CN110007438B - 一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组；所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述后透镜组包括自前向后依次设置第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜；本发明成像视场达到76°，全视场平均MTF≥0.6@55lp/mm，全视场相对畸变≤0.05％，照度均匀性达到72.5％以上，在保证大视场高分辨率、低畸变成像性能要求的前提下，大幅提升像面照度均匀性，成像质量良好。同时本光学系统结构紧凑，具有轻小型和低成本的特点。

Description

一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统

技术领域

本发明涉及成像光学技术领域，更具体地说涉及一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统。

背景技术

航空测绘相机搭载于机载平台，能够远距离的对地物进行成像，提供高分辨率、低畸变的遥感图像信息，在农林业、应急减灾以及城市规划建设等领域有着广泛的应用。尤其在近年来，随着“智慧城市”、“数字城市”等概念的提出和数字化城市快速发展的推动下，航空测绘相机能够提供大面阵的高清测绘图像，提供位置精准的高分辨率图像信息，在应急反应、城市安防、城市功能及空间布局、水利管道建设等各方面均能够发挥重要作用。

传统的航空测绘相机采用胶片实现广域遥感图像的获取。随着大面阵的CCD或CMOS感光器件的技术发展和不断成熟，基于CCD或CMOS器件的数字航空测绘相机具有更高分辨率、重复使用以及能够提供视频图像等优势，逐渐取代胶片式的航空测绘相机。由于CCD或CMOS器件的像元尺寸更小，成像视场更大，对相机光学系统的要求更高。

根据实际应用需求，数字航空测绘相机光学系统主要分为两类，一类是对地面进行光谱信息采集的彩色相机光学系统，基于彩色CCD或CMOS器件进行成像，获取地物的光谱信息数据；具有中等焦距、较大相对孔径、高分辨率以及广角成像视场等特点；另一类是能够对地面进行高分辨率几何信息采集的相机光学系统，能够对地物进行精密量测。该相机基于全色高性能的CCD或CMOS器件进行成像，其光学系统具有更长焦距、较大相对孔径以及更高分辨率，并具备广角成像视场等特点。数字彩色航空测绘相机与数字全色航空测绘相机进行组合，实现图像信息的融合，能够获取高分辨率的彩色遥感图像信息。

光学系统是数字航空测量彩色相机中的核心部分，需要实现大视场高分辨率以及低畸变的成像。由于应用于航空飞行平台，对其轻小型化也有着苛刻的要求。高性能的数字航空测绘相机光学系统设计与应用是国内外发展航空测绘相机技术的重点研究对象。其主要技术发展趋势是大视场成像、高分辨率、低畸变以及相机轻小型化。由于航空测绘相机光学系统需要实现大视场成像，一般采用对称型的光学系统结构型式兼顾高像质和低畸变的实现。在这类设计中，由于像面的照度分布接近与视场角余弦四次方成正比，像面照度随视场增加急剧下降，造成整个像面的照度均匀性较差。所获得的图像在偏离视场中心位置时迅速变暗，无法比较客观的反映地物实际亮度分布情况。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，在保证大视场高分辨率、低畸变成像性能要求的前提下，大幅提升像面照度均匀性，获得效果更佳的地物图像。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组；

所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述后透镜组包括自前向后依次设置第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜；

所述第一透镜、第六透镜、第十一透镜和第十二透镜均为光焦度为正的弯月形透镜；所述第二透镜、第三透镜和第四透镜均为光焦度为负的弯月形透镜；

所述第七透镜和第十透镜均为光焦度为负的双凹透镜；所述第五透镜、第八透镜和第九透镜均为光焦度为正的双凸透镜。

进一步，所述第六透镜、第七透镜和第八透镜组成三胶合透镜。

进一步，所述前透镜组对轴外视场主光线的角放大率倒数为1/γ，其中1/γ满足：

1.12≤1/γ≤1.25。

进一步，所述前透镜组的光焦度与光学系统的光焦度/>的比值满足：

所述后透镜组的光焦度与光学系统的光焦度/>的比值满足：

其中为前透镜组的光焦度，/>为后透镜组的光焦度，/>为所述光学系统的光焦度。

进一步，所述第五透镜为厚透镜。

进一步，所述第一透镜、第三透镜和第四透镜的材质均为重镧火石玻璃，所述第二透镜的材质为重火石玻璃，所述第五透镜的材质为重冕玻璃，所述第六透镜的材质为镧冕玻璃，所述第七透镜的材质为重火石玻璃，所述第八透镜的材质为氟冕玻璃，所述第九透镜的材质为冕牌玻璃，所述第十透镜和第十二透镜的材质均为重火石玻璃，所述第十一透镜的材质为镧火石玻璃。

