一种大面阵动态监视测量相机光学系统

摘要

一种大面阵动态监视测量相机光学系统，共由防辐射窗口玻璃、十二片球面透镜和大面阵接收器件组成。充满光学系统入瞳的测绘目标辐射光束经防辐射窗口进入光学系统，采用近似远心光路反远距结构型式，在焦面处获取低畸变、高照度图像信息。本光学系统采用近似远心光学系统，即各视场出射主光线角度近似平行，Γ≈0.1；实现设计传函达到衍射极限的同时保证了低畸变、高照度要求。本发明具有广角、近似远心、低畸变、相对照度好、工程可实施性高、光机结构集成度高、温度适应性好等优点，通过四透镜组光焦度的合理优化，可实现对目标景物的大幅面、高分辨率和像面均匀性成像。

说明书

技术领域

本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种应用于空间的面阵广角监 视相机光学成像系统在透射式、大视场、近似远心、高相对照度、低畸变和高 成像质量条件下的实现方法。

背景技术

鱼眼成像光学系统是一种大视场成像的光学系统，可以获取普通镜头无法 比拟的场景范围，其应用已经从特殊摄影领域逐渐扩展到航天深空背景探测过 程监视等领域。

根据像差理论，光学系统的畸变是与视场有关的像差，而像面的相对照度 则又与边缘视场主光线入射到像面的角度余弦值呈四次方关系，对已一般光学 系统，角放大倍率不大，因此，鱼眼成像系统常常具有较大的畸变和较低的相 对照度，大大降低了系统的成像质量和信噪比。

早在上个世纪20年代，R.W.Wood就已经开始了对鱼眼成像系统的研究， 自上世纪60年代，鱼眼镜头得到了空前高速的发展，出现了许多新颖且高质 量的镜头。其中尼康公司设计的一种视场180°、F/2.8、焦距16mm的鱼眼镜 头已经在摄影行业得到了广泛应用。

目前已经成功应用的鱼眼镜头多为民用领域，像质要求相对较低，使用环 境也无特殊之处，尚无成功在轨应用的鱼眼成像系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大面阵动态 监视测量相机光学系统，解决了应用于空间的面阵广角监视相机的透射式、大 视场、近似远心、高相对照度、低畸变和高成像质量同时实现的难题。

本发明的技术方案是：一种大面阵动态监视测量相机光学系统，包括第一 透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组、大面阵焦面探测器件；充满 入瞳的目标辐射光束进入光学系统，经过第一透镜组和第二组透镜组调整目标 辐射光束口径，使目标辐射光束充满放置于第二组透镜组后的光阑，从光阑出 射的目标辐射光束经过第三组透镜组和第四组透镜组后，调整系统角放大倍率 Γ至0.2，其中Γ＝ω₂/ω₁，ω₁为光学系统边缘主光线入射角度，ω₂为光学系统 边缘主光线入射到大面阵焦面探测器件上的角度，最终在大面阵焦面探测器件 成像。

所述第一透镜组包括一片非球面弯月负透镜、一片非球面弯月负透镜和一 片球面弯月正透镜，其中非球面弯月负透镜的材料为冕牌玻璃，非球面弯月负 透镜的材料为火石玻璃。

所述第二透镜组包括一片球面弯月正透镜、一片球面弯月负透镜和一片球 面弯月负透镜，其中球面弯月正透镜的材料为冕牌玻璃，球面弯月负透镜的材 料为火石玻璃。

所述第三透镜组包括一片球面双凸正透镜、一片球面弯月正透镜和两片球 面弯月负透镜，其中球面双凸正透镜的材料为冕牌玻璃，球面弯月正透镜和球 面弯月负透镜的材料均为火石玻璃。

所述第四透镜组包括两片双凸正透镜，其中一片双凸正透镜的材料为冕牌 玻璃，另一片材料为火石玻璃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明大面阵监视相机远心光学系统，视场达到130°，通过控制系统 角放大倍率，解决了款谱段广角透射式系统固有的二级光谱难以消除、边缘视 场小相对畸变和像面高相对照度难以同时获取的难题；光学系统仅由十二片透 镜组成，可针对第一组、第二组、第三组和第四组透镜分别装框，降低了系统 加工和装调的复杂程度；各镜组质心分布均匀，系统稳定性高。

2)本发明光学系统采用近似远心亚对称结构型式，通过精确控制各视场边 缘主光线入射到像面的角度，同时实现低畸变和高的像面相对照度，边缘主光 线入射到像面的角度由65o压缩至13o，光学系统角放大倍率Γ＝0.2，质心稳 定，降低了气候变化对实验室测量精度的影响、在轨运行时焦面的微量变化不 会影响数据的处理精度、焦面变化不会引起各视场弥散斑质心的变化从而提高 监视测量的精度。

3)本发明光学系统采用反远距透射式结构形式来优化最后一片透镜结构至 焦面结构的距离，从而降低系统装配和调整的难度。

4)本发明光学系统通过光学被动消热设计与系统全局优化，根据光学系统 镜筒结构材料的热膨胀系数，使得温度变化时光学系统像面的位置变化趋势与 相机像面探测器位置变化趋势一致，使光学系统温度变化±30℃时像质稳定。

