CN101794055B - 一种可调焦式航空相机 - Google Patents

Abstract

可调焦式航空相机，其特征在于：由第一透镜、第二透镜、双胶合透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、调焦透镜共九片玻璃组成，所有透镜依次排列在同一光轴上；其焦距f＝380mm、视场角2ω＝10°、F数8、波段460～750nm、总长380mm、后截距150mm、MTF＞0.55(701p/mm)；通过主动调焦，可以在温度-60℃～60℃、压力0～1个大气压、航高200m～15000m内清晰成像。本发明实现了镜头的宽温低压工作，减少了研制成本，使航空摄影相机系统应能适应不同的飞行平台。

Description

一种可调焦式航空相机

技术领域

本发明涉及一种航空相机，特别是一种可调焦式中焦航空相机。

背景技术

在中高空飞行平台上，(对流层内)环境温度随海拔高度的升高而降低，每千米下降6℃左右，因此航空摄影相机的实际工作环境温度非常低。而在飞机上升或下降的过程中，环境温度变化也很大。例如，当飞行平台从地面飞至7000米高空时，温度将下降42℃。而光学镜头对温度造成的材料折射率、间距变化、元件面形变化等非常敏感，由于温度的变化会引起相机镜头的像面的变化，影响像质。为了解决温度变化所带来的问题，目前国内外的航空摄影相机系统通常做法是对镜头进行保温，即让其工作在一个相对恒定的常温环境，比如20±2℃。这需要一套温控装置即加温和降温装置。而这种温控装置必将增加系统体积和重量，同时还需提供几十甚至上百瓦的功率为镜头提供热源用于加温。这些措施与平台对载荷的轻量化、小型化、低功耗等要求背道而驰，对飞行平台来说是一个非常大的负担。

另外，由于飞行平台上压力随高度的增加而降低，而且高度越高，其非线性越严重，例如，若地球表面的大气压力为101324.72Pa，则当飞行平台飞至3000米高空时，其大气压力为70260.69Pa；当飞行平台飞至5000米高空时，其大气压力为54262.05Pa；当飞行平台飞至7000米高空时，其大气压力为41329.82Pa；当飞行平台飞至10000米高空时，其大气压力为26664.40Pa。压强的变化将会导致空气折射率的变化，空气折射率的变化将会影响玻璃相对空气折射率的变化，从而影响相机的成像质量。传统相机系统多采用恒压或压力控制装置来保障系统的正常工作，这些恒压或压力装置将大大增加系统重量和体积，这与飞行平台对体积和重量严格要求不相符。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可调焦式中焦航空相机，实现镜头的宽温低压工作，减少研制成本，使航空摄影相机系统应能适应不同的飞行平台。

本发明要解决的主要技术问题是：一种可调焦式航空相机，其特点在于：所述可调焦式航空相机的焦距f＝380mm、视场角2ω＝10°、F数8、波段460～750nm、总长380mm、后截距150mm、MTF＞0.55(70lp/mm)；它由第一透镜、第二透镜、双胶合透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、调焦透镜共九片玻璃组成，所有透镜依次排列在同一光轴上；通过调焦透镜的调焦，可以在温度-60℃～60℃、压力0～1个大气压、航高200m～15000m内清晰成像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过调焦的方式对温度引起的镜头像面的变化和像差进行调整与补偿，实现镜头的宽温工作。无需附加恒温或温度控制装置，减小摄影相机的重量和体积，同时降低摄影相机系统对平台的能源需求；经主动式温度补偿后镜头能够优良成像的温度范围为-60℃～+60℃。

(2)采用调焦的方式对由压强引起的像面变化和像差进行调整和补偿，无需附加恒压或压力控制装置，减小摄影相机的重量和体积；经主动式压力补偿后镜头能够优良成像的压力范围为0～1个大气压。

(3)采用调焦的方式补偿由航高引起的像面变化，经调焦后，可适合200m以上的空中作业。

(4)同时温度调焦、压力调焦和距离调焦均采用相机后方同一片调焦元件进行调节，简化机构，降低系统的复杂性，增加了系统可靠性，减小了相机系统体积和重量。镜头宽温低压适应能力同时满足多种不同飞行高度的飞行平台。

