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一种望远镜光学系统

阅读：871发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种望远镜光学系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种望远镜光学系统。它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面；所述镜片的前表面，它的中心圆形孔径为镀有内反射膜的凹面,它的环形孔径为镀有减反射膜的凸面；所述镜片的后表面，它的中心圆形孔径为镀有减反射膜的凸面,它的环形孔径为镀有内反射膜的凹面。本发明在一个单片上实现了望远镜系统，减少了镜片个数，降低了材料成本和加工成本；保留了折射和反射式望远镜的优势，其像差校正能力强，光路短，视场大，像质好，便于携带，适合于制备成眼镜望远镜。，下面是一种望远镜光学系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种望远镜光学系统，其特征在于：它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，所述圆形孔径和所述环形孔径的面形为轴对称非球面；所述镜片的前表面，它的中心圆形孔径为镀有内反射膜的凹面,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径为镀有减反射膜的凸面；所述镜片的后表面，它的中心圆形孔径为镀有减反射膜的凸面,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径为镀有内反射膜的凹面。
2.根据权利要求1所述的一种望远镜光学系统，其特征在于：所述镜片的前表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。
3.根据权利要求1所述的一种望远镜光学系统，其特征在于：所述镜片的后表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。
4.根据权利要求1所述的一种望远镜光学系统，其特征在于：所述的镜片，其材料为光学塑料、光学玻璃或光学晶体。

说明书全文

一种望远镜光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学元件，特别涉及一种望远镜光学系统。

背景技术

[0002] 望远镜是观察远距离物体的光学仪器。望远镜光学系统由物镜和目镜组成，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距之比。望远镜的主要类型是伽利略型和开普勒型。伽利略型望远镜的物镜为正焦距、目镜为负焦距，具有结构简单、筒长短，物体成正像的优点，但放大倍率不能太大，一般不超过6～8倍，可以作为普通观察望远镜。开普勒型望远镜具有正焦距的物镜和目镜，因此具有中间实像，可以用来瞄准和定位，但所成象为倒像，光路长，是目前广泛使用的望远镜结构型式，若用做观察，需加入转像系统。

[0003] 作为望远镜主要部件的望远镜物镜主要有三种结构形式：折射式、反射式和折反射式。折射式望远物镜结构简单，镜片个数2～3片，制造方便，光能损失小，像差易于校正，所成象为倒像。相比于反射式、折反射式系统，在相同物镜焦距条件下，它的筒长最长，和焦距长度相当。天文望远镜常用反射式望远物镜。因为天文望远镜需要的光学口径非常大，折射式物镜无法保证玻璃熔炼时的均匀性和使用时的面形精度。反射式系统无需校正色差，系统筒长短，但孔径有部分遮拦，光能损失大。常见的反射式望远物镜，主要是卡塞格林系统和格列果里系统，其中卡塞格林系统主镜是抛物镜，次镜是双曲面，所成象是倒像；格列果里系统的主镜为抛物面，次镜为椭球面，所成象为正像。反射系统对轴外像差的校正很困难，因此反射系统的视场角一般都比较小。折反射系统以一块反射镜为基础，加入折射元件，用来校正球差，得到了较好的效果。比较典型的折反射系统有施密特物镜和马克苏托夫物镜。施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是非球面。该系统焦面在校正板和球面主镜之间，观察时需靠反射镜引出光路外。马克苏托夫物镜由球面主镜和弯月型厚透镜组成。同样，马克苏托夫物镜的焦面也在弯月型厚透镜和球面主镜之间，需要靠反射镜引出光路外。

[0004] 作为望远镜另一重要组成部分的目镜是具有大视场、小孔径的光学系统，可以单独设计，主要有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、柯尼希目镜、对称目镜和广角目镜等。以上目镜均为正焦距，镜片个数在2片及2片以上，用于开普勒型望远镜。

