CN110927942A - 一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置 - Google Patents

一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置 Download PDF

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Abstract

一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，所述光学变焦成像装置包括由物侧至像侧沿光轴依次设置四组透镜组，所述的四组透镜组分别为具有正焦距的第一透镜组、具有负焦距的第二透镜组、具有正焦距的第三透镜组和具有正焦距的第四透镜组；在望远端向广角端变焦期间，所述第一透镜组与所述第二透镜组相对位置固定，所述第二透镜组与第三镜头组可沿光轴方向以预设关联关系移动，实现变焦，所述第三透镜组用于补偿所述第二透镜组沿光轴移动时产生的焦点像差。采用该变焦成像装置，既满足高成像质量，长焦距、大倍率、高像质，又实现了镜头小型化和低成本，提高产品的适用性。

Description

一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置
技术领域
本发明涉及一种机场跑道外来物探测的光学变焦成像装置，该装置主要应用于机场跑道外来物(FOD，Foreign Object Debris)光电探测系统中，为了实现距离跑道500米内不小于20mm×20mm大小的外来物高清晰成像识别，提高机场跑道外来物的识别准确率。
背景技术
机场跑道外来物(FOD，Foreign Object Debris)泛指可能损伤航空器或系统的某种外来的物质，如飞机和发动机连接件、机械工具、飞行物品等。机场跑道外来物一直以来都是危害飞机飞行安全的重要因素之一，据保守估计，每年全球因机场跑道外来物造成的损失至少在30～40亿美元，人员损失更无法估量。因此，通过光电探测系统全天时获取跑道道面高清晰影像至关重要。变焦系统指在像面不变的前提下，通过改变系统组元之间间隔实现焦距(连续)变化，从而实现小倍率大视场搜索外来物，大倍率小视场识别外来物。随着变焦技术的日益成熟及加工、检测技术的发展，机场跑道光电探测系统对高像质、长焦距、大变倍比、小型化变焦系统需求进一步的增加。目前，为了实现高性能，镜头系统难以小型化，而小型化伴随着高的制造成本。因此，研发一种适用于机场跑道外来物(不小于20mm×20mm)探测，能够实现满足高的光学性能(大倍率、高像质、小型化)和低的制造成本，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，提供一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，用于克服现有机场跑道外来物光电探测系统变焦成像装置尺寸过大，适装性差，变焦过程中长焦垂轴色差大，物体细小信息解析力低，进而导致外来物轮廓模糊不清晰，无法进一步识别确认的缺点。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，所述光学变焦成像装置包括由物侧至像侧沿光轴依次设置四组透镜组，所述的四组透镜组分别为具有正焦距的第一透镜组、具有负焦距的第二透镜组、具有正焦距的第三透镜组和具有正焦距的第四透镜组；其特征在于：所述变焦镜头满足以下条件：
Figure BDA0002297279890000021
其中：Ft—变焦镜头在望远端时的焦距，R—作用距离，d—摄像机像元尺寸，n—检测目标需像元个数，a—目标尺寸；
TTL/Fw<10；其中，TTL为所述变焦镜头在望远端的镜头总长；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距；
Ft/Fw>15；其中，Ft为所述变焦镜头在望远端的焦距；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。
所述的第一透镜组为前固定组，位置固定，由物侧至像侧依序包括由物侧至像侧依序包括3片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
所述的第二透镜组为变倍组，可沿光轴移动，由物侧至像侧依序包括3片正透镜、1片负透镜、3片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
所述的第三透镜组为补偿组，可沿光轴移动，由物侧至像侧依序包括2片负透镜、5片正透镜和1片负透镜。
所述的第四透镜组为后固定组，位置固定，由物侧至像侧依序包括1片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
所述的光学变焦成像装置中的透镜均为球面镜片。
在第三组透镜组和第四组透镜组之间设置光阑和滤光片。
在第四透镜组的像侧设置CCD、保护镜和成像面。
本发明的有益效果：采用该变焦成像装置，既满足高成像质量(长焦距、大倍率、高像质)，又实现了镜头小型化和低成本，提高产品的适用性。
