CN114935813B - 一种可见到近红外紧凑型像方远心光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，该系统包括沿光传播方向依次设置同光轴的保护窗口、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、CCD窗口和像面；所述的第一透镜为凸向物方的负弯月透镜；第二透镜为双凹透镜；第三透镜为弯向物测的弯月透镜；第四透镜为双凸透镜；第五透镜为凸向像方的正弯月透镜；第六透镜为双凸透镜；第七透镜为双凹透镜；第八透镜为双凸透镜；第九透镜为双凸透镜；所述的各透镜表面均为球面。本发明能够实现580‑1000nm宽波段200lp/mm的高分辨情况下具有较好的像质，并且视场大、照度均匀、可靠性高、成像清晰稳定的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头成像技术领域，尤其涉及一种可见到近红外紧凑型像方远心成像光学系统。
背景技术
随着空间遥感技术在各领域的广泛应用，人们对遥感系统体积的要求也渐趋向于小型化、轻量化以满足不同场景包括野外的需求，遥感系统中光学模块的体积也需紧凑化。除结构紧凑之外，遥感系统中光学模组逐渐向大视场发展，当视场角较大时，极容易产生像面照度不均匀现象，像方远心结构能够使像面具有极佳的照度均匀性。
另外空间遥感系统经常工作在气候多变、高低温变化以及沙尘等环境中，所以迫切的需要一款适用于上述复杂多变环境的镜头。目前市面上有能够做到紧凑型的镜头，但能同时具备像方远心结构和适应复杂环境的紧凑型镜头尚无。本发明提供了一款能解决像面不均匀现象和适应复杂环境的紧凑型镜头的光学系统。因此开发设计一款紧凑型像方远心光学系统很有必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，该系统成像清晰稳定，可以解决像面不均匀现象，并且做到结构紧凑，达到了小型化轻量化的目的。
为解决上述技术问题，本发明的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统包括沿光传播方向依次设置同光轴的保护窗口、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、CCD窗口和像面；所述的第一透镜为凸向物方的负弯月透镜；第二透镜为双凹透镜；第三透镜为弯向物测的弯月透镜；第四透镜为双凸透镜；第五透镜为凸向像方的正弯月透镜；第六透镜为双凸透镜；第七透镜为双凹透镜；第八透镜为双凸透镜；第九透镜为双凸透镜；所述的各透镜表面均为球面。
所述的第三透镜为正弯月透镜或负弯月透镜。
所述的第一透镜的前后表面曲率半径范围分别为8.842mm～10.903mm和
6.45mm～9.77mm；第二透镜的前后表面曲率半径范围分别为-60mm～-13.99mm和6.945mm～12.344mm；第三透镜的前后表面曲率半径范围分别为-16.091mm～-7.655mm和-14.383mm～-9.355mm；第四透镜的前后表面曲率半径范围分别为14.754mm～21.205mm和-99.245mm～-36.331mm；第五透镜的前后表面曲率半径范围分别为-37.853mm～-21.8mm和-14.414mm～-12.614mm；第六透镜的前后表面曲率半径范围分别为19.193mm～32.806mm和-29.39mm～-18.799mm；第七透镜的前后表面曲率半径范围分别为-14.901mm～-12.871mm和16.111mm～24.227mm；第八透镜的前后表面曲率半径范围分别为16.583mm～24.648mm和-35.509mm～-24.281mm；第九透镜的前后表面曲率半径范围分别为21.956mm～29.479mm和-423.831mm～-292.766mm。
所述的第一透镜的厚度范围为3.5mm～5mm；第二透镜的厚度范围为2mm～2.5mm；第三透镜的厚度范围为3mm～4mm；第四透镜的厚度范围为2.8mm～3.8mm；第五透镜的厚度范围为3mm～4mm；第六透镜的厚度范围为2.5mm～3mm；第七透镜的厚度范围为2mm～2.5mm；第八透镜的厚度范围为3.5mm～4mm；第九透镜的厚度范围为3mm～4.5mm。