5)本发明具有光机结构紧凑、组成简单、低畸变、成像质量良好、相对照 度高、易于实现等优点，可通过变化物距的同时采用探测器像元合并实现监视 过程的不同分辨率成像，可应用短焦距变物距大视场的高质量成像系统。为机 载/星载在轨大视场监视成像光学系统提出了一个较好的技术实现途径。

附图说明

图1为本发明光学系统组成结构示意图。

图2为光学系统传递函数曲线。

图3为光学系统残余像差及畸变曲线。

图4为光学系统工作温度变化±30℃的传函曲线

具体实施方式

如图1所示，本发明光学系统采用反远距透射式结构，包括第一透镜组1、 第二透镜组2、第三透镜组3、第四透镜组4、面阵焦面器件5，光阑6放置于 第二透镜组和中第三镜组之间，构成亚对称式结构型式；充满光学系统入瞳的 测绘目标辐射光束经过防辐照窗口进入光学系统，经过前组透镜组1和第二透 镜组2调整光束口径充满光阑6，后经过第三透镜组3和第四透镜组4调整系 统角放大倍率，从而控制光学系统畸变和像面相对照度，将边缘主光线入射到 像面的角度由65o压缩至13o，最终在面阵焦面器件5成像。所有透镜的材料 均为无色光学玻璃，所有透镜与空气接触的表面镀增透膜，用于增加宽谱段成 像光学系统的能量效率。通过结构设计环形结构保证光阑与透镜组的相对位置 及通光口径。

本发明光学系统的一个实施方案为焦距5mm，工作谱段为可见光谱段 420～700nm，基于相机系统能量和信噪比的要求，光学系统相对口径选为1/4， 有效视场为131°光学系统外形尺寸为Φ65mm×90mm，透镜组最大通光口径 控制在65mm以内，透镜组长度85mm。如图3所示，系统设计相对畸变在全 视场内小于5％。相机使用8μm的面阵CCD器件，通过在探测器窗口玻璃第 二面镀带通滤光膜控制系统有效谱段范围。

为了满足光学系统大工作温度场的特殊要求，光学系统满足公式(1)中的 光焦度匹配要求、消热差要求和消轴向色差要求：

$\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i{\phi }_i=h_1\phi \\ d{f}_b^{\left(\lambda \right)}/\mathrm{dT}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i^2{T}_{f,\mathrm{ri}}{\phi }_i+{\alpha }_l\phi =0\\ d{f}_b^{\left(\lambda \right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{h_i^2{\phi }_i}{{\upsilon }_i}=0\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：h_i为归一化第一近轴光线在各个元件的高度，Φ_i为归一化各个元件 组的光焦度，Φ为归一化系统的光焦度，υ_i为每个光学元件的阿贝数，T_f,ri为 热膨胀系数。

本发明光学系统共由十个光学件组成，其中窗口玻璃材料与棱镜不参与成 像，光学系统由八片透镜组成，即i＝1,2.....12，h₁.......h₁₂代表了第一近轴光线 在第一至第八透镜上的透射高度，Φ₁......Φ₁₂代表了归一化的第一至第八透镜的 光焦度，Φ为光学系统总光焦度，υ₁......υ₁₂代表了第一至第八片透镜的阿贝数。

光学材料的热膨胀系数可表示为：

$T_{f,r}=\frac{1}{f}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dT}}={\alpha }_g-\frac{\beta }{n-1}---\left(2\right)$

由公式(1)和(2)，利用多种光学材料和结构材料间的热特性参数的互 补性，合理选择光学材料并分配各个透镜组的光焦度，光学系统镜筒结构材料 的热膨胀系数，使得温度变化时光学系统像面的位置变化趋势与相机像面探测 器位置变化趋势一致，光学系统像面的位置与相机像面探测器位置之差小于光 学系统的焦深。

光学系统共由十二片透镜组成，均采用无色光学玻璃。第一透镜组1包含 有一片非球面弯月负透镜、一片非球面弯月负透镜和一片球面弯月正透镜，其 中两块冕牌玻璃，一块为火石玻璃；第二透镜组2包含一片球面弯月正透镜、 一片球面弯月负透镜和一片球面弯月负透镜，其中一块冕牌玻璃、两块为火石 玻璃；第三透镜组3包含有一片球面双凸正透镜、一片非球面弯月正透镜和两 片球面弯月负透镜，其中两块冕牌玻璃、两块为火石玻璃；第四透镜组4包含 有两片双凸正透镜，其中一块冕牌玻璃、一块火石玻璃。十二片透镜所采用的 光学材料均为高化学稳定性、低热涨系数。

如图2和图4所示，光学系统在常温20℃和温度变化±30℃的传函曲线 基本无变化。图3给出了光学系统设计残余相对畸变曲线，全视场相对畸变小 于3.6％。

大面阵焦面探测器件5为面阵CCD或CMOS探测器接收面。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。