1、工程光學大作業一種長焦距遠攝物鏡光學結構介紹二零一二年六月大口徑長焦距遠攝物鏡光學結構，折反射主鏡(2)位于反射主鏡(3)前端，其特點是：在折反射主鏡(2)的前端還設置有一分離式的，至少一面為曲面的修正透鏡(1)。本實用新型可使光學儀器短鏡身、口徑大、焦距長、并可采用普通光學材料制成反射鏡、其鏡面形狀均為球形，極易于生產加工，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像質量。關鍵詞：遠攝鏡頭；光學系統；復消色差一種長焦距遠攝物鏡光學結構簡介紹一、相關領域研究背景二十世紀電子工業的發展達到了一個新的高峰，光的特質性越來越體現其運用的廣泛性。光電結合的產品一數碼相機、激光設備等正在不斷的發展和完善，現代光學

2、在國防、航天等各個方面如激光信息元件、光電子應用領域已非常很廣泛。光電子信息處理產品包括數碼照相機、照相手機、掃描儀、激光讀取頭、多媒體投影儀、投影電視、網絡攝像頭等，光學在電子領域的運用已經不斷的沖擊傳統光學領域每一種產品，如何將光學傳統產業如照相機、望遠鏡等合理的與現代光電子學進行接洽、融合是傳統光學設計的一大難點。二、具體光學結構介紹本文所介紹的物鏡由折反射主鏡、反射主鏡、轉向機構和鏡頭簡體組成，折反射主鏡位于反射主鏡前端，其特征是：在折反射主鏡的前端還設置有一分離式的，至少一面為曲面的修正透鏡；修正透鏡所具有的曲面均為球面；修正透鏡既可以是一面為凸球面一面為凹球面，也可以是一面為平面一

3、面為凸球面。本物鏡的修正透鏡與折反射主鏡有效口徑D一致，其有效口徑D范圍為60300ram,其中優選相對口徑為D/F:1/6-1/10;本實用新型修正透鏡與折反射主鏡的問隔距離為，L=HR2+HR3+t。該公式中，HR2=R2-RRf-(D/2)2,Hr3=R3_、;R；-(D/2)2,t=050mm;其中：R2為修正透鏡的第二面半徑，R3為折反射主鏡的第一面的半徑，Hr2為R2面的弧高，Hr3為R3面的弧高，D為修正透鏡的有效口徑，t為間隔的最合理變化區域。下面結合圖示進一步闡述本物鏡工作原理。如圖2為本折反射式遠攝光學結構系統光學光路圖，圖3為其結構示意圖。L修正透鏡1、折反射主鏡2、反射

4、主鏡3均采用普通光學材料按同軸安裝在鏡頭簡體5上，轉向機構4位于鏡頭簡體5后部，修正透鏡1為一面凸一面凹的球面；折反射主鏡2也為一面凸一面凹的球面，其凹面向著折反射主鏡2的凹面；反射主鏡3為一面凹球面一面平面，其凹球面向著折反射主鏡2的凸面，修正透鏡l、折反射主鏡2、反射主鏡3的球面半徑分別是R1、R2、R3R4R5,此光學結構是修正透鏡1、折反射主鏡2的4個透射面為前組物鏡組，兩個外反射面為后組物鏡組。具體工作原理是：光線通過修正透鏡1、折反射主鏡2的球面R1、R2R3R4后到達反射主鏡3的球面R5,將光線反射到折反射主鏡2的R4上，再經過R4的反射，將不同物點的光線會聚到視場成像面6上對應

5、的像點位置，最終將不同物點在視場成像面上的成像點組成了一個像面。在此基礎上根據不同的需要（如目視、膠片照相、數碼照相等）連接相關的光學成像器件，滿足人們觀測的需要。修正透鏡I的球面半徑R1、R2是根據具體的光學儀器產品設計參數如口徑、焦距、透鏡間距、后截距、光學材料、像差等要求進行相應變化而確定的，可以是一凸一凹球面組成，也可是一平面一凸面組成；修正透鏡l的曲面皆為球面或平面與球面組成，只有在特殊用途下方可以改用非球面的面型；所有透鏡的光學材質可采用普通光學材料，通常采用K9材料，并且如果采用更低色散的光學材料，如ED材料，像差減小、成像效果會更好；如果采用非球面，則也可改用樹脂鏡片；折反射主

