CN106054360B - 一种空间用像方远心镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间用像方远心镜头，该镜头包括7片透镜，透镜结构形式为正负正负正负正的结构形式，均采用便于加工的球面结构形式，各透镜的材料、通光孔径、厚度及光焦度绝对值各不相同，光学系统焦距35mm，最小F数为2.5，焦深较短，但光学镜组的光焦度、材料热膨胀系数选取合理，在真空、高低温条件下可以相互补偿，具有较高的地面、空间环境适应性，镜头在常温常压、真空条件下、‑50°真空条件下、+50°真空条件下均可以保持较高的成像质量，可以实现地面常温常压装配、对象面，到达空间后不用重新调节像面。
Description
技术领域
本发明涉及一种定焦光学镜头，尤其涉及一种适用于空间成像应用的大光圈定焦像方远心光学镜头。
背景技术
随着空间探测的发展，适用于空间探测的光学成像镜头需求量越来越大，种类也越来越多。但是空间环境复杂，与地面环境想比，不仅存在较大的温差，而且压强也有很大的不同。温度和压强的变化都会导致光学系统各个透镜的厚度、间隔、光焦度、相对折射率发生变化，从而导致光学系统像面位置变化(即离焦现象)，成像质量下降。
航天产品要求尽可能减少运动部件，保证器件可靠性，在保证可靠性的条件下还要求器件小型化、轻量化，所以光学系统中尽可能不采用调焦机构。通常镜头在生产和装配过程中无法保证与空间环境完全一致，所以需要在镜头的设计中实现消热差和消真空环境影响，设计难度较大。
空间环境中照度变化范围也十分大，往往要对微弱目标成像探测。高亮目标可以通过光学系统曝光时间的缩小实现成像探测，但微弱目标成像探测则需要通过减小光学系统F数或者提高光学系统曝光时间实现。光学系统探测器曝光时间有一定的上限，往往会出现不足，长曝光时间也会增大图像噪声，对于运动目标长曝光时间还会导致图像拖影，所以空间用光学镜头采用的F数相对较小。
光学镜头的焦深与F数成正比，F数越小光学镜头焦深越小，温度和压强导致的离焦对光学系统的成像质量影响越大。当温度、压强导致的离焦量小于焦深时，该光学系统不需要进行热真空设计，设计过程较为简单，但当温度、压强导致的离焦量大于光学系统焦深时，就需要进行热真空设计，设计的困难程度随着热真空产生的离焦量增大而增大。
当光学镜头的入瞳位于物方焦平面，像方主光线平行于光轴时，该光学系统称为像方远心光路。这种远心光学系统可以有效的减小视差，解决因为调焦不准确导致的测量精度下降问题。
目前空间中交汇对接成像系统中镜头常采用这种像方远心光路，但其焦距在10mm左右，F数也相对较大(F/3)。此外星敏感器焦距常在35mm左右，F数相对较小(小于3)，但其通过弥散斑质心算法测量目标质心位置，设计时并不需要考虑热真空等环境导致的离焦问题，仅仅考虑弥散斑圆度。
本发明提出了一种空间用像方远心镜头，该镜头具有像方远心特点可以保证光学测量系统测量精度，而且还具有较高的成像质量，此外其F数相对较小，焦距较长，既可以当成像测量镜头也可以当星敏感器使用，十分符合航天多功能化要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量精度高、成像质量好的空间用像方远心镜头，其具有较高的地面、空间环境适应性。
本发明的技术解决方案是：
一种空间用像方远心镜头，其特别之处在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第三正透镜、第三负透镜和第四正透镜；
上述第一正透镜的材料为石英，0.02＜光焦度绝对值＜0.025；
上述第一负透镜的为HZF52A，0.02＜光焦度绝对值＜0.03；
上述第二正透镜为HLAK53A，0.1＜光焦度绝对值＜0.2；
上述第二负透镜为HZF4，0.2＜光焦度绝对值＜0.25；
上述第三正透镜为HQK3，0.05＜光焦度绝对值＜0.1；
上述第三负透镜为HZF52A，0.02＜光焦度绝对值＜0.03；
上述第四正透镜为HLAK3，0.05＜光焦度绝对值＜0.15；
为了便于加工和装配，上述各透镜均为球面镜。
上述第一正透镜20mm＜通光孔径＜21mm，3mm＜厚度＜4mm；
