CN203502656U - 大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统，光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜、第一校正透镜、第二正透镜、第二负透镜、双胶合透镜、第三正透镜、光阑、第四正透镜、三胶合透镜、第三负透镜、第五正透镜以及第六正透镜；第一校正透镜弯曲方向背离光阑，呈弯月型，双胶合透镜胶合面背离光阑，所述的三胶合透镜采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式。本实用新型具有大视场、高分辨率，超低畸变，准像方远心等特点。

Description

大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统

技术领域

本实用新型属于航空遥感与测绘技术领域，涉及一种应用于航空对地观测光学新载荷的光学系统。

背景技术

三线阵立体航测相机是安装在飞机平台上，通过飞机推扫，利用焦面上的三条线阵探测器获取同一地物前视、下视、后视影像，最终利用图像处理技术得到地物立体数字影像。

三线阵立体航测数码相机作为国外研究的一个热点一直备受各方面的关注，其技术实现方式也有两种方式即单镜头内拼接形式和三镜头外拼接形式。单镜头内拼接技术的代表有Leica公司的ADS40/80相机、日本STARLABO公司研制的STARIMAGER三线阵扫描图像系统和德国Jena-Optronik公司研制的JAS-150线阵推扫相机，而三镜头外拼接技术的代表是Wehrli&Associates andGeosystem公司的3-DAS-1和3-OC。

ADS40机载航空数字传感器，采用线阵推扫成像，是全球第一台空间数字传感器，代表了目前信息获取技术的最新发展，于2000年由瑞士Leica公司推出，2008年推出了最新的产品ADS80。ADS40是在成像面安置前视、下视和后视三个CCD线阵，在摄影时构成三条航带实现摄影测量。它是一种能够同时获得立体影像和彩色多光谱影像的多功能、数字化的航空遥感传感器。

STARIMAGER三线阵立体航测相机是2002年STARLABO公司联合东京大学等单位为救护直升机上研制的一种用于大比例尺成图的高精度的三线阵数字扫描图像系统。在其相机的焦平面上共放置四条线阵CCD，其中三条线阵CCD分别放置在前视、中视和后视，另外每条线阵中包含R、G、B获得彩色图像，可提供了立体和多光谱的图像。

JAS-150三线阵航测相机作为德国Jena-Optronik Group公司2006年推出的面向下一代的数字航空扫描相机，靶面上采用9条12000像元的线阵CCD探测器，其中4条可获取R、G、B和近红外的多光谱数据，另外5条为了避免数字高程模型出现盲点，分别在下视和四个不同角度放置来获取全色影像。

3-DAS-1三线阵航测相机是Wehrli&Associates and Geosystem公司2004年推出的一款采用三镜头外拼接的数码航测相机，其采用三个相互严格固定的光学系统获取地面目标影像。3-OC三线阵航测相机是对3-DAS-1进行的改进型外拼接数码航测相机。

我国CCD航空相机技术选择了面阵CCD相机作为技术攻关的重要类型。中国科学院光电技术研究所，在国家863支持下的“大面阵彩色CCD数字航测相机系统研制”项目，其全色CCD采用9K×9K的大面阵CCD，多光谱采用2K×2KCCD分别获取R、G、B图像。

中科院遥感应用研究所2003年研制出一套宽视场，多光谱和立体成像等多种模块为一体的大面阵CCD数字相机系统MADC，MADC系统由3台4K×4K的大面阵CCD数字相机组成。

中国测绘科学院刘先林院士主持研制的SWDC航空数码相机以多镜头成像技术为基础，其采用外视场拼接技术集成多个高端民用数码相机（单机像素数为3900万，像元大小为6.8μm），摄影时同时曝光，事后对影像进行纠正，拼接成统一投影中心的大幅面高分辨率虚拟影像，从而实现高分辨率、大范围的地面覆盖。

目前针对线阵探测器的立体航测相机在国内还属空白，三线阵立体航测相机系统需要一种大视场，高分辨率，高精度的光学系统，其使用要求很高，技术难度很大，国内尚无此类光学系统出现。

