CN105759394B - 一种大景深大视场宽温变高像质光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大景深大视场宽温变高像质光学系统。在光学路径上依次设置有包括第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、光阑、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜。本发明提供了一种有利于场曲的校正、有效抵抗空间中复杂的粒子辐照、在复杂空间环境下防止脱胶的用于空间环境的大景深大视场宽温变高像质光学系统。

Description

一种大景深大视场宽温变高像质光学系统
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种大景深大视场宽温变高像质光学系统。主要用于空间交会对接光学成像敏感器，机械臂手眼光学相机和月球车视觉导航相机等。也可应用于民用机器视觉和安防监视设备等需要大景深光学系统的领域。
背景技术
随着我国国民经济与国防工业技术的迅速发展，对航天器的需求量日益增加，对其能力的要求日臻提高。在空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对于空间机械臂技术和交会对接技术的需求越来越迫切，对其工作能力和性能要求越来越高，而且对所采用的建标测量系统要求也越高。光学成像系统可以获取目标影像，并通过图像识别技术得到位置参数，对于机械臂的功能实现和交会对接的实现起着非常重要的作用。在已经实现的交会对接和空间机械臂中，光学成像系统都有成功的应用。例如国际空间站、美国航天飞机等航天器所实施的交会对接光学成像系统和所应用的空间机械臂所用的探测相机。
美国验证的计算机视觉系统(ACVS)交会对接光学成像探测模拟器全视场仅28°X21°，视场较小、工作谱段和工作温度范围未知；高级视频导航系统(AVGS)会对接光学成像探测模拟器视场仅16°X 16°，探测成像距离0.75-300m，视场较小、探测范围较小、工作温度范围未知；王长庚等人在《中短距离宽视场对接成像敏感器光学系统》中设计的交会对接光学系统成像范围为1.5m-30m，仅工作于可见光波段，温度适应范围为-40℃-+40℃，成像范围小、工作波段窄、温度适应范围较小而且采用了胶合面；吕博等人在《空间交会对接探测器光学系统设计》中设计的交会对接光学系统工作波段为800-880nm，工作物距为0.5-130m，温度适应性未知，工作谱段窄、工作物距范围较小。
应用于这些方面的光学系统对所成像的范围一般集中于有限距离，景深要求较大，为了增大探测范围光学系统视场也应较大。工作环境为真空且温度变化剧烈的严苛环境，光学系统需要在真空环境下具有良好的温度适应性；为适应不同照明环境下的任务，能够在宽波段范围内良好成像；为了适应航天任务的需要，光学系统要能够实现轻小型化。
发明设计的光学系统具有大景深、大视场、宽谱段、良好的温度适应性、高像质、满足轻小型化等特点。除了能够工作于交会对接光学成像系统、空间机械臂探测相机和月球车导航相机之外，还可以广泛应用于机器视觉、安防监控设备等。
发明内容
为了解决技术背景中存在的技术问题，使光学系统具有成像质量高、探测范围大、工作谱段宽、温度适应范围广、体积小巧的特点，本发明提出了一种大景深大视场宽温变高像质光学系统。
本发明的技术解决方案：一种大景深大视场宽温变高像质光学系统，其特殊之处在于：在光学路径上依次设置有第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、光阑、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜；
上述第一负透镜的光学特性为：
‐10f’<f’1<‐9f’,1.4<n1<1.6,1f’<R1<2f’,0.5f’<R2<f’；
上述第二负透镜的光学特性为：
‐2f’<f’2<‐f’,1.5<n2<1.7,2f’<R3<3f’,0.5f’<R4<f’；
上述第一正透镜的光学特性为：