附图说明
图1为变焦镜头在广角、中焦、望远端的结构示意图；
图2为变焦镜头在广角端的场曲、畸变曲线图；
图3为变焦镜头在中焦端的场曲、畸变曲线图；
图4为变焦镜头在望远端的场曲、畸变曲线图；
图5为变焦镜头在广角端的轴向像差图；
图6为变焦镜头在中焦端的轴向像差图；
图7为变焦镜头在望远端的轴向像差图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，所述光学变焦成像装置包括由物侧至像侧沿光轴依次设置四组透镜组，所述的四组透镜组分别为具有正焦距的第一透镜组、具有负焦距的第二透镜组、具有正焦距的第三透镜组和具有正焦距的第四透镜组；所述变焦镜头满足以下条件：
Figure BDA0002297279890000031
其中：Ft—变焦镜头在望远端时的焦距，R—作用距离，d—摄像机像元尺寸，n—检测目标需像元个数，a—目标尺寸。
TTL/Fw<10；其中，TTL为所述变焦镜头在望远端的镜头总长；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。
Ft/Fw>15；其中，Ft为所述变焦镜头在望远端的焦距；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。
所述的第一透镜组为前固定组，位置固定，由物侧至像侧依序包括由物侧至像侧依序包括3片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
所述的第二透镜组为变倍组，可沿光轴移动，由物侧至像侧依序包括3片正透镜、1片负透镜、3片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
所述的第三透镜组为补偿组，可沿光轴移动，由物侧至像侧依序包括2片负透镜、5片正透镜和1片负透镜。
所述的第四透镜组为后固定组，位置固定，由物侧至像侧依序包括1片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
所述的光学变焦成像装置中的透镜均为球面镜片。
在第三组透镜组和第四组透镜组之间设置光阑和滤光片。
在第四透镜组的像侧设置CCD、保护镜和成像面。
如图1所示，本发明具体其特征在于，自物侧(object side)至像侧(image side)沿光轴依次设置四组透镜组，且于像侧形成像面，在像面处设置具有光电转换功能的成像感测器，例如CCD或者CMOS，实现变焦成像。这四组透镜组分别为：第一透镜组，前固定组，具有正焦距；第二透镜组，变倍组，具有负焦距；第三透镜组，补偿组，具有正焦距；第四透镜组，后固定组，具有正焦距，如图 1所示。其中，在望远端向广角端变焦期间，所述第一透镜组与所述第二透镜组相对位置固定，所述第二透镜组与第三镜头组可沿光轴方向以预设关联关系移动，实现变焦，所述第三透镜组用于补偿所述第二透镜组沿光轴移动时产生的焦点像差。
此外，本实施例中，所述变焦镜头满足以下条件：
Figure BDA0002297279890000041
其中：Ft—镜头焦距；R—作用距离，此处取500m；d—摄像机像元尺寸,取3.45um；n—检测目标需像元个数；a—目标尺寸，此处取20mm；n—检测目标需像元个数，n≥8。
TTL/Fw＜10。其中，TTL是变焦镜头在望远端的镜头总长，而镜头总长定义为自第一透镜组靠近物侧第一表面至成像面的距离；Fw为该变焦镜头在广角端的焦距。
此外，所述变焦镜头满足Ft/Fw≥15，即变焦镜头的放大倍率可以达到15 倍。其中，Ft为该变焦镜头在望远端的焦距，Fw为该变焦镜头在广角端的焦距。
表1列出根据本发明如图1所示变焦镜头的一实例的详细数据，其包含各透镜的曲率半径、厚度、折射率及色散系数。其中镜片的表面代号是从物侧至像侧依序编排，滤光片位于S25、S26两个表面所在透镜，临近于光阑，CCD保护镜位于S46、S47两个表面所在透镜，本方案中，变焦镜头中透镜均为球面，通过球面设计来矫正像差，避免了采用非球面带来的加工难度和成本。此外，为了满足机场跑道外来物光电探测全天时需求，即变焦镜头系统可通过接收从可见光波段到近红外线波段范围内的光来形成图像。在白天，邻近于光阑的面向像方的表面通过接收在可见光波段中的光来形成图像，而在夜晚，邻近于光阑的面向像方的表面通过接收近红外线波段中的光来形成图像。
表1：变焦镜头具体参数
Figure BDA0002297279890000051
Figure BDA0002297279890000061
在表1中，厚度代表该表面与相邻于像侧另一表面的距离，可以表示玻璃厚度，也可以表示空气间隔，例如，表面S1的厚度为表面S1与表面S2的距离，表示L1的玻璃厚度。表面S3的厚度为表面S3与表面S4的距离，表示L2与L3 的空气间隔。若间隔值标示为D1、D2、D3，表示两表面的距离根据广角端与望远端不同焦距而有所不同，其距离如表2所示。其中D1指L6透镜组与L7透镜组之间距离，同理可知，D2为L10透镜组与L11透镜组之间距离，D3指L14透镜组与光阑之间距离。
表2：不同焦距元件间隔
Figure BDA0002297279890000062