[0005] 由以上分析可以知，望远镜系统由物镜和目镜两个独立的光学系统组成，最简单的伽利略望远镜也至少需要一片具有正焦距的物镜和一片具有负焦距的目镜，开普勒型望远镜的镜片个数就更多了，物镜和目镜加起来镜片个数至少在四片以上，如果要用作一般观察，还必须加入转像系统，主要指棱镜或反射镜转像系统。另外，折射式望远物镜无法满足大口径天文望远镜的需要，且光路较长，携带很不方便；反射式望远物镜口径大，筒长短，但对轴外像差的校正很困难，视场较小；相比而言，透射加反射的望远物镜系统筒长短，其像质好于反射式系统，但不利于观察。可见，传统的望远镜系统成像元件多，制造检测成本高、结构复杂，无法做到既外型小巧，便于携带，又能保证一定的观察视场。

[0006] 中国实用新型专利“超薄装的望远镜光学系统”（CN 2802534Y）公开了一种超薄装的望远镜。该专利运用了四块平面反光镜组成倒像系统，倒像光路置于同一平面内，使系统轴向长度大大缩短，物镜采用一片非球面凸透镜，目镜采用二片非球面凸透镜。该专利提出的超薄装望远镜系统，通过平面镜对光路的多次转折，达到缩短筒长的目的，实现了超薄的效果，实现了外型袖珍化，适宜作望远眼镜。但该望远物镜系统实际的光路长度并没有缩短，还是属于传统的折射式望远物镜系统。

[0007] 中国发明专利“一种配戴式望远镜”（CN 1389750A）公开了一种配戴式望远镜，该发明的平面反射镜与物镜所成角度与靴形屋脊棱镜的入射面与平面镜所成角度相同，靴形屋脊棱镜出射面与目镜平行，靴形屋脊棱镜的入射面与平面反射镜所成角度为45°。该专利涉及的望远物镜系统虽然结构紧凑，体积很小，但系统的物镜和目镜均为单片凸透镜，成像质量难以保证，口径和视场角也不可能做大，属于传统的折射式望远物镜系统。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种光路短，视场大，像差校正能力强，系统像质高的望远镜光学系统。

[0009] 实现本发明目的的技术方案是：提供一种望远镜光学系统，它为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面；所述镜片的前表面，它的中心圆形孔径为镀有内反射膜的凹面,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径为镀有减反射膜的凸面；所述镜片的后表面，它的中心圆形孔径为镀有减反射膜的凸面,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径为镀有内反射膜的凹面。

[0010] 所述镜片的前表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。

[0011] 所述镜片的后表面，其中心圆形孔径面与环形孔径面在光轴上的顶点之间的距离小于等于3mm。

[0012] 所述的镜片，其材料为光学塑料、光学玻璃或光学晶体。

[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于：在一个单片上实现了望远镜系统，减少了镜片个数，降低了材料成本和加工成本；在一个单片上实现了折射和反射的结合，保留了折射和反射式望远镜的优势，通过折射面提高了像差校正能力，相比反射式望远镜增大了视场；通过反射面，又极大地缩短了光路长度，只是一般望远镜光路长度的1/5～1/3，使望远镜小型化，便于携带，特别适合做眼镜望远镜；采用了非球面，提高了系统像质；镜面材料可以是光学塑料，光学玻璃或光学晶体，材料便宜、易得，成本低廉。
附图说明

[0014] 图1是本发明实施例提供的单片折反式望远镜光学系统的结构示意图；

[0015] 图2是本发明实施例提供的光学系统的垂轴像差图；

[0016] 图3是本发明实施例提供的光学系统的波像差图；

[0017] 图4是本发明实施例提供的光学系统的场曲/畸变图。

[0018] 其中、1、第一折射面；2、第一反射面；3、第二反射面；4、第二折射面,；5、出瞳面；6、像平面。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0020] 实施例 1