f’<f’3<2f’,1.5<n3<1.7,5f’<R5<6f’,‐f’<R6<‐0.5f’；
上述第三负透镜的光学特性为：
‐6f’<f’4<‐5f’,1.8<n4<2.0,‐f’<R7<‐0.5f’,‐2f’<R8<‐f’；
上述第二正透镜的光学特性为：
5f’<f’5<6f’,1.7<n5<1.9,f’<R9<2f’,f’<R10<2f’；
上述第三正透镜的光学特性为：
f’<f’6<2f’,1.5<n6<1.7,‐180f’<R11<‐170f’,‐2f’<R12<‐f’；
上述第四正透镜的光学特性为：
f’<f’7<2f’,1.5<n7<1.7,4f’<R13<5f’,‐f’<R14<‐0.5f’；
上述第四负透镜的光学特性为：
‐2f’<f’8<‐f’,1.8<n8<2.0,‐f’<R15<‐0.5f’,‐2f’<R16<‐f’；
其中，f’为光学系统的焦距，f’1,f’2,…f’8分别为光学路径上依次设置的透镜的焦距，n1,n2,…n8分别为光学路径上依次设置的透镜所采用玻璃的折射率，R1,R2,…R16分别为光学路径上依次设置的透镜16个表面的曲率半径；
上述第一负透镜的材质为JGSl熔融石英；所述第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜的材质均为光学玻璃；
上述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜均为分离透镜。
本发明所具有的优点为:
1、系统的光焦度分配决定了场曲，本发明光学系统的光焦度采用“--+-+++-”的组合结构，更加有利于场曲的校正。
2、光学系统选用熔融石英JGSl作为第一负透镜，JGS1极佳的抗辐照性能能有效抵抗空间中复杂的粒子辐照。
3、将传统的双胶合镜组变成分离透镜，一方面为了减小高级球差，另一方面去除了胶合面在复杂空间环境下脱胶、变性和变色的风险。
4、成像景深范围大，可在250mm到无穷远范围内保证成像质量；
5、光学系统成像视场大，在60°有效视场内保证成像质量；
6、在全视场范围内，在成像物距范围内和成像温度范围内畸变控制在3％以内；
7、光学系统成像波段范围大，可在450nm-900nm范围内成像，覆盖可见光和近红外波段。最佳像面上，全视场各个谱段相对于中心波长的弥散斑能量质心偏差小，在4.3um以内；
8、使用温度范围宽，在-50℃到+70℃温度区间内均可保证成像质量。
9、在真空环境下，依然具有4-8中提到的大景深、大视场低畸变、宽谱段低色差、宽温变、适应真空环境和成像质量高等特点。
10、光学系统实现轻小型化，整个光学系统的长度小于25mm，镜片径向尺寸小于10mm。
附图说明
图1为本发明光学系统的结构示意图；
图2为本发明光学系统在设计极限物距位置和设计极限温度时的MTF曲线；
其中图a表示-50℃近景深位置的MTF曲线；
图b表示-50℃远景深位置的MTF曲线；
图c表示+70℃近景深位置的MTF曲线；
图d表示+70℃远景深位置的MTF曲线；
图3为本发明光学系统在设计极限物距位置和设计极限温度时像面的弥散斑图；
其中图a表示-50℃近景深位置的弥散斑图；
图b表示-50℃远景深位置的弥散斑图；
图c表示+70℃近景深位置的弥散斑图；
图d表示+70℃远景深位置的弥散斑图；
图4为本发明光学系统设计极限物距位置和设计极限温度时的畸变曲线；
其中图a表示-50℃近景深位置的畸变曲线；
图b表示-50℃远景深位置的畸变曲线；
图c表示+70℃近景深位置的畸变曲线；
图d表示+70℃远景深位置的畸变曲线；
其中：1-第一负透镜、2-第二负透镜、3-第一正透镜、4-第三负透镜、5-光阑、6-第二正透镜、7-第三正透镜、8第四正透镜、9-第四负透镜。
具体实施例
参见图1-4，一种大景深大视场宽温变高像质光学系统，在光学路径上依次设置有第一负透镜1、第二负透镜2、第一正透镜3、第三负透镜4、光阑5、第二正透镜6、第三正透镜7、第四正透镜8以及第四负透镜9；
上述第一负透镜(1)的光学特性为：
‐10f’<f’1<‐9f’,1.4<n1<1.6,1f’<R1<2f’,0.5f’<R2<f’；
上述第二负透镜(2)的光学特性为：
