一种适用于远距离成像的长焦距复消色差光学镜头的制作方法

本发明涉及光学镜头技术领域，具体公开一种适用于远距离成像的长焦距复消色差光学镜头。

背景技术：

在许多应用领域中，为了获得高的分辨率和良好像面照度，要求光学成像系统具有大的孔径和长的焦距；另外由于探测器件的发展进步，光谱响应范围越来越宽，对光学系统提出宽谱段的需求。对于以折射原理为基础的长焦距高分辨率光学成像镜头，二级光谱是制约成像质量的重要因素，对它的校正是光学设计中的重点和难点。

对于折反射式光学系统，其全反射式前组天生具备色差校正的优势可以分担大部分光焦度，其后折射镜组的焦距一般很小且口径不大，色差校正相对容易。但全反射式系统的视场难以做大，加工难度大、成本高，或存在中心遮拦等影响成像质量和探测能力的因素。折射式系统优势在于无遮拦，易于实现大视场，加工装调手段常规，系统稳定，杂散光易于控制；劣势在于尺寸受限、二级光谱校正困难。

本发明采用复杂化的Petzval物镜结构，对光学材料合理选择，实现长焦距成像光学镜头的复消色差设计。本发明能够实现米级以上焦距、10°左右视场的光学镜头复消色差设计，具有接近衍射极限的成像质量及良好的可实施性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于折射原理的易于实现的大口径、长焦距复消色差光学成像镜头，结构紧凑，像质要求达到或接近衍射极限。为实现上述目的，本发明提供了一种复杂化的Petzval结构光学镜头，用于远距离高分辨率成像。

已有技术的Petzval物镜由“++”分离的两个透镜组组成，是一种适用于大相对孔径小视场的摄影物镜，结构形式本身有利于二级光谱的校正。Petzval物镜的球差和慧差可以得到很好的校正，相对孔径比较大，中心视场像质优良；但其结构特点导致Petzval和难以校正，随着视场角的增加会产生较大的场曲，因而不利于大视场设计。

为实现长焦距复消色差的目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种适用于远距离成像的长焦距复消色差光学镜头，沿光线入射方向依次包括第一透镜组、孔径光阑、第二透镜组、第三透镜组、像面；

第一透镜组包括依次排列的第一折射正透镜，第一折射负透镜，第二折射正透镜和第二折射负透镜；

或者，第一透镜组为双单透镜，包括依次排列第一折射正透镜，第一折射负透镜和第二折射正透镜；

或者，第一透镜组为单双透镜，包括依次排列的第一折射正透镜，第二折射正透镜，第一折射负透镜；

第二透镜组包括第三折射正透镜和第三折射负透镜；

或者，第二透镜组仅包括第三折射正透镜；

第三透镜组包括第四折射正透镜和第四折射负透镜。

进一步地，第一折射负透镜、第二折射负透镜、第三折射负透镜和第四折射负透镜材质均采用具有特殊相对部分色散的国产TF3玻璃；第一折射正透镜、第二折射正透镜、第三折射正透镜和第四折射正透镜材质均采用普通玻璃。

进一步地，孔径光阑位于第一透镜组和第二透镜组的中间位置，用于调整系统的对称性以校正垂轴像差。

进一步地，相对孔径1:6，焦距1000mm，视场角8°，工作波段470nm～750nm。

进一步地，第一透镜组通光口径为200mm，第二透镜组通光口径为170mm，第三透镜组通光口径为150mm。

进一步地，三组透镜的焦距之比约为34:1:-3.6。

进一步地，第一透镜组和第二透镜组间隔230mm，第二透镜组与第三透镜组间的距离为320mm；孔径光阑位于第一透镜组之后110mm的位置。

本发明的有益效果在于：长焦距复消色差，严格校正畸变，像质优良，且整个视场具有一致成像质量；同时，不仅在光电系统特征频率处有较高的光学传递函数值(MTF)，还具有较高的在中低频处的光学MTF，以便提高低对比分辨能力，使图像保持丰富层次。本发明的光学镜头适合批量生产。

