CN101477240A

CN101477240A - 数字航测全色相机镜头

Info

Publication number: CN101477240A
Application number: CNA2009100768246A
Authority: CN
Inventors: 蓝公仆; 梁伟; 马文礼; 高晓东
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2009-07-08

Abstract

数字航测全色相机镜头，其特征在于：由前组透镜、光阑和后组透镜组成，并且所有透镜位于同一光轴顺次放置；所述前组透镜由第一球壳透镜，第二球壳透镜，第三球壳透镜、第一双胶合透镜和双凸透镜组成；后组透镜分别由第二双胶合透镜、弯月透镜、第三双胶合透镜和第四球壳透镜组成。本发明的数字航测全色相机镜头解决了大视场下难以实现高分辨率和低畸变的难题。其光学视场达到78.6°，焦距达到79.8mm，F数达到5.6～16。

Description

数字航测全色相机镜头

技术领域

本发明涉及一个数字航测相机附件，特别涉及一种数字航测全色相机镜头。

背景技术

在目前的航空测量中，占主导地位的还是传统的航空胶片摄影，但航空胶片摄影有很多不足：(1)冲印处理耗费大量的时间与人力，胶片保管维护麻烦；(2)必须先进行扫描输入才能进行计算机处理，耗费时间，难以及时对数据进行分析，并可能损伤胶片；(3)胶片感光层和其光谱特性限定了其信息获取的能力；(4)对拍摄图像的质量和使用的曝光参数是否合适不能直接确认和实时检验；(5)处理时间周期长，处理工艺流程复杂。

针对胶片摄影的不足，世界各国争相研究发展数字摄影系统来解决这个问题。航空数字测量系统的优点是显而易见的。比如：具有当代高技术水平的数字传感器线性响应度好、有数字增强功能、对地光照灵敏度高；运作部件少、工作寿命长、体积小、重量轻；数字图像应用于测图，可直接进入计算机进行各种处理，时间周期短；实时图像数据显示与检查，及时发现漏拍并补拍，一次性获取作业区域的影像数据，减少飞行架次，大幅降低成本；记录介质反复使用、易于存储保存等。

当“数字中国”、“数字城市”、“数字国土”作为21世纪我国社会经济、资源环境可持续发展的一个重要战略思考时，数字航测相机代替传统胶片摄影成为了必然趋势。

在此趋势下，数字航测相机系统镜头的光学设计方面又遇到了新的挑战。因为数字航测相机系统镜头相比于传统胶片相机镜头的来说有更高的性能要求：由于CCD像元尺寸较小，需要镜头具有更高的分辨率和更低的畸变。

一般来说，一个数字航测相机系统由两类镜头共同组成，一类镜头具有相对大的口径、相对长的焦距、相对大的像面，应用全色CCD作为接收器件，主要采集地面物体的几何信息；另一类镜头具有相对小的口径、相对短的焦距、相对小的像面，应用彩色CCD作为接收器件，主要采集地面物体的光谱信息。

国内外在采用单面阵获取高精度全色影像数据、单面阵获取低精度彩色影像数据，通过融合生成高精度的彩色影像信息的数字航测相机系统方面还属空白。

发明内容

本发明是在基于大面阵全色CCD下，所设计出来的航测镜头，用来采集地面物体的几何信息

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种数字航测全色相机镜头，通过采用采用正、负光焦度的冕牌和火石玻璃透镜的合理搭配，有效解决了现有的数字航测相机系统镜头基于大面阵全色CCD作为接收器件下的，难以实现大视场、高分辨率和低畸变的技术难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：数字航测全色相机镜头，其特征在于：由前组透镜、光阑和后组透镜组成，并且所有透镜位于同一光轴顺次放置；所述前组透镜由第一球壳透镜，第二球壳透镜，第三球壳透镜、第一双胶合透镜和双凸透镜组成；后组透镜分别由第二双胶合透镜、弯月透镜、第三双胶合透镜和第四球壳透镜组成。

所述第一球壳透镜，第二球壳透镜，第三球壳透镜，其材料均为同材料冕牌玻璃，其光焦度均为负值。

所述第一双胶合透镜的两块玻璃的光焦度分别为正、负，它们一起产生了一个比较大的正光焦度；且第一双胶合透镜的两块玻璃的选材均为大折射率、低阿贝数的不同牌号的重火石玻璃。

