CN108594408B - 半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统 - Google Patents

半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，属于航天可见光探测领域。本发明实现了在大视场短焦距情况下搜索目标和小视场长焦距情况下识别目标的军事目的。该系统分别由在同一光轴上的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组共11片透镜构成，该系统工作波段为0.48～0.70μm；连续变焦范围为：60～900mm；F数为2.0～5.0；探测器规模为：4k×4k；系统单像元尺寸为：6.5μm×6.5μm。可在半球空间，周视角度达到360°的范围内对目标进行探测与识别。系统成像质量良好，结构紧凑，在奈奎斯特频率为45lp/mm时MTF值均大于0.4，系统总长小于800mm。

Description

半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统
技术领域
本发明涉及一种半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，属于航天可见光探测领域。
背景技术
在空间光学探测领域，应用先进光学仪器进行相关目标探测与识别已成为现代光学领域的前沿科技。目前，都是采用两个定焦距探测系统独立工作，分别完成宽视场搜索和小视场详查的任务，即需要研制两个系统协调工作，使得总系统整体重量和体积都非常大，同时还难以协调工作。因此，为了提高对空间目标探测与识别的效率，不可避免地需要采用变焦系统的结构形式来实现对重要目标更好的观察，以对不同视场不同距离的目标成像。
目前在空间可见光探测的应用中，国际上通用做法是采用两个定焦距探测系统独立工作，分别完成宽视场搜索和小视场详查的任务，即需要研制两个系统协调工作，使得总系统整体重量和体积都非常大，同时还难以协调工作。采用可见光变焦距光学系统通过变焦可以完成宽视场搜索和小视场详查的任务，同时，由于采用的是单套的光学系统，因此整体重量和体积都比较小，工作方便快捷。
发明内容
本发明的目的是提供一种半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，该系统能够实现在大视场短焦距情况下搜索目标和小视场长焦距情况下识别目标的目的。同一个系统，在变焦的情况下，同时实现搜索和识别。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，包括同轴排布的第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜、第四片透镜(双胶合)、第五片透镜、第六片透镜、第七片透镜、第八片透镜(双胶合)、第九片透镜、第十片透镜、第十一片透镜；第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜组成的前固定组；第四片透镜(双胶合)、第五片透镜、第六片透镜组成的变倍组；第七片透镜、第八片透镜(双胶合)组成的补偿组；第九片透镜、第十片透镜、第十一片透镜组成的后固定组。
所述的第一片透镜厚度为36.87mm～37.31mm，前表面曲率半径为324.26mm～324.94mm，后表面曲率半径为-288.12mm～-288.81mm，材料为H-ZK7；优选第一片透镜厚度为37.14mm，前表面曲率半径为324.81mm,后表面曲率半径为-288.73mm,材料为H-ZK7；
所述的第二片透镜厚度为19.32mm～20.20mm，前表面曲率半径为-288.332mm～-289.10mm，后表面曲率半径为841.96mm～842.843mm，材料为ZF2；优选第二片透镜厚度为20mm，前表面曲率半径为-288.865mm,后表面曲率半径为842.350mm,材料为ZF2；
所述的第三片透镜厚度为19.52mm～20.20mm，前表面曲率半径为966.48mm～967.00mm，后表面曲率半径为-7930.63mm～-7931.12mm，材料为H-LAK3；优选第三片透镜厚度为20.00mm，前表面曲率半径为966.82mm,后表面曲率半径为-7931.14mm,材料为H-LAK3；
所述的第四片透镜(双胶合透镜)，前胶合厚度为14.82mm～15.16mm，后胶合厚度为4.51mm～5.00mm，前表面曲率半径为203.00mm～203.41mm，胶合表面曲率半为-125.32mm～-125.72mm，后表面曲率半径为-510.45mm～-511.00mm，前胶合材料为H-ZF52，后胶合材料为H-LAK3；优选前胶合厚度为15.00mm，后胶合厚度为4.91mm，前表面曲率半径为203.32mm，胶合表面曲率半为-125.68mm，后表面曲率半径为-510.75mm，前胶合材料为H-ZF52，后胶合材料为H-LAK3；
所述的第五片透镜厚度为4.65mm～5.05mm，前表面曲率半径为-243.28mm～-243.87mm，后表面曲率半径为240.56mm～241.23mm，材料为H-LAK3；优选第五片透镜厚度为4.98mm，前表面曲率半径为-243.81mm,后表面曲率半径为240.95mm,材料为H-LAK3；