附图说明

图1为Petzval物镜的基本结构；

图2为根据本发明一种实施例光学镜头的光路示意图；

图3为根据本发明一种实施例的像差曲线；

图4为根据本发明一种实施例的传函曲线；

附图中各数字标号所指代的部位名称如下：

1-第一透镜组，2-第二透镜组，3-第三透镜组，4-孔径光阑，5-像面，11-第一折射正透镜，12-第一折射负透镜，13-第二折射正透镜，14-第二折射负透镜，21-第三折射正透镜，22-第三折射负透镜，31-第四折射正透镜，32-第四折射负透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1为Petzval物镜的基本结构图，图2为本发明所示的光学镜头，沿光线入射方向依次包括第一透镜组1、孔径光阑4、第二透镜组2、第三透镜组3和像面5。第一透镜组1由3片或4片透镜组成，透镜为4片时依次为第一折射正透镜11，第一折射负透镜12，第二折射正透镜13和第二折射负透镜14，形成结构形式为“+-+-”的第一透镜组1；透镜为3片时，为双单透镜或单双透镜，为双单透镜时包括依次排列的第一折射正透镜11，第一折射负透镜12和第二折射正透镜13，形成结构形式为“+-+”的第一透镜组1；为单双透镜时包括依次排列的第一折射正透镜11，第二折射正透镜13和第一折射负透镜12，形成“++-”的第一透镜组1；双透镜可以为双分离透镜或双胶合透镜；第二透镜组2由1片或2片透镜组成，透镜为2片时包括依次排列的第三折射正透镜21和第三折射负透镜22，透镜为1片时仅包括第三折射正透镜21，形成结构形式为“+-”或“+”的第二透镜组2；第三透镜组3由2片透镜组成，依次为第四折射正透镜和第四折射负透镜，形成结构形式为“+-”的第三透镜组3；孔径光阑4位于透镜组1与透镜组2间隔的中间位置，像面5设在第三透镜组3之后。结合图2，本实施例所述系统为Petzval光学镜头的复杂化。对于第一透镜组1，将标准结构中的双胶合变为双分离透镜后，再增加一组双分离透镜，用多出了透镜分担增加的大部分相对孔径；增加一组双分离第二透镜组2，同样具有增大相对孔径的功能，并且用于校正系统二级光谱、球差、慧差、色差；采用特殊光学材料，结合Petzval结构特点，实现二级光谱的校正。孔径光阑4位于第一透镜组1和第二透镜组2的中间位置，用于调整系统的对称性以校正垂轴像差。

本实施例所述的长焦距复消色差成像光学镜头相对孔径1:6，焦距1000mm，视场角8°，工作波段470nm～750nm，特征波长选取480nm、546.07nm、730nm，相对照度中心100％，边缘98.5％，畸变优于0.001％如图3所示，传递函数高如图4所示。

第一透镜组1通光口径为200mm，第二透镜组2通光口径为170mm，第三透镜组3通光口径为150mm；三组透镜的焦距之比约为34:1:-3.6；三组元分离校正色差、轴外像差，第一透镜组1和第二透镜组2间隔230mm，第二透镜组2与第三透镜组3间的距离为320mm；孔径光阑4位于第一透镜组1之后110mm的位置。

为了便于加工和生产批量化，本实施例对透镜材料的选择遵循最简单化设计原则，整个光学镜头8片透镜，选用2种光学材料，第一折射负透镜12、第二折射负透镜14、第三折射负透镜22和第四折射负透镜32材质均采用具有特殊相对部分色散的国产TF3玻璃；第一折射正透镜11、第二折射正透镜13、第三折射正透镜21和第四折射正透镜31材质均采用普通玻璃。

结合图3和图4，光学系统三个特征波长的球差曲线在0.7视场附近相交与一点，实现了复消色差的设计校正；系统最大畸变设计为百万分之一，趋近于零；光学镜头全视场在50lp/mm特征频率处传递函数(MTF)大于0.37，表明系统具有较高的分辨能力。

本发明的特点是：以Petzval结构形式为基础，复杂化后实现米级焦距折射式光学镜头的复消色差，具有较大相对孔径和较大视场，相对畸变达到百万分之一，轴上轴外成像质量优良且像质高度一致。综上说明本实施方式所述之系统的成像质量完全可以满足高质量应用水平需求。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。