成具小主光線角的入射光。

Description

折反射式光學系統
本發明關於一種折反射式光學系統，特別是關於一種應用於衛星遙測影像的折反射式望遠鏡。
衛星遙測影像可以展示大範圍區域的地形概況，藉以了解各種不同地形地貌，如山脈、平原、盆地、海岸線、城市、河流、道路等的分布狀況。此外，藉由天然或人為災害發生前、後衛星遙測影像的比對及分析，可以很快地把發生災變的位置，如山崩、土石流、火災等，在影像地圖上描繪出來。不僅即時掌握災害現況，也可提供精確的資料，分析災害發生的原因。人造衛星的光學遙測酬載主要由「遙測取像儀」、「聚焦面組合件」與「電子單元」等三個次系統所組成。遙測取像儀是一顆大型太空級望遠鏡頭，早期望遠鏡頭使用的光學架構為折反射式卡塞格林式望遠鏡(Cassegrain telescope)，近期望遠鏡頭大多採用里奇-克萊琴(Ritchey-Chrétien)型反射式望遠鏡設計以減小離軸像差。光學遙測酬載於高空任務軌道上，地表所反射的太陽光進入遙測取像儀，依序被主鏡與次鏡反射後穿過修正透鏡，最後聚焦成像於聚焦面組合件的影像感測器上，再轉換成數位電子訊號。
一般的影像感測器在每一像素上方會採用微型透鏡來增加成像面收光的光線通量，使其成為有效像素區域，但應用於太空對地遙測的影像感測器考量到在太空中透鏡容易受太空輻射、高溫環境狀況影響而變形，甚而劣化影像感測器成像品質，故光學遙測酬載的影像感測器通常不會在每一像素上方加設微型透鏡。但隨著光線入射角增大，使像素成為有效像素區域的入射光線通量會減少，造成像素中心區域與其周緣區域相對照度的降低，致影響影像感測器輸出的影像品質，甚者若影像感測器輸出的影像需經過拼接以構成全貌影像，則會在全貌影像中出現暗帶條紋。
本發明提供一種折反射式光學系統，係可做為一折反射式望遠鏡，特別是一種里奇-克萊琴(Ritchey-Chrétien)型望遠鏡，藉由本發明折反射式光學系統可以修正入射光線成為具小主光線角(Chief Ray Angle,CRA)的入射光線，俾利於修正後具小主光線角的入射光線投射至影像感測器時，其每一像素區域可以接收到均勻的光線通量，進而提高影像感測器的輸出影像品質。
在本發明的各種實施態樣中，本發明提供的一種折反射式光學系統，依入射光線行進方向依序包含：一具正屈光度第一鏡組，由里奇-克萊琴型反射面鏡組構成，其包括一凹面主反射面鏡及一凸面次反射面鏡，其中該凹面主反射面鏡中心具有一通孔；及一具負屈光度第二修正透鏡組，係設置於該第一鏡組的像側面，且自該第一鏡組像側面依序包括：一新月形第一透鏡，其具正屈折力及一凸面物側面；一第二透鏡，其具負屈折力及一凹面物側面與一凹面像側面；一新月形第三透鏡，其具負屈折力及一凹面物側面；及一第四透鏡，其具正 屈折力及一凸面物側面與一凸面像側面；其中該折反射式光學系統的屈光度為DW，該第二修正透鏡組的屈光度為DL，係滿足下列關係式：
Figure 109100006-A0305-02-0006-1
 其中P0=-4.95＊10-1,P1=-1.81＊10-3,P2=5.59＊10-7,P3=-7.76＊10-11,P4=4.4＊10-15,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍。
根據本發明各種實施方式，該第一透鏡係由單片透鏡構成且其像側面為凹面。
根據本發明各種實施方式，該第三透鏡係由單片透鏡構成且其像側面為凸面。
根據本發明各種實施方式，該第一透鏡的屈光度為DL1，該第二透鏡的屈光度為DL2，該第三透鏡的屈光度為DL3及該第四透鏡的屈光度為DL4，係滿足下列關係式：
Figure 109100006-A0305-02-0006-2
 其中K0=-3.32,K1=1.23＊10-3, K2=-3.86＊10-7,K3=5.68＊10-11,K4=-3.56＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0007-3
