CN109884774B - 一种高分辨率大视场超低畸变光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率大视场超低畸变光学系统，该系统由物侧至像侧依序包括窗镜、第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第二负透镜、滤光片、光阑、第三负透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五正透镜以及第四负透镜。该系统结构紧凑，由九片透镜组成；采用耐辐射玻璃材料减少离子辐射的腐蚀性；采用滤光片避免短波辐射对系统的影响，引入非球面提高成像精度。该光学系统具有高分辨率、大视场、超低畸变以及不同视场照度均匀的成像特点，可实现高精度定位功能，在航天高精度定位应用中具有一定的应用价值。

Description

一种高分辨率大视场超低畸变光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种用于光电捕获、军事侦察、空中测量以及高精度空间交会对接等的航天物镜光学系统。

背景技术

航天物镜有着非常广泛的用途，包括光电捕获、军事侦察、空中测量以及高精度空间交会对接等。在航天空间交会对接等高精度定位应用中，为了分辨目标物的微小细节，得到更加清晰图像，需要光学成像系统具有高分辨率、低畸变、大视场的特点。目前国内外实现高分辨率成像探测的主要途径有：小视场高分辨率成像，例如离轴反射式光学系统，但其视场角较窄，外形结构较大，装调复杂；超半球鱼眼成像，虽然视场角可以超过180°，但存在较大的畸变，影响像面的几何精度。

视场角越大，所摄取的目标范围越广泛，超低畸变是实现成像系统图像数据高精度配准的关键，虽然畸变不会影响系统的成像质量，但是会导致几何精度降低，给高精度对接应用带来严重的后果。畸变仅是视场的函数，不同视场的实际垂轴放大率不同，畸变也就不同。因此在航天物镜的设计过程中，兼顾大视场的同时更要尽可能的降低畸变。同时采用短焦比设计提高系统分辨率。

本发明提供了一种高分辨率大视场超低畸变光学系统，采用折射式结构，设计出一款兼具高分辨率、大视场、低畸变的光学系统，满足对特定目标的细微观测，并且考虑到大部分CCD对大气中水蒸气和灰尘颗粒产生的紫外、蓝光辐射非常敏感以及空间电离辐射会导致光学镜片透射率衰减，因此本文采用滤光片来减少短波辐射以及采用耐辐射玻璃材料保证系统稳定性。

发明内容

为了实现对特定目标的细微观测，本发明提供了一种具有九片透镜、一片窗镜及一片滤光片构成的光学系统，该光学系统具有高分辨率、超低畸变以及较大视场，同时实现紧凑性并保持良好的像差和远心特性的光学性能。

本发明的技术方案的高分辨率大视场超低畸变光学系统的结构如下：

一种高分辨率大视场超低畸变光学系统，光学系统由物侧至像侧依序包括窗镜、第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第二负透镜、滤光片、光阑、第三负透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五正透镜以及第四负透镜；所述光学元件均位于同一光路上，TTL/EFL≤4.9，其中TTL为所述光学系统的窗镜物方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述光学系统的焦距；0.42≥BFL/EFL≥0.37，其中BFL为所述光学系统的第四负透镜元件像方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述光学系统的焦距。

进一步地，滤光片置于光学系统内部，且置于光阑之前；所述滤光片的接收光线的角度θ≤10°，θ为光线与滤光片法线方向的夹角。

进一步地，第二正透镜与第二负透镜采用光胶结合形成一个透镜组件，两个透镜元件的结合面的凸面朝向物方侧；且第二正透镜与第二负透镜元件接合面满足下述条件公式：

|R|＞Φ/2，其中R为结合面的中心曲率半径，Φ为结合面的光线有效口径。

进一步地，所述窗镜、第一负透镜及第一正透镜均采用了耐辐射光学玻璃材料，其余透镜材料均为普通玻璃。

进一步地，所述第四正透镜、第五正透镜为重冕光学玻璃；所述第二负透镜、第三负透镜、第四负透镜为重火石光学玻璃。

进一步地，所述第四正透镜含有高次非球面。

进一步地，所述的第一负透镜满足下面的条件公式：

Nd≥1.69，Vd≥54，其中Nd表示第一负透镜元件材料的d光折射率，Vd表示第一负透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光，且第一负透镜单元朝向物的一面为用于控制系统畸变大小的凸面。

进一步地，所述第四正透镜满足下面的条件公式：

1.58≤Nd≤1.62，58≤Vd≤65

其中Nd表示第四正透镜元件材料的d光折射率，Vd表示第四正透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第五正透镜满足下面的条件公式：

1.55≤Nd≤1.65，65≤Vd≤70

其中Nd表示第五正透镜元件材料的d光折射率，Vd表示第五正透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

进一步地，所述第二负透镜满足下面的条件公式：

1.75≤Nd≤1.85，25≤Vd≤28

其中Nd表示第二负透镜元件材料的d光折射率，Vd表示第二负透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第三负透镜满足下面的条件公式：

1.75≤Nd≤1.8，25≤Vd≤30

Nd≥1.76，Vd≥27.4，其中Nd表示第三负透镜8元件材料的d光折射率，Vd表示第三负透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第四负透镜满足下面的条件公式：

