CN102162904B - 广角高分辨率空间目标探测镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种广角高分辨率空间目标探测镜头，包括主镜筒，其特征在于：所述主镜筒内沿光线入射方向分别设有正月牙透镜A、正月牙透镜B、负月牙透镜C、双凹透镜D与双凸透镜E密接的双胶合透镜组DE、双凸透镜F、双凸透镜G与双凹透镜H密接的双胶合透镜组GH、双凸透镜I和双凹透镜J。本发明利于轴外像差的校正，有效地消除了镜头的色差，尤其消除了二级光谱，提高了镜头的分辨率，还有利于系统像场弯曲的校正，提高了广角镜头的边缘像质，使全视场的分辨率接近中心视场的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种广角高分辨率空间目标探测镜头，可与高灵敏度、大画幅、高清晰度CCD相机配套使用，以对空间宽天区范围内的目标与碎片进行光电探测。
背景技术
随着全球对太空资源开发热潮的逐步高涨，人类对地球外层空间领域的争夺战日益加剧，对空间目标的探测和监视工作起着基础性和关键性的作用。用于对空间目标进行监测的光电系统、光学镜头的性能指标不断创新，规格品种也不断增加，且都朝着增大相对孔径，从而提高探测能力、提高分辨率；增大视场角，扩大对天区的观测范围的目标发展。
在本发明之前，这种镜头的技术水平，如图6所示光路结构，它的光学性能指标：
焦距 
=200mm；入瞳直径φ150mm；相对孔径
=1/1.33；视场角2ω=10°；像方线视场
=φ35mm；适配于25×25
的CCD相机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种广角高分辨率空间目标探测镜头，有利于增大镜头的视场角，扩大对天区的观测范围，从而采集更多的空间目标的信息，并且使镜头能与高分辨CCD相机适配使用。
本发明的特征在于：一种广角高分辨率空间目标探测镜头，包括主镜筒，其特征在于：所述主镜筒内沿光线入射方向分别设有正月牙透镜A、正月牙透镜B、负月牙透镜C、双凹透镜D与双凸透镜E密接的双胶合透镜组DE、双凸透镜F、双凸透镜G与双凹透镜H密接的双胶合透镜组GH、双凸透镜I和双凹透镜J。
所述主镜筒的前端外周上布设有镜盖开启机构，后端外周上设有用以对温度效应进行补偿的调焦机构。
所述调焦机构包括布设在主镜筒外围并与主镜筒外螺纹连接的调焦镜筒，所述调焦镜筒经设于其外圈上钢珠与调焦环连接，所述调焦环外圈的前部设有被动传动齿，所述被动传动齿与布设在调焦镜筒3-1外圈前部的驱动电机输出轴上的主动齿轮啮合，所述调焦环外圈上还设有梯形螺纹，并且经梯形螺纹与设于其外围的调焦座连接，所述调焦座的后部开有弧形导槽，所述弧形导槽内安设有一端连接在调焦镜筒上的导钉，所述调焦座后端还经连接法兰和连接螺钉与CCD摄像机连接。
所述调焦环的后端上设有一圈用以预紧固定的调焦环压圈。
所述镜盖开启机构包括设于主镜筒前端基座内的蜗轮转轴和蜗杆转轴，所述蜗轮转轴上设有的蜗轮与蜗杆转轴上设有的蜗杆啮合传动，所述蜗杆转轴经设于基座两端的蜗杆轴承座与基座连接，所述蜗杆转轴的一端还连接有用以手动调节的手轮，所述蜗轮转轴经设于基座另外两端的蜗轮轴承座与基座连接，所述蜗轮转轴的两端经连接臂与镜盖连接，所述蜗杆转轴旁侧的基座内还设有用以驱动蜗杆的电机组件。
所述主镜筒采用热膨胀系数为8.31×10-6mm/℃的合金钢。
本发明的优点：1.把孔径光栏位置从传统光路结构的C、D透镜的凹面之间向右移至E、F透镜之间，使光栏处于光路的中间位置，利于轴外像差的校正；2.在DE胶合组中，负光焦度的双凹透镜D采用重冕牌玻璃材料；正光焦度的双凸透镜采用重火石玻璃材料，有效地消除了镜头的色差，尤其消除了二级光谱，提高了镜头的分辨率；3.在光路的后部靠近像面处，设置了负光焦度的双凹透镜（场镜）J，利于系统像场弯曲的校正，提高了广角镜头的边缘像质，使全视场的分辨率接近中心视场的分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例光路结构示意图。