 其中L0=9.82,L1=-4.91＊10-4,L2=-2.48＊10-7,L3=7.24＊10-11,L4=-3.11＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0007-4
 其中M0=2.74,M1=1.32＊10-3,M2=-8.02＊10-7,M3=1.53＊10-10,M4=-9.43＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0007-5
 其中N0=-5.99,N1=-1.52＊10-3,N2=1＊10-6, N3=-1.95＊10-10,N4=1.11＊10-14,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍。
根據本發明各種實施方式，該第一透鏡與該第二透鏡的複合屈光度為DL12，該第二透鏡與該第三透鏡的複合屈光度為DL23及該第三透鏡與該第四透鏡的複合屈光度為DL34，係滿足下列關係式：
Figure 109100006-A0305-02-0008-6
 其中R0=6.05,R1=-2.7＊10-4,R2=-1.43＊10-7,R3=4.21＊10-11,R4=-1.66＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0008-7
 其中``S0=11.7,S1=2.38＊10-3,S2=-1.74＊10-6,S3=3.46＊10-10,S4=-1.98＊10-14,
Figure 109100006-A0305-02-0008-8
 其中T0=-4.23,T1=1.66＊10-4,T2=1.16＊10-7,T3=-3.25＊10-11,T4=1.2＊10-15,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍
根據本發明各種實施方式，該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡係由相同光學材質製作。
根據本發明各種實施方式，該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡係由玻璃材質製作，該玻璃材質的折射係數為nd，該玻璃材質的色散係數為νd，係滿足下列關係式：1.44<nd<1.47；及64.41<νd<71.19。
根據本發明各種實施方式，本發明折反射式光學系統更包含一第三反射鏡組及一第四影像感測器組，該第三反射鏡組設置於該第二修正透鏡組的像側面且具有一第一反射鏡面與一第二反射鏡面，該第一反射鏡面與該第二反射鏡面之間具有一夾角，並且該夾角的頂點位於該折反射式光學系統光軸上且朝向該第二修正透鏡組，該第四影像感測器組包含一第一影像感測器與一第二影像感測器，係分別設置於該第一反射鏡面與該第二反射鏡面的像側面。
根據本發明各種實施方式，該第一透鏡朝向該凸面次反射面鏡的該凸面物側面與該第四透鏡朝向該第三反射鏡組的凸面像側面之間於光軸上的距離值為TLL1L4，係滿足下列關係式： TLL1L4=(U4EFL4+U3EFL3+U2EFL2+U1EFL+U0)＊(1±10%)；其中U0=-2.85＊102,U1=3.87＊10-1,U2=-1.37＊10-4,U3=2.23＊10-8,U4=-1.28＊10-12,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍
根據本發明各種實施方式，入射光線經過本發明折反射式光學系統修正後的主光線角為CRA，係滿足下列關係式：CRA<3.5度。
10:第一鏡組
20:第二修正透鏡組
30:第三反射鏡組
40:第一影像感測器
42:第二影像感測器
110:凹面主反射面鏡
111:凹面反射鏡面
112:通孔
120:凸面次反射面鏡
121:凸面反射鏡面
210:第一透鏡
211:第一透鏡物側面
212:第一透鏡像側面
220:第二透鏡
221:第二透鏡物側面
222:第二透鏡像側面