上述第一负透镜18mm＜通光孔径＜19mm，5mm＜厚度＜6mm；
上述第二正透镜12mm＜通光孔径＜13mm，5mm＜厚度＜6mm；
上述第二负透镜8mm＜通光孔径＜9mm，1mm＜厚度＜2mm；
上述第三正透镜14mm＜通光孔径＜15mm，6mm＜厚度＜7mm；
上述第三负透镜15mm＜通光孔径＜16mm，5mm＜厚度＜6mm；
上述第四正透镜12mm＜通光孔径＜13mm，3mm＜厚度＜4mm。
优选的，上述第一正透镜的通光孔径为20.5mm，厚度为3.2mm；
上述第一负透镜的通光孔径为18.5mm，厚度为5.69mm；
上述第二正透镜的通光孔径为12.7mm，厚度为6.00mm；
上述第二负透镜的通光孔径为8.1mm，厚度为2.00mm；
上述第三正透镜的通光孔径为14.6mm，厚度为6.76mm；
上述第三负透镜的通光孔径为15.4mm，厚度为6.00mm；
上述第四正透镜的通光孔径为12.5mm，厚度为3.30mm。
上述第四正透镜的光线出射面的中心离像面距离为6mm。
该空间用像方远心镜头外形尺寸为结构紧凑。
本发明的优点是：
1、该光学系统的焦距为35mm，最小F数为2.5，焦深较短，但光学镜组的光焦度、材料热膨胀系数选取合理，在真空、高低温条件下可以相互补偿，具有较高的地面、空间环境适应性，镜头在常温常压、真空条件下、-50°真空条件下、50°真空条件下均可以保持较高的成像质量，可以实现地面常温常压装配及对象面，到达空间后不用重新对像面；
2、该光学系统首片透镜采用石英玻璃，厚度大于3mm，其他均采用耐辐照玻璃，抗辐射能力较强，可适应空间环境；
3、该光学系统可以保证像面相对照度均匀，图像1/2最大视场角(像边缘)照度与中心照度比值优于为92％，图像1/4最大视场角照度与中心照度比值优于为95％，不会存在明显的四角变暗情况。光学系统最大视场角优于16°，畸变为正畸变(枕型畸变)且相对较小，并采用了像方远心设计，在离焦条件下各视场角对应的像点质心位置不变，可用于高精度目标定位、测量；
4、光学镜头中透镜均采用球面镜，加工简单、便于装配；
5、该镜头最大外轮廓为其最后一片透镜的后表面中心距离像面距离为6mm，结构紧凑。
附图说明
图1是本发明提供的光学系统结构图。
图2a常温常压条件下光学系统光学调制传递函数图。
图2b真空常温条件下光学系统光学调制传递函数图。
图2c真空-50°低温条件下光学系统光学调制传递函数图。
图2d真空50°高温条件下光学系统光学调制传递函数图。
图3是本发明提供的光学系统畸变曲线。
图4是本发明提供的光学系统在常温真空离焦(0.06mm)的条件下，弥散斑仿真图。
其中图1中：1-第一正透镜；2-第一负透镜；3-第二正透镜；4-第二负透镜；5-第三正透镜；6-第三负透镜；7-第四正透镜；8-像面。
具体实施方式
参照附图对该镜头进行说明，以下实例作为该镜头实现的一种方式，均可以满足上述要求。
如图1所示，为本发明的结构示意图，该镜头包括7片透镜，7片透镜以正负正负正负正的形式排列，且均采用便于加工的球面结构形式。
以光入射的第一片透镜为第一正透镜，其材料采用耐辐照能力较强的光学石英玻璃，厚度大于3mm，具体的为3.2mm，具有较强的耐辐照能力，可以为镜头品质的提升做出一定的贡献，该透镜的通光孔径为20.5mm，光焦度的绝对值大于0.02小于0.025。
以光入射的第二片透镜为第一负透镜，第六片为第三负透镜，这两组透镜都选用H-ZF52A，这两个透镜的折射率高，色散低，可以有效的抑制倍率色差，但其具有较高的热膨胀系数，第一负透镜的厚度为5.69mm，通光孔径为18.5mm，光焦度的绝对值大于0.02小于0.03；第三负透镜的厚度为6.00mm，通光孔径为15.4mm，光焦度绝对值大于0.02小于0.03。
以从光入射方向的第三片透镜为第二正透镜，选用HLAK53A，该透镜的折射率较低，同时具有较低的热膨胀系数，厚度为6.00mm，通光孔径为12.7mm，光焦度绝对值大于0.1小于0.2；该透镜可以补偿残余色差，并抵消部分由环境变化引起的像差。