所述的第六片透镜厚度为4.62mm～5.13mm，前表面曲率半径为-250.36mm～-250.98mm，后表面曲率半径为77.56mm～78.00mm，材料为H-ZF6；优选第六片透镜厚度为5.00mm，前表面曲率半径为-250.80mm,后表面曲率半径为77.68mm,材料为H-ZF6；
所述的第七片透镜厚度为15.90mm～16.50mm，前表面曲率半径为138.86mm～139.21mm，后表面曲率半径为-198.51mm～-198.83mm，材料为H-FK61；优选第七片透镜厚度为16.20mm，前表面曲率半径为139.10mm,后表面曲率半径为-198.58mm,材料为H-FK61；
所述的第八片透镜(双胶合透镜)，前胶合厚度为4.82mm～5.10mm，后胶合厚度为19.88mm～20.20mm，前表面曲率半径为146.83mm～147.20mm，胶合表面曲率半为58.30mm～58.61mm，后表面曲率半径为-385.32mm～-385.75mm，前胶合材料为H-F1，后胶合材料为H-FK61；优选前胶合厚度为5.00mm，后胶合厚度为20.00mm，前表面曲率半径为147.20mm，胶合表面曲率半为58.50mm，后表面曲率半径为-385.50mm，前胶合材料为H-F1，后胶合材料为H-FK61；
所述的第九片透镜厚度为5.86mm～6.21mm，前表面曲率半径为-264.51mm～-264.89mm，后表面曲率半径为217.85mm～218.20mm，材料为H-BAF3；优选第九片透镜厚度为6.00mm，前表面曲率半径为-264.85mm,后表面曲率半径为218.00mm,材料为H-BAF3；
所述的第十片透镜厚度为11.38mm～11.80mm，前表面曲率半径为-504.80mm～-505.12mm，后表面曲率半径为-48.42mm～-49.00mm，材料为H-LAK3；优选第十片透镜厚度为11.55mm，前表面曲率半径为-505.00mm,后表面曲率半径为-48.55mm,材料为H-LAK3；
所述的第十一片透镜厚度为9.52mm～9.82mm，前表面曲率半径为-41.12mm～-41.50mm，后表面曲率半径为-115.32mm～-115.93mm，材料为H-FK61；优选第十一片透镜厚度为9.72mm，前表面曲率半径为-41.35mm,后表面曲率半径为-115.90mm,材料为H-FK61；
半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统探测谱段为：0.48～0.70μm；连续变焦范围为：60～900mm；F数为2.0～5.0；探测器规模为：4k×4k；系统单像元尺寸为：6.5μm×6.5μm。
半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统与重型电动扫描云台(电动扫描云台的高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位)配合，可以实现在半球空间360°的变焦探测。
有益效果
对于在轨的探测有效载荷要求仪器的体积和重量要尽可能的小，因此本发明的创新性或独特性在于：
1.在空间可见光探测中，在国际上首次采用可见光(0.48μm～0.70μm)大变焦(60mm～900mm)光学系统，用于实现在大视场范围内实现搜索目标和小视场范围内实现识别目标的军事需求。
2.在航天可见光探测领域，在可见光的宽波段下(0.48μm～0.70μm)，在国际上首次完成了60mm～900mm的连续变焦设计，变倍比高达15倍；
3.在0.48μm～0.70μm的工作波段和60mm～900mm的连续大变焦的情况下，在国际上首次实现了该发明能够在在半球空间，周视角度达到360°的范围内对目标进行探测与识别。
可见光变焦光学系统对空间目标进行探测，以对不同视场不同距离的目标成像。系统通过焦距的变化，一方面，系统调焦到空间分辨率不高的短焦距时，对目标进行大范围的不精确搜索；另一方面，系统调焦到空间高分辨率的长焦距时，对目标进行详细观察或精确瞄准、打击。该发明的在实际探测应用中的优势如下：
1.半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在空间探测的实际应用中，可在半球空间，周视角度达到360°的范围内对目标进行探测与识别。
2.该新型可见光十五倍连续大变焦光学系统具有良好的成像质量，该光学系统的MTF曲线表明：在奈奎斯特频率为45lp/mm时MTF值均大于0.4。
3.该新型可见光十五倍连续大变焦光学系统在变焦的情况下，系统总长稳定在790mm，结构紧凑。
附图说明
图1半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统的结构图；
图2半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在短焦60mm处的光路图；
图3半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在中短焦300mm处的光路图；
图4半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在中长焦600mm处的光路图；
图5半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在长焦900mm处的光路图；
