CN103487920A - 宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜，第二负透镜，第一正透镜，第三负透镜，第一三胶合透镜组，光阑，第二正透镜，第四负透镜，第二三胶合透镜，第三正透镜，第五负透镜，第六负透镜，第四正透镜，多光谱分光系统等效平板；其中，第二正透镜，第四负透镜，第三正透镜，第五负透镜，第六负透镜，第四正透镜，多光谱分光系统等效平板共同构成后透镜组，光阑位于后透镜组前焦面处；第一三胶合透镜采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式，第二三胶合透镜采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式。本发明具有大视场、高分辨率，像方远心等特点。

Description

宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统

技术领域

本发明属于航空遥感与测绘技术领域，涉及一种应用于航空对地观测光学新载荷的光学系统。

背景技术

三线阵立体航测相机是安装在飞机平台上，通过飞机推扫，利用焦面上的三条线阵探测器获取同一地物前视、下视、后视影像，最终利用图像处理技术得到地物立体数字影像。

三线阵立体航测数码相机作为国外研究的一个热点一直备受各方面的关注，其技术实现方式也有两种方式即单镜头内拼接形式和三镜头外拼接形式。单镜头内拼接技术的代表有Leica公司的ADS40/80相机、日本STARLABO公司研制的STARIMAGER三线阵扫描图像系统和德国Jena-Optronik公司研制的JAS-150线阵推扫相机，而三镜头外拼接技术的代表是Wehrli&Associates and Geosystem公司的3-DAS-1和3-OC。

ADS40机载航空数字传感器，采用线阵推扫成像，是全球第一台空间数字传感器，代表了目前信息获取技术的最新发展，于2000年由瑞士Leica公司推出，2008年推出了最新的产品ADS80。ADS40是在成像面安置前视、下视和后视三个CCD线阵，在摄影时构成三条航带实现摄影测量。它是一种能够同时获得立体影像和彩色多光谱影像的多功能、数字化的航空遥感传感器。

STARIMAGER三线阵立体航测相机是2002年STARLABO公司联合东京大学等单位为救护直升机上研制的一种用于大比例尺成图的高精度的三线阵数字扫描图像系统。在其相机的焦平面上共放置四条线阵CCD，其中三条线阵CCD分别放置在前视、中视和后视，另外每条线阵中包含R、G、B获得彩色图像，可提供了立体和多光谱的图像。

JAS-150三线阵航测相机作为德国Jena-Optronik Group公司2006年推出的面向下一代的数字航空扫描相机，靶面上采用9条12000像元的线阵CCD探测器，其中4条可获取R、G、B和近红外的多光谱数据，另外5条为了避免数字高程模型出现盲点，分别在下视和四个不同角度放置来获取全色影像。

3-DAS-1三线阵航测相机是Wehrli&Associates and Geosystem公司2004年推出的一款采用三镜头外拼接的数码航测相机，其采用三个相互严格固定的光学系统获取地面目标影像。3-OC三线阵航测相机是对3-DAS-1进行的改进型外拼接数码航测相机。

我国CCD航空相机技术选择了面阵CCD相机作为技术攻关的重要类型。中国科学院光电技术研究所，在国家863支持下的“大面阵彩色CCD数字航测相机系统研制”项目，其全色CCD采用9K×9K的大面阵CCD，多光谱采用2K×2KCCD分别获取R、G、B图像。

中科院遥感应用研究所2003年研制出一套宽视场，多光谱和立体成像等多种模块为一体的大面阵CCD数字相机系统MADC，MADC系统由3台4K×4K的大面阵CCD数字相机组成。

中国测绘科学院刘先林院士主持研制的SWDC航空数码相机以多镜头成像技术为基础，其采用外视场拼接技术集成多个高端民用数码相机（单机像素数为3900万，像元大小为6.8μm），摄影时同时曝光，事后对影像进行纠正，拼接成统一投影中心的大幅面高分辨率虚拟影像，从而实现高分辨率、大范围的地面覆盖。