图2为本发明实施例结构示意图。
图3为本发明实施例的调焦机构结构示意图。
图4为本发明实施例的镜盖开启机构结构示意图。
图5为图4的A-A向剖视图。
图6为当前该类型镜头的光路结构示意图。
具体实施方式
参考图1，图2，图3，图4和图5，一种广角高分辨率空间目标探测镜头，包括主镜筒1，所述主镜筒1内沿光线入射方向分别设有正月牙透镜A、正月牙透镜B、负月牙透镜C、双凹透镜D与双凸透镜E密接的双胶合透镜组DE、双凸透镜F、双凸透镜G与双凹透镜H密接的双胶合透镜组GH、双凸透镜I和双凹透镜J，通过上述透镜的组合，在实际的光路设计时，把光栏位置从传统的光路结构C、D透镜的凹面之间向右移至E、F透镜之间，以使光栏位置处于光路的中间位置，利于光学镜头轴外象差的校正，使广角镜头的边缘像质明显提高，使全视场的分辨率接近中心视场的分辨率。
上述正月牙透镜A与正月牙透镜B之间的空气间隔为81.93mm，所述正月牙透镜B与负月牙透镜C之间的空气间隔为5.99mm，所述负月牙透镜C与双胶合透镜组DE之间的空气间隔为34.37mm，所述双胶合透镜组胶合组DE与双凸透镜F之间的空气间隔为0.84mm，所述双凸透镜F与双胶合透镜组GH之间的空气间隔为44.5mm，所述双胶合透镜组GH与双凸透镜I之间的空气间隔为4.18mm，所述双凸透镜I与双凹透镜J之间的空气间隔为3.06mm。
上述双胶合透镜组DE中，负光焦度的双凹透镜D采用重冕牌玻璃材料，正光焦度的双凸透镜采用重火石玻璃材料。
上述主镜筒1的前端外周上布设有镜盖开启机构2，后端外周上设有用以对温度效应进行补偿的调焦机构3。
上述调焦机构3包括布设在主镜筒1外围并与主镜筒1外螺纹连接的调焦镜筒3-1，所述调焦镜筒3-1经设于其外圈上钢珠3-2与调焦环3-3连接，所述调焦环3-3外圈的前部设有被动传动齿3-3-1，所述被动传动齿3-3-1与布设在调焦镜筒3-1外圈前部的驱动电机3-4输出轴上的主动齿轮3-4-1啮合，所述调焦环3-3外圈上还设有梯形螺纹3-3-2，并且经梯形螺纹3-3-2与设于其外围的调焦座3-5连接，所述调焦座3-5的后部开有弧形导槽3-5-1，所述弧形导槽3-5-1内安设有一端连接在调焦镜筒3-1上的导钉3-6，所述调焦座3-5后端还经连接法兰3-7和连接螺钉3-8与CCD摄像机4连接。
上述调焦环3-3的后端上设有一圈用以预紧固定的调焦环压圈3-9。
上述镜盖开启机构2包括设于主镜筒1前端基座2-1内的蜗轮转轴2-2和蜗杆转轴2-3，所述蜗轮转轴2-2上设有的蜗轮2-2-1与蜗杆转轴2-3上设有的蜗杆2-3-1啮合传动，所述蜗杆转轴2-3经设于基座1两端的蜗杆轴承座2-4与基座2-1连接，所述蜗杆转轴2-3的一端还连接有用以手动调节的手轮2-5，所述蜗轮转轴2-2经设于基座1另外两端的蜗轮轴承座2-6与基座2-1连接，所述蜗轮转轴2-2的两端经连接臂2-7与镜盖2-8连接，所述蜗杆转轴2-3侧的基座1内还设有用以驱动蜗杆2-3-1的电机组件2-9。
上述主镜筒1采用热膨胀系数为8.31×10-6mm/℃的合金钢。
具体实施过程如下：
发明方案达到的技术指标：
1.焦距
=213mm；
2.入瞳直径：φ180mm（相对孔径
=1/1.18）；
3.视场角2ω≥18°（有效成像面≥φ68mm）；
4.分辨率：80%的能量集中在2×2个像元上。与大画幅高分辨率的CCD相机适配使用，使系统的分辨率达到1600万像素。
本发明为使大视场、大相对孔径空间探测镜头达到高分辨率的目的，发明者在结构设计方面实施如下创新方案。
1.温度效应设计
根据用户对镜头工作温度要求，我们把工作温度设定为-40℃～+60℃，而加工检验及装配温度为20℃，与最低工作温度有60℃的温差；为了保证镜筒在工作温度环境下不受材料热胀冷缩的应力影响，镜筒采用与玻璃材料的线胀系数相近的合金钢，其线胀系数为8.31×10-6mm/℃。我们采用光学玻璃参数如表一所示
表一
利用表一的参数可以计算出各镜片与镜框在60℃温差收缩时的空间尺寸差为