图6半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在短焦60mm处的点列图；
图7半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在中短焦300mm处的点列图；
图8半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在中长焦600mm处的点列图；
图9半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在长焦900mm处的点列图；
图10半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在短焦60mm处的MTF曲线图；
图11半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在中短焦300mm处的MTF曲线图；
图12半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在中长焦600mm处的MTF曲线图；
图13半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在长焦900mm处的MTF曲线图。
其中，1—第一片透镜、2—第二片透镜、3—第三片透镜、4—第四片透镜、5—第五片透镜、6—第六片透镜、7—第七片透镜、8—第八片透镜、9—第九片透镜、10—第十片透镜、11—第十一片透镜。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步解释。
实施例1
半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，如图1所示，包括同轴排布的第一片透镜1、第二片透镜2、第三片透镜3、第四片透镜4、第五片透镜5、第六片透镜6、第七片透镜7、第八片透镜8、第九片透镜9、第十片透镜10和第十一片透镜11；第一片透镜1、第二片透镜2、第三片透镜3组成前固定组；第四片透镜4(双胶合)、第五片透镜5、第六片透镜6组成变倍组；第七片透镜7、第八片透镜8(双胶合)组成补偿组；第九片透镜9、第十片透镜10、第十一片透镜11组成后固定组。
第一片透镜1的厚度为36.87mm～37.31mm，前表面曲率半径为324.26mm～324.94mm，后表面曲率半径为-288.12mm～-288.81mm，材料为H-ZK7；优选第一片透镜1的厚度为37.14mm，前表面曲率半径为324.81mm,后表面曲率半径为-288.73mm,材料为H-ZK7；
第二片透镜2的厚度为19.32mm～20.20mm，前表面曲率半径为-288.332mm～-289.10mm，后表面曲率半径为841.96mm～842.843mm，材料为ZF2；优选第二片透镜2的厚度为20mm，前表面曲率半径为-288.865mm,后表面曲率半径为842.350mm,材料为ZF2；
第三片透镜3的厚度为19.52mm～20.20mm，前表面曲率半径为966.48mm～967.00mm，后表面曲率半径为-7930.63mm～-7931.12mm，材料为H-LAK3；优选第三片透镜3的厚度为20.00mm，前表面曲率半径为966.82mm,后表面曲率半径为-7931.14mm,材料为H-LAK3；
第四片透镜4(双胶合透镜)，前胶合厚度为14.82mm～15.16mm，后胶合厚度为4.51mm～5.00mm，前表面曲率半径为203.00mm～203.41mm，胶合表面曲率半为-125.32mm～-125.72mm，后表面曲率半径为-510.45mm～-511.00mm，前胶合材料为H-ZF52，后胶合材料为H-LAK3；优选第四片透镜4的前胶合厚度为15.00mm，后胶合厚度为4.91mm，前表面曲率半径为203.32mm，胶合表面曲率半为-125.68mm，后表面曲率半径为-510.75mm，前胶合材料为H-ZF52，后胶合材料为H-LAK3；
第五片透镜5的厚度为4.65mm～5.05mm，前表面曲率半径为-243.28mm～-243.87mm，后表面曲率半径为240.56mm～241.23mm，材料为H-LAK3；优选第五片透镜5的厚度为4.98mm，前表面曲率半径为-243.81mm,后表面曲率半径为240.95mm,材料为H-LAK3；
第六片透镜6的厚度为4.62mm～5.13mm，前表面曲率半径为-250.36mm～-250.98mm，后表面曲率半径为77.56mm～78.00mm，材料为H-ZF6；优选第六片透镜6的厚度为5.00mm，前表面曲率半径为-250.80mm,后表面曲率半径为77.68mm,材料为H-ZF6；
第七片透镜7的厚度为15.90mm～16.50mm，前表面曲率半径为138.86mm～139.21mm，后表面曲率半径为-198.51mm～-198.83mm，材料为H-FK61；优选第七片透镜7的厚度为16.20mm，前表面曲率半径为139.10mm,后表面曲率半径为-198.58mm,材料为H-FK61；