所述双凸透镜选用了阿贝数大，折射率小的氟冕玻璃以对双胶合透镜的色差进行补偿。

所述第二双胶合透镜的两块玻璃的光焦度分配分别为负、正；其中第一块玻璃用了一个高折射率、低阿贝数的镧火石玻璃；第二块用了一个低折射率、高阿贝数的氟冕玻璃。

所述光阑距前组透镜透镜和后组透镜的距离之比为1.3:1～1.9:1。

所述弯月透镜选用的是高折射率、低阿贝数的重火石玻璃；其光焦度为负。

所述第三双胶合透镜，其两块玻璃的光焦度分配为正、负；两块玻璃用的是均是常规火石玻璃；正透镜应用的是折射率略高、阿贝数略低的火石玻璃，负透镜用了一个折射率略低、阿贝数略高的材料的冕火石玻璃。

所述球壳结构的材料为与第一球壳透镜，第二球壳透镜，第三球壳透镜牌号相同的冕牌玻璃。其光焦度为负。

所述前组透镜的通光口依次减小、后组透镜的通光口径依次增大；

本发明的数字航测全色相机的具体参数如下：

F数5.6～16，；焦距79.8mm；视场78.6⁰；无渐晕；根据所选CCD的光敏面尺寸，系统的像面对角线半高为66mm；分辨率很高，F数为5.6时，55线对的MTF>0.44；低畸变，全视场畸变<0.01％(6.6μm)；镜长230mm(从第一面玻璃到最后一面玻璃)，后截距13mm。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

(1)本发明具有大的视场，达到了78.6⁰，与小视场航测镜头相比有以下优势：全色镜头具备大的航向视场，提高基高比，保证大比例尺测图高的高程精度要求。同时降低地标点的铺设数量，减少地面外场工作量。全色镜头具备大的旁向视场，提高单幅的覆盖宽度，减少航带数量，提高作业效率。

(2)在大视场前提下，本发明在镜子最前端采用了三片球壳结构代替了以往的一片球壳结构，以减少单片镜子的敏感度，容易在较为宽松的公差下达到更高的像质；系统没有通过设置渐晕来保证像质，这样轴外视场的能量受到的损失较少；

(3)本发明包含了两个均完全由火石玻璃组成的双胶合透镜结构：第一双胶合透镜和第三双胶合透镜；其目的是通过采用胶合结构可以达到高的偏心要求，以保障成像质量；

(4)本发明通过各透镜不同正负光焦度的组合来减少场曲，更进一步减少畸变，全视场畸变<0.01％(6.6μm)，通过后期的图像处理更容易达到“零畸变”，保证航空测绘作业高的几何精度要求；

(5)本发明分辨率很高，F数为5.6时，55线对的MTF>0.44。

附图说明

图1为数字航测全色相机镜头的结构图；

图2为数字航测全色相机镜头的传递函数曲线图；

图3为数字航测全色相机镜头的场曲畸变曲线图；

图4为数字航测全色相机镜头的几何像差曲线图；

图5为数字航测全色相机镜头的点列图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明的数字航测全色相机镜头由前组、光阑和后组组成，共12片光学透镜。前组的结构主要考虑的是增大视场，后组结构考虑的主要是系统的F数，前组后组均用了胶合结构以控制系统的色散和减少高级像差。

前组由第一球壳透镜1，第二球壳透镜2，第三球壳透镜3、第一双胶合透镜4和双凸透镜5组成；后组分别由第二双胶合透镜7、弯月透镜8、第三双胶合透镜9和球壳透镜10组成。所有透镜都位于同一光轴上。前组透镜的通光口径依次减小、后组透镜的通光口径依次增大。

由于航测相机镜头设计的最主要的评判标准是它的的畸变，而对于畸变来说，它和视场的三次方成正比，这样在大视场(78.6⁰)情况下，畸变很难控制。因此怎样控制畸变，成为设计中最主要考虑的问题。

有像差公式如下

S_{5} = S_{1} {(\frac{i_{p}}{i})}^{3} + S_{4} (\frac{i_{p}}{i})

其中，第五像差和数S₅与畸变有关，第一像差和数S₁与球差有关，第四相差和数S₄与场曲有关。i为入射角，i_p为主光线入射角。从公式可知，畸变与球差和场曲有关。校正球差是校正像差的根本，为了达到高像质，要首先校正球差，而且一般来说比较容易校正；因此控制畸变的重点就是控制场曲。场曲的校正和正负光焦度的分配有关，按照校正初级场曲的条件有：

其中

为各元件光焦度，n_i为各元件折射率。因此，要校正畸变主要考虑的是正负光焦度的合理分配。

由于本发明的航测相机镜头视场很大(78.6⁰)，因此它的前置透镜通常需要一个曲率比较大的球壳型结构，但是：①若曲率比较大，其光线入射角也比较大，产生比较大的高级像差；②曲率大的球壳难以加工。为了解决这些问题，用了三个曲率相对较小的同材料冕牌玻璃的球壳型透镜1～3代替了一个球壳透镜。三个球壳结构的光焦度均为负。