[0021] 本实施例提供一种望远镜光学系统，镜片材料采用光学塑料，光学系统具体指标如下：

[0022] 望远物镜通光口径： φ40mm；

[0023] 望远镜放大倍率: 5.5；

[0024] 工作波长： 0.4861μm～0.6563μm；

[0025] 全视场： 2.6°。

[0026] 本实施例提供的望远物镜光学系统，该望远物镜光学系统为一片轴对称的圆形镜片，按光路顺序，镜片的前表面和后表面分别包括一个与光轴同心、位于镜片中心的圆形孔径和一个包围该圆形孔径的环形孔径，它们的面形为轴对称非球面或球面；所述镜片的前表面，它的中心圆形孔径为镀有内反射膜的凹面,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径为镀有减反射膜的凸面；所述镜片的后表面，它的中心圆形孔径为镀有减反射膜的凸面,其口径小于等于镜片全口径的30％，它的环形孔径为镀有内反射膜的凹面。出瞳面处设置一片理想透镜,焦距为16.9mm。

[0027] 参见图1，它是本实施例提供的望远镜光学系统的结构示意图，按光路顺序，入射的平行光首先经过第一折射面1，即镜片前表面的环形孔径，折射到第一反射面2，即镜片后表面的环形孔径上，然后反射到第二反射面3，即镜片前表面的圆形孔径上，再反射到第二折射面4，即镜片后表面的圆形孔径上，经折射后，以平行光出射到出瞳面5处，至此构成了一个完整的望远镜光学系统。该系统平行光入射，平行光出射，所成像为正像，人眼可直接观察，构成了一个单片式望远镜系统。为评价该系统的像质，在出瞳面5处放置一片理想透镜，焦距为16.9mm，模拟人眼的作用，使系统出射的平行光最终在像平面6上成像。

[0028] 本实施例中，单片式望远镜上的四种孔径的表面为轴对称非球面，非球面可以是二次非球面或高次非球面。这四种孔径的表面也可以是球面，但相比于非球面像质较差。

[0029] 该光学系统具体结构设计参数如表1和表2所示。

[0030] 表1

[0031]

[0032] 表2

[0033]

[0034] 从表1中的厚度值可以看出，面与面之间的距离要适当控制，以保证镜片上同一表面的两个孔径在边界区域面形的自然过渡，以便于加工。本实施例中，第一折射面1和第二反射面3在光轴上的顶点之间的距离控制到0.49mm，第二反射面3到第二折射面4在光轴上的顶点之间的距离控制到0.21mm。实际控制量可根据面形的不同而变化。

[0035] 本实施例中，5.5x的望远镜的视场达到2.6°，相比与一般反射式望远镜的视场提高了一倍左右，这是因为增加了折射面，且采用了非球面，提高了像差校正能力的结果；实施例中，镜片厚度约为32mm，只是同倍率、同口径伽利略型望远镜光路的三分之一左右，是同倍率、同口径开普勒型望远镜光路长度的五分之一左右，有利于望远镜的袖珍化，使得该系统非常适合做眼镜望远镜，既便于携带，使用方便，又降低了结构制造成本；本实施例的孔径遮拦比仅为21％，小于一般反射式望远镜30％的遮拦比，光能损失相对较小。实施例中，镜面材料可以是光学塑料，也可以采用其它具有良好透射率和良好镀膜反射率的光学材料，如光学玻璃和光学晶体。

[0036] 参见附图2，图中提供了本实施例望远镜光学系统的垂轴像差图。本实施例中理想透镜焦距是16.9mm，表明进入该理想透镜的1mrad角弥散对应像面内16.9μm。因此，从图2可知，除了边缘视场的垂轴像差在±2mrad内，其他视场的垂轴像差都在±1mrad以内，性能较好。

[0037] 参见附图3，图中提供了本实施例望远镜光学系统的波像差图。从图3可以看到，其轴上波像差小于0.3λ，其他视场的最大波像差小于3.6λ，像质较好。

[0038] 参见附图4，图中提供了本实施例望远镜光学系统的场曲/畸变图，由图4可以看出，系统的像散较小，且畸变小于6％。

[0039] 从以上结果可以看出，本实施例在一个单片上实现了望远系统，减少了镜片个数，降低了材料和加工成本；在一个单片上实现了折射和反射的结合，使得该系统兼有二者的优点：既可保持一个较大的视场，同时可缩短光路长度。

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