所述的第一透镜与第二透镜之间的空气间隔范围为3.98mm～5.43mm；第二透镜与第三透镜之间的空气间隔范围为2.58mm～4.58mm；第三透镜L3与第四透镜之间的空气间隔范围为0.4mm～0.5mm；第四透镜与光阑之间的空气间隔范围为3.18mm～6.19mm；光阑与第五透镜之间的空气间隔范围为1.0mm～1.73mm；第五透镜与第六透镜之间的空气间隔范围为0.3mm～0.5mm；第六透镜与第七透镜之间的空气间隔范围为1.15mm～1.38mm；第七透镜与第八透镜之间的空气间隔范围为0.87mm～0.92mm；第八透镜与第九透镜之间的空气间隔范围为8.11mm～10.74mm。
所述的第一透镜的折射率范围为1.57～1.59，阿贝数范围为68.3～71.3；第二透镜的折射率范围为1.43～1.44，阿贝数范围为94.5～95；第三透镜的折射率范围为1.82～1.88，阿贝数范围为40.2～46.5；第四透镜的折射率范围为1.46～1.67，阿贝数范围为48.4～67.8；第五透镜的折射率范围为1.43～1.44，阿贝数范围为94.5～95；第六透镜的折射率范围为1.57～1.59，阿贝数范围为68.3～71.3；第七透镜的折射率范围为1.73～1.81，阿贝数范围为22.7～28.3；第八透镜的折射率范围为1.59，阿贝数为68.3；第九透镜的折射率范围为1.81～2，阿贝数范围为25.5～30。
进一步，本发明还包括设置在各透镜之间的隔圈，第三透镜与第四透镜之间的隔圈、第六透镜与第七透镜之间的隔圈采用铟钢，其他相邻透镜之间的隔圈采用铝合金。
所述的第一透镜至第九透镜均为玻璃材料。
所述的保护窗口与第一透镜之间的空气间隔为3mm。
所述的第九透镜与CCD窗口之间的空气间隔范围为5.08mm～7.48mm。
基于上述技术方案，本发明所具备的优点及有益效果为：
本发明覆盖波段为580-1000nm，通过选取适当的面型参数、光学材料、空气间隔等参数进行优化，实现580-1000nm宽波段范围内在200lp/mm的高分辨情况下具有较好的像质，光学材料也是成都光明公司的常见材料，便于大批量生产。
本发明的光学系统中具有保护窗口W，其双面镀三防膜，使得整个系统具有抗冲击震动的特性，且防尘，防水，防霉菌，适用于复杂多变的环境。
本发明为无热化镜头，通过选取不同的折射率范围、色散范围的光学材料，以及合适的热膨胀系数的机械材料，实现光学被动无热化，在-40℃～60℃温度范围内清晰成像，无需调焦机构，结构简单可靠、装配效率高，可大批量生产。
本发明采用像方远心结构。本发明的视场角达47°，在具有大视场的同时，使像面有极佳的照度均匀性。另一方面，像方远心结构可以防止在振动情况下像面偏移造成的成像模糊，有利于提高系统的可靠性，成像清晰稳定。
本发明所提供的的光学系统在实现光学无热化以及像方远心结构的同时做到了结构紧凑，镜头长度小于70mm，重量小于17g，实现了光学系统的紧凑化，同时有利于遥感系统体积趋向于实现小型化、轻量化以满足不同场景包括野外的需求。
本发明所有的透镜都采用的是单透镜，相比于双胶合透镜，单透镜的结构具有更高的稳定性，不易变形。本发明所有的玻璃材料都是成都光明常见材料，材料容易获取，且所有镜片均为球面，加工、装配技术成熟，成本较低。
本发明的光学系统采用像方远心光路及光学无热化的设计技术，通过面型参数，玻璃材料和厚度及机械材料等合理的匹配，实现了结构紧凑，小型化，轻量型的目的，同时具有高分辨率，大视场，复杂环境适应性，像方远心光路等特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的可见到近红外紧凑型像方远心无热化光学系统结构示意图。
图2为实施例1像面的照度分布图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为实施例1在常温20℃，低温-50℃和高温+60℃条件下的传函图。
图4为实施例2像面的照度分布图。
图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为实施例2在常温20℃，低温-50℃和高温+60℃条件下的传函图。
图6为实施例3像面的照度分布图。
图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为实施例3在常温20℃，低温-50℃和高温+60℃条件下的传函图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本发明的可见到近红外紧凑型像方远心无热化光学系统沿光传播方向依次设置同光轴的保护窗口W1、具有负屈光度的第一透镜L1和第二透镜L2、具有正屈光度的第三透镜L3、具有正光焦度的第四透镜L4、光阑O、具有正屈光度的第五透镜L5和第六透镜L6、具有负屈光度的第七透镜L7、具有正屈光度的第八透镜L8和第九透镜L9、CCD窗口W2和像面I。所述的第一透镜L1为凸向物方的负弯月透镜；第二透镜L2为双凹透镜；第三透镜L3为弯向物测的弯月透镜(正弯月透镜或负弯月透镜)；第四透镜L4为双凸透镜；第五透镜L5为凸向像方的正弯月透镜；第六透镜L6双凸透镜；第七透镜L7为双凹透镜；第八透镜L8为双凸透镜；第九透镜L9为双凸透镜。所述的各透镜表面均为球面。
