CN102323658A - 一种摄像机成像物镜及其机载光电式头盔瞄准系统 - Google Patents

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杨新军
董戴
李刚
闫记香
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Abstract

本发明涉及一种摄像机成像物镜，其应用于机载光电式头盔瞄准系统中。所述摄像机成像物镜从物侧到成像面依次包括光栏、像方焦点位于成像面一侧的光焦度为正的第一透镜、以及具有曲率很大的凹面朝向成像面一侧的光焦度为负的弯月型第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均至少有一面为非球面，且满足条件式：
Figure 2011102923756100004DEST_PATH_IMAGE001
其中，f是整个所述摄像机成像物镜的焦距；f1是所述第一透镜的焦距；f2是所述第二透镜的焦距。所述摄像机成像物镜能校正所述机载光电式头盔瞄准系统的球差和彗差。本发明还涉及一种具有所述摄像机成像物镜的机载光电式头盔瞄准系统。

Description

一种摄像机成像物镜及其机载光电式头盔瞄准系统
技术领域
本发明涉及一种物镜，尤其涉及一种摄像机成像物镜及具有所述摄像机成像物镜的机载光电式头盔瞄准系统。
背景技术
随着战机和机载武器不断发展，以及人机工程要求不断提高，研究机载头盔综合显示/瞄准系统技术在航空显示与火控领域具有重要意义。美国最新装备的F-35联合攻击战斗机采用头盔综合显示/瞄准系统取代了平视显示系统，实现了“先敌发现，先敌开火”的作战效果以及大离轴导弹的发射能力。
机载头盔综合显示/瞄准系统采用基于视频图像处理的光电式头盔瞄准方法。该方法在座舱内安装一组摄像机，对飞行员头盔上的一系列红外发光二极管（LED）进行识别和跟踪来测定飞行员头部的确切位置和视线的角度，以获得目标相对于飞机的姿态位置。但由于飞机座舱内空间狭小，限制了摄像机安装位置，使通用摄像机无法满足精确定位及头部活动范围的要求。
市场上现有摄像机（CCD）成像物镜可能会在尺寸上，视场上或分辨率上满足头盔瞄准系统要求，但很难同时在上述三个方面满足头盔瞄准系统要求。研制满足上述要求的机载摄像机成像物镜成为机载头盔定位跟踪系统能否实现，是实现效果的关键。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种摄像机成像物镜及具有所述摄像机成像物镜的机载光电式头盔瞄准系统，旨在校正所述机载光电式头盔瞄准系统的球差和彗差。
本发明是这样实现的，一种摄像机成像物镜，其应用于机载光电式头盔瞄准系统中。所述摄像机成像物镜从物侧到成像面依次包括光栏、像方焦点位于成像面一侧的光焦度为正的第一透镜、以及具有曲率很大的凹面朝向成像面一侧的光焦度为负的弯月型第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均至少有一面为非球面，且满足条件式：
Figure 753558DEST_PATH_IMAGE001
其中，f是整个所述摄像机成像物镜的焦距；f1是所述第一透镜的焦距；f2是所述第二透镜的焦距。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
其中，R1是所述第一透镜靠近物侧的表面曲率半径；R2是所述第一透镜靠近成像面的表面曲率半径；d1是所述第一透镜厚度。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 572927DEST_PATH_IMAGE003
其中，R3是所述第二透镜靠近物侧的表面曲率半径；R4是所述第二透镜靠近成像面的表面曲率半径。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 90496DEST_PATH_IMAGE004
其中，v1表示所述第一透镜的阿贝数；v2表示所述第二透镜的阿贝数。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 301903DEST_PATH_IMAGE005
其中，d1是所述第一透镜厚度，d2是所述第二透镜厚度。
本发明还提供一种机载光电式头盔瞄准系统，其包括摄像机成像物镜。所述摄像机成像物镜从物侧到成像面依次包括光栏、像方焦点位于成像面一侧的光焦度为正的第一透镜、以及具有曲率很大的凹面朝向成像面一侧的光焦度为负的弯月型第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均至少有一面为非球面，且满足条件式：
Figure 930331DEST_PATH_IMAGE006
其中，f是整个所述摄像机成像物镜的焦距；f1是所述第一透镜的焦距；f2是所述第二透镜的焦距。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 779469DEST_PATH_IMAGE007
其中，R1是所述第一透镜靠近物侧的表面曲率半径；R2是所述第一透镜靠近成像面的表面曲率半径；d1是所述第一透镜厚度。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 467939DEST_PATH_IMAGE008