第八片透镜8(双胶合透镜)，前胶合厚度为4.82mm～5.10mm，后胶合厚度为19.88mm～20.20mm，前表面曲率半径为146.83mm～147.20mm，胶合表面曲率半为58.30mm～58.61mm，后表面曲率半径为-385.32mm～-385.75mm，前胶合材料为H-F1，后胶合材料为H-FK61；优选第八片透镜8的前胶合厚度为5.00mm，后胶合厚度为20.00mm，前表面曲率半径为147.20mm，胶合表面曲率半为58.50mm，后表面曲率半径为-385.50mm，前胶合材料为H-F1，后胶合材料为H-FK61；
第九片透镜9的厚度为5.86mm～6.21mm，前表面曲率半径为-264.51mm～-264.89mm，后表面曲率半径为217.85mm～218.20mm，材料为H-BAF3；优选第九片透镜9的厚度为6.00mm，前表面曲率半径为-264.85mm,后表面曲率半径为218.00mm,材料为H-BAF3；
第十片透镜10的厚度为11.38mm～11.80mm，前表面曲率半径为-504.80mm～-505.12mm，后表面曲率半径为-48.42mm～-49.00mm，材料为H-LAK3；优选第十片透镜10的厚度为11.55mm，前表面曲率半径为-505.00mm,后表面曲率半径为-48.55mm,材料为H-LAK3；
第十一片透镜11的厚度为9.52mm～9.82mm，前表面曲率半径为-41.12mm～-41.50mm，后表面曲率半径为-115.32mm～-115.93mm，材料为H-FK61；优选第十一片透镜11的厚度为9.72mm，前表面曲率半径为-41.35mm,后表面曲率半径为-115.90mm,材料为H-FK61；
技术指标：工作波长0.48～0.70μm；连续变焦范围为：60～900mm；F数为2.0～5.0；探测器规模为：4k×4k；系统单像元尺寸为：6.5μm×6.5μm。
变焦的原理:前固定组把指定的物平面成像到变倍组要求的物平面位置上；后固定组将变倍组所成的像成像到指定的像平面位置；变倍组与补偿组的合成共轭距在变焦的过程中是一个常量，像点没有漂移，使得所有像面的位置保持不变。
变焦的过程：半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统的变焦方式采用直线驱动的方式，直线电机可以将电能直接转换为直线运动机械能而不需要中间转换结构的传动装置，结构简单、速度快、精度高。将变倍组和补偿组分别安装到电控平移导轨的滑块上，直线步进电机驱动滑块沿导轨作直线运动，直线位移传感器检测滑块的相对位移量并将此模拟信号传递给数字信号处理器，对其进行处理，转换为数字信号反馈给直线步进电机，确定滑块的相对位置，对其进行实时控制，从而可以实现变焦距作用。
半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统与重型电动扫描云台(电动扫描云台的高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位)配合，可以实现在半球空间360°的变焦探测。
半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统留有足够的后截距，以保证后期方便装调。
图2～图5分别给出了半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在短焦(f＝60mm)、中短焦(f＝300mm)、中长焦(f＝600mm)和长焦(f＝900mm)时的光路结构图，可以得出：半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在变焦的过程中系统总长基本稳定在790mm。
图6～图9分别给出了半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在短焦(f＝60mm)、中短焦(f＝300mm)、中长焦(f＝600mm)和长焦(f＝900mm)时的点列图，从图中可以看出：系统在短焦状态时，最大RMS值为10.248μm；系统在中短焦状态时，最大RMS值为4.680μm；系统在中长焦状态时，最大RMS值为7.367μm；系统在长焦状态时，最大RMS值为7.351μm。可以得出半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统成像质量良好。
图10～图13分别给出了半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统在短焦(f＝60mm)、中短焦(f＝300mm)、中长焦(f＝600mm)和长焦(f＝900mm)时的MTF曲线图，从图中可以看出：系统在短焦状态时，MTF值大于0.50；系统在中短焦状态时，MTF值大于0.72；系统在中长焦状态时，MTF值大于0.58；系统在长焦状态时，MTF值大于0.42。可以得出半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统成像质量良好。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，其特征在于：包括同轴排布的第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜、第四片透镜、第五片透镜、第六片透镜、第七片透镜、第八片透镜、第九片透镜、第十片透镜和第十一片透镜；第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜组成的前固定组；第四片透镜、第五片透镜、第六片透镜组成的变倍组；第七片透镜、第八片透镜组成的补偿组；第九片透镜、第十片透镜和第十一片透镜组成的后固定组；所述第四片透镜和第八片透镜为双胶合透镜；