目前针对线阵探测器的立体航测相机在国内还属空白，三线阵立体航测相机系统需要一种大视场，高分辨率，高精度的光学系统，其使用要求很高，技术难度很大，国内尚无此类光学系统出现。

发明内容

本发明提供了一种应用于三线阵立体航测领域的宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，其具有大视场、高分辨率，像方远心等特点。

本发明的基本技术方案如下：

该宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜，第二负透镜，第一正透镜，第三负透镜，第一三胶合透镜组，光阑，第二正透镜，第四负透镜，第二三胶合透镜，第三正透镜，第五负透镜，第六负透镜，第四正透镜，多光谱分光系统等效平板；其中，第二正透镜，第四负透镜，第三正透镜，第五负透镜，第六负透镜，第四正透镜，多光谱分光系统等效平板共同构成后透镜组，光阑位于所述的后透镜组前焦面处；所述的第一三胶合透镜采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式，所述的第二三胶合透镜采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式。

基于上述基本方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

以上各透镜的参数依次如下：

第一负透镜1：1.7<n₁<1.8,-f’<f₁’<-1.5f’，f₁’<R₁<1.5f₁’，R₂<0.5f₁’；

第二负透镜2：1.4<n₂<1.6,-1.5f’<f₂’<-2f’，2f₂’<R₃<2.5f₂’，R₄<0.5f₂’；

第一正透镜3：1.8<n₃<2.0,1.5f’<f₃’<2f’，2f₃’<R₅<3f₃’，R₆<1.5f₃’；

第三负透镜：1.4<n₄<1.6,-f’<f₄’<-1.5f’，2f₄’<R₇<2.5f₄’，R₈<f₄’；

构成第一三胶合透镜的三个透镜分别为：

1.8<n₅₁<1.9,-3f'<f₅₁'<-4f'，0.1f₅₁'<R₉<0.2f₅₁'，R₁₀<0.2f₅₁'；

1.7<n₅₂<1.8,0.1f'<f₅₂'<0.5f'，f₅₂'<R₁₀<1.5f₅₂'，R₁₁<1.5f₅₂'；

1.6<n₅₃<1.8,-0.5f'<f₅₃'<-f'，0.5f₅₃'<R₁₁<f₅₃'，R₁₂<0.5f₅₂'；

第二正透镜：1.6<n₇<1.8,0.5f’<f₇’<f’，f₇’<R₁₃<1.5f₇’，R₁₄<1.5f₇’；

第四负透镜：1.4<n₈<1.6,-3f’<f₈’<-4f’，0.1f₈’<R₁₅<0.5f₈’，R₁₆<0.4f₈’；

构成第二三胶合透镜的三个透镜分别为：

1.6<n₉₁<1.8,-0.5f'<f₉₁'<-f'，2f₉₁'<R₁₇<3f₉₁'，R₁₈<f₉₁'；

1.4<n₉₂<1.6,0.2f'<f₉₂'<0.5f'，f₉₂'<R₁₈<1.5f₉₂'，R₁₉<f₉₂'；

1.6<n₉₃<1.7,-0.5f'<f₉₃'<-f'，0.1f₉₃'<R₁₉<0.5f₉₃'，R₂₀<1.2f₉₃'；

第三正透镜：1.8<n₁₀<2.0,f’<f₁₀’<1.5f’，2f₁₀’<R₂₁<3f₁₀’，R₂₂<1.5f₁₀’；

第五负透镜：1.4<n₁₁<1.6,-2f’<f₁₁’<-3f’，f₁₁’<R₂₃<1.5f₁₁’，R₂₄<0.5f₁₁’；

第六负透镜：1.6<n₁₂<1.8,-5f’<f₁₂’<-8f’，0.1f₁₂’<R₂₅<0.5f₁₂’，R₂₆<0.2f₁₂’；

第四正透镜：1.6<n₁₃<1.8,2f’<f₁₃’<3f’，2f₁₃’<R₂₇<3f₁₃’，R₂₈<1.5f₁₃’。

上述的第一负透镜为镧火石玻璃LAF3，第二负透镜为特冕玻璃FK2，第一正透镜为ZLAF75A，第三负透镜为FK2，构成第一三胶合透镜的三个透镜分别为ZF52、ZBAF20和TF3，第二正透镜为ZBAF3，第四负透镜为QK3，构成第二三胶合透镜的三个透镜分别为F13、FK2和TF3，第三正透镜为ZLAF75A，第五负透镜为K9，第六负透镜为ZF6，第四正透镜为ZF88，多光谱分光系统等效平板为光学石英玻璃JGS1。