其中，R3是所述第二透镜靠近物侧的表面曲率半径；R4是所述第二透镜靠近成像面的表面曲率半径。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 226030DEST_PATH_IMAGE009
其中，v1表示所述第一透镜的阿贝数；v2表示所述第二透镜的阿贝数。
进一步地，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
其中，d1是所述第一透镜厚度，d2是所述第二透镜厚度。
本发明与现有技术相比，本发明提供的摄像机成像物镜以及具有所述摄像机成像物镜的机载光电式头盔瞄准系统，其在靠近光栏的第一透镜的至少一面采用了非球面，可以很好的校正系统的球差和彗差。由于第二透镜远离光栏，不同视场角的主光线在其上的投影高度相差比较大，通过第二透镜的至少一面的非球面化，可以很好的校正与视场有关的像差，比如像散、场曲和畸变，而且第二透镜的靠近成像面的第二面具有从光轴向边缘方向使折射逐渐变缓的形状，此面中心部分发散光线而边缘部分会聚光线，使得弧矢与子午像面易于重合，且边缘成像位置能够后移，提高了在大视场下的成像质量。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的摄像机成像物镜的结构示意图；
图2是图1中摄像机成像物镜的调制传递函数（MTF）曲线示意图。
图3是图1中摄像机成像物镜的畸变曲线示意图。 
符号说明
摄像机成像物镜 100
物侧 O
成像面 I
第一透镜 L1
第二透镜 L2
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明较佳实施方式提供的摄像机成像物镜100的结构示意图，摄像机成像物镜100应用于机载光电式头盔瞄准系统（图未示）中，以解决现有摄像机在用于头盔瞄准系统时存在的技术问题，如解决球差和彗差、消除单色像差及较小高级像差等。
摄像机成像物镜100从物侧O到成像面I依次包括光栏（图未示）、像方焦点位于成像面I一侧的光焦度为正的第一透镜L1、以及具有曲率很大的凹面朝向成像面I一侧的光焦度为负的弯月型第二透镜L2。第一透镜L1和第二透镜L2均至少有一面为非球面，且满足条件式（1）与（2）：
Figure 143302DEST_PATH_IMAGE010
其中，f是整个摄像机成像物镜100的焦距；f1是第一透镜L1的焦距；f2是第二透镜L2的焦距。
为了消除单色像差及较小高级像差，摄像机成像物镜100还满足条件式（3）与（4）：
Figure 361793DEST_PATH_IMAGE011
其中，R1是第一透镜L1靠近物侧O的表面曲率半径；R2是第一透镜L1靠近成像面I的表面曲率半径；d1是第一透镜L1的厚度。
为了校正场曲，摄像机成像物镜100还满足以下条件式（5）：
          其中，R3是第二透镜L2靠近物侧O的表面曲率半径；R4是第二透镜L2靠近成像面I的表面曲率半径。
为了消除色差，尤其是倍率色差，第一透镜L1和第二透镜L2还满足条件式（6）与（7）：
Figure 315078DEST_PATH_IMAGE014
                                                        （7）
其中，v1表示第一透镜L1的阿贝数；v2表示第二透镜L2的阿贝数，通过使第一透镜L1满足条件式（6），可降低第一透镜L1的色差发生；通过使第二透镜L2满足条件式（7），保障摄像机成像物镜100色差得到良好的补偿，从而能使分辨率和图像质量都比较理想。
再有，使第一透镜L1及第二透镜L2进一步满足条件式（8）：
Figure 138808DEST_PATH_IMAGE015
                                                       （8）
其中，d1是第一透镜L1厚度，d2是第二透镜L2厚度。d1的值小于0.3f，摄像机成像物镜100色散变大，负的畸变色差绝对值也变大；d2的值大于0.3f会导致后工作距过小。
在本实施方式中，摄像机成像物镜100包括的第一透镜L1和第二透镜L2，可以很好地补偿各种色散、色差，能够得到足够高的分辨率。另外，即使这样以高分辨率为目的而把摄像机成像物镜100做成由两个透镜构成，特别是通过使在第二透镜L2的成像面I一侧的面具有很大的负光焦度，也能够使摄像机成像物镜100的全长变短。再有，通过将光栏配置在第一透镜L1的物侧O，也能够使第二透镜L2的直径变小从而使摄像机成像物镜100在直径方向上紧凑。
定义摄像机成像物镜100的非球面形状在其光轴方向为Z轴，与光轴垂直相交的方向为Y轴，光的前进方向为正，K为二次曲面系数，A、B、C为非球面系数，非球面形状可以表示为：
Figure 169081DEST_PATH_IMAGE016
                                                    （9）
请参阅表1、表2，并结合图2与图3，其分别给出了图1的摄像机成像物镜100的构造数据，及透镜各非球面系数。两个表中透镜表面曲率半径的单位取mm，正数表示凹曲面，负数表示凸曲面；透镜厚度表示透镜前后面中心间距，以mm为单位；透镜材料的折射率和阿贝数采用传统的九个数字中间用点分开的表示法，如XXXXXX.YYY，前面三个数字表示折射率，大小为1.XXXXXX；后面三个数字表示阿贝数，大小为YY.Y；透镜的前表面用字母F表示，后表面用字母R表示。实施方式中摄像机物镜焦距f=33.9mm，f数FNO=2.8，视场角w=67.5°，第一透镜L1焦距f1＝18.1mm，第二透镜L2焦距f1＝-24.8mm。