ΔI=φ实际口径×（α镜框-α玻璃）×工作温差
得到在-5℃时材料的收缩差如表二所示
表二（单位：mm）
我们设计时镜框和镜片的配合间隙必须大于表二给出的间隙尺寸。
为了保证各镜片之间的同轴度以保证镜筒的象质要求，我们取镜框与镜片之间的配合为H8/f7。
各镜片与镜框之间的配合公差尺寸如表三所示。
表三（单位mm）
从表三中可知，各序号间最小配合间隙如表四所示
表四（单位mm）
从表二和表四中可以知道，采用热胀系数为8.31×10-6mm/℃的合金钢做镜框，完全能满足工作温度变化，而不影响系统的质量要求。
由光学设计可知，系统各镜片的间隔如表五所示
表五，在20℃时各间隔尺寸 单位mm
而由于温度变化使间隔发生变化数值如表六所示
表六，在-40℃各间隔尺寸 单位mm
把表六的间隔数值代入光学程序，并在程序中把玻璃温度设为－40℃计算得像点的斑点大小，计算得到－40℃时的斑点小于φ25
，符合技术指标的要求，保证光学系统在－40℃低温时的成像精度。
2.结构设计
由于镜筒采用合金钢材料以满足热胀冷缩要求，考虑到加工变形及镜筒强度和刚度要求，我们把镜筒的壁厚取7~10mm之间，根据镜头的技术指标、光学设计及总体对结构的要求，做如图1、图2所示结构。
3.调焦机构的设计
由于温度变化，镜头玻璃材料和镜筒的材料的热胀冷缩，使镜头的后截距发生变化。若没有采取措施，CCD靶面会离焦，导致图像质量下降，甚至使图像模糊不清，因此设计调焦机构对温度效应进行补偿。如图3所示。
其调焦原理为：驱动电机输出轴上的主动齿轮旋转，主动齿轮与调焦环外圈上的被动传送齿啮合，带动调焦环旋转。调焦环与调焦镜筒之间设有钢球，用调焦压圈预紧固定，使调焦环相对调焦镜筒之间采用钢球滚动，以减小摩擦力。调焦环通过梯形螺纹与调焦座连接，并通过导钉使调焦座作轴上的直线运动。而调焦座通过连接螺钉与连接法兰与CCD摄像机连接在一起。因此当电机作正反向旋转运动时，CCD摄像机在轴上作直线往返运动。从而移动摄像机靶面的位置，使CCD靶面的图像清晰，达到温度效应补偿的目的。因此，在调焦机构设计过程中我们采用了以下措施：
a、调焦电机选型及调焦机构精度设计
如图3，我们选用 两个φ17微电机，成120°夹角安装，每个电机的功率为4W，减速比为370:1，电机输出力矩为3.41mNm，电机效率为0.55，减速箱的输出力矩为: T=693.9mNm=0.6939Nm，两电机总的输出力矩为：T总=1.3879Nm
而电机与从动轮的减速比为η1=8/91.5，效率为K1=0.65
螺纹付的导程选12mm，螺纹中径的周长为184×π
则减速比为η2=12/（184×π）
螺纹传动的效率为K2=0.2
电机传输给从动轮切线上传动的力为F
F1·K=J
F1=1.3879/0.092=15.08N
螺纹付输出力为F
F·η1·η2=F1·K1·K2
F= F1·K1·K2/η1·η2=1080N
摄像机及调焦座的重量W＜8Kg
消除间隙弹簧拉力为负载的1.5～2.5倍，取2.5倍，则总负载为W总=28Kg
因此可知选用此电机功率足够。
调焦精度与摄像机的运动速度有关。电机及电路的延时时间为30ms，因此我们认为摄像机的运动速度在50ms内，位移量小于1/2物理焦深，即摄像机的运动速度V摄小于0.01mm/50ms=0.2mm/s时，调焦精度足够。
CCD运动速度
VCCD=电机主动轮线速度×螺纹付的减速比
VCCD=
×8×2π×12/（91.5×2π）=0.0437mm/s＜0.2mm/s
所以调焦机构的精度满足技术条件的要求。
为了保证摄像机靶面在调焦过程中稳定，调焦机构必须满足自锁条件。因此，我们采用丝杆与滑动螺母传动原理，当滑动螺母的螺纹升角小于或等于当量摩擦角P′时，此传动机构反向自锁。
P′= 
λ=
s/πd≤P′
式中P′----------当量摩擦角
f---------------摩擦系数（钢与青铜为0.08~0.1,取0.8）
S--------------导程
α-------------螺纹牙型角 （选用梯形牙传动α=30℃）