1.75≤Nd≤1.8，25≤Vd≤30

其中Nd表示第四负透镜元件材料的d光折射率，Vd表示第四负透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光。

本发明的技术效果如下：

1、本发明提供的一种高分辨率大视场超低畸变光学系统，该系统选取双高斯物镜作为初始结构，对于大视场光学系统而言，准对称型双高斯物镜是首选，由于结构形式对称，视场增大带来的轴外像差相对较为容易平衡，特别是相对畸变；另外，系统进行了准远心光路设计，各个视场主光线均近似垂直于焦面，进一步降低了系统的畸变，双高斯物镜作为初始结构以及准远心光路设计的光学系统能够实现成像质量的超低畸变。

2、系统中使用了耐辐射材料，窗镜、第一负透镜及第一正透镜均采用了耐辐射光学玻璃材料，提高光学系统对离子辐射的耐蚀性。

3、滤波片放置在孔径光阑前，减少了非工作波长进入系统成像，同时避免了滤光片置于光学系统前方导致的入射角大而产生严重的球差和色差，提高了光学系统的分辨率。

4、在光学结构中引入非球面，第四正透镜含有高次非球面，进一步提高光学系统的成像质量。

附图说明

图1为本发明实施例中一种高分辨率大视场超低畸变光学系统结构示意图。

图2为本发明实施例中所提供的光学系统的畸变图。

图3为本发明实施例中所提供的光学系统的MTF曲线。

图4为本发明实施例中所提供的光学系统的蒙特卡洛分析覆盖MTF曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施例作进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明中光学系统实施例的示意图。由图1可见，本发明实施例中所述光学系统其由物侧至像侧依序设置窗镜1；第一负透镜2；第一正透镜3；第二正透镜4；第二负透镜5；滤光片6；光阑7；第三负透镜8；第三正透镜9；第四正透镜10；第五正透镜11；第四正负透镜12组成；其中在图1中示出了焦面13。

光学元件均位于同一光路上，上述光学系统还需满足下列条件，TTL/EFL≤4.9，其中TTL为所述光学系统的窗镜物方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述光学系统的焦距；0.42≥BFL/EFL≥0.37，其中BFL为所述光学系统的第四负透镜元件像方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述光学系统的焦距。

第一负透镜2满足下面的条件公式：

Nd≥1.69，Vd≥54，其中Nd表示第一负透镜2元件材料的d光折射率，Vd表示第一负透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光，且第一负透镜单元朝向物的一面为用于控制系统畸变大小的凸面。

第四正透镜10满足下面的条件公式：

1.58≤Nd≤1.62，58≤Vd≤65

其中Nd表示第四正透镜10元件材料的d光折射率，Vd表示第四正透镜10元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第五正透镜11满足下面的条件公式：

1.55≤Nd≤1.65，65≤Vd≤70

其中Nd表示第五正透镜(11)元件材料的d光折射率，Vd表示第五正透镜11元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

第二负透镜5满足下面的条件公式：

1.75≤Nd≤1.85，25≤Vd≤28

其中Nd表示第二负透镜5元件材料的d光折射率，Vd表示第二负透镜5元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第三负透镜8满足下面的条件公式：

1.75≤Nd≤1.8，25≤Vd≤30

Nd≥1.76，Vd≥27.4，其中Nd表示第三负透镜8元件材料的d光折射率，Vd表示第三负透镜8元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第四负透镜12满足下面的条件公式：

1.75≤Nd≤1.8，25≤Vd≤30

其中Nd表示第四负透镜12元件材料的d光折射率，Vd表示第四负透镜12元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光。

本发明实施例中各个透镜的技术参数如表1所示，其中表1中的表面序号对应各个光学元器件的表面，其中表面①-②是指窗镜1的两个光学表面的设计参数，③-④是第一负透镜2的两个光学表面的设计参数，⑤-⑥是第一正透镜3的两个光学表面的设计参数，⑦是第二正透镜4的光学表面的设计参数；⑧-⑨是第二负透镜5的两个光学表面的设计参数，/>是滤光片6的两个光学表面的设计参数；/>是光阑的设计参数，/>是第三负透镜8的光学表面的设计参数；/>是第三正透镜9的光学表面的设计参数；/>是第四正透镜10的光学表面的设计参数；/>第五正透镜11的光学表面的设计参数；/>是第四负透镜12的光学表面的设计参数。

表1光学系统设计参数

本发明实施例中所提及的光学系统是采用普通光学玻璃或耐辐照光学玻璃。由于在空间中电离辐射会使光学玻璃材料产生吸收带，一部分吸收带位于可见光光谱范围内，导致光学玻璃的透射率衰减，因此该物镜的窗镜1、第一负透镜2及第一正透镜3均采用了耐辐射光学玻璃材料：JGS1(密度为2.2g/cm²)、LAK9G15(密度3.43g/cm²)、LF5G15(密度为3.23g/cm²)。耐辐照光学玻璃可以在高能辐射(如γ射线、x射线及宇宙射线)作用下，具有一定抗辐射稳定性，主要表现在不易着色或变暗。其中窗镜的厚度为5mm，第一片及第二片透镜的中心厚度分别为3.5mm和4.51mm，相当于为后面光学透镜提供了最小15mm的等效铝厚度，根据实心球模型的轨道吸收的辐射剂量与屏蔽厚度之间的关系可知，当屏蔽等效铝厚度达到11mm时，电离辐射剂量几乎被完全屏蔽。因此，该物镜的窗镜、第一片及第二片透镜为其余透镜提供了保护，使整个系统抗电离子辐射性能满足设计规范。