实用新型内容

本实用新型提供了一种应用于三线阵立体航测领域的大视场高分辨率三线阵立体航测相机光学系统，其具有大视场、高分辨率，超低畸变，准像方远心等特点。

本实用新型的基本技术方案如下：

大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统，包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜、第一校正透镜、第二正透镜、第二负透镜、双胶合透镜、第三正透镜、光阑、第四正透镜、三胶合透镜、第三负透镜、第五正透镜以及第六正透镜；所述的第一校正透镜弯曲方向背离光阑，呈弯月型，所述的双胶合透镜胶合面背离光阑，所述的三胶合透镜采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式。

基于上述基本方案，本实用新型还进一步作如下优化限定和改进：

上述的各透镜的参数依次如下：

第一负透镜：1.6<n₁<1.8,-2f’<f₁’<-1.5f’，f₁’<R₁<1.5f₁’，R₂<2.5f₁’；

第一校正透镜：1.65<n₂<1.8,10f’<f₂’<25f’，0.05f₂’<R₃<0.1f₂’，R₄<0.1f₂’；

第二正透镜：1.8<n₃<2.0,f’<f₃’<1.5f’，0.5f₃’<R₅<f₃’，R₆<4f₃’；

第二负透镜：1.4<n₄<1.6,-f’<f₄’<-1.5f’，0.5f₄’<R₇<f₄’，R₈<0.5f₄’；

构成双胶合透镜的两个透镜分别为：

1.5<n₅₁<1.7,0.1f’<f₅₁’<0.5f’，15f₅₁’<R₉<20f₅₁’，R₁₀<f₅₁’；

1.5<n₅₂<1.7,-0.1f’<f₅₂’<-0.5f’，0.5f₅₂’<R₁₀<f₅₂’，R₁₁<4f₅₂’；

第三正透镜：1.6<n₆<1.8,0.5f’<f₆’<f’，f₆’<R₁₂<1.5f₆’，R₁₃<2f₆’；

第四正透镜：1.6<n₇<1.7,3f’<f₇’<4f’，0.1f₇’<R₁₄<0.4f₇’，R₁₅<0.4f₇’；

构成三胶合透镜的三个透镜分别为：

1.5<n₈₁<1.7,-0.5f’<f₈₁’<-f’，f₈₁’<R₁₆<2f₈₁’，R₁₇<f₈₁’；

1.4<n₈₂<1.6,0.2f’<f₈₂’<0.5f’，f₈₂’<R₁₇<1.5f₈₂’，R₁₈<f₈₂’；

1.65<n₈₃<1.8,-0.5f’<f₈₃’<-f’，0.1f₈₃’<R₁₉<0.5f₈₃’，R₂₀<f₈₃’；

第三负透镜：1.75<n₉<1.9,-0.5f’<f₉’<f’,0.5f₉’<R₂₁<f₉’，R₂₂<2.5f₉’；

第五正透镜：1.8<n₁₀<2.0,f’<f₁₀’<2f’,4f₁₀’<R₂₃<6f₁₀’，R₂₄<f₁₀’；

第六正透镜：1.8<n₁₁<2.0,2f’<f₁₁’<3f’，5f₁₁’<R₂₅<10f₁₁’，R₂₆<1.5f₁₁’。

上述的第一负透镜为重火石玻璃ZF4，第一校正透镜为镧冕玻璃LAK53，第二正透镜为ZLAF75A，第二负透镜为FK2，构成双胶合透镜的两个透镜分别为LAK2和TF3，第三正透镜为LAF3，第四正透镜为ZBAF5，构成三胶合透镜的三个透镜分别为TF3、FK2以及LAK3，第三负透镜为ZF52A，第五正透镜为ZLAF75A，第六正透镜为ZF88。

以上各参数中，f₁’，f₂’，f₃’，f₄’，f₆’，f₇’，f₉’，f,₁₀’，f₁₁’分别为第一负透镜，第一校正透镜，第二正透镜，第二负透镜，第三正透镜，第四正透镜，第三负透镜，第五正透镜，第六正透镜的焦距。f₅₁’为双胶合透镜中正透镜的焦距，f₅₂’为双胶合透镜中负透镜的焦距。f₈₁’为三胶合透镜中左侧负透镜的焦距，f₈₂’三胶合透镜中正透镜的焦距，f₈₃’三胶合透镜中右侧负透镜的焦距；R为透镜表面曲率半径（同上，按照角标顺次标明各透镜的各个面）；n为折射率。