在实验过程中，镜头在望远端焦距
Figure BDA0002297279890000063
即Ft≥690mm，在本实施例中，变焦镜头在望远端焦距为1000.21mm＞690mm，故Ft＝1000.21＞n·d·R/a。
在实验过程中，变焦镜头在望远端的焦距为1000mm时，变焦镜头于广角端的焦距Fw为小于66.6mm，即Ft/Fw>15.0，在本实施例中，变焦镜头在广角端的焦距为50.11mm，变焦镜头于望远端的焦距Ft为1000.21mm，故变焦镜头的倍率Ft/Fw的值为20>15。
在实验过程中，变焦镜头在广角端的焦距为50mm，变焦镜头于望远端的镜头总长TTL为小于500，即TTL/Fw<10.0，在本实施例中，变焦镜头在广角端的焦距为50.11mm，变焦镜头于望远端的镜头总长TTL为448.39，故TTL/Fw的值为9.0<10.0。
本发明中变焦镜头处于50mm、500mm、1000mm时，系统像方F#如下表所示：
表3：不同焦距系统像方F#
Figure BDA0002297279890000071
在本方案中，图2、图3、图4分别广角端，中焦端以及望远端的场曲与畸变曲线图，其中，图2为本发明的变焦镜头处于广角端的场曲与畸变曲线图，红、绿、蓝分别代表0.486μm，0.588μm以及0.656μm波长的光束。其中，各种波长的光束的子午场曲和弧矢场曲值均控制在(-0.16,0.17)范围内，各种波长光束的畸变率控制在(-0.27％,0)范围内。
同理可知，图3为本发明的变焦镜头处于中焦端时的场曲与畸变曲线图，红、绿、蓝分别代表0.486μm，0.588μm以及0.656μm波长的光束。其中，各种波长的光束的子午场曲和弧矢场曲值均控制在(-0.003,0.31)范围内，各种波长光束的畸变率控制在(0，-0.26％)范围内。同理可知，图4为本发明的变焦镜头处于望远端时，各种波长的光束的子午场曲和弧矢场曲值均控制在(-0.04.- 0.15)范围内，各种波长光束的畸变率控制在(0，0.12％)范围内
图5、图6、图7为本发明变焦镜头处于广角端、中焦端、望远端的轴向像差图，可以看到，本发明中处于广角端时轴向像差大于-0.15mm小于0.02mm, 处于中焦端的轴向像差大于-0.05mm小于0.28mm，处于望远端得轴向像差大于- 0.12mm小于0.17mm，均满足成像性能的要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：所述光学变焦成像装置包括由物侧至像侧沿光轴依次设置四组透镜组，所述的四组透镜组分别为具有正焦距的第一透镜组、具有负焦距的第二透镜组、具有正焦距的第三透镜组和具有正焦距的第四透镜组；其特征在于：所述变焦镜头满足以下条件：
Figure FDA0002297279880000011
其中：Ft—变焦镜头在望远端时的焦距，R—作用距离，d—摄像机像元尺寸，n—检测目标需像元个数，a—目标尺寸；
TTL/Fw<10；其中，TTL为所述变焦镜头在望远端的镜头总长；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距；
Ft/Fw>15；其中，Ft为所述变焦镜头在望远端的焦距；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。
2.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：所述的第一透镜组为前固定组，位置固定，由物侧至像侧依序包括由物侧至像侧依序包括3片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
3.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：所述的第二透镜组为变倍组，可沿光轴移动，由物侧至像侧依序包括3片正透镜、1片负透镜、3片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
4.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：所述的第三透镜组为补偿组，可沿光轴移动，由物侧至像侧依序包括2片负透镜、5片正透镜和1片负透镜。
5.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：所述的第四透镜组为后固定组，位置固定，由物侧至像侧依序包括1片正透镜、1片负透镜和1片正透镜。
6.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：所述的光学变焦成像装置中的透镜均为球面镜片。
7.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：在第三组透镜组和第四组透镜组之间设置光阑和滤光片。
8.如权利要求1所述的机场跑道外来物光电探测系统的光学变焦成像装置，其特征在于：在第四透镜组的像侧设置CCD、保护镜和成像面。
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