CN110007441B - 一种数字航空测绘彩色相机光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字航空测绘彩色相机光学系统，包括：前透镜组、中透镜组和后透镜组；所述前透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述中透镜组包括第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜和第七透镜，所述第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜；所述后透镜组包括第八透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜、第七透镜和第八透镜沿着进光入射方向同轴依次排列。本发明光学系统具有大成像视场、高分辨率和低畸变性能的同时结构简单，采用较少透镜数量，合理分配各透镜的光焦度，组合校正初级及高级像差，成像质量优异，大幅度降低了光学系统的加工制造成本，实现轻小型设计。

Description

一种数字航空测绘彩色相机光学系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，更具体地说涉及一种数字航空测绘彩色相机光学系统。

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。其主要技术特征是广域大视场成像、高分辨率、低畸变以及相机轻小型化。

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全色相机光学系统，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，需要实现广角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是国内外发展航空测绘相机技术的重点研究对象。

专利CN101482645.A提出一种数字航测彩色相机镜头，焦距31.24mm，成像视场达到87.8°，MTF≥0.5@55lp/mm，全视场畸变＜0.01％，满足了航空测绘相机镜头的成像质量要求。但光学系统比较复杂，采用了多达12片的光学透镜元件；为了校正像差，采用了加工与装调工艺较为复杂的三胶合透镜。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种数字航空测绘彩色相机光学系统，采用较少透镜数量，保证大视场、高分辨率和低畸变性能的基础上同时实现轻小型化及低成本。

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光学系统，包括：前透镜组、中透镜组和后透镜组；

所述前透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述中透镜组包括第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜和第七透镜，所述光阑位于所述第五透镜和第六透镜之间，所述第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜；

所述后透镜组包括第八透镜；

所述第三透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为弯月形透镜且光焦度均为正；所述第一透镜、第二透镜、第四透镜和第八透镜均为弯月形透镜且光焦度均为负；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜、第七透镜和第八透镜沿着进光入射方向同轴依次排列。

作为上述技术方案的进一步改进，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：

1.5≤1/γ≤1.8。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组的光焦度与所述光学系统的光焦度/>的比值满足：

所述中透镜组的光焦度与所述光学系统的光焦度/>的比值满足：

所述后透镜组的光焦度与所述光学系统的光焦度/>的比值满足：

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

作为上述技术方案的进一步改进，所述第五透镜为厚透镜。

作为上述技术方案的进一步改进，第一透镜的材质为重镧冕牌玻璃，第二透镜的材质为重冕玻璃，第三透镜的材质为重火石玻璃或火石玻璃；第四透镜的材质为重火石玻璃或火石玻璃，第五透镜的材质为重冕玻璃，第六透镜的材质为重镧火石玻璃，第七透镜的材质为冕牌玻璃；所述第八透镜的材质为重火石玻璃。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第五透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第六透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第一光学面的高度为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第二光学面的高度为h2，其中h1和h2满足：

0.95≤|h1/h2|≤1.15。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光阑为孔径光阑。

本发明的有益效果是：本发明光学系统具有大成像视场、高分辨率和低畸变性能的同时结构简单，采用较少透镜数量，合理分配好各透镜的光焦度，组合校正初级及高级像差，成像质量优异，大幅度降低了光学系统的加工制造成本，实现轻小型设计。

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。

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光学系统，包括：前透镜组、中透镜组和后透镜组；

所述前透镜组包括第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300；

所述中透镜组包括第四透镜400、第五透镜500、光阑900、第六透镜600和第七透镜700，所述光阑900位于所述第五透镜500和第六透镜600之间，所述第四透镜400和第五透镜500组成双胶合透镜；

所述后透镜组包括第八透镜800；

所述第三透镜300、第五透镜500、第六透镜600和第七透镜700均为弯月形透镜且光焦度均为正；所述第一透镜100、第二透镜200、第四透镜400和第八透镜800均为弯月形透镜且光焦度均为负；

所述第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400、第五透镜500、光阑900、第六透镜600、第七透镜700和第八透镜800沿着进光入射方向同轴依次排列。

作为优化，所述第五透镜500为厚透镜。

所述第四透镜400和第五透镜500组成双胶合透镜，可校正色差，并适度校正球差。同时第五透镜500采用厚透镜，有利于降低了光线高度，有利于高级像差的降低，获得更加紧凑的光学系统设计。

本发明避免使用了三胶合透镜，三胶合透镜采用两个胶合面，有利于校正色差、球差甚至畸变等像差，但厚度公差比较难以控制，增加了加工及装调的难度以及制造成本。

作为优化，本实施例中，为获得足够长的后工作距离并将系统高级像差量控制在适当可校正的范围内，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：

1.5≤1/γ≤1.8。

所述轴外视场主光线是指零视场之外的视场对应的主光线。

所述前透镜组的光焦度与所述光学系统的光焦度/>的比值满足：

所述中透镜组的光焦度与所述光学系统的光焦度/>的比值满足：

所述后透镜组的光焦度与所述光学系统的光焦度/>的比值满足：

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

作为优化，第一透镜100的材质为重镧冕牌玻璃，第二透镜200的材质为重冕玻璃，第三透镜300的材质为重火石玻璃或火石玻璃；第四透镜400的材质为重火石玻璃或火石玻璃，第五透镜500的材质为重冕玻璃，第六透镜600的材质为重镧火石玻璃，第七透镜700的材质为冕牌玻璃；所述第八透镜800的材质为重火石玻璃。

