CN101561543B - 全透射式空间目标搜索镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全透射式空间目标搜索镜头，其特征在于：所述镜头镜筒内的镜框和压圈由线胀系数与光学玻璃相近的低碳合金结构钢制造而成。不仅提高了结构抗温度效应的性能，而且在镜片冷加工、镜筒设计、加工及镜头装校过程中，有效地控制了各组元的共心，提高了镜头的分辨率。

Description

全透射式空间目标搜索镜头

技术领域：

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是一种全透射式空间目标搜索镜头。

背景技术：

大部分光学镜头装置的工作温度一般为15±20℃，而加工检验及装配温度为20℃，与最低工作温度有25℃的温差，镜头在工作温度环境下会受材料热胀冷缩的应力影响而使成像质量变差，影响了光学系统的精密性。

此外，为了提高对空间目标的搜索能力，用于对空间目标光电搜索和探测的光电系统，都希望镜头的焦距长、相对孔径大，覆盖的天区范围广，分辨本领高。在现有技术中，这类镜头大多数是采用如图1所示的折反射光路结构。用这种方案，虽然可以做到长焦距、大相对孔径和较大的视场角，但它存在下述难以克服的缺点：

1、存在中心拦光，至少损失20％的光能，这对追求强探测能力的空间目标搜索光学镜头而言是很大的缺陷；

2、镜片冷加工工艺性能差；

3、装校技术难度大，镜头的实际分辨率比设计分辨率衰减得很多；

4、光路中使用反射面，导致镜头容易产生杂散光，降低镜头的分辨率。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全透射式空间目标搜索镜头，且该镜头抗温度效应性能好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：这种全透射式空间目标搜索镜头，其特征在于：所述镜头镜筒内的镜框和压圈由线胀系数与光学玻璃相近的低碳合金结构钢制造而成。

本发明的发明要点是在镜筒中的镜框和压圈采用低线胀系数，且与光学玻璃的线胀系数相近、易切削加工的低碳合金结构钢制成，提高了结构抗温度效应的性能。此外，在镜片冷加工、镜筒设计、加工及镜头装校过程中，有效地控制了各组元的共心，提高了镜头的分辨率。

附图说明：

图1是采用折反射光路结构的镜头的光路结构图。

图2是本发明实施例的光路结构图。

图3是本发明实施例的调焦机构的构造示意图。

图中，1、平凸透镜，2、月牙透镜，3、双凹透镜，4、双凸透镜，5、双凸透镜，6、正月牙透镜，7、负月牙透镜，8、负月牙透镜，9、后组镜筒，10、钢珠，11、电机，12、主动轮，13、调焦座，14、钢珠压圈，15、从动轮，16、联接法兰。

具体实施方式：

本发明的全透射式空间目标搜索镜头，由于该光学装置的工作温度为15±20℃，而加工检验及装配温度为20℃，与最低工作温度有25℃的温差，为保证镜头在工作温度环境下不受材料热胀冷缩的应力影响而使成像质量变差，对镜框和压圈选用低线胀系数(线胀系数为8.31×10-6mm/℃)，且便于切削加工的优质碳素结构钢。有效地消除温度对光学系统的影响，保证了光学系统的精密性。

本发明采用八片八组复杂化双高斯镜头结构，沿光线入射方向镜头分为：前组、中组和后组，所述前组设有一平凸透镜1，所述中组依次设有月牙透镜2、双凹透镜3、双凸透镜4三片分离的透镜，所述后组依次设有双凸透镜5、正月牙透镜6、负月牙透镜7、负月牙透镜8四片分离的透镜。沿光线入射方向，所述各透镜之间的空气间隔依次为253.4mm、51.9mm、6.1mm、232.2mm、4.3mm、7.5mm和17.1mm。

上述前组、中组和后组镜片的口径依次减小，前组镜片口径为φ510mm，中组各镜片口径的取值范围为φ320mm～340mm，后组各镜片口径都小于230mm。

该光学镜头采用复杂化的双高斯八片八组的光路结构设计，实现了镜头的长焦距、大相对孔径和较大的视场角，焦距f′＝400mm，入瞳直径φ500(相对孔径D/f′＝1/0.8)，视场角2w≥10°(像方线视场2η′≥φ70)。由于采用全透射式光路结构，有效减小了光能损失，极大地提高了镜头的探测能力和分辨率。