上述的多光谱分光系统等效平板为多光谱分光棱镜组。

以上各参数中，f₁’，f₂’，f₃’，f₄’，f₇’，f₈’，f₁₀’，f₁₁’，f₁₂’，f₁₃’，分别为第一负透镜，第二负透镜，第一正透镜，第三负透镜，第二正透镜，第四负透镜，第三正透镜，第五负透镜，第六负透镜，第四正透镜的焦距。f₅₁’为三胶合透镜中弯月透镜的焦距，f₅₂’为三胶合透镜中正透镜的焦距，f₅₃’为三胶合透镜中负透镜的焦距。f₉₁’为三胶合透镜中第一负透镜的焦距，f₉₂’三胶合透镜中正透镜的焦距，f₉₃’三胶合透镜中第二负透镜的焦距，f’为整个光学系统的焦距；R为透镜表面曲率半径（同上，按照角标顺次标明各透镜的各个面）；n为折射率。

本发明的光学系统采用了小型化、轻量化设计，具有高分辨率，大视场，像方远心光路等特点。该光学系统一方面具有良好的成像质量、优良的温度适应性，减小了对相机热控精度的需求；另一方面由于采用远心光路，使得三线阵立体航测相机具有很好照度均匀性和色彩还原性。

具体有如下优点：

1)采用单个镜头，使整个三线阵立体航测相机结构简单、紧凑。

2)同时实现大视场与高分辨能力。光学镜头视场达77°，在保证大工作视场角60°和大基高比的同时，具有更高的地面像元分辨率，这对立体航测和航测效率的提高有极其重要的意义。

3)采用远心光路结构。一方面具有大视场的同时，使像面有极佳的照度均匀性；另一方面像方远心对温度造成的像面离焦不敏感，有利降低对相机热控精度的要求。此外，像方远心光路对减小探测器数目、抑制像点漂移和色彩校正有益。

附图说明

图1为三线阵立体航测相机成像示意图。

图2为本发明光学系统结构图。

图3为本发明光学系统的像差曲线图。

图4为本发明光学系统MTF曲线（半视场角0°～22°）。

图5为本发明光学系统MTF曲线（半视场角22°～38.5°）。

具体实施方式

宽视场像方远心三线阵立体航测相机通过飞机推扫，将地面目标成像于位于像面上的前视、下视、后视线阵探测器上，其光学系统主要性能指标为：

1.工作波段为0.45μm～0.75μm；

2.系统焦距130mm

3.视场角为77°

4.工作视场角60°（配合线阵探测器后，单个立体角幅宽方向）

5.相对孔径为1/5

6.探测器空间频率77lp/mm

7.畸变≤3%

8.像方远心光路结构，远心度≤0.1°

9.光学传递函数MTF  0视场>0.63     （77lp/mm）

0.7视场>0.46    （77lp/mm）

1视场>0.32      （77lp/mm）

10.基高比0.83，成像立体角27.7°，0°，17°

11.光学系统总长504.2mm

本发明实现过程中采取的关键技术：

1、光学系统轻量化技术

为了校正像差时，尽可能减小系统体积和重量，光学系统合理选择结构形式，并采用了一个二次曲面。该非球面位于光阑附近，用于校正与口径有关的像差。采用非球面，不仅可以减小透镜的数量、系统长度和重量，使系统结构简单、紧凑，而且也满足了飞机窗口和机载稳定平台对三线阵航测相机重量和尺寸的要求。