第三球壳透镜3的后面是第一双胶合透镜4，其两片玻璃的光焦度分配分别为正、负，它们一起产生了一个比较大的正光焦度。双胶合透镜4的两块玻璃的选材均为大折射率、低阿贝数的不同牌号的重火石玻璃。

第一双胶合透镜4后面是一个双凸透镜5，第一双胶合透镜4并不能对色差进行校正，双凸透镜5选用了阿贝数大，折射率小的氟冕玻璃对第一双胶合透镜4的色差进行补偿。

双凸透镜5后面是光阑6；因为畸变从定义上面表征着主光线的偏移，因此可以推导出光阑6距离前组和后组的距离对于控制畸变来说，显的格外的重要，光阑6距前组透镜透镜和后组透镜的距离之比为1.3:1～1.9:1。

光阑6的后面是第二双胶合透镜7，其光焦度分配分别为负、正。第一块玻璃用了一个高折射率、低阿贝数的镧火石玻璃；第二块用了一个低折射率、高阿贝数的氟冕玻璃。双胶合透镜7可以用来校正色差。

第二双胶合透镜7后面是一个弯月透镜8，选用的是高折射率、低阿贝数的重火石玻璃。其光焦度为负。

弯月透镜8后面是第三双胶合透镜9，其两块玻璃的光焦度分配为正、负。两块玻璃用的是均是常规材料：正透镜应用的是折射率略高、阿贝数略低的火石玻璃，负透镜用了一个折射率略低、阿贝数略高的材料的冕火石玻璃。

最后的一片玻璃是第四球壳结构10，产生一个比较大的负光焦度。所选材料为与第一球壳透镜1，第二球壳透镜2，第三球壳透镜3牌号相同的冕牌玻璃，其光焦度为负。

图2到图5为本发明的数字航测全色相机镜头的像质分析。

如图2数字航测全色相机镜头的传递函数曲线图所示，系统F数5.6，视场为78.6⁰时(半像高66mm)，可见光范围内，55线对处，系统的子午和弧矢传递函数均大于0.44。

由图3所示，整个视场内相对畸变均小于万分之一，R、G、B光的畸变曲线基本一致，且垂轴色差非常小，有利于后期的图像处理对畸变进行的进一步校正，较易达到“零”畸变；

由图4所示，系统的几何像差对称性好，慧差非常小，最大的几何像差小于17微米；

由图5所示，视场达到78.6⁰(像高66mm)时，其RMS半径小于5微米，能量集中度高。

Claims

1、数字航测全色相机镜头，其特征在于：由前组透镜、光阑(6)和后组透镜组成，并且所有透镜位于同一光轴顺次放置；所述前组透镜由第一球壳透镜(1)，第二球壳透镜(2)，第三球壳透镜(3)、第一双胶合透镜(4)和双凸透镜(5)组成；后组透镜分别由第二双胶合透镜(7)、弯月透镜(8)、第三双胶合透镜(9)和第四球壳透镜(10)组成。

2、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述第一球壳透镜(1)，第二球壳透镜(2)，第三球壳透镜(3)，其材料均为同材料冕牌玻璃，其光焦度均为负值。

3、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述第一双胶合透镜(4)的两块玻璃的光焦度分别为正、负，它们一起产生了一个比较大的正光焦度；且第一双胶合透镜(4)的两块玻璃的选材均为大折射率、低阿贝数的不同牌号的重火石玻璃。

4、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述双凸透镜(5)选用了阿贝数大，折射率小的氟冕玻璃以对双胶合透镜(4)的色差进行补偿。

5、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述第二双胶合透镜(7)的两块玻璃的光焦度分配分别为负、正；其中第一块玻璃用了一个高折射率、低阿贝数的镧火石玻璃；第二块用了一个低折射率、高阿贝数的氟冕玻璃。

6、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述光阑(6)距前组透镜透镜和后组透镜的距离之比为1.3:1～1.9:1。

7、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述弯月透镜(8)选用的是高折射率、低阿贝数的重火石玻璃；其光焦度为负。

8、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述第三双胶合透镜(9)，其两块玻璃的光焦度分配为正、负；两块玻璃用的是均是常规火石玻璃；正透镜应用的是折射率略高、阿贝数略低的火石玻璃，负透镜用了一个折射率略低、阿贝数略高的材料的冕火石玻璃。

9、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述球壳结构(10)的材料为与第一球壳透镜(1)，第二球壳透镜(2)，第三球壳透镜(3)牌号相同的冕牌玻璃。其光焦度为负。

10、根据权利要求1所述的数字航测全色相机镜头，其特征在于：所述前组透镜的通光口径依次减小、后组透镜的通光口径依次增大。