CN101980064B - 温度变化自动补偿航空相机镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航空相机镜头，特别是一种温度变化自动补偿航空相机镜头。包括含有九块透镜的前组透镜、后组透镜、光阑和滤光片，其特征在于：前组透镜中的第三块透镜和第六块透镜为CaF2材料制成的透镜，第八块透镜为NFK5材料制成的透镜，光阑设置在前组与后组透镜中部。所以，无需任何机电调焦部件和温控装置，不仅具有结构简单、小巧轻便、工作温度范围宽等优点，还具有可靠性高、能高分辨率成像、能获取高质量的清晰图像且成本低廉的优点，是一种质优价廉航空相机镜头。

Description

温度变化自动补偿航空相机镜头
技术领域
本发明涉及一种航空相机镜头，特别是一种温度变化自动补偿航空相机镜头。
背景技术
航空成像相机镜头一般都是工作在温度范围很宽的环境中，受温度变化的影响，使得相机镜头参数(折射率、间隔、曲率半径等)发生变化，从而造成图像模糊，极大地影响高分辨率成像，进而影响监测效果。因此，在设计高空环境中使用的航空相机镜头时必须重点考虑温度变化对相机镜头性能的影响，进行相应的热补偿设计或进行调焦设计。
目前国内外的航空相机镜头在高空工作时为了保证成像质量，经常使用的办法是采用主动式调焦和温控两种方法实现。采用主动调焦通常需要机电调焦组件，系统结构复杂，可靠性低，成像清晰得不到保证。采用温控措施，成像可以保证，但整个系统往往非常庞大，增加了整个光学载荷的体积和重量，同时也增加了成本，不仅如此，它还与飞行器平台对光学有效载荷轻量化，小型化的目标要求不符。所以，现有的航空相机镜头结构复杂、庞大。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种结构简单、小巧轻便的工作温度范围宽的温度变化自动补偿航空相机镜头。
一种温度变化自动补偿航空相机镜头，包括含有9块透镜的前组透镜、后组透镜、光阑和滤光片，其特征在于：前组透镜中的第三块透镜和第六块透镜为CaF2材料制成的透镜，前组中第八块透镜为NFK5材料制成的透镜，光阑设置在前组与后组透镜中部。
显然，本发明的目的是利用自动温度补偿原理，通过加入适当的温度折射率为负的光学材料，利用材料的特性自我调节补偿实现的。即前组透镜中的第三块透镜和第六块透镜采用CaF2材料制成的透镜，第八块透镜采用NFK5材料制成的透镜，CaF2和NFK5材料制成的透镜与普通玻璃材料相反，其温度折射率系数为负，所以，能根据温度的变化自动调节补偿，而无需任何机电调焦部件和温控装置。为使后组透镜也能自我调节补偿，也可根据需要采用若干温度折射率系数为负的玻璃材料制成的透镜。本发明不仅具有结构简单、小巧轻便、工作温度范围宽等优点，还具有可靠性高、能高分辨率成像、能获取高质量的清晰图像且成本低廉的优点，是一种质优价廉航空相机镜头。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例的+20℃传递函数图，
图3是本发明实施例的-40℃传递函数图，
图4是本发明实施例的+60℃传递函数图，
图5是本发明实施例的-40℃畸变、场曲、球差曲线图。
图中：负弯月形透镜1、正弯月形透镜2、正弯月形透镜3、双凸透镜4、双凹透镜5、正弯月形透镜6、负弯月形透镜7、正弯月形透镜8、负弯月形透镜9、光阑10、双凸透镜11、负弯月形透镜12、负弯月形透镜13、负弯月形透镜14、双凸透镜15、负弯月形透镜16、双凸透镜17、平面镜18。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进行详述：
图1是本发明的一种温度变化自动补偿航空相机镜头。主要包括：含有9块透镜的前组透镜、后组透镜、光阑10和滤光片18，其要点是：前组透镜中的第三块透镜3和第六块透镜6为CaF2材料制成的透镜，第八块透镜8为NFK5材料制成的透镜。光阑10设置在前组与后组透镜中部。也就是：前组透镜中的第三块透镜3和第六块透镜6采用CaF2材料制成，第八块透镜8采用NFK5材料制成，光阑10设置在前组与后组透镜中部。
为使后组透镜也能根据温度的变化自动补偿，并变图1中的后组透镜含有7块透镜，其中的第六块透镜16为NFK5材料制成的透镜，即后组透镜的第六块透镜16采用NFK5材料制成。
为了确保成像质量，图中的9块前组透镜1～9依次为ZK5、NSK15、CaF2、NBAK4、NSF1、CaF2、BK7、NFK5、NLAF21材料制成的透镜，7块后组透镜11～17依次为NSF1、NBAK4、NSF1、BK7、NSF1、NFK5、BK7材料制成透镜，光阑10为钢材料制成的光阑，滤光片18为ZK5材料制成滤光片；即其余的前组透镜1、2、4、5、7、9依次采用ZK5、NSK15、NBAK4、NSF1、BK7、NLAF21材料制成，其余的后组透镜11、12、13、14、15、17依次采用NSF1、NBAK4、NSF1、BK7、NSF1、BK7材料制成，光阑(10)采用钢材料制成，滤光片(18)采用ZK5材料制成。
为了确保自动补偿不影响成像质量，并使镜头更加小巧严谨，图中的九块前组透镜依次为负弯月形透镜1、正弯月形透镜2、正弯月形透镜3、双凸透镜4、双凹透镜5、正弯月形透镜6、负弯月形透镜7、正弯月形透镜8、负弯月形透镜9，七块后组透镜依次为双凸透镜11、负弯月形透镜12、负弯月形透镜13、负弯月形透镜14、双凸透镜15、负弯月形透镜16、双凸透镜17。也就是前组透镜依次由负弯月形透镜1、正弯月形透镜2、正弯月形透镜3、双凸透镜4、双凹透镜5、正弯月形透镜6、负弯月形透镜7、正弯月形透镜8、负弯月形透镜9构成，后组透镜依次由双凸透镜11、负弯月形透镜12、负弯月形透镜13、负弯月形透镜14、双凸透镜15、负弯月形透镜16、双凸透镜17构成。综上所述，本发明是通过温度变化光学镜头自动补偿原理，利用每种光学材料折射率温度系数(β＝dn/dt)有正有负不同，选择合适的材料组合来达到消热差和消色差的目的。根据光学镜头自动补偿原理，系统透镜的光焦度必须满足光焦度不变、消热差、消色差三个基本方程，表示如下：
式中为系统光焦度，为第i块透镜的光焦度，hi是在第i块透镜的近轴光学高度，Ti是第i块透镜的热差系数，Ci是第i块透镜的色差系数，Tm是安装机械材料的热膨胀系数。通过选择一定的光学材料组合，解上述三个基本方程，能够获得三块透镜的光焦度，最终达到消热差的目的。
航空遥感相机镜头的质评价最重要、最综合的考虑因素就是调制传递函数MTF，在没有温度补偿的情况下，MTF迅速下降，相机镜头根本不能正常成像工作。在加入特殊材料后，镜头通过自身材料特性的自我温度补偿，系统的MTF曲线非常良好。从图2、3、4可以看出，在补偿后，在+60℃和～-40℃下，在60线对的时候，镜头的MTF＞0.5。
除了调制传递函数MTF外，还必须考虑的是畸变情况，从畸变曲线图5可以看出，畸变在全视场下仅为1％，畸变控制在要求的范围内，满足遥感对畸变的要求。
本发明实施例的温度变化自动补偿航空相机镜头，其焦距750mm，光学视场为5.5°，在60线对时，MTF≥0.5，全视场畸变＜1％，波段430nm～750nm，空间分辨率达10cm，F数达到5.6。