进一步，所述光阑为孔径光阑。

本发明的有益效果是：本发明成像视场达到76°，全视场平均MTF≥0.6@55lp/mm，全视场相对畸变≤0.05％，照度均匀性达到72.5％以上，在保证大视场高分辨率、低畸变成像性能要求的前提下，大幅提升像面照度均匀性，成像质量良好。同时本光学系统结构紧凑，具有轻小型和低成本的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的光学系统的组成结构示意图；

图2是本发明光学系统在55lp/mm处光学传递函数曲线图；

图3是本发明光学系统的畸变图；

图4是本发明光学系统的垂轴像差曲线图；

图5是现有技术光学系统的照度曲线图；

图6是本发明光学系统的照度曲线图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑113和后透镜组；

所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104；

所述后透镜组包括自前向后依次设置第五透镜105、第六透镜106、第七透镜107、第八透镜108、第九透镜109、第十透镜110、第十一透镜111和第十二透镜112；

所述第一透镜101、第六透镜106、第十一透镜111和第十二透镜112均为光焦度为正的弯月形透镜；所述第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104均为光焦度为负的弯月形透镜；

所述第七透镜107和第十透镜110均为光焦度为负的双凹透镜；所述第五透镜105、第八透镜108和第九透镜109均为光焦度为正的双凸透镜。

作为优化，所述第六透镜106、第七透镜107和第八透镜108组成三胶合透镜。

作为优化，所述第五透镜105为厚透镜。

所述第五透镜105为双凸厚透镜，本发明通过将双凸正光焦度第五透镜105置于光阑113的后方，降低了轴外光线的高度，有利于视场高级像差的控制，并能够获得小型化的设计。

作为优化，所述光阑113为孔径光阑。

本发明实施例中，成像视场达到了76°，与视场相关的像散、场曲、垂轴色差以及畸变等垂轴像差势必难以控制，特别是畸变为航空测绘相机光学系统严格控制的像差，与视场的三次方成正比。除了需要对大视场下的各种高级像差进行降低和控制外，本实施例设计的主要难题是提升像面照度的均匀性。根据光学设计理论，在非远心对称光路中，像面照度的均匀性分布与视场角的关系为：

Eima＝E0*cos⁴U；

其中Eima为像面照度值，E0为中心视场的像面照度，U为轴外视场的主光线与光轴的夹角。

当视场半角达到38°时，边缘视场的照度仅为中心视场的38.6％，通过引入光阑113彗差可以适当提升边缘照度值，达到45％左右。

为获得照度均匀性好、成像性能更优的图像质量，本发明在大视场成像的前提下，实现了近于远心光路的设计。在近远心光路下像面照度的均匀性与视场角的关系介于视场角余弦一次方和二次方之间：

Eima∝E0*cosU～E0*cos²U；

其中Eima为像面照度值，E0为中心视场的像面照度，U为轴外视场的主光线与光轴的夹角。

通过实现像方远心光路设计可以大幅提升像面照度均匀性，解决大视场下照度均匀性差的难题，但远心光路导致的光学系统失对称加剧了各种视场像差的校正难度。

基于以上考虑，本发明设计选用反远距光路结构中对称性较好的前透镜组正透镜在前的光路结构。主要措施包括：

1)将前透镜组和后透镜组进行失对称设计，前透镜组采用光焦度为“正负负负”的结构型式，控制前透镜组对主光线角放大率的值不宜过小，降低前透镜组产生的畸变高级像差；

2)光阑113后端采用了双凸正光焦度厚透镜，能够有效的降低轴外主光线的高度，利于校正高级像散以及轴外视场高级球差，并能够缩短光学系统长度；

3)为校正失对称变化产生的轴向色差及垂轴色差，采用了三胶合透镜，两个胶合面的使用有效抑制了两种色差像差；

4)由于畸变校正难度较大，且畸变与像散、场曲相关，光学系统通过光焦度的合理分配降低系统的场曲，并通过设置双凸厚透镜、光阑113前后面高级像散互相补偿等方法抑制像散。

通过以上四个措施对光学系统的畸变进行了较好的控制。

本发明实例中，为降低前透镜组的畸变高级像差，并兼顾降低后透镜组像差校正的压力，作为优化，所述前透镜组对轴外视场主光线的角放大率倒数为1/γ，其中1/γ满足：

1.12≤1/γ≤1.25。

作为优化，所述前透镜组的光焦度与光学系统的光焦度/>的比值满足：

所述后透镜组的光焦度与光学系统的光焦度/>的比值满足：

其中为前透镜组的光焦度，/>为后透镜组的光焦度，/>为所述光学系统的光焦度。

作为优化，所述第一透镜101、第三透镜103和第四透镜104的材质均为重镧火石玻璃，所述第二透镜102的材质为重火石玻璃，所述第五透镜105的材质为重冕玻璃，所述第六透镜106的材质为镧冕玻璃，所述第七透镜107的材质为重火石玻璃，所述第八透镜108的材质为氟冕玻璃，所述第九透镜109的材质为冕牌玻璃，所述第十透镜110和第十二透镜112的材质均为重火石玻璃，所述第十一透镜111的材质为镧火石玻璃。