本实用新型采用轻量化设计、消色差技术和优良的镜头优化技术，减小了系统体积、重量、平衡了远心度与极小畸变之间的矛盾，实现了大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统的设计。

具体有如下优点：

1)采用单个镜头，使整个三线阵立体航测相机结构简单、紧凑。

2)同时实现大视场与高分辨能力。光学镜头视场达77°，在保证大工作视场角60°和大基高比的同时，具有更高的地面像元分辨率，这对立体航测和航测效率的提高有极其重要的意义。

3)采用准像方远心光路结构。光学系统主光线最大出射角为12.1°，具有大视场的同时，极大的提高了像面照度均匀性，像面最低相对照度0.91。

4)平衡了光学系统远心度与低畸变的矛盾。在保证像面具有良好照度均匀性的同时，光学系统最大畸变小于0.053%。

附图说明

图1为三线阵立体航测相机成像示意图。

图2为本实用新型光学系统结构图。

图3为本实用新型光学系统的像差曲线图。

图4为本实用新型光学系统MTF曲线（半视场角0°～22°）。

图5为本实用新型光学系统MTF曲线（半视场角22°～38.5°）。

具体实施方式

大视场高分辨率三线阵立体航测相机是通过飞机推扫，将地面目标成像于位于像面上的前视、下视、后视线阵CCD探测器上。本实施例光学系统主要性能指标为：

1.  工作波段为0.45μm～0.75μm

2.  系统焦距156mm

3.  光学系统视场角为77°

4.  工作视场角60°（配合线阵探测器后，单个立体角幅宽方向）

5.  相对孔径为1/5

6.  探测器空间频率77lp/mm

7.  畸变≤0.053%

8.  像方远心度≤12.1°

9.  光学传递函数MTF    0视场>0.62  （77lp/mm）

                      0.7视场>0.42 （77lp/mm）

                      1视场>0.35  （77lp/mm）

10. 基高比0.86，成像立体角27.7°，0°，18.6°

11. 光学系统总长474.88mm

本实用新型实现过程中采取的关键技术：

1、光学系统轻量化技术

为了校正像差时，尽可能减小系统体积和重量，光学系统合理选择结构形式，并采用了两个二次曲面。一个二次曲面远离光阑，用于校正与视场相关的像差，一个位于光阑附近，用于校正与口径有关的像差。采用非球面，不仅减小透镜的数量、系统长度和重量，使系统结构简单、紧凑，而且也满足了飞机窗口和机载稳定平台对光学载荷重量和尺寸的要求。

2、宽谱段长焦距系统消色差技术

大视场高分辨率三线阵立体航测相机光学系统是一个宽谱段、长焦距的高分辨率光学系统，二级光谱成限制成像质量提高的重要因素，因此，二级光谱的校正是设计中必须要解决的重要问题，也是光学设计的一大难点之一。普通光学材料组合无法消除二级光谱，因此设计中采用具有异常色散特性的光学材料TF3和FK2，其中双胶合透镜5材料为TF3和LAK2组合，这两种材料校正色差时，在工作谱段内，其各自部分色散差异较小，但阿贝数相差较大，可产生很小的二级光谱。三胶合透镜9光学材料由TF3、LAK2和LAK3组成，利用会聚胶合面产生的色差与系统其他透镜面色差相抵消。

3、优良的镜头优化技术

一般的航空摄影镜头，虽然视场角也很大，畸变也很小，但是光学系统基本都是对称结构，也就是光学系统出射角与入射角相当。根据像面边缘视场照度与视场角余弦的四次方成正比的关系，当镜头视场角比较大时，其像面边缘照度很低，像面照度均匀性很差，严重影响应用。虽然可以采用在镜头前加渐变滤色片的办法使边缘照度和中心照度得到改善，但是整个光学系统损失光能过大，系统信噪比下降很大。对于三线阵航测相机而言，大量光能量的损失将极大降低系统信噪比，这是不允许的。