本发明没有采用氟冕玻璃或CaF2等特殊玻璃材料，该类材料虽然有利于校正色差，但价格昂贵、热性能较差，不利于光学系统的无热化设计，避免采用此类玻璃材料保证了光学系统在较大温度范围的成像质量良好，且降低了光学系统的成本。

同时没有采用非球面透镜，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0.007％，主光线最大偏移理想位置不超过2.5μm，接近获得零畸变的设计，有利于保证航空测绘相机几何精度的实现。

作为优化，所述第五透镜500靠近光阑900的光学面为第一光学面，所述第六透镜600靠近光阑900的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第一光学面的高度为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第二光学面的高度为h2，其中h1和h2满足：

0.95≤|h1/h2|≤1.15。

作为优化，所述光阑900为孔径光阑。

所述第五透镜500靠近光阑900的第一光学面产生的高级正像散与所述第六透镜600靠近光阑900的第二光学面所产生的高级负像散进行补偿。

所述轴上视场边缘光线是指零视场的边缘光线，也就是零视场的光束最外的那一根。

本实施例中，考虑到成像视场达到了90°，与视场相关的像散、场曲、垂轴色差以及畸变等垂轴像差会难以控制，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。

基于对畸变像差的控制，如果选用对称性的光学系统结构可以自动校正彗差、畸变以及垂轴色差等垂轴像差，轴向像差如球差、像散、场曲以及轴向色差通过透镜弯曲，胶合面的引入进行校正。但由于成像距离近乎无穷远，垂轴像差发生较大的变化，不再自动消除；且轴向像差的分布同样会发生较大变化。

因此，本实施例进行较大的失对称变化以适应物像的非对称变化引入的各种像差，包括：

1)将前透镜组和后透镜组进行失对称设计，并复杂化前透镜组的设计，控制前透镜组对轴外主光线的角放大率的值，同时所述前透镜组采用光焦度为“负负正”的透镜组合，复杂化结构能够降低高级像差，有利于光学系统的小型化设计，并获得较为理想的后工作距离长度。

2)中透镜组进行失对称变化，解除光阑900两侧的透镜的对称分布，光阑900的一侧选择双胶合透镜，光阑900另一侧为两个正光焦度的透镜，失对称的变化主要校正彗差、垂轴色差等像差。

3)控制轴上视场边缘光线在第一光学面的高度和第二光学面上的高度的差值，降低高级球差像差量。

本实施例的光学系统的具体参数为：

焦距34.93mm；相对孔径D/f为1/5.6；视场角为90°；无渐晕；在55lp/mm时，全视场平均传函＞0.55；全视场相对畸变＜0.007％；光学系统的总长(光学系统的第一透镜100到第八透镜800)为103.8mm，有利于相机实现紧凑型设计；后工作距离为14.5mm，有利于探测器的布局安装。

本发明具有大成像视场，达到了90°，极大的提高了成像幅宽；在飞行高度10km的情况下，地面成像幅宽能够达到20km，提高了成像效率以及时间利用率，单位时间内获得的图像信息大幅提升，在应急反应中能够发挥明显优势。同时成像质量优异，全视场平均传函优于0.55@55lp/mm。

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，仅采用8片常规较廉价的透镜玻璃材料就能够满足上述指标性能要求，大幅降低了光学系统的加工制造成本，有利于实现相机的轻小型化设计。

参考图2，图2表征了本实施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0.55，成像质量良好。

参考图3，图3表征了本实施例光学系统的畸变分布曲线，畸变不超过0.007％，接近于零，有效避免了畸变引起的测量误差，降低了后续数字图像的几何失真校正难度。

参考图4，图4表征了本实施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。

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光学系统，其特征在于，包括：前透镜组、中透镜组和后透镜组；

所述前透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述中透镜组包括第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜和第七透镜，所述光阑位于所述第五透镜和第六透镜之间，所述第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜；

所述后透镜组包括第八透镜；

所述第三透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为弯月形透镜且光焦度均为正；所述第一透镜、第二透镜、第四透镜和第八透镜均为弯月形透镜且光焦度均为负；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、光阑、第六透镜、第七透镜和第八透镜沿着进光入射方向同轴依次排列；

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：

1.5≤1/γ≤1.8；

所述前透镜组的光焦度φA与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：

-0.35≤φA/φ≤-0.22；

所述中透镜组的光焦度φB与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：

0.9≤φB/φ≤1.2；

所述后透镜组的光焦度φC与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：

-0.95≤φC/φ≤-0.75；

其中φA为前透镜组的光焦度，φB为中透镜组的光焦度，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光学系统，其特征在于：所述第五透镜为厚透镜。

3.根据权利要求1所述的一种数字航空测绘彩色相机光学系统，其特征在于：

第一透镜的材质为重镧冕牌玻璃，第二透镜的材质为重冕玻璃，第三透镜的材质为重火石玻璃或火石玻璃；第四透镜的材质为重火石玻璃或火石玻璃，第五透镜的材质为重冕玻璃，第六透镜的材质为重镧火石玻璃，第七透镜的材质为冕牌玻璃；所述第八透镜的材质为重火石玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种数字航空测绘彩色相机光学系统，其特征在于：所述第五透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第六透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第一光学面的高度为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第二光学面的高度为h2，其中h1和h2满足：

0.95≤|h1/h2|≤1.15。

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