2、宽谱段长焦距系统消色差技术

宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统是一个宽谱段、长焦距的高分辨率光学系统，二级光谱成为限制成像质量提高的重要因素，因此，二级光谱的校正是设计中必须要解决的重要问题，也是光学设计的一大难点之一。普通光学材料组合无法消除二级光谱，因此设计中采用具有异常色散特性的光学材料TF3和FK2，第一三胶合透镜透镜材料为ZF52、ZBAF20和TF3组合，第一三胶合透镜光学材料由TF3、FK2和F13组成，利用胶合面消除二级光谱及色差。

3、优良环境适应性设计

本发明所涉及的光学系统在20±5℃环境温度变化下仍然具有良好的成像质量。设计中主要采取的措施有：

1)合理选择光学系统所使用的材料，使其膨胀系数与镜筒材料膨胀系数相匹配

2)采用像方远心结构，使得温度对成像质量影响不明显

4、像方远心光路设计

像方远心光路使得光学系统光阑位于系统后镜组焦面处。宽视场三线阵立体航测相机光学系统采用像方远心光路结构主要有以下优点：

1)像面具有极佳的照度均匀性

2)像方远心结构对温度造成的像面离焦不敏感

3)光学系统后方有多光谱分色棱镜，将入射光束分成R、G、B多光谱光束，远心光路可使入射到分色棱镜反射面上光线角度一致，不同视场光谱漂移一致，有利于色彩校正，而且也不存在像点漂移。

4)有利于减少采用的探测器数目。远心光学系统采用多光谱分色棱镜产生R、G、B多光谱，对于单条内拼接有多条线阵探测器的封装器件，R、G、B可以采用下视探测器中的3条，从而减少探测器数目。

5、优良的镜头优化技术

一般的航空摄影镜头，虽然视场角也很大，畸变也很小，但是光学系统基本都是对称结构，也就是光学系统出射角与入射角相当。根据像面边缘视场照度与视场角余弦的四次方成正比的关系，当镜头视场角比较大时，其像面边缘照度很低，像面照度均匀性很差，严重影响应用。虽然可以采用在镜头前加渐变滤色片的办法使边缘照度和中心照度得到改善，但是整个光学系统损失光能过大，系统信噪比下降很大。对于三线阵航测相机而言，大量光能量的损失将极大降低系统信噪比，这是不允许的。

通常，光学系统具有极小畸变与远心度是相互矛盾的。一般而言，大视场低畸变航测光学系统都是采用对称光路结构，以获得极低的畸变，但这种结构像面照度均匀性很差。为了改善像面照度均匀性就必须减小光学系统主光线出射角，但减小出射角，又会使得整个光学镜头结构失对称性，导致畸变不可能做到很小。

本发明所提出的宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，在设计过程中，通过合理选择光学材料，反复仔细优化设计，在保证光学系统较低畸变的基础上，使光学系统出射角≤0.1°，保证了像面照度均匀性。

如图2所示，本实施例的整个光学系统为像方远心系统，其中采用了两个三胶合透镜组5和9，三胶合透镜组9中两种材料采用具有异常色散特性的特火石玻璃和氟冕玻璃组合；另外，包含有一个二次曲面，其位于第二正透镜7的R₁₄面。