以从光入射方向的第四、第五及第六片透镜分别为第二负透镜、第三正透镜和第三负透镜，该三片透镜对光阑后方光线倾角进行改变，有利于像方远心光路，其中第二负透镜为HZF4，其通光孔径为8.1mm，厚度为2.00mm，光焦度绝对值大于0.2小于0.25；第三正透镜为HQK3，通光孔径为14.6mm，厚度为6.76mm，光焦度绝对值大于0.05小于0.1；第三负透镜为HZF52A，通光孔径为15.4mm，厚度为6.00mm，光焦度绝对值大于0.02小于0.03。
以从光入射方向的第七片透镜为第四正透镜，选用HLAK3，该透镜的折射率较低，同时具有较低的热膨胀系数，该透镜也可以补偿残余色差，并抵消部分由环境变化引起的像差，其光线出射面正对探测器像面，曲率半径取负值，有利于鬼像的消除，该透镜的通光孔径为12.5mm，厚度为3.30mm，光焦度绝对值大于0.05小于0.15。
图2为不同条件下光学系统调制传递函数图，其中横坐标为空间调制频率，纵坐标为光学调制函数。图2a为常温常压条件下该镜头的光学调制传递函数，图2b为常温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，图2c为-50°低温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，图2d为50°低温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，可以看出本发明镜头在常温常压、真空条件下、-50°真空条件下、50°真空条件下均可以保持较高的成像质量。
图3是本发明提供的光学系统畸变曲线，其中横坐标为光学畸变百分比，纵坐标为光学系统视场角，可以看出该光学系统畸变小于1％。
图4是本发明提供的光学系统在常温真空离焦(0.06mm)的条件下，弥散斑仿真图，可以看出各个视场角条件下弥散斑均约为17微米，弥散斑在中心视场相对较圆，有利于质心的确定。
Claims (5)
1.一种空间用像方远心镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、第三正透镜、第三负透镜和第四正透镜；
所述第一正透镜的材料为石英，0.02＜光焦度绝对值＜0.025；
所述第一负透镜的为HZF52A，0.02＜光焦度绝对值＜0.03；
所述第二正透镜为HLAK53A，0.1＜光焦度绝对值＜0.2；
所述第二负透镜为HZF4，0.2＜光焦度绝对值＜0.25；
所述第三正透镜为HQK3，0.05＜光焦度绝对值＜0.1；
所述第三负透镜为HZF52A，0.02＜光焦度绝对值＜0.03；
所述第四正透镜为HLAK3，0.05＜光焦度绝对值＜0.15；
各透镜均为球面镜。
2.根据权利要求1所述的空间用像方远心镜头，其特征在于：
所述第一正透镜20mm＜通光孔径＜21mm，3mm＜厚度＜4mm；
所述第一负透镜18mm＜通光孔径＜19mm，5mm＜厚度＜6mm；
所述第二正透镜12mm＜通光孔径＜13mm，5mm＜厚度＜6mm；
所述第二负透镜8mm＜通光孔径＜9mm，1mm＜厚度＜2mm；
所述第三正透镜14mm＜通光孔径＜15mm，6mm＜厚度＜7mm；
所述第三负透镜15mm＜通光孔径＜16mm，5mm＜厚度＜6mm；
所述第四正透镜12mm＜通光孔径＜13mm，3mm＜厚度＜4mm。
3.根据权利要求2所述的空间用像方远心镜头，其特征在于：
所述第一正透镜的通光孔径为20.5mm，厚度为3.2mm；
所述第一负透镜的通光孔径为18.5mm，厚度为5.69mm；
所述第二正透镜的通光孔径为12.7mm，厚度为6.00mm；
所述第二负透镜的通光孔径为8.1mm，厚度为2.00mm；
所述第三正透镜的通光孔径为14.6mm，厚度为6.76mm；
所述第三负透镜的通光孔径为15.4mm，厚度为6.00mm；
所述第四正透镜的通光孔径为12.5mm，厚度为3.30mm。
4.根据权利要求1或2所述的空间用像方远心镜头，其特征在于：所述第四正透镜的光线出射面的中心离像面距离为6mm。
5.根据权利要求1所述的空间用像方远心镜头，其特征在于：外形尺寸为
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