通常，光学系统具有极小畸变与远心度是相互矛盾的。一般而言，大视场低畸变航测光学系统都是采用对称光路结构，以获得极低的畸变，但这种结构像面照度均匀性很差。为了改善像面照度均匀性就必须减小光学系统主光线出射角，但减小出射角，又会使得整个光学镜头结构失对称性，导致畸变不可能做到很小。

本实用新型所提出的大视场高分辨率三线阵立体航测相机光学系统，恰当的平衡了光学系统极低畸变与远心度两个内在的矛盾。在设计过程中，通过合理选择光学材料和光路结构，反复仔细优化设计，在保证光学系统极低畸变的基础上，使系统稍微失对称性，这样光学系统既具有极小的畸变，又使光学系统出射角得到减小，保证了像面照度均匀性，也有利于三线阵相机的色彩还原。

本实用新型提出的三线阵立体航测相机光学系统畸变≤0.053%，其最大出射角为12.1°，根据光学系统边缘视场相对照度为出射角度余弦的四次方关系，整个像面最低相对照度0.91。

如图2所示，本实施例的整个光学系统中光阑7两侧的透镜单元呈非对称结构，光阑7稍偏离后透镜组前焦面位置。该光学系统结构中，包含有两个二次曲面，其分别位于第二正透镜3的R₅面和第三正透镜6的R₁₂面。

各透镜的参数具体如下：

第一负透镜1：1.6<n₁<1.8,-2f’<f₁’<-1.5f’，f₁’<R₁<1.5f₁’，R₂<2.5f₁’；

第一校正透镜2：1.65<n₂<1.8,10f’<f₂’<25f’，0.05f₂’<R₃<0.1f₂’，R₄<0.1f₂’；

第二正透镜3：1.8<n₃<2.0,f’<f₃’<1.5f’，0.5f₃’<R₅<f₃’，R₆<4f₃’；

第二负透镜4：1.4<n₄<1.6,-f’<f₄’<-1.5f’，0.5f₄’<R₇<f₄’，R₈<0.5f₄’；

构成双胶合透镜5的两个透镜分别为：

1.5<n₅₁<1.7,0.1f’<f₅₁’<0.5f’，15f₅₁’<R₉<20f₅₁’，R₁₀<f₅₁’；

1.5<n₅₂<1.7,-0.1f’<f₅₂’<-0.5f’，0.5f₅₂’<R₁₀<f₅₂’，R₁₁<4f₅₂’；

第三正透镜6：1.6<n₆<1.8,0.5f’<f₆’<f’，f₆’<R₁₂<1.5f₆’，R₁₃<2f₆’；

第四正透镜8：1.6<n₇<1.7,3f’<f₇’<4f’，0.1f₇’<R₁₄<0.4f₇’，R₁₅<0.4f₇’；

构成三胶合透镜9的三个透镜分别为：

1.5<n₈₁<1.7,-0.5f’<f₈₁’<-f’，f₈₁’<R₁₆<2f₈₁’，R₁₇<f₈₁’；

1.4<n₈₂<1.6,0.2f’<f₈₂’<0.5f’，f₈₂’<R₁₇<1.5f₈₂’，R₁₈<f₈₂’；

1.65<n₈₃<1.8,-0.5f’<f₈₃’<-f’，0.1f₈₃’<R₁₉<0.5f₈₃’，R₂₀<f₈₃’；

第三负透镜10：1.75<n₉<1.9,-0.5f’<f₉’<f’,0.5f₉’<R₂₁<f₉’，R₂₂<2.5f₉’；

第五正透镜11：1.8<n₁₀<2.0,f’<f₁₀’<2f’,4f₁₀’<R₂₃<6f₁₀’，R₂₄<f₁₀’；

第六正透镜12：1.8<n₁₁<2.0,2f’<f₁₁’<3f’，5f₁₁’<R₂₅<10f₁₁’，R₂₆<1.5f₁₁’。

相邻透镜的中心间距依次为64.98mm，0.4mm，6.65mm，56.29mm，3.83mm，0.8mm，5.02mm，90.04mm，0.4mm和7.98mm，后截距为25.05mm，光学系统像面13直径达248.2mm。