附图说明

图1为本发明航空相机的光学结构图；

图2为本发明的航空相机的传递函数MTF图(温度为20℃，一个大气压)；

图3为本发明的航空相机的点列图(温度为20℃，一个大气压)；

图4为温度变化时，调焦前和调焦后的MTF对比图；

图4(a)为在一个大气压下，温度-60℃时，未调焦时的MTF图；

图4(b)为在一个大气压下，温度-60℃时，调焦后的MTF图；

图4(c)为在一个大气压下，温度0℃时，未调焦时的MTF图；

图4(d)为在一个大气压下，温度0℃时，调焦后的MTF图；

图4(e)为在一个大气压下，温度60℃时，未调焦时的MTF图；

图4(f)为在一个大气压下，温度为60℃时，调焦后的MTF图；

图5为压强变化时，调焦前和调焦后的MTF对比图；

图5(a)为在温度为20℃，0.7个大气压下，未调焦时的MTF图；

图5(b)为在温度为20℃，0.7个大气压下，调焦后的MTF图；

图5(c)为在温度为20℃，0.5个大气压下，未调焦时的MTF图；

图5(d)为在温度为20℃，0.5个大气压下，调焦后的MTF图；

图5(e)为在温度为20℃，0.3个大气压下，未调焦时的MTF图；

图5(f)为在温度为20℃，0.3个大气压下，调焦后的MTF图；

图5(g)为在温度为20℃，0个大气压下，未调焦时的MTF图；

图5(h)为在温度为20℃，0个大气压下，调焦后的MTF图；

图6为航高变化时，调焦前和调焦后的MTF对比图。

图6(a)为温度20℃、1个大气压下，物距为200m时，未调焦的MTF图；

图6(b)为温度20℃、1个大气压下，物距为200m时，调焦后的MTF图；

图6(c)为温度20℃、1个大气压下，物距为500m时，未调焦的MTF图；

图6(d)为温度20℃、1个大气压下，物距为500m时，调焦后的MTF图；

图6(e)为温度20℃、1个大气压下，物距为1000m时，未调焦的MTF图；

图6(f)为温度20℃、1个大气压下，物距为1000m时，调焦后的MTF图；

图6(g)为温度20℃、1个大气压下，物距为2000m时，未调焦的MTF图；

图6(h)为温度20℃、1个大气压下，物距为2000m时，调焦后的MTF图；

图6(i)为温度20℃、1个大气压下，物距为3000m时，未调焦的MTF图；

图6(i)为温度20℃、1个大气压下，物距为3000m时，调焦后的MTF图；

具体实施方式

如图1所示，本发明相机具体参数：焦距f＝380mm、视场角2ω＝10°、F数8、波段460～750nm、总长380mm、后截距150mm。它由第一透镜1、第二透镜2、双胶合透镜3、第三透镜4、第四透镜5、光阑6、第五透镜7、第六透镜8、调焦透镜9共九片玻璃组成，所有透镜依次排列在同一光轴上。

因考虑到本发明航空相机要在-60℃～60℃的范围内工作，为保证其成像质量，特选用线膨胀系数比较小的玻璃材料，结构件采用钛合金，其线膨胀系数为8.8×10^-6/K。

第一透镜1的焦距为367.72mm，通光口径为75mm，其材料为NSF66_SCHOTT，因为外界温度的变化首先体现在相机的第一片透镜上，然后再逐步的传至镜头内部，故第一面玻璃线膨胀系数的选取应非常小，以尽量减少由轴上梯度引起的像差，本发明第一透镜1的线膨胀系数为5.9×10^-6/K。

第二透镜2与第一透镜1的中心距为11.4mm，其焦距为185.60mm，其材料为NFK5_SCHOTT，其线膨胀系数为9.2×10^-6/K，接近钛合金的线膨胀系数8.8×10^-6/K。

双胶合透镜3与第二透镜2的中心距为3mm，其焦距为-112.64mm，其凸透镜焦距为471.40mm，材料为NSK11_SCHOTT；凹透镜的焦距为-73.85mm，材料为NKZFS11_SCHOTT。为保证在-60℃～60℃温度范围内变化时，双胶合透镜3不发生脱胶现象，特选择线膨胀系数相近的两种材料，其中凸透镜的线膨胀系数为6.5×10^-6/K、凹透镜的线膨胀系数为6.6×10^-6/K。