在本发明的实施案例中，所述的保护窗口W1的厚度为3mm，材料为K9玻璃，保护窗口W1双面镀三防膜。对整个系统起到保护镜的作用，且防尘，防水，防霉菌，适用于复杂多变的环境。
在本发明的实施案例中，CCD窗口W2为D263TECO平板玻璃。
本发明所述的光学系统具有无热化功能，第三透镜与第四透镜之间的隔圈、第六透镜与第七透镜之间的隔圈采用铟钢，其他相邻透镜之间的隔圈采用铝合金。铟刚的热膨胀系数较小，可以很好的实现消热差。通过选取合适的折射率范围、色散范围的光学材料，以及合适的热膨胀系数的机械材料，使得系统在-40℃～60℃温度范围内高质量清晰成像。
本发明所述的光学系统采用像方远心结构，通过控制各视场的出射角小于0.2°，实现像面相对照度＞93％，确保像面在具有大视场的同时具有极佳的照度均匀性。
本发明所述的光学系统覆盖波段为580-1000nm，通过选取适当的面型参数、光学材料、空气间隔等参数进行优化，实现580-1000nm宽波段范围内在200lp/mm的高分辨情况下具有较好的像质，光学材料也是成都光明公司的常见材料，便于大批量生产。
实施例1
本实施例1中的各光学元件的参数(半径、厚度、材料、圆锥系数等)如表1所示，其中第三透镜L3为弯向物测的正弯月透镜。表中ti为第i个光学元件厚度，di为第i个光学元件与下一光学元件前之间的空气间隔。
表1
上述实施例1能够达到下列指标：
a)焦距：13.50mm；
b)F/#：2.8；
c)波段：580～1000nm；
d)视场角：42.1°X21.7°,47.3°；
e)MTF(常温20℃)：轴上视场>0.4@200mm/lp，全视场>0.24@200mm/lp；
f)相对照度：>98％；
g)适应环境温度：-40℃～60℃
h)光学总长(保护窗口W前表面到像面)：68.92mm
实施例2
本实施例2中的各光学元件的参数(半径、厚度、材料、圆锥系数等)如表2所示，其中第三透镜L3为弯向物测的负弯月透镜。表中ti为第i个光学元件厚度，di为第i个光学元件与下一光学元件前之间的空气间隔。
表2
上述实施例2能够达到下列指标：
a)焦距：13.50mm；
b)F/#：2.8；
c)波段：580～1000nm；
d)视场角：42.1°X21.7°,47.3°；
e)MTF(常温20℃)：轴上视场>0.36@200mm/lp，全视场>0.32@200mm/lp；
f)相对照度：>98％；
g)适应环境温度：-40℃～60℃
h)光学总长(保护窗口W前表面到像面)：69.0mm
实施例3
本实施例3中的各光学元件的参数(半径、厚度、材料、圆锥系数等)如表3所示，其中第三透镜L3为弯向物测的正弯月透镜。表中ti为第i个光学元件厚度，di为第i个光学元件与下一光学元件前之间的空气间隔。
表3
上述实施例3能够达到下列指标：
a)焦距：13.50mm；
b)F/#：2.8；
c)波段：580～1000nm；
d)视场角：42.1°X21.7°,47.3°；
e)MTF(常温20℃)：轴上视场>0.37@200mm/lp，全视场>0.26@200mm/lp；
f)相对照度：>98％；
g)适应环境温度：-40℃～60℃
h)光学总长(保护窗口W前表面到像面)：69.01mm
如图2、图4、图6所示，本发明所提供的紧凑型像方远心无热化系统所有视场的相对照度均大于93％，可以较好的实现像面照度均匀性。
如图3(a)、图3(b)、图3(c)，图5(a)、图5(b)、图5(c)，图7(a)、图7(b)、图7(c)所示，在常温20℃时，本发明所提供的紧凑型像方远心无热化系统的中心视场在200lp/mm频率处传递函数值大于0.38，在-40℃和60℃时，中心视场的传递函数数值均大于0.37，其他各视场的传递函数数值均大于0.2，在全视场、全波段范围内清晰成像，无热化效果较好。
