哈工大工程光学大作业_一种长焦距远摄物镜光学结构介绍

工程光学大作业

一种长焦距远摄物镜光学结构介绍

二零一二年六月

摘要

大口径长焦距远摄物镜光学结构，折反射主镜(2)位于反射主镜(3)前端，其特点是：在折反射主镜(2)的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜(1)。本实用新型可使光学仪器短镜身、口径大、焦距长、并可采用普通光学材料制成反射镜、其镜面形状均为球形，极易于生产加工，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像质量。

关键词：远摄镜头；光学系统；复消色差

一种长焦距远摄物镜光学结构简介绍

一、相关领域研究背景

二十世纪电子工业的发展达到了一个新的高峰，光的特质性越来越体现其运用的广泛性。光电结合的产品一数码相机、激光设备等正在不断的发展和完善，现代光学在国防、航天等各个方面如激光信息元件、光电子应用领域已非常很广泛。

光电子信息处理产品包括数码照相机、照相手机、扫描仪、激光读取头、多

媒体投影仪、投影电视、网络摄像头等，光学在电子领域的运用已经不断的冲击传统光学领域每一种产品，如何将光学传统产业如照相机、望远镜等合理的与现代光电子学进行接洽、融合是传统光学设计的一大难点。

二、具体光学结构介绍

本文所介绍的物镜由折反射主镜、反射主镜、转向机构和镜头简体组成，折反射主镜位于反射主镜前端，其特征是：在折反射主镜的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜；修正透镜所具有的曲面均为球面；修正透镜既可以是一面为凸球面一面为凹球面，也可以是一面为平面一面为凸球面。本物镜的修正透镜与折反射主镜有效口径D 一致，其有效口径D 范围为60—300ram,其中优选相对口径为D ／F ：1／6～1／10；本实用新型修正透镜与折反射主镜的间

隔距离为，t H H L R R ++=32。该公式中，2222)2/(2D R R H R --=，

2233)2/(3D R R H R --=，;50~0mm t =其中：2R 为修正透镜的第二面半径，R3为折反射主镜的第一面的半径，2R H 为2R 面的弧高，3R H 为3R 面的弧高， D 为修正透镜的有效口径，t 为间隔的最合理变化区域。

下面结合图示进一步阐述本物镜工作原理。如图2为本折反射式远摄光学结构系统光学光路图，图3为其结构示意图。

修正透镜1、折反射主镜2、反射主镜3均采用普通光学材料按同轴安装在镜头简体5上，转向机构4位于镜头简体5后部，修正透镜1为一面凸一面

凹的球面；折反射主镜2也为一面凸一面凹的球面，其凹面向着折反射主镜2的凹面；反射主镜3为一面凹球面一面平面，其凹球面向着折反射主镜2的凸面，修正透镜l、折反射主镜2、反射主镜3的球面半径分别是R1、R2、R3、R4、R5，此光学结构是修正透镜1、折反射主镜2的4个透射面为前组物镜组，两个外反射面为后组物镜组。

具体工作原理是：光线通过修正透镜1、折反射主镜2的球面R1、R2、R3、R4后到达反射主镜3的球面R5，将光线反射到折反射主镜2的R4上，再经过R4的反射，将不同物点的光线会聚到视场成像面6上对应的像点位置，最终将不同物点在视场成像面上的成像点组成了一个像面。在此基础上根据不同的需要(如目视、胶片照相、数码照相等)连接相关的光学成像器件，满足人们观测的需要。

修正透镜I的球面半径R1、R2是根据具体的光学仪器产品设计参数如口径、焦距、透镜间距、后截距、光学材料、像差等要求进行相应变化而确定的，可以是一凸一凹球面组成，也可是一平面一凸面组成；修正透镜l的曲面皆为球面或平面与球面组成，只有在特殊用途下方可以改用非球面的面型；所有透镜的光学材质可采用普通光学材料，通常采用K9材料，并且如果采用更低色散的光学材料，如ED材料，像差减小、成像效果会更好；如果采用非球面，则也可改用树脂镜片；折反射主镜2的球面半径R3、R4也是根据具体的设计参数如口径、焦距、透镜间距、后截距、光学材料、像差等要求进行相应变化而确定的，通常是由一凹一凸球面组成，并在半径R4上通常采用了反射球面的运用；折反射主镜