230:第三透鏡
231:第三透鏡物側面
232:第三透鏡像側面
240:第四透鏡
241:第四透鏡物側面
242:第四透鏡像側面
300:夾角
310:第一反射鏡面
320:第二反射鏡面
OO’:光軸
第一A圖係本發明折反射式光學系統的一具體實施方式的光學架構示意圖。
第一B圖係顯示入射光線於第一A圖的折反射式光學系統行進路徑的示意圖。
第二圖係第一A圖的折反射式光學系統的修正後入射光主光線角相對視場角關係圖。
本發明提供的折反射式光學系統是一種折反射式望遠鏡，包含里奇-克萊琴型雙曲面主、次反射面鏡、四片式修正透鏡組以及一反射鏡組。當入射光線照射主反射面鏡，會引導光線匯集在次反射面鏡，並經次反射面鏡再次反射入射光線，而引導入射光線通過該修正透鏡組，並由該修正透鏡組修正後成為具有小主光線角的入射光線。經過修正為小主光線角的入射光線藉由該反射鏡組反射、聚焦於對應的影像感測器。
本發明提供的折反射式光學系統藉由以下具體實施例配合所附圖式予以詳細說明。
第一A圖顯示本發明折反射式光學系統的一具體實施方式的光學架構，第一B圖顯示入射光線在第一A圖的該折反射式光學系統行進路徑的示意圖。在此具體實施方式中，該折反射式光學系統依入射光線行進方向依序包含：一具正屈光度第一鏡組10，由里奇-克萊琴型反射面鏡組構成，其包括一凹面主反射面鏡110及一凸面次反射面鏡120，其中該凹面主反射面鏡110中心具有一通孔112，並且該主反射面鏡110的凹面反射鏡面111及該次反射面鏡120的凸面反射鏡面121皆為非球面形；及一具負屈光度第二修正透鏡組20，係設置於該第一鏡組10的像側面，且自該第一鏡組10像側面依序包括：一新月形(meniscus)第一透鏡210，其具正屈折力及一凸面物側面211與一凹面像側面212，該凸面物側面211以及凹面像側面212皆為球面形，並且該第一透鏡210的材質為玻璃；一第二透鏡220，其具負屈折力及一凹面物側面221與一凹面像側面222，該凹面物側面221與凹面像側面222皆為球面形，並且該第二透鏡220的材質為玻璃；一新月形第三透鏡230，其具負屈折力及一凹面物側面231與一凸面像側面232，該凹面物側面231與凸面像側面232皆為球面形，並且該第三透鏡230的材質為玻璃； 及一第四透鏡240，其具正屈折力及一凸面物側面241與一凸面像側面242，該凸面物側面241與凸面像側面242皆為球面形，並且該第四透鏡240的材質為玻璃。
一第三反射鏡組30設置於該第二修正透鏡組20的像側面，該第三反射鏡組30具有一第一反射鏡面310與一第二反射鏡面320，並且該第一反射鏡面310與該第二反射鏡面320之間具有一夾角，並且該夾角的頂點300位於該折反射式光學系統光軸OO’上且朝向該第二修正透鏡組20。
一第四影像感測器組包含一第一影像感測器40與一第二影像感測器42，係分別設置於該第一反射鏡面310與該第二反射鏡面320的像側面的本發明折反射式光學系統的成像面。在本發明的各種實施態樣中，該第一影像感測器40可為線形影像感測器，該第二影像感測器42可為面形影像感測器。
本發明第一A圖的折反射式光學系統的五種實施態樣光學數據如表一~五所示。
Figure 109100006-A0305-02-0012-12
Figure 109100006-A0305-02-0013-13
Figure 109100006-A0305-02-0014-14
表一~五各種實施態樣中，以表一實施態樣為例說明：「表面」欄位的編號對應本說明書之符號說明代表的元件標號，「厚度」欄位代表相鄰鏡面於光軸上的空氣(真空)間隔距離或透鏡厚度，例如-375.99mm指該凹面反射鏡面111與該凸面反射鏡面121之間於光軸OO’上的空氣(真空)間隔距離，418.30mm指該凸面反射鏡面121與該第一透鏡210的物側面211於光軸上的空氣(真空)間隔距離，17.19mm指第一透鏡210的厚度，依此類推。