專利名稱:一種寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種全色物鏡,特別是一種寬角和長后工作距離航測相機(jī)全色物鏡, 主要應(yīng)用于拼接式大面陣數(shù)字航測相機(jī)中。
背景技術(shù):
目前的面陣數(shù)字航測相機(jī)主要有Z/I公司的DMC相機(jī)與奧地利V2xcel的 UltraCam X (簡稱UCX,是UltraCam D的升級版本)數(shù)字航測相機(jī)。它們尚存在一些不足 像幅較小、分辨力較低;物鏡視場較小、物鏡型號單一;各全色相機(jī)曝光的差異引起圖像拼 接的差異。為克服這些不足,設(shè)計(jì)了拼接式大面陣數(shù)字航測相機(jī)。其全色模塊創(chuàng)新性的采 用單物鏡、反射式四棱錐分光、四塊IOkX IOk大面陣CCD拼接的模式,拼接后總像素高達(dá) 20kX20k,解決市面上面陣數(shù)字航測相機(jī)幅面較小的問題,提供大幅面高分辨力的航測圖 像;含寬角(95° )、中角(75° )、常角(57° )的全色物鏡及多光譜物鏡各一套,其中一套 多光譜物鏡包括四個鏡頭(R、G、B、NIR)。作業(yè)時根據(jù)不同的測圖應(yīng)用可以進(jìn)行靈活選擇, 解決市面上面陣數(shù)字航測相機(jī)視場較小、物鏡型號單一的問題;它相對于多物鏡、多CCD拼 接的模式(例如DMC和UCX),避免了因各全色物鏡的差異而引起的圖像拼接的差異,保證了 系統(tǒng)成像質(zhì)量的一致性。本發(fā)明涉及拼接式大面陣數(shù)字航測相機(jī)的寬角(95° )全色物鏡。為了實(shí)現(xiàn)反射 式四棱錐分光、四塊IOkXlOk大面陣CXD的拼接,寬角(95° )全色物鏡的后工作距離需要 ^ 124mm,且滿足高分辨力、低畸變的要求。目前的寬角航測相機(jī)應(yīng)用的均為對稱式結(jié)構(gòu)(或準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)),對稱式結(jié)構(gòu)的前 組和后組相對光闌對稱,其慧差、畸變和倍率色差這三種垂軸色差自動消除;球差、像散、場 曲和位置色差這四種軸向相差相互疊加。因此,在半部系統(tǒng)中,只須校正上述四種軸向相差 即可,像差校正簡單。對稱式結(jié)構(gòu)中的Pyccap結(jié)構(gòu)由于其具有特大的視場角,而且畸變也 校正的非常理想,廣泛地用作航測物鏡。Pyccap物鏡不斷改進(jìn),成像質(zhì)量日益提高,幾乎成 為了航測物鏡的唯一結(jié)構(gòu)形式。然而對稱式結(jié)構(gòu)無法達(dá)到如此大的后工作距離,因此并不適用于本系統(tǒng)。所以為了同時實(shí)現(xiàn)寬角與長后工作距離的需求,寬角全色相機(jī)物鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)創(chuàng) 新的選用了反遠(yuǎn)距式結(jié)構(gòu)。但是,對于這種大視場、低畸變要求的反遠(yuǎn)式結(jié)構(gòu)來說,其設(shè)計(jì) 起來有很大的困難(1)結(jié)構(gòu)失對稱對校正畸變的影響對于失對稱的反遠(yuǎn)距式結(jié)構(gòu)來說,為了產(chǎn)生一個比較大的反遠(yuǎn)比Γ /f',其前 組采用負(fù)光焦度的透鏡組,后組采用正光焦度的透鏡組,且前組和后組分離。反遠(yuǎn)距物鏡前 組的1/Y1越大,其視場角越大,視場角大,則與其有關(guān)的像差則急劇增加,尤其是畸變更為嚴(yán)重。(2)大視場對像差的影響
對于初級(三級)像差來說,慧差與視場的一次方成正比、像散和場曲與視場的二 次方成正比,而航測相機(jī)最關(guān)心的畸變,則與視場的三次方成正比。所以,對于大視場的相 機(jī)來說,校正像差,尤其是畸變,是較為困難的。(3)大視場對像面照度均勻性的影響隨著像方半視場角ω'的增大,軸外像點(diǎn)照度相對軸上像點(diǎn)照度按照COS4CO'的 規(guī)律下降。(4)大視場對分辨力的影響隨著視場的增大,軸外視場子午方向的極限分辨力按照COS3O的規(guī)律遞減、軸外 視場弧失分辨力按照cos 的規(guī)律遞減??梢?,隨著視場角的增大,子午方向的分辨力比弧 矢方向的分辨力下降得更快些。隨著極限分辨力的降低,光學(xué)系統(tǒng)在所需空間頻率上的調(diào) 制傳遞函數(shù)MTF也受影響,且對于大視場相機(jī)來說,一般子午MTF低于弧失MTF。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種寬角和長后工作距離的 航測相機(jī)全色物鏡,采用反遠(yuǎn)距式的結(jié)構(gòu),同時實(shí)現(xiàn)大視場、長后工作距離、高分辨力與低畸變。