‐2f’<f’2<‐f’,1.5<n2<1.7,2f’<R3<3f’,0.5f’<R4<f’；
上述第一正透镜(3)的光学特性为：
f’<f’3<2f’,1.5<n3<1.7,5f’<R5<6f’,‐f’<R6<‐0.5f’；
上述第三负透镜(4)的光学特性为：
‐6f’<f’4<‐5f’,1.8<n4<2.0,‐f’<R7<‐0.5f’,‐2f’<R8<‐f’；
上述第二正透镜(6)的光学特性为：
5f’<f’5<6f’,1.7<n5<1.9,f’<R9<2f’,f’<R10<2f’；
上述第三正透镜(7)的光学特性为：
f’<f’6<2f’,1.5<n6<1.7,‐180f’<R11<‐170f’,‐2f’<R12<‐f’；
上述第四正透镜(8)的光学特性为：
f’<f’7<2f’,1.5<n7<1.7,4f’<R13<5f’,‐f’<R14<‐0.5f’；
上述第四负透镜(9)的光学特性为：
‐2f’<f’8<‐f’,1.8<n8<2.0,‐f’<R15<‐0.5f’,‐2f’<R16<‐f’；
其中，f’为光学系统的焦距，f’1,f’2,…f’8分别为光学路径上依次设置的透镜的焦距，n1,n2,…n8分别为光学路径上依次设置的透镜所采用玻璃的折射率，R1,R2,…R16分别为光学路径上依次设置的透镜16个表面的曲率半径；
第一负透镜1的材质为JGSl熔融石英；第二负透镜2、第一正透镜3、第三负透镜4、第二正透镜6、第三正透镜7、第四正透镜8以及第四负透镜9的材质均为光学玻璃；第一负透镜1、第二负透镜2、第一正透镜3、第三负透镜4、第二正透镜6、第三正透镜7、第四正透镜8以及第四负透镜9均为分离透镜。
本发明所提供的光学系统还具有一下特性：
(1)成像景深范围大，可在250mm到无穷远范围内保证成像质量；
(2)光学系统成像视场大，在60°有效视场内保证成像质量；
(3)在全视场范围内，在成像物距范围内和成像温度范围内畸变控制在3％以内；
(4)光学系统成像波段范围大，可在450nm-900nm范围内成像，覆盖可见光和近红外波段。最佳像面上，全视场各个谱段相对于中心波长的弥散斑能量质心偏差小，在4.3um以内；
(5)使用温度范围宽，在-50℃到+70℃温度区间内均可保证成像质量。
(6)在真空环境下，依然具有(1)–(5)中提到的大景深、大视场低畸变、宽谱段低色差、宽温变、适应真空环境和成像质量高等特点。
为了更好的适应太空环境，第一镜采用耐辐照性能特别好的JGSl熔融石英材料。
为了避免镜头受紫外线照射而引起光学系统胶合面脱落或引起光敏胶性能逆变影响透过率，没有使用胶合面。
为了获得大范围的清晰成像，需要尽可能大的通光孔径来提供更多的能量及信息，故在设计时采用全视场无渐晕设计。
本发明在具体工作时，参考以下参数对第一负透镜(1)，第二负透镜(2)，第一正透镜(3)，第三负透镜(4)，光阑(5)，第二正透镜(6)，第三正透镜(7)，第四正透镜(8)以及第四负透镜(9)进行配置，使其达到更好效果:
所述第一负透镜(1)的光学特性为：
‐10f’<f’1<‐9f’,1.4<n1<1.6,1f’<R1<2f’,0.5f’<R2<f’；
所述第二负透镜(2)的光学特性为：
‐2f’<f’2<‐f’,1.5<n2<1.7,2f’<R3<3f’,0.5f’<R4<f’；
所述第一正透镜(3)的光学特性为：
f’<f’3<2f’,1.5<n3<1.7,5f’<R5<6f’,‐f’<R6<‐0.5f’；
所述第三负透镜(4)的光学特性为：
‐6f’<f’4<‐5f’,1.8<n4<2.0,‐f’<R7<‐0.5f’,‐2f’<R8<‐f’；
所述第二正透镜(6)的光学特性为：
5f’<f’5<6f’,1.7<n5<1.9,f’<R9<2f’,f’<R10<2f’；
所述第三正透镜(7)的光学特性为：
f’<f’6<2f’,1.5<n6<1.7,‐180f’<R11<‐170f’,‐2f’<R12<‐f’；
所述第四正透镜(8)的光学特性为：
f’<f’7<2f’,1.5<n7<1.7,4f’<R13<5f’,‐f’<R14<‐0.5f’；
所述第四负透镜(9)的光学特性为：