所述的第一片透镜厚度为36.87mm～37.31mm，前表面曲率半径为324.26mm～324.94mm，后表面曲率半径为-288.12mm～-288.81mm，材料为H-ZK7；
所述的第二片透镜厚度为19.32mm～20.20mm，前表面曲率半径为-288.332mm～-289.10mm，后表面曲率半径为841.96mm～842.843mm，材料为ZF2；
所述的第三片透镜厚度为19.52mm～20.20mm，前表面曲率半径为966.48mm～967.00mm，后表面曲率半径为-7930.63mm～-7931.12mm，材料为H-LAK3；
所述的第四片透镜，前胶合透镜厚度为14.82mm～15.16mm，后胶合透镜厚度为4.51mm～5.00mm，前表面曲率半径为203.00mm～203.41mm，胶合表面曲率半为-125.32mm～-125.72mm，后表面曲率半径为-510.45mm～-511.00mm，前胶合透镜材料为H-ZF52，后胶合透镜材料为H-LAK3；
所述的第五片透镜厚度为4.65mm～5.05mm，前表面曲率半径为-243.28mm～-243.87mm，后表面曲率半径为240.56mm～241.23mm，材料为H-LAK3；
所述的第六片透镜厚度为4.62mm～5.13mm，前表面曲率半径为-250.36mm～-250.98mm，后表面曲率半径为77.56mm～78.00mm，材料为H-ZF6；
所述的第七片透镜厚度为15.90mm～16.50mm，前表面曲率半径为138.86mm～139.21mm，后表面曲率半径为-198.51mm～-198.83mm，材料为H-FK61；
所述的第八片透镜，前胶合透镜厚度为4.82mm～5.10mm，后胶合透镜厚度为19.88mm～20.20mm，前表面曲率半径为146.83mm～147.20mm，胶合表面曲率半为58.30mm～58.61mm，后表面曲率半径为-385.32mm～-385.75mm，前胶合透镜材料为H-F1，后胶合透镜材料为H-FK61；
所述的第九片透镜厚度为5.86mm～6.21mm，前表面曲率半径为-264.51mm～-264.89mm，后表面曲率半径为217.85mm～218.20mm，材料为H-BAF3；
所述的第十片透镜厚度为11.38mm～11.80mm，前表面曲率半径为-504.80mm～-505.12mm，后表面曲率半径为-48.42mm～-49.00mm，材料为H-LAK3；
所述的第十一片透镜厚度为9.52mm～9.82mm，前表面曲率半径为-41.12mm～-41.50mm，后表面曲率半径为-115.32mm～-115.93mm，材料为H-FK61。
2.如权利要求1所述的半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，其特征在于：所述半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统探测谱段为：0.48～0.70μm；连续变焦范围为：60～900mm；F数为2.0～5.0；探测器规模为：4k×4k；系统单像元尺寸为：6.5μm×6.5μm。
3.如权利要求1所述的半球空间可见光十五倍连续大变焦光学系统，其特征在于：所述第一片透镜厚度为37.14mm，前表面曲率半径为324.81mm，后表面曲率半径为-288.73mm，材料为H-ZK7；
所述第二片透镜厚度为20mm，前表面曲率半径为-288.865mm，后表面曲率半径为842.350mm，材料为ZF2；
所述第三片透镜厚度为20.00mm，前表面曲率半径为966.82mm，后表面曲率半径为-7931.14mm，材料为H-LAK3；
所述的第四片透镜，前胶合透镜厚度为15.00mm，后胶合透镜厚度为4.91mm，前表面曲率半径为203.32mm，胶合表面曲率半为-125.68mm，后表面曲率半径为-510.75mm，前胶合透镜材料为H-ZF52，后胶合透镜材料为H-LAK3；
所述第五片透镜厚度为4.98mm，前表面曲率半径为-243.81mm，后表面曲率半径为240.95mm，材料为H-LAK3；
所述第六片透镜厚度为5.00mm，前表面曲率半径为-250.80mm，后表面曲率半径为77.68mm，材料为H-ZF6；
所述第七片透镜厚度为16.20mm，前表面曲率半径为139.10mm，后表面曲率半径为-198.58mm，材料为H-FK61；
所述的第八片透镜，前胶合透镜厚度为5.00mm，后胶合透镜厚度为20.00mm，前表面曲率半径为147.20mm，胶合表面曲率半为58.50mm，后表面曲率半径为-385.50mm，前胶合透镜材料为H-F1，后胶合透镜材料为H-FK61；
所述第九片透镜厚度为6.00mm，前表面曲率半径为-264.85mm，后表面曲率半径为218.00mm，材料为H-BAF3；
所述第十片透镜厚度为11.55mm，前表面曲率半径为-505.00mm，后表面曲率半径为-48.55mm，材料为H-LAK3；
所述第十一片透镜厚度为9.72mm，前表面曲率半径为-41.35mm，后表面曲率半径为-115.90mm，材料为H-FK61。
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