本文所述的实施案例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于由沿光传播方向依次设置的同光轴的保护窗口、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、CCD窗口和像面构成；所述的第一透镜为凸向物方的负弯月透镜；第二透镜为双凹透镜；第三透镜为弯向物测的弯月透镜；第四透镜为双凸透镜；第五透镜为凸向像方的正弯月透镜；第六透镜为双凸透镜；第七透镜为双凹透镜；第八透镜为双凸透镜；第九透镜为双凸透镜；所述的各透镜表面均为球面；所述的第一透镜的前后表面曲率半径范围分别为8.842mm～10.903mm和6.45mm～9.77mm；第二透镜的前后表面曲率半径范围分别为-60mm～-13.99mm和6.945mm～12.344mm；第三透镜的前后表面曲率半径范围分别为-16.091mm～-7.655mm和-14.383mm～-9.355mm；第四透镜的前后表面曲率半径范围分别为14.754mm～21.205mm和-99.245mm～-36.331mm；第五透镜的前后表面曲率半径范围分别为-37.853mm～-21.8mm和-14.414mm～-12.614mm；第六透镜的前后表面曲率半径范围分别为19.193mm～32.806mm和-29.39mm～-18.799mm；第七透镜的前后表面曲率半径范围分别为-14.901mm～-12.871mm和16.111mm～24.227mm；第八透镜的前后表面曲率半径范围分别为16.583mm～24.648mm和-35.509mm～-24.281mm；第九透镜的前后表面曲率半径范围分别为21.956mm～29.479mm和-423.831mm～-292.766mm；所述的第一透镜的折射率范围为1.57～1.59，阿贝数范围为68.3～71.3；第二透镜的折射率范围为1.43～1.44，阿贝数范围为94.5～95；第三透镜的折射率范围为1.82～1.88，阿贝数范围为40.2～46.5；第四透镜的折射率范围为1.46～1.67，阿贝数范围为48.4～67.8；第五透镜的折射率范围为1.43～1.44，阿贝数范围为94.5～95；第六透镜的折射率范围为1.57～1.59，阿贝数范围为68.3～71.3；第七透镜的折射率范围为1.73～1.81，阿贝数范围为22.7～28.3；第八透镜的折射率范围为1.59，阿贝数为68.3；第九透镜的折射率范围为1.81～2，阿贝数范围为25.5～30。
2.根据权利要求1所述的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于所述的第三透镜为正弯月透镜或负弯月透镜。
3.根据权利要求1所述的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于所述的第一透镜的厚度范围为3.5mm～5mm；第二透镜的厚度范围为2mm～2.5mm；第三透镜的厚度范围为3mm～4mm；第四透镜的厚度范围为2.8mm～3.8mm；第五透镜的厚度范围为3mm～4mm；第六透镜的厚度范围为2.5mm～3mm；第七透镜的厚度范围为2mm～2.5mm；第八透镜的厚度范围为3.5mm～4mm；第九透镜的厚度范围为3mm～4.5mm。
4.根据权利要求1所述的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于所述的第一透镜与第二透镜之间的空气间隔范围为3.98mm～5.43mm；第二透镜与第三透镜之间的空气间隔范围为2.58mm～4.58mm；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔范围为0.4mm～0.5mm；第四透镜与光阑之间的空气间隔范围为3.18mm～6.19mm；光阑与第五透镜之间的空气间隔范围为1.0mm～1.73mm；第五透镜与第六透镜之间的空气间隔范围为0.3mm～0.5mm；第六透镜与第七透镜之间的空气间隔范围为1.15mm～1.38mm；第七透镜与第八透镜之间的空气间隔范围为0.87mm～0.92mm；第八透镜与第九透镜之间的空气间隔范围为8.11mm～10.74mm。
5.根据权利要求1所述的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于还包括设置在各透镜之间的隔圈，第三透镜与第四透镜之间的隔圈、第六透镜与第七透镜之间的隔圈采用铟钢，其他相邻透镜之间的隔圈采用铝合金。
6.根据权利要求1所述的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于所述的第一透镜至第九透镜均为玻璃材料。
7.根据权利要求1所述的可见到近红外紧凑型像方远心光学系统，其特征在于所述的保护窗口与第一透镜之间的空气间隔为3mm；所述的第九透镜与CCD窗口之间的空气间隔范围为5.08mm～7.48mm。
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