此外，表一的實施態樣中第一反射鏡面310與其對應的該折反射式光學系統成像面距離為41.05mm，第二反射鏡面320與其對應的該折反射式光學系統成像面距離亦為41.05mm；表二的實施態樣中第一反射鏡面310與其對應的該折反射式光學系統成像面距離為67.04mm，第二反射鏡面320與其對應的該折反射式光學系統成像面距離亦為67.04mm；表三的實施態樣中第一反射鏡面310與其對應的該折反射式光學系統 成像面距離為116.51mm，第二反射鏡面320與其對應的該折反射式光學系統成像面距離亦為116.51mm；表四的實施態樣中第一反射鏡面310與其對應的該折反射式光學系統成像面距離為136.48mm，第二反射鏡面320與其對應的該折反射式光學系統成像面距離亦為136.48mm；表五的實施態樣中第一反射鏡面310與其對應的該折反射式光學系統成像面距離為161.97mm，第二反射鏡面320與其對應的該折反射式光學系統成像面距離亦為161.97mm。
在此具體實施方式中，該折反射式光學系統的屈光度為DW，該第二修正透鏡組的屈光度為DL，其關係式為：
Figure 109100006-A0305-02-0015-15
 其中P0=-4.95＊10-1,P1=-1.81＊10-3,P2=5.59＊10-7,P3=-7.76＊10-11,P4=4.4＊10-15,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍。
在此具體實施方式中，該第一透鏡的屈光度為DL1，該第二透鏡的屈光度為DL2，該第三透鏡的屈光度為DL3及該第四透鏡的屈光度為DL4，其關係式為：
Figure 109100006-A0305-02-0015-16
 其中 K0=-3.32,K1=1.23＊10-3,K2=-3.86＊10-7,K3=5.68＊10-11,K4=-3.56＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0016-17
 其中L0=9.82,L1=-4.91＊10-4,L2=-2.48＊10-7,L3=7.24＊10-11,L4=-3.11＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0016-18
 其中M0=2.74,M1=1.32＊10-3,M2=-8.02＊10-7,M3=1.53＊10-10,M4=-9.43＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0016-19
 其中N0=-5.99, N1=-1.52＊10-3,N2=1＊10-6,N3=-1.95＊10-10,N4=1.11＊10-14,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍。
在此具體實施例中，該第一透鏡與該第二透鏡的複合屈光度為DL12，該第二透鏡與該第三透鏡的複合屈光度為DL23及該第三透鏡與該第四透鏡的複合屈光度為DL34，其關係式為：
Figure 109100006-A0305-02-0017-20
 其中R0=6.05,R1=-2.7＊10-4,R2=-1.43＊10-7,R3=4.21＊10-11,R4=-1.66＊10-15,
Figure 109100006-A0305-02-0017-21
 其中S0=11.7,S1=2.38＊10-3,S2=-1.74＊10-6,S3=3.46＊10-10, S4=-1.98＊10-14,
Figure 109100006-A0305-02-0018-23
 其中T0=-4.23,T1=1.66＊10-4,T2=1.16＊10-7,T3=-3.25＊10-11,T4=1.2＊10-15,EFL為該折反射式光學系統之等效焦距值。
*(±10%)係代表該折反射式光學系統在實際量測誤差狀況下可能之範圍。