下面对本发明的设计过程作进一步的详细说明。

本发明在光路设计方面用全透射式的结构，设计出长焦距、大相对孔径、大视场、高分辨率的空间高轨目标搜索镜头。在设计中，衡量了镜头长焦距、大相对孔径、大视场、小弥散斑的特点，采用复杂化结构八片八组的双高斯，达到了高性能的高斯光学指标和高分辨率的成像质量。考虑到大口径镜片胶合的工艺水平，在光路中不使用胶合组，着重校正光学系统的轴上像差，尤其注意二级光谱的校正，合理选用、搭配光学玻璃材料，有效地校正了系统的色像差。在优化过程中合理分配各种像差的权重，使各种像差得到有效的控制。在光学系统满足高像素CCD摄像机传感器的分辨率的前提下，竭力提高能量集中度。

在光学设计中，在保证系统的高分辨率和各镜片的刚性，使镜片的光圈不变形的前提下，有效地控制光学镜片的厚度，以减轻镜头的体积和重量，减少材料对光能的吸收。

在保证系统的分辨率，使光路总长、后截距满足系统要求的前提下，设计时加大部分空气间隔，使光学系统中后组镜片的口径迅速减少，在本发明的较佳实施例中，第一片的口径为φ510mm，中组镜片的口径降为φ330mm，后组镜片口径小于φ230mm。同时把口径大于φ500mm的第一片设计为平凸透镜，便于大口径镜片的加工。

由于镜片的口径都很大，在镜片加工中关键技术是镜片的光轴与成像的共轴技术：在镜片研磨过程中，受磨边、对中设备规格和工艺水平的限制，在镜片抛光工序之前采用测量边厚，使同圆周上的边缘等厚度的方法，以保证镜片的同心度，使所有镜片的偏心差都小于0.02mm。

由于该光学装置的焦距长、口径大，为了满足镜头大转动惯量对于成像质量的影响，在镜头结构中进行了刚度设计(有限元分析)，满足系统的使用要求。

为了防止镜片在镜筒(镜框)中周向转动，装调后在镜框和镜片之间用6704硅胶灌封，以增加镜片和镜筒之间的摩擦力，确保镜片不会松动和转动。

本镜头由于焦距长，使用环境温差大，因此在温度变化较大时，后截距会发生变化，为了在温差较大的各环境下系统能够正常工作，本镜头设置了如图3的调焦机构。由于受体积的限制，我们采用高精度钢球(G20以上)自制高精度的过盈轴承，并通过梯形牙及导向钉把电机的周向运动变成直线运动，以调节CCD靶面的位置，使调节机构的动作精密可靠。

以上是本发明的较佳实施实例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种全透射式空间目标搜索镜头，其特征在于：所述镜头镜筒内的镜框和压圈由线胀系数与光学玻璃相近的低碳合金结构钢制造而成，所述镜头采用八片三组复杂化双高斯镜头结构，沿光线入射方向镜头分为：前组、中组和后组，所述前组设有一平凸透镜，所述中组依次设有月牙、双凹、双凸三片相互间隔的透镜，所述后组依次设有双凸、正月牙、负月牙、负月牙四片相互间隔的透镜。

2.根据权利要求1所述的全透射式空间目标搜索镜头，其特征在于：沿光线入射方向，所述各透镜之间的空气间隔依次为253.4mm、51.9mm、6.1mm、232.2mm、4.3mm、7.5mm和17.1mm。

3.根据权利要求1或2所述的全透射式空间目标搜索镜头，其特征在于：所述前组、中组和后组镜片的口径依次减小，前组镜片口径为Φ510mm，中组各镜片口径的取值范围为：Φ320mm～340mm，后组各镜片口径小于230mm。

4.根据权利要求3所述的全透射式空间目标搜索镜头，其特征在于：所述前组镜片口径为Φ510mm。

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