‐2f’<f’8<‐f’,1.8<n8<2.0,‐f’<R15<‐0.5f’,‐2f’<R16<‐f’；
其中，f’为光学系统的焦距，f’1,f’2,…f’8分别为八片透镜的焦距，n1,n2,…n8分别为八片透镜所采用玻璃的折射率，R1,R2,…R16分别为八片透镜16个表面的曲率半径。上述光学系统的后工作距大于5mm，整个光学系统的长度小于25mm。
本实施例所提供的光学系统的系统焦距约6mm，视场角大于60°，入瞳直径大于1mm，全视场无渐晕，无胶合面。在450nm-900nm波段范围内、250mm到无穷远物距范围内、-50℃-+70℃温度范围内，全视场范围内MTF在90lp/mm处大于0.1，在对准位置出成像质量接近衍射极限，相对畸变小于3％，相对于中心波长(600nm)的弥散斑能量质心偏差在4.3um以内。并且在真空环境下，光学系统依然能够达到上述指标。光学系统的后工作距大于5mm，对后期装调有利；所述光学系统的长度小于25mm，便于实现轻小型化。
本发明主要用于空间交会对接光学成像敏感器，机械臂手眼光学相机和月球车视觉导航相机等。也可应用在机器视觉和安防监视设备等需要大景深光学系统的领域。

Claims (3)

1.一种大景深大视场宽温变高像质光学系统，其特征在于：在光学路径上依次设置有第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、光阑、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜；
所述第一负透镜的光学特性为：
‐10f’<f’1<‐9f’,1.4<n1<1.6,1f’<R1<2f’,0.5f’<R2<f’；
所述第二负透镜的光学特性为：
‐2f’<f’2<‐f’,1.5<n2<1.7,2f’<R3<3f’,0.5f’<R4<f’；
所述第一正透镜的光学特性为：
f’<f’3<2f’,1.5<n3<1.7,5f’<R5<6f’,‐f’<R6<‐0.5f’；
所述第三负透镜的光学特性为：
‐6f’<f’4<‐5f’,1.8<n4<2.0,‐f’<R7<‐0.5f’,‐2f’<R8<‐f’；
所述第二正透镜的光学特性为：
5f’<f’5<6f’,1.7<n5<1.9,f’<R9<2f’,f’<R10<2f’；
所述第三正透镜的光学特性为：
f’<f’6<2f’,1.5<n6<1.7,‐180f’<R11<‐170f’,‐2f’<R12<‐f’；
所述第四正透镜的光学特性为：
f’<f’7<2f’,1.5<n7<1.7,4f’<R13<5f’,‐f’<R14<‐0.5f’；
所述第四负透镜的光学特性为：
‐2f’<f’8<‐f’,1.8<n8<2.0,‐f’<R15<‐0.5f’,‐2f’<R16<‐f’；
其中，f’为光学系统的焦距，f’1,f’2,…f’8分别为光学路径上依次设置的透镜的焦距，n1,n2,…n8分别为光学路径上依次设置的透镜所采用玻璃的折射率，R1,R2,…R16分别为光学路径上依次设置的透镜16个表面的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种大景深大视场宽温变高像质光学系统，其特征在于：所述第一负透镜的材质为JGSl熔融石英；所述第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜的材质均为光学玻璃；所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、光阑、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜均排列在同一光轴上。
3.根据权利要求1或2所述的一种大景深大视场宽温变高像质光学系统，其特征在于：所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第三负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第四负透镜均为分离透镜。
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