請參照第一B圖，當入射光線照射該主反射面鏡110，經由該主反射面鏡110反射匯集至該次反射面鏡120，經該次反射面鏡120再次反射並通過該主反射面鏡110的通孔112，投射至該第二修正透鏡組20，而藉由該第二修正透鏡組20修正入射光線成為具有小主光線角的入射光線，經過修正為小主光線角的入射光線投射至該第三反射鏡組30的該第一反射鏡面310與該第二反射鏡面320，並由該第一反射鏡面310與該第二反射鏡面320反射、分光聚焦於該第一影像感測器40與該第二影像感測器42的焦平面。在本發明的各種實施態樣中，該第一影像感測器40可為線形影像感測器，該第二影像感測器42可為面形影像感測器。
表六係顯示本發明表一~五各種實施態樣中折反射式光學系統的視場角(FOV)與修正後的入射光線主光線角(CRA)的數值關係。第二圖係對應表六所列示於表一~五各種實施態樣中的視場角(FOV)與修正後的入射光線主光線角(CRA)的關係圖。可清楚看見，藉由本發明折反射式光學系統可將入射光線修正 為主光線角(CRA)小於3.5度的修正後入射光線。本發明折反射式光學系統可供做一具小主光線角里奇-克萊琴修正型望遠鏡，適合做為衛星遙測取像儀。
Figure 109100006-A0305-02-0019-24
以上各表所示為本發明揭露的實施例的光學數據數值，皆屬實驗所得，即使使用不同數值，相同結構的產品仍應屬於本發明揭露的保護範疇，故以上的說明所描述內容及圖式僅做為例示性，非用以限制本發明揭露的申請專利範圍。
10:第一鏡組
20:第二修正透鏡組
30:第三反射鏡組
40:第一影像感測器
42:第二影像感測器
110:凹面主反射面鏡
111:凹面反射鏡面
112:通孔
120:凸面次反射面鏡
121:凸面反射鏡面
210:第一透鏡
211:第一透鏡物側面
212:第一透鏡像側面
220:第二透鏡
221:第二透鏡物側面
222:第二透鏡像側面
230:第三透鏡
231:第三透鏡物側面
232:第三透鏡像側面
240:第四透鏡
241:第四透鏡物側面
242:第四透鏡像側面
300:夾角
310:第一反射鏡面
320:第二反射鏡面
OO’:光軸

Claims (6)

  1. 一種折反射式光學系統，依入射光線行進方向依序包含：一具正屈光度第一鏡組，由里奇-克萊琴型反射面鏡組構成，其包括一凹面主反射面鏡及一凸面次反射面鏡，其中該凹面主反射面鏡中心具有一通孔；及一具負屈光度第二修正透鏡組，係設置於該第一鏡組的像側面，且自該第一鏡組像側面依序包括：一新月形第一透鏡，其具正屈折力及一凸面物側面；一第二透鏡，其具負屈折力及一凹面物側面與一凹面像側面；一新月形第三透鏡，其具負屈折力及一凹面物側面；及一第四透鏡，其具正屈折力及一凸面物側面與一凸面像側面；其中所述入射光線經過該折反射式光學系統修正後的主光線角為CRA，係滿足下列關係式：CRA<3.5度。
  2. 如請求項1所述之折反射式光學系統，其中該第一透鏡係由單片透鏡構成且其像側面為凹面。
  3. 如請求項1所述之折反射式光學系統，其中該第三透鏡係由單片透鏡構成且其像側面為凸面。
  4. 如請求項1所述之折反射式光學系統，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡係由相同光學材質製作。
  5. 如請求項4所述之折反射式光學系統，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡係由玻璃材質製作，該玻璃材質的折射係數為nd，該玻璃材質的色散係數為νd，係滿足下列關係式： 1.44<nd<1.47；及64.41<νd<71.19。
  6. 如請求項4所述之折反射式光學系統，其中更包含一第三反射鏡組及一第四影像感測器組，該第三反射鏡組設置於該第二修正透鏡組的像側面且具有一第一反射鏡面與一第二反射鏡面，該第一反射鏡面與該第二反射鏡面之間具有一夾角，並且該夾角的頂點位於該折反射式光學系統光軸上且朝向該第二修正透鏡組，該第四影像感測器組包含一第一影像感測器與一第二影像感測器，係分別設置於該第一反射鏡面與該第二反射鏡面的像側面。
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