各透镜的参数具体如下：

第一负透镜1：1.7<n₁<1.8,-f’<f₁’<-1.5f’，f₁’<R₁<1.5f₁’，R₂<0.5f₁’；

第二负透镜2：1.4<n₂<1.6,-1.5f’<f₂’<-2f’，2f₂’<R₃<2.5f₂’，R₄<0.5f₂’；

第一正透镜3：1.8<n₃<2.0,1.5f’<f₃’<2f’，2f₃’<R₅<3f₃’，R₆<1.5f₃’；

第三负透镜4：1.4<n₄<1.6,-f’<f₄’<-1.5f’，2f₄’<R₇<2.5f₄’，R₈<f₄’；

构成第一三胶合透镜5的三个透镜分别为：

1.8<n₅₁<1.9,-3f'<f₅₁'<-4f'，0.1f₅₁'<R₉<0.2f₅₁'，R₁₀<0.2f₅₁'；

1.7<n₅₂<1.8,0.1f'<f₅₂'<0.5f'，f₅₂'<R₁₀<1.5f₅₂'，R₁₁<1.5f₅₂'；

1.6<n₅₃<1.8,-0.5f'<f₅₃'<-f，0.5f₅₃'<R₁₁<f₅₃'，R₁₂<0.5f₅₂'；

第二正透镜7：1.6<n₇<1.8,0.5f’<f₇’<f’，f₇’<R₁₃<1.5f₇’，R₁₄<1.5f₇’；

第四负透镜8：1.4<n₈<1.6,-3f’<f₈’<-4f’，0.1f₈’<R₁₅<0.5f₈’，R₁₆<0.4f₈’；

构成第二三胶合透镜9的三个透镜分别为：

1.6<n₉₁<1.8,-0.5f'<f₉₁'<-f'，2f₉₁'<R₁₇<3f₉₁'，R₁₈<f₉₁'；

1.4<n₉₂<1.6,0.2f'<f₉₂'<0.5f'，f₉₂'<R₁₈<1.5f₉₂'，R₁₉<f₉₂'；

1.6<n₉₃<1.7,-0.5f'<f₉₃'<-f'，0.1f₉₃'<R₁₉<0.5f₉₃'，R₂₀<1.2f₉₃'；

第三正透镜10：1.8<n₁₀<2.0,f’<f₁₀’<1.5f’，2f₁₀’<R₂₁<3f₁₀’，R₂₂<1.5f₁₀’；

第五负透镜11：1.4<n₁₁<1.6,-2f’<f₁₁’<-3f’，f₁₁’<R₂₃<1.5f₁₁’，R₂₄<0.5f₁₁'；

第六负透镜12：1.6<n₁₂<1.8,-5f’<f₁₂’<-8f’，0.1f₁₂’<R₂₅<0.5f₁₂’，R₂₆<0.2f₁₂'；

第四正透镜13：1.6<n₁₃<1.8,2f’<f₁₃’<3f’，2f₁₃’<R₂₇<3f₁₃’，R₂₈<1.5f₁₃’。

多光谱分光系统等效平板14采用多光谱分光棱镜组实现。

相邻透镜的中心间距依次为23mm，13.2mm，1.1mm，5.1mm，13.5mm，0.4mm，18.8mm，54.1mm，0.4mm，63.7mm，12mm和5mm，光学系统像面直径达200.6mm。

本发明提出的三线阵立体航测相机光学系统为像方远心光路结构，根据光学系统边缘视场相对照度为出射角度余弦的四次方关系，整个像面照度极佳。鉴于像方远心光路，严重的失对称性，光学系统畸变不可能做到很小，本发明光学系统均有较小的畸变，相对畸变≤3%，这可在三线阵立体航测相机几何校正阶段，建立模型消除，以满足航空摄影测量对成图精度的要求。

表1给出了本发明与国外典型三线阵立体航测相机光学系统指标的对照。

表1国外典型三线阵立体航测相机光学系统主要指标

*为作对比，表中不同三线阵立体航测相机均按统一的6000m航高计算地面像元分辨率GSD

*工作视场角不同于镜头视场角，其数值取决于相机基高比和镜头视场角，小于镜头视场角

本发明特别适合于宽视场高分辨率三线阵立体航测领域，对填补我国在三线阵立体航测和遥感领域的空白，并使之达到国际先进水平，有重要的现实意义。

Claims (4)

1.宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：所述光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜（1），第二负透镜（2），第一正透镜（3），第三负透镜（4），第一三胶合透镜组（5），光阑（6），第二正透镜（7），第四负透镜（8），第二三胶合透镜（9），第三正透镜（10），第五负透镜（11），第六负透镜（12），第四正透镜（13），多光谱分光系统等效平板（14）；其中，第二正透镜（7），第四负透镜（8），第三正透镜（10），第五负透镜（11），第六负透镜（12），第四正透镜（13），多光谱分光系统等效平板（14）共同构成后透镜组，光阑（6）位于所述的后透镜组前焦面处；所述的第一三胶合透镜（5）采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式，所述的第二三胶合透镜（9）采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式。