第三透镜4与双胶合透镜3的中心距为4mm，其焦距为141.62mm，材料为NSK11_SCHOTT，其线膨胀系数为6.5×10^-6/K。

第四透镜5与第三透镜4的中心距为3mm，其焦距为-199.45，材料为NSF57_SCHOTT，线膨胀系数为9.2×10^-6/K。

光阑6的直径为24mm。它距离第四透镜5的中心距为16.8mm、距第五透镜7的中心距离为15mm。

第五透镜7的焦距为-125.03mm。它的材料为NSF66_SCHOTT，线膨胀系数为5.9×10^-6/K。

第六透镜8距第五透镜7的中心距为81.5mm，其焦距为211.48mm，材料为NSF1_SCHOTT，线膨胀系数为9.1×10^-6/K。

调焦透镜9在相机的最后一面上。它距离第六透镜8的距离为5mm，焦距为988.0mm。材料为NSF57_SCHOTT，线膨胀系数为8.5×10^-6/K。

图2为本航空相机的传递函数MTF图(温度为20℃，一个大气压)。如图2所示，在70lm/mm时，各视场的MTF均大于等于0.55，接近衍射极限。这保证了镜头物镜能够获得高分辨率的地面图像信息。

图3为本航空相机的点列图(温度为20℃，一个大气压)。从图3可以看出，各视场的点列图均非常的圆。各视场的RMS直径最大不超过3.5μm。

表1表示的是为补偿温度所带来的影响，调焦透镜9的调节量(以常温20℃的位置为零位，)。当调焦透镜9向右(即朝向像面方向)调节时，符号为“+”，反之，当调焦透镜9向左调节时，符号为“-”。

表1 温度变化时，调焦透镜(9)的调节量

温度(℃)	-60	-40	-20	0	20	40	60
								调节量(mm)	1.38	1.02	0.66	0.32	0	-0.31	-0.62

从表1可以看出，随着温度的变化，调焦透镜9相应的调节量基本上满足一个线性的关系。当温度从-60℃到60℃变化时，调焦透镜9共走了-2mm的量程。即温度平均每增长10℃，调焦透镜约需要向左调节0.167mm，以对相机的离焦量进行补偿。

图4为在1个大气压下，温度分别在-60℃、0℃和60℃时，调焦前和调焦后的MTF对比图。从图4可以看出，在-60℃时，若不调焦(即调焦透镜9置于零位)，MTF在26lp/mm处就已经为0了；调焦后，其各视场MTF在70lp/mm处均大于0.45。在0℃时，未调焦的情况下，MTF大于0.32；调焦后MTF大于0.52。在60℃，不调焦时MTF在70lp/mm降为0；调焦后MTF在70lp/mm处大于0.55。从图4可以看出，通过调焦透镜9的调节，可以补偿由于温度变化而引起的像差，保证成像质量。

表2 压强变化时，调焦透镜9的调节量

压强(大气压)	1	0.7	0.5	0.3	0
						调节量(mm)	0	0.5	0.9	1.25	1.8

图5表示的是在温度为20℃时，压强分别为1个大气压、0.7个大气压、0.5个大气压、0.3个大气压、0个大气压下，调焦前和调焦后的MTF对比图，从图5可以看出，在0.7个大气压下，若不调焦(即调焦透镜9置于零位)MTF在70lp/mm处约为0.12；调焦后，MTF大于0.52。在0.5个大气压下，未调焦情况下，MTF在45lp/mm处已降为0；调焦后MTF在70lp/mm处大于0.51。在0.3个大气压下，未调焦时的MTF在22lp/mm时即已经降为0；调焦后MTF在70lp/mm处大于0.5；在0个大气压时，未调焦的MTF在18lp/mm处即已经下降为0；而调焦后的MTF在70lp/mm处大于0.49。从图5可以看出，通过调焦透镜9的调节，可以补偿由于压强变化而引起的像差，保证成像质量。