本发明在实现大成像视场的前提下，合理分配各透镜的光焦度，组合校正初级及高级像差，采用12片常规透镜玻璃材料满足上述指标性能要求，这些玻璃材料生产厂家保持高熔炼频次并常年有库存，大幅降低了光学系统的加工制造成本。

本发明采用全球面透镜实现了对畸变的较好控制，全视场的相对畸变不超过0.05％，降低了图像处理校正剩余图像畸变的难度。

本发明光学系统的像方实现了接近远心光路的设计，远心度控制在0.8°以内，像面照度分布由现有技术下与视场角余弦四次方成正比提升到接近于与视场角余弦一次方成正比，像面照度均匀性大幅提升。

本发明的数字航空测绘彩色相机远心光学系统的具体参数为：

焦距34.77mm；相对孔径D/f为1/5.6；视场角为76°；无渐晕；在55lp/mm时，全视场平均传函＞0.6；全视场相对畸变≤0.05％；光学系统的总长(从光学系统的第一透镜101到第十二透镜112)为142.8mm；后工作距离为39.4mm。

本发明成像质量优异，全视场平均传函优于0.6@55lp/mm。

本发明主要解决数字航空测绘光学系统边缘视场照度低、全视场像面照度均匀性差的技术难题。成像视场达到76°，全视场平均MTF≥0.6@55lp/mm，全视场相对畸变≤0.05％，照度均匀性达到72.5％以上。光学系统结构紧凑，具有照度均匀性好、成像质量良好以及轻小型等特点。

本发明采用反远距及像方远心的联合光路型式，保证了大视场成像下高分辨率、低畸变的设计质量，并大幅提升了像面的照度均匀性，边缘照度均匀性从44.2％提升到72.5％，提升幅度达到64.0％以上，能够获得照度更为均匀的大画幅图像信息，有利于提升遥感图像质量。

参考图2，图2表征了本发明实例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在55lp/mm时超过了0.6，成像质量良好。

参考图3，图3表征了本发明实例光学系统的畸变分布曲线，畸变不超过0.05％，降低了后续数字图像的几何失真校正难度。

参考图4，图4表征了本发明实例光学系统的垂轴像差曲线，影响光斑对称性分布的彗差、像散等像差得到了较好的校正。

参考图5和图6，通过图5和图6对比，可以得到本发明对像面照度均匀性的提升效果，图5为现有数字航空测绘相机光学系统的照度分布图，在边缘视场相对照度只有44.2％；图6为本发明光学系统的照度分布图，在边缘视场相对照度达到72.5％，提升幅度达到64.0％。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，其特征在于：包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑和后透镜组；

所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述后透镜组包括自前向后依次设置第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜；

所述第一透镜、第六透镜、第十一透镜和第十二透镜均为光焦度为正的弯月形透镜；所述第二透镜、第三透镜和第四透镜均为光焦度为负的弯月形透镜；

所述第七透镜和第十透镜均为光焦度为负的双凹透镜；所述第五透镜、第八透镜和第九透镜均为光焦度为正的双凸透镜；

所述前透镜组对轴外视场主光线的角放大率倒数为1/γ，其中1/γ满足：

1.12≤1/γ≤1.25；

所述前透镜组的光焦度φA与光学系统的光焦度φ的比值满足：

-1.55≤φA/φ≤-1.15；

所述后透镜组的光焦度φC与光学系统的光焦度φ的比值满足：

0.75≤φC/φ≤0.95；

其中φA为前透镜组的光焦度，φC为后透镜组的光焦度，φ为所述光学系统的光焦度。

2.根据权利要求1所述的一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，其特征在于：所述第六透镜、第七透镜和第八透镜组成三胶合透镜。

3.根据权利要求1所述的一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，其特征在于：所述第五透镜为厚透镜。

4.根据权利要求1所述的一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第三透镜和第四透镜的材质均为重镧火石玻璃，所述第二透镜的材质为重火石玻璃，所述第五透镜的材质为重冕玻璃，所述第六透镜的材质为镧冕玻璃，所述第七透镜的材质为重火石玻璃，所述第八透镜的材质为氟冕玻璃，所述第九透镜的材质为冕牌玻璃，所述第十透镜和第十二透镜的材质均为重火石玻璃，所述第十一透镜的材质为镧火石玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种数字航空测绘彩色相机远心光学系统，其特征在于：所述光阑为孔径光阑。