Figure 579727DEST_PATH_IMAGE017
表1摄像机成像物镜100的构造数据表
表2摄像机成像物镜100的非球面系数表
透镜面 K A B C
3F 0 -6.509443E-4 -5.683406E-6 0
3R -2.823271 -9.306843E-4 2.531014E-7 0
4F 0 -6.564036E-4 1.590278E-7 0
4R -4.029063 -2.736213E-3 5.491188E-3 0
由此结果可以看出，摄像机成像物镜100分辨率当空间频率为50lp/mm时调制传递函数接近0.7，60度视场的最大畸变小于2.8％。完全满足头部定位系统对瞄准精度要求；再有，摄像机成像物镜100从光栏面到成像面I距离不足37.9mm，重量仅有25克，适合于机载环境对体积、重量。
综上所述，本实发明提供的摄像机成像物镜以及具有所述摄像机成像物镜的机载光电式头盔瞄准系统，其在靠近光栏的第一透镜的至少一面采用了非球面，可以很好的校正系统的球差和彗差。由于第二透镜远离光栏，不同视场角的主光线在其上的投影高度相差比较大，通过第二透镜的至少一面的非球面化，可以很好的校正与视场有关的像差，比如像散、场曲和畸变。而且第二透镜的靠近成像面的第二面具有从光轴向边缘方向使折射逐渐变缓的形状，此面中心部分发散光线而边缘部分会聚光线，使得弧矢与子午像面易于重合，且边缘成像位置能够后移，提高了在大视场下的成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摄像机成像物镜，其应用于机载光电式头盔瞄准系统中，其特征在于，所述摄像机成像物镜从物侧到成像面依次包括光栏、像方焦点位于成像面一侧的光焦度为正的第一透镜、以及具有曲率很大的凹面朝向成像面一侧的光焦度为负的弯月型第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均至少有一面为非球面，且满足条件式：
其中，f是整个所述摄像机成像物镜的焦距；f1是所述第一透镜的焦距；f2是所述第二透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的摄像机成像物镜，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，R1是所述第一透镜靠近物侧的表面曲率半径；R2是所述第一透镜靠近成像面的表面曲率半径；d1是所述第一透镜厚度。
3.如权利要求1所述的摄像机成像物镜，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE003
其中，R3是所述第二透镜靠近物侧的表面曲率半径；R4是所述第二透镜靠近成像面的表面曲率半径。
4.如权利要求1所述的摄像机成像物镜，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE004
其中，v1表示所述第一透镜的阿贝数；v2表示所述第二透镜的阿贝数。
5.如权利要求1所述的摄像机成像物镜，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE005
其中，d1是所述第一透镜厚度，d2是所述第二透镜厚度。
6.一种机载光电式头盔瞄准系统，其包括摄像机成像物镜，其特征在于，所述摄像机成像物镜从物侧到成像面依次包括光栏、像方焦点位于成像面一侧的光焦度为正的第一透镜、以及具有曲率很大的凹面朝向成像面一侧的光焦度为负的弯月型第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均至少有一面为非球面，且满足条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE006
其中，f是整个所述摄像机成像物镜的焦距；f1是所述第一透镜的焦距；f2是所述第二透镜的焦距。
7.如权利要求6所述的机载光电式头盔瞄准系统，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
其中，R1是所述第一透镜靠近物侧的表面曲率半径；R2是所述第一透镜靠近成像面的表面曲率半径；d1是所述第一透镜厚度。
8.如权利要求6所述的机载光电式头盔瞄准系统，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE008
其中，R3是所述第二透镜靠近物侧的表面曲率半径；R4是所述第二透镜靠近成像面的表面曲率半径。
9.如权利要求6所述的机载光电式头盔瞄准系统，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
其中，v1表示所述第一透镜的阿贝数；v2表示所述第二透镜的阿贝数。
10.如权利要求6所述的机载光电式头盔瞄准系统，其特征在于，所述摄像机成像物镜还满足以下条件式：
Figure 2011102923756100001DEST_PATH_IMAGE010
其中，d1是所述第一透镜厚度，d2是所述第二透镜厚度。
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