P′= 
=
=4.73°
螺纹付的直径为φ184mm，导程为12mm
λ=
s/πd=12/（π×184）=1.19°＜P′
因此该传动装置满足自锁条件，从而实现自锁。调焦机构调焦过程中，摄像机靶面是稳定的。
b、为了消除调焦机构在调焦过程中的间隙引起的跳动，而使摄像机靶面不稳定，我们对调焦机构进行如下结构设计。
如图3所示，为了消除齿轮间的啮合间隙。我们采用两个同型号的电机120°角安装在同一从动轮上，利用两电机的同步，消除齿轮啮合间隙。同时在调焦时，从一方向调焦以消除齿轮空回产生的间隙。
为了消除调焦环与调焦镜筒的间隙。采用钢球滚动以减小调焦环运动的摩擦力，同时调节调焦环压圈，使钢珠、调焦环、调焦环压圈及调焦镜筒处于预紧过盈配合状态。利用钢珠在调焦环和调焦座形成的滚道运动，达到消除调焦环和调焦镜筒之间旋转运动的间隙。
为了消除调焦座与调焦环之间的螺纹间隙。我们设计六根拉簧把调焦座和调焦镜头紧拉在一起。每根拉簧的拉力为2～3.3公斤，总拉力为12～20公斤，为调焦机构及CCD相机重量8公斤的1.5～2.5倍。这样就可以保证在任何情况下，调焦环与调焦座传动螺纹的间隙为0。
4.镜盖开启机构的设计
镜盖开启原理如图4、图5所示：电机组件带动蜗杆转轴的蜗杆转动。当蜗杆转动时，通过蜗杆蜗轮啮合，带动蜗轮转动，并且使蜗轮转轴传动方向改变90°，即蜗轮转轴的转动方向为镜头的轴向。通过蜗杆转轴上的蜗杆带动经连接臂与镜盖连接的蜗轮转轴旋转，从而使带动镜盖开合。因此电机组件的正负旋转，带动镜盖开关。
按照技术协议要求电动开盖采用蜗轮蜗杆镜盖开启机构，镜盖转角为270°，开盖后把镜盖放在镜盖开启机构的后端，开盖时间设立为少于55秒，根据以上要求，我们选用Maxon φ17、4W电机参数如表七所示。
表七
蜗轮蜗杆的减速比为i=15，传输效率η=0.35
则蜗轮的转速为：ω=电机转速/减速箱减速比×蜗轮蜗杆减速比
=8760/(370×15×
)=0.9转/分=5.41°/秒
开盖时间t=270°/5.41°=50秒
所以镜盖能保证在55秒内完成。
蜗轮力矩T蜗轮=3.41×370×0.65×15×0.35=4305.5mNm=4.3Nm
计算镜盖的重量得
W镜盖=1.86kg
镜盖的力臂
L镜盖=2010mm=0.2m
举起镜盖的重量矩
T镜盖= W镜盖×L镜盖
=3.64Nm
因此电机的功率可靠，开关时间符合技术指标要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1. 一种广角高分辨率空间目标探测镜头，包括主镜筒，其特征在于：所述主镜筒内沿光线入射方向分别设有正月牙透镜A、正月牙透镜B、负月牙透镜C、双凹透镜D与双凸透镜E密接的双胶合透镜组DE、双凸透镜F、双凸透镜G与双凹透镜H密接的双胶合透镜组GH、双凸透镜I和双凹透镜J。
2.根据权利要求1所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于：所述正月牙透镜A与正月牙透镜B之间的空气间隔为81.93mm，所述正月牙透镜B与负月牙透镜C之间的空气间隔为5.99mm，所述负月牙透镜C与双胶合透镜组DE之间的空气间隔为34.37mm，所述双胶合透镜组胶合组DE与双凸透镜F之间的空气间隔为0.84mm，所述双凸透镜F与双胶合透镜组GH之间的空气间隔为44.5mm，所述双胶合透镜组GH与双凸透镜I之间的空气间隔为4.18mm，所述双凸透镜I与双凹透镜J之间的空气间隔为3.06mm。
3.根据权利要求1或2所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于： 所述双胶合透镜组DE中，负光焦度的双凹透镜D采用重冕牌玻璃材料，正光焦度的双凸透镜E采用重火石玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于：所述主镜筒的前端外周上布设有镜盖开启机构，后端外周上设有用以对温度效应进行补偿的调焦机构。