表1给出了本实用新型与国外典型三线阵立体航测相机光学系统指标的对照。

表1

*为作对比，表中不同三线阵立体航测相机均按统一的6000m航高计算地面像元分辨率GSD。

*工作视场角不同于镜头视场角，其数值取决于相机基高比和镜头视场角，小于镜头视场角。

本实用新型设计的大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统同时具有大视场高分辨率的特点，可为三线阵立体相机提供大基高比，从而提高立体成图精度。

本实用新型特别适合于大视场高分辨率三线阵立体航测领域，对填补我国在三线阵立体航测和遥感领域的空白，并使之达到国际先进水平，有重要的现实意义。

Claims (3)

1.大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：所述光学系统包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜（1）、第一校正透镜（2）、第二正透镜（3）、第二负透镜（4）、双胶合透镜（5）、第三正透镜（6）、光阑（7）、第四正透镜（8）、三胶合透镜（9）、第三负透镜（10）、第五正透镜（11）以及第六正透镜（12）；所述的第一校正透镜（2）弯曲方向背离光阑（7），呈弯月型，所述的双胶合透镜（5）胶合面背离光阑（7），所述的三胶合透镜（9）采用负透镜-正透镜-负透镜的结构型式。

2.根据权利要求1所述的大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：所述的各透镜的参数依次如下：

第一负透镜：1.6<n₁<1.8,-2f’<f₁’<-1.5f’，f₁’<R₁<1.5f₁’，R₂<2.5f₁’；

第一校正透镜：1.65<n₂<1.8,10f’<f₂’<25f’，0.05f₂’<R₃<0.1f₂’，R₄<0.1f₂’；

第二正透镜：1.8<n₃<2.0,f’<f₃’<1.5f’，0.5f₃’<R₅<f₃’，R₆<4f₃’；

第二负透镜：1.4<n₄<1.6,-f’<f₄’<-1.5f’，0.5f₄’<R₇<f₄’，R₈<0.5f₄’；

构成双胶合透镜的两个透镜分别为：

1.5<n₅₁<1.7,0.1f’<f₅₁’<0.5f’，15f₅₁’<R₉<20f₅₁’，R₁₀<f₅₁’；

1.5<n₅₂<1.7,-0.1f’<f₅₂’<-0.5f’，0.5f₅₂’<R₁₀<f₅₂’，R₁₁<4f₅₂’；

第三正透镜：1.6<n₆<1.8,0.5f’<f₆’<f’，f₆’<R₁₂<1.5f₆’，R₁₃<2f₆’；

第四正透镜：1.6<n₇<1.7,3f’<f₇’<4f’，0.1f₇’<R₁₄<0.4f₇’，R₁₅<0.4f₇’；

构成三胶合透镜的三个透镜分别为：

1.5<n₈₁<1.7,-0.5f’<f₈₁’<-f’，f₈₁’<R₁₆<2f₈₁’，R₁₇<f₈₁’；

1.4<n₈₂<1.6,0.2f’<f₈₂’<0.5f’，f₈₂’<R₁₇<1.5f₈₂’，R₁₈<f₈₂’；

1.65<n₈₃<1.8,-0.5f’<f₈₃’<-f’，0.1f₈₃’<R₁₉<0.5f₈₃’，R₂₀<f₈₃’；

第三负透镜：1.75<n₉<1.9,-0.5f’<f₉’<f’,0.5f₉’<R₂₁<f₉’，R₂₂<2.5f₉’；

第五正透镜：1.8<n₁₀<2.0,f’<f₁₀’<2f’,4f₁₀’<R₂₃<6f₁₀’，R₂₄<f₁₀’；

第六正透镜：1.8<n₁₁<2.0,2f’<f₁₁’<3f’，5f₁₁’<R₂₅<10f₁₁’，R₂₆<1.5f₁₁’。

3.根据权利要求2所述的大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统，其特征在于：第一负透镜为重火石玻璃ZF4，第一校正透镜为镧冕玻璃LAK53，第二正透镜为ZLAF75A，第二负透镜为FK2，构成双胶合透镜的两个透镜分别为LAK2和TF3，第三正透镜为LAF3，第四正透镜为ZBAF5，构成三胶合透镜的三个透镜分别为TF3、FK2以及LAK3，第三负透镜为ZF52A，第五正透镜为ZLAF75A，第六正透镜为ZF88。

Images