哈工大工程光学大作业

1、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、

2、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

3、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 60300ram,其 中优选相对口径为 DF：16110；本实用新型修正透镜与折反射主镜的间 隔 距 离 为 ， L HR2 HR3 t 。 该 公 式 中 ， HR2 R2 R22 (D/2)2 ， HR3 R3 R32 (D/2)2 ，t 0 50mm;其中： R2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， HR2为 R2面的弧高，HR3为R3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

4、。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

5、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

6、， 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

7、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： 175 后工作距离 L2： 210Omm 视场：至少 14 度的目视视场， 1 度的数码

8、成像范围； 归一化后的系统设计数据：序号半径 R间隔 L折射率 nd10O0088K92238008813202O1K94226151545615162262621三、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

9、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

10、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