5.根据权利要求4所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于：所述调焦机构包括布设在主镜筒外围并与主镜筒外螺纹连接的调焦镜筒，所述调焦镜筒经设于其外圈上钢珠与调焦环连接，所述调焦环外圈的前部设有被动传动齿，所述被动传动齿与布设在调焦镜筒外圈前部的驱动电机输出轴上的主动齿轮啮合，所述调焦环外圈上还设有梯形螺纹，并且经梯形螺纹与设于其外围的调焦座连接，所述调焦座的后部开有弧形导槽，所述弧形导槽内安设有一端连接在调焦镜筒上的导钉，所述调焦座后端还经连接法兰和连接螺钉与CCD摄像机连接。
6.根据权利要求5所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于：所述调焦环的后端上设有一圈用以预紧固定的调焦环压圈。
7.根据权利要求4所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于：所述镜盖开启机构包括设于主镜筒前端基座内的蜗轮转轴和蜗杆转轴，所述蜗轮转轴上设有的蜗轮与蜗杆转轴上设有的蜗杆啮合传动，所述蜗杆转轴经设于基座两端的蜗杆轴承座与基座连接，所述蜗杆转轴的一端还连接有用以手动调节的手轮，所述蜗轮转轴经设于基座另外两端的蜗轮轴承座与基座连接，所述蜗轮转轴的两端经连接臂与镜盖连接，所述蜗杆转轴旁侧的基座内还设有用以驱动蜗杆的电机组件。
8.根据权利要求1所述的广角高分辨率空间目标探测镜头，其特征在于：所述主镜筒采用热膨胀系数为8.31×10-6mm/℃的合金钢。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Wide-angle high-resolution space target detection lens Effective date of registration: 20140430 Granted publication date: 20130320 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd Fuzhou Gulou Branch Pledgor: Fujian Forecam Optics Co., Ltd. Registration number: 2014350000017 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20141224 Granted publication date: 20130320 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd Fuzhou Gulou Branch Pledgor: Fujian Forecam Optics Co., Ltd. Registration number: 2014350000017 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: FUJIAN FORECAM CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: FUJIAN FORECAM DIGITAL TECHNOLOGY CO., LTD. |
|
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 158 No. 350015 Fujian province Fuzhou Mawei District Jiangbin East Avenue Patentee after: FUJIAN FORECAM CO., LTD. Address before: 350015, No. 87 Jun Zhu Road, Mawei District, Fujian, Fuzhou Patentee before: Fujian Forecam Optics Co., Ltd. |