2.根据权利要求1所述的宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：其中各透镜的参数依次如下：

第一负透镜：1.7<n₁<1.8,-f’<f₁’<-1.5f’，f₁’<R₁<1.5f₁’，R₂<0.5f₁’；

第二负透镜：1.4<n₂<1.6,-1.5f’<f₂’<-2f’，2f₂’<R₃<2.5f₂’，R₄<0.5f₂’；

第一正透镜：1.8<n₃<2.0,1.5f’<f₃’<2f’，2f₃’<R₅<3f₃’，R₆<1.5f₃’；

第三负透镜：1.4<n₄<1.6,-f’<f₄’<-1.5f’，2f₄’<R₇<2.5f₄’，R₈<f₄’；

构成第一三胶合透镜的三个透镜分别为：

1.8<n₅₁<1.9,-3f’<f₅₁'<-4f'，0.1f₅₁'<R₉<0.2f₅₁'，R₁₀<0.2f₅₁'；

1.7<n₅₂<1.8,0.1f'<f₅₂'<0.5f'，f₅₂'<R₁₀<1.5f₅₂'，R₁₁<1.5f₅₂'；

1.6<n₅₃<1.8,-0.5f'<f₅₃'<-f'，0.5f₅₃'<R₁₁<f₅₃'，R₁₂<0.5f₅₂'；

第二正透镜：1.6<n₇<1.8,0.5f’<f₇’<f’，f₇’<R₁₃<1.5f₇’，R₁₄<1.5f₇’；

第四负透镜：1.4<n₈<1.6,-3f’<f₈’<-4f’，0.1f₈’<R₁₅<0.5f₈’，R₁₆<0.4f₈’；

构成第二三胶合透镜的三个透镜分别为：

1.6<n₉₁<1.8,-0.5f'<f₉₁'<-f'，2f₉₁'<R₁₇<3f₉₁'，R₁₈<f₉₁'；

1.4<n₉₂<1.6,0.2f'<f₉₂'<0.5f'，f₉₂'<R₁₈<1.5f₉₂'，R₁₉<f₉₂'；

1.6<n₉₃<1.7,-0.5f'<f₉₃'<-f'，0.1f₉₃'<R₁₉<0.5f₉₃'，R₂₀<1.2f₉₃'；

第三正透镜：1.8<n₁₀<2.0,f’<f₁₀’<1.5f’，2f₁₀’<R₂₁<3f₁₀’，R₂₂<1.5f₁₀’；

第五负透镜：1.4<n₁₁<1.6,-2f’<f₁₁’<-3f’，f₁₁’<R₂₃<1.5f₁₁’，R₂₄<0.5f₁₁’；

第六负透镜：1.6<n₁₂<1.8,-5f’<f₁₂’<-8f’，0.1f₁₂’<R₂₅<0.5f₁₂’，R₂₆<0.2f₁₂’；

第四正透镜：1.6<n₁₃<1.8,2f’<f₁₃’<3f’，2f₁₃’<R₂₇<3f₁₃’，R₂₈<1.5f₁₃’。

3.根据权利要求1所述的宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：第一负透镜为镧火石玻璃LAF3，第二负透镜为特冕玻璃FK2，第一正透镜为ZLAF75A，第三负透镜为FK2，构成第一三胶合透镜的三个透镜分别为ZF52、ZBAF20和TF3，第二正透镜为ZBAF3，第四负透镜为QK3，构成第二三胶合透镜的三个透镜分别为F13、FK2和TF3，第三正透镜为ZLAF75A，第五负透镜为K9，第六负透镜为ZF6，第四正透镜为ZF88，多光谱分光系统等效平板为光学石英玻璃JGS1。

4.根据权利要求1所述的宽视场像方远心三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：所述的多光谱分光系统等效平板（14）为多光谱分光棱镜组。

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