2通常上只采用球面设计，只有在特殊用途要求下可以将R3改用非球面的面型；折反射主镜2的光学材质一般化，通常采用K9材料，并且如果采用更低色散的光学材料，如印材料，像差减小、成像效果会更好；如果采用非球面，也可改用树脂镜片；反射主镜3的反射镜R5采用的是外反射设计；反射主镜3通常采用球面设计，只有在特殊用途要求下可以将R5改用非球面的面型；反射主镜3光学材质一般化，基本只采用K9材料，如果采用非球面，可改用树脂镜片；

本系统的基本结构参数采用归一化数据，以80ram口径的光学系统为例，具体结构形成以下参数：

口径：D=80mm

相对口径：1／7．5

后工作距离L2：210．Omm

视场：至少1．4度的目视视场，1度的数码成像范围；

归一化后的系统设计数据：

三、个人总结与启示

经查阅相关资料，总结现今光学系统在光电领域的运用主要包括：

1、光学设计的领域中，涉及到光电转换器件的镜头设计主要是中、小口径的透镜设计，如数码照相机、照相手机、扫描仪、激光读取头、多媒体投影仪、投影电视、网络摄像头等；以数码照相机、照相手机为例，其特性是镜头片数多，焦距短，镜片小型化较多，对材料特殊性要求高；多运用非球面设计，加工困难；

2、大口径的产品主要是运用在天文望远镜上，但其光学设计的要求一般都是很高的，根据其使用方式的划分，可分为专业性的和业余爱好性的两大种类，对专业性的来讲，其光学性能的要求不仅仅只是中心分辨率要几乎等于理论设计值，其在光学设计中的光学传递函数等的要求都很高，无论设计或是制造都很困难；

3、光电数码成像器件在传统光学系统中的运用是困难的，无法做到高像素，即使是所谓的高像素也仅仅在无穷远成像的中心分辨率处，例如原业余爱好型天体望远镜目视时在中心是没有太多像差的，但总是不会得到清晰、一致的视场成像；还有双筒望远镜的数码成像系统更是让人感到有无法同步、又得不到更高像素的缺憾；

4、在长焦镜头数码镜头的设计中，日本Kowa公司曾设计了一个长焦300万像素的变倍照相镜头，它是一个物镜、目镜都可变倍的观靶镜头，但却需要特殊光学材料才能制成，成本十分高昂。

相比之下，本物镜光学系统对以上某些问题做了很大的改进。其优点如下：

1、短镜身，长焦距，大口径；

2、透镜少，可依据成像系统的需要，采用低色散的光学材料；

3、可在此结构的基础上，在后添加像差校正透镜；

4、回避开了透镜过多、材料特殊、结构复杂等的问题；

5、也回避了透镜加工复杂的问题

6、最主要的解决了在数码成像系统中，原来无法做到的大口径、高像素的远心光路的市场需求；

7、比现有产品易于加工，没有非球面：零件的介入，没有薄壁零件的介入，没有内反射镜零件的介入，没有胶合零件的介入，没有打孔透镜的介入等；‘

8、成像质量良好，在相对一致的视场比较中，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像质量；

9、可以广泛的将此光学结构系统运用l在地面观测如长焦数码照相镜头，并兼备目视和天文望远使用之中，甚至可以使用在微光、红外的产品设计中。

现今科技的发展日新月异，各学科门类分类日益细化且相互渗透，体现出越来越强的综合性与专业化趋势。唯有掌握过硬的技能与扎实的基本功才能在工作中有所创新，做并取得自己的成果。

参考文献

[1]赵玉春，2001：《中长焦镜头的构造与像质》，《天文爱好者》第01期；

[2]向伟，2009：《长焦镜头专题向远方》，《数码摄影》第09期；

[3]田小邕，2004：《中焦镜与长焦镜》，《照相机》第02期。