调焦透镜9除了可以对温度和压强进行调节外，还可以对距离进行调焦。表3表示的是在常温常压下，当航高发生变化时，调焦透镜9的调节量。调焦透镜9的零位在航高(物距)为无穷远时成像所在的位置。通过调焦，本航空相机可以在航高为200m以上的高空进行作业。受飞行平台的限制，航空相机的工作范围为200m～15000m。

表3 行高变化时，调焦透镜9的调节量

航高(m)	200	500	1000	2000	3000
						调节量(mm)	-2.35	-0.94	-0.471	-0.236	-0.157

图6表示的是，当航高分别为200m、500m、1000m、2000m、3000m时，调焦前和调焦后，其调制传递函数MTF的变化情况。从图6可以看出：当航高为200m时，未调焦时MTF在14lp/mm处即已经下降为0；调焦后在70lp/mm处MTF大于5.1。当航高为500m时，未调焦MTF在37lp/mm处降为0；调焦后在70lp/mm处MTF大于5.5。当航高为1000m时，调焦前MTF在70lp/mm处大于1.5；调焦后在70lp/mm处MTF大于5.5。当航高为2000m时，未调焦MTF在70lp/mm处约为0.4；调焦后MTF在70lp/mm处大于5.5。当航高为3000m时，未调焦时在70lp/mm处MTF大于0.48；调焦后在70lp/mm处MTF大于5.5。事实上，当航高在2500m以上时，就不需要调焦透镜9对距离进行的调焦了。

Claims (1)

1.一种可调焦式航空相机，其特征在于：所述可调焦式航空相机的焦距f＝380mm、视场角2ω＝10°、F数8、波段460～750nm、总长380mm、后截距150mm、MTF在701p/mm处大于等于0.55、结构件采用钛合金，其线膨胀系数为8.8×10^-6/K；它包括第一透镜(1)、第二透镜(2)、双胶合透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、光阑(6)、第五透镜(7)、第六透镜(8)、调焦透镜(9)共九片玻璃，所有透镜依次排列在同一光轴上；通过调焦透镜(9)的调焦，可以在温度-60℃～60℃、压力0～1个大气压、航高200m～15000m内清晰成像；

所述第一透镜(1)的焦距为367.72mm，通光口径为75mm，其材料为NSF66_SCHOTT，线膨胀系数为5.9×10^-6/K；

所述第二透镜(2)与第一透镜(1)的中心距为11.4mm，其焦距为185.60mm，材料为NFK5_SCHOTT，线膨胀系数为9.2×10^-6/K；

所述双胶合透镜(3)与第二透镜(2)的中心距为3mm，其焦距为-112.64mm，其凸透镜焦距为471.40mm，材料为NSK11_SCHOTT；凹透镜的焦距为-73.85mm，材料为NKZFS11_SCHOTT；为保证在-60℃～60℃温度范围内变化时，双胶合透镜(3)不发生脱胶现象，特选择线膨胀系数相近的两种材料，其中凸透镜的线膨胀系数为6.5×10^-6/K、凹透镜的线膨胀系数为6.6×10^-6/K；

所述第三透镜(4)与双胶合透镜(3)的中心距为4mm，其焦距为141.62mm，材料为NSK11_SCHOTT，线膨胀系数为6.5×10^-6/K；

所述第四透镜(5)与第三透镜(4)的中心距为3mm，其焦距为-199.45，材料为NSF57_SCHOTT，线膨胀系数为9.2×10^-6/K；

所述光阑(6)的直径为24mm，它距离第四透镜(5)的中心距为16.8mm、距第五透镜(7)的中心距离为15mm；

所述第五透镜(7)的焦距为-125.03mm，它的材料为NSF66_SCHOTT，线膨胀系数为5.9×10^-6/K；

所述第六透镜(8)距第五透镜(7)的中心距为81.5mm，其焦距为211.48mm，材料为NSF1_SCHOTT，线膨胀系数为9.1×10^-6/K；

所述调焦透镜(9)在相机的最后一面上，其零位位置距离第六透镜(8)的距离为5mm，焦距为988.0mm，材料为NSF57_SCHOTT，线膨胀系数为8.5×10^-6/K。

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