Claims (5)

1.一种温度变化自动补偿航空相机镜头，包括前组透镜、后组透镜、光阑(10)和滤光片(18),其特征在于：前组透镜含有9块透镜，其中的第三块透镜(3)和第六块透镜(6)为CaF2材料制成的透镜，第八块透镜(8)为NFK5材料制成的透镜；后组透镜含有7块透镜，其中的第六块透镜(16)为NFK5材料制成的透镜；光阑(10)设置在前组与后组透镜中部。
2.根据权利要求1所述的温度变化自动补偿航空相机镜头，其特征在于：其余的前组透镜(1、2、4、5、7、9)依次采用ZK5、NSK15、NBAK4、NSF1、BK7、NLAF21材料制成，其余的6块后组透镜(11～15、17)依次采用NSF1、NBAK4、NSF1、BK7、NSF1、BK7材料制成，光阑(10)采用钢材料制成，滤光片(18)采用ZK5材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的温度变化自动补偿航空相机镜头，其特征在于：前组透镜依次由负弯月形透镜(1)、正弯月形透镜(2)、正弯月形透镜(3)、双凸透镜(4)、双凹透镜(5)、正弯月形透镜(6)、负弯月形透镜(7)、正弯月形透镜(8)、负弯月形透镜(9)构成，后组透镜依次由双凸透镜(11)、负弯月形透镜(12)、负弯月形透镜(13)、负弯月形透镜(14)、双凸透镜(15)、负弯月形透镜(16)、双凸透镜(17)构成。
4.根据权利要求3所述的温度变化自动补偿航空相机镜头，其特征在于：焦距750mm，光学视场为5.5°，在60线对时，ＭＴＦ≥0.5，全视场畸变<1％，波段430nm～750nm，空间分辨率达10cm，Ｆ数达到5.6。
5.根据权利要求1或2所述的温度变化自动补偿航空相机镜头，其特征在于：焦距750mm，光学视场为5.5°，在60线对时，ＭＴＦ≥0.5，全视场畸变<1％，波段430nm～750nm，空间分辨率达10cm，Ｆ数达到5.6。
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