窗镜1与滤光片6选用JGS1玻璃；第四正透镜9、第五正透镜11为重冕光学玻璃；第二负透镜5、第三负透镜8、第四负透镜12为重火石光学玻璃。

本发明提供的光学系统焦距为24mm，相对孔径为F/2.2，工作波段600～800nm，全视场角为35°。

设计结果表明，所提供的光学系统物镜在128lp/mm处各视场传递函数均大于0.3，畸变值为0.0072％。

本发明实施例所提供的一种高分辨率大视场超低畸变光学系统，其公差分配参数表如表2所示：

表2公差分配参数表

经过50次蒙特卡罗分析得到的结果如表3所示，

表3蒙特卡罗公差分析结果

如图3-图4所示该成像物镜的畸变值为0.0072％，在空间频率128lp/mm处的传递函数值为0.44，满足指标要求，获得较好的成像质量，像差得到了很好的校正、成像质量很好，达到了设计的目的。

覆盖MTF曲线图如图4所示，可见在空间频率128lp/mm处，MTF值在0.31以上的概率大于90％，满足技术指标要求。

本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种高分辨率大视场超低畸变光学系统，光学系统由物侧至像侧依序由窗镜(1)、第一负透镜(2)、第一正透镜(3)、第二正透镜(4)、第二负透镜(5)、滤光片(6)、光阑(7)、第三负透镜(8)、第三正透镜(9)、第四正透镜(10)、第五正透镜(11)以及第四负透镜(12)组成；光学元件均位于同一光路上，其特征在于：TTL/EFL≤4.9，其中TTL为所述光学系统的窗镜(1)物方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述光学系统的焦距；0.42≥BFL/EFL≥0.37，其中BFL为所述光学系统的第四负透镜(12)像方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述光学系统的焦距；所述第二正透镜(4)与第二负透镜(5)采用光胶结合形成一个透镜组件，两个透镜元件的结合面的凸面朝向物方侧；且第二正透镜(4)与第二负透镜(5)元件接合面满足下述条件公式：

|R|＞Φ/2，其中R为结合面的中心曲率半径，Φ为结合面的光线有效口径；

所述的第一负透镜(2)满足下面的条件公式：

Nd1≥1.69，Vd1≥54，其中Nd 1表示第一负透镜(2)元件材料的d光折射率，Vd 1表示第一负透镜元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光，且第一负透镜(2)朝向物的一面为用于控制系统畸变大小的凸面；

所述第四正透镜(10)满足下面的条件公式：

1.58≤Nd2≤1.62，58≤Vd2≤65

其中Nd 2表示第四正透镜(10)元件材料的d光折射率，Vd2表示第四正透镜(10)元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第五正透镜(11)满足下面的条件公式：

1.55≤Nd3≤1.65，65≤Vd3≤70

其中Nd 3表示第五正透镜(11)元件材料的d光折射率，Vd3表示第五正透镜(11)元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第二负透镜(5)满足下面的条件公式：

1.75≤Nd4≤1.85，25≤Vd4≤28

其中Nd4表示第二负透镜(5)元件材料的d光折射率，Vd4表示第二负透镜(5)元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第三负透镜(8)满足下面的条件公式：

1.75≤Nd5≤1.8，25≤Vd5≤30

其中Nd5表示第三负透镜(8)元件材料的d光折射率，Vd5表示第三负透镜(8)元件材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光；

所述第四负透镜(12)满足下面的条件公式：

1.75≤Nd6≤1.8，25≤Vd6≤30

其中Nd6表示第四负透镜(12)材料的d光折射率，Vd 6表示第四负透镜(12)材料的d光阿贝常数，d光是波长为588nm的可见光。

2.根据权利要求1所述的高分辨率大视场超低畸变光学系统，其特征在于：所述滤光片(6)置于光学系统内部，且置于光阑(7)之前；所述滤光片(6)的接收光线的角度θ≤10°，θ为光线与滤光片(6)法线方向的夹角。

3.根据权利要求1所述的高分辨率大视场超低畸变光学系统，其特征在于：所述窗镜(1)、第一负透镜(2)及第一正透镜(3)均采用了耐辐射光学玻璃材料，其余透镜材料均为普通玻璃。

4.根据权利要求1所述的高分辨率大视场超低畸变光学系统，其特征在于：所述第四正透镜(10)、第五正透镜(11)为重冕光学玻璃；所述第二负透镜(5)、第三负透镜(8)、第四负透镜(12)为重火石光学玻璃。

5.根据权利要求4所述的高分辨率大视场超低畸变光学系统，其特征在于：所述第四正透镜(10)含有高次非球面。