6、鏡2的球面半徑R3>R4也是根據具體的設計參數如口徑、焦距、透鏡間距、后截距、光學材料、像差等要求進行相應變化而確定的，通常是由一凹一凸球面組成，并在半徑R4上通常采用了反射球面的運用；折反射主鏡2通常上只采用球面設計，只有在特殊用途要求下可以將R3改用非球面的面型；折反射主鏡2的光學材質一般化，通常采用K9材料，并且如果采用更低色散的光學材料，如印材料，像差減小、成像效果會更好；如果采用非球面，也可改用樹脂鏡片；反射主鏡3的反射鏡R5采用的是外反射設計；反射主鏡3通常采用球面設計，只有在特殊用途要求下可以將R5改用非球面的面型；反射主鏡3光學材質一般化，基本只采用K9材料，如果采用非球

7、面，可改用樹脂鏡片；本系統的基本結構參數采用歸一化數據，以80ram口徑的光學系統為例，具體結構形成以下參數：口徑：D=80mm相對口徑：1/7.5后工作距離L2:210.Omm視場：至少1.4度的目視視場，1度的數碼成像范圍；歸一化后的系統設計數據：廳P半徑RIWL折射率nd10.O0.088K9223.80.088132.02O.1K942.261.5154.5615162.262.621三、個人總結與啟示經查閱相關資料，總結現今光學系統在光電領域的運用主要包括：1 、光學設計的領域中，涉及到光電轉換器件的鏡頭設計主要是中、小口徑的透鏡設計，如數碼照相機、照相手機、掃描儀、激光讀取頭、多媒

8、體投影儀、投影電視、網絡攝像頭等；以數碼照相機、照相手機為例，其特性是鏡頭片數多，焦距短，鏡片小型化較多，對材料特殊性要求高；多運用非球面設計，加工困難;2 、大口徑的產品主要是運用在天文望遠鏡上，但其光學設計的要求一般都是很高的，根據其使用方式的劃分，可分為專業性的和業余愛好性的兩大種類，對專業性的來講，其光學性能的要求不僅僅只是中心分辨率要幾乎等于理論設計值，其在光學設計中的光學傳遞函數等的要求都很高，無論設計或是制造都很困難；3 、光電數碼成像器件在傳統光學系統中的運用是困難的，無法做到高像素，即使是所謂的高像素也僅僅在無窮遠成像的中心分辨率處，例如原業余愛好型天體望遠鏡目視時在中心是沒

9、有太多像差的，但總是不會得到清晰、一致的視場成像；還有雙筒望遠鏡的數碼成像系統更是讓人感到有無法同步、又得不到更高像素的缺憾；4、在長焦鏡頭數碼鏡頭的設計中，日本Kowa公司曾設計了一個長焦300萬像素的變倍照相鏡頭，它是一個物鏡、目鏡都可變倍的觀靶鏡頭，但卻需要特殊光學材料才能制成，成本十分高昂。相比之下，本物鏡光學系統對以上某些問題做了很大的改進。具優點如下：1、短鏡身，長焦距，大口徑；2、透鏡少，可依據成像系統的需要，采用低色散的光學材料；3、可在此結構的基礎上，在后添加像差校正透鏡；4、回避開了透鏡過多、材料特殊、結構復雜等的問題；5、也回避了透鏡加工復雜的問題6、最主要的解決了在數碼成像系統中，原來無法做到的大口徑、高像素的遠心光路的市場需求；7、比現有產品易于加工，沒有非球面：零件的介入，沒有薄壁零件的介入，沒有內反射鏡零件的介入，沒有膠合零件的介入，沒有打孔透鏡的介入等；8、成像質量良好，在相對一致的視場比較中，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像質量；9、可以廣泛的將此光學結構系統運用l在地面觀測如長焦數碼照相鏡頭，并兼備目視和天文望遠使用之中，甚至可以使用在微光、紅外的產品設計中。現今科技的發展日新月異，各學科門類分類日