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡,采用反 遠(yuǎn)距式的結(jié)構(gòu),即負(fù)正透鏡分離的結(jié)構(gòu);其中負(fù)光焦度透鏡組作為前組、正光焦度透鏡組 作為后組;所述前組由第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡依次組成;后組由第四透鏡、第五透 鏡、第一雙膠合透鏡、光闌、三膠合透鏡、第二雙膠合透鏡和凸平透鏡依次組成;前組與后組 中各組元件沿光軸依次排列。所述前組第二透鏡的凹面為非球面。所述后組中的第五透鏡和第一雙膠合透鏡中的第二片透鏡均為厚透鏡。所述凸平透鏡的第二面為平面,在所述平面鍍上中心到邊緣透過率不同膜,以提 高像面均勻性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)目前的寬角航測相機(jī)中采用物鏡一般采用對稱式結(jié)構(gòu),尤其是對稱式結(jié)構(gòu) 中的Pyccap結(jié)構(gòu);本發(fā)明創(chuàng)新性的采用反遠(yuǎn)距式的結(jié)構(gòu),即負(fù)正透鏡分離的結(jié)構(gòu),以同 時實(shí)現(xiàn)大視場與長工作距離,其負(fù)光焦度透鏡組作為前組、正光焦度透鏡組作為后組。反 遠(yuǎn)距式結(jié)構(gòu)在提高后工作距離的同時,也降低了像方半視場角ω'(從47.34°下降至 36.56° )。隨著像方半視場角ω'的降低,其像面照度均勻性及軸外視場極限分辨力均大 大增加,實(shí)現(xiàn)了高分辨力與低畸變。(2)本發(fā)明具備長后工作距離功能,其后工作距離長達(dá)125mm,保證了像方反射式 四棱錐分光、四塊IOkX IOk大面陣CCD拼接的模式,它相對于多物鏡、多CCD拼接的模式 (例如DMC和UCX),避免了因各全色物鏡的差異而引起的圖像拼接的差異,保證了系統(tǒng)成像
質(zhì)量的一致性。(3)本發(fā)明具備寬視場,寬視場角能夠達(dá)到95°,解決了目前航測相機(jī)視場較小 的問題(對于DMC數(shù)字航測相機(jī)來說,其拼接后的視場角為69° X42°,對角線視場為 76.7° ;對于UCX數(shù)字航測相機(jī)來說,其視場角為55° X 37°,其對角線視場為63. 8° )。
(4)本發(fā)明還具備大的像面,其像面大小182. 52mm× 182. 52mm、對角線長度 258. 12mm(DMC數(shù)字航測相機(jī)拼接后的像面大小為165. 89mm×92. 16mm ;UCX數(shù)字航測相機(jī) 面陣尺寸為104mm×68. 4mm)。如此大的像面,滿足四塊IOkX IOk大面陣CXD拼接的模式, 即可提供總像素為20k×20k的大幅面高分辨力的航測圖像。(5)本發(fā)明在滿足高分辨力與低畸變要求的同時,還解決了像面照度不均勻性的 問題。
圖1為本發(fā)明寬角與長后工作距離航測相機(jī)全色物鏡結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明寬角與長后工作距離航測相機(jī)全色物鏡MTF圖;圖3為本發(fā)明寬角與長后工作距離航測相機(jī)全色物鏡點(diǎn)列圖;圖4為本發(fā)明寬角與長后工作距離航測相機(jī)全色物鏡球差、場曲、畸變圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要參數(shù)為波段480nm 700nm ;像面大小182. 52mmX 182. 52mm、對角線 長度 258. 12讓;焦距 f :118. 93讓;F#8 ;視場 ω :94. 68° ;反遠(yuǎn)比 1‘ /f' = 1. 051 ;鏡筒 長度336. 5mm ;后截距125mm ;第一面通光口徑215. 2mm。551p/mm 處 MTF ≥ 0. 363、軸外 像面照度43. 8% ;各視場彌散斑大小為像元(9 μ m)量級;相對畸變小于0. 011 %,絕對畸變 小于 12. 86 μ m。如圖1所示,為了同時實(shí)現(xiàn)寬角與長工作距離,本發(fā)明的光學(xué)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性的采用 反遠(yuǎn)距式的結(jié)構(gòu),即負(fù)正透鏡分離的結(jié)構(gòu)。其負(fù)光焦度透鏡組作為前組、正光焦度透鏡組作 為后組。因本發(fā)明的焦距f' = 118. 93mm,其后工作距離1' = 125mm,所以其反遠(yuǎn)比1 ‘ / f' =1.051。反遠(yuǎn)距式結(jié)構(gòu)固然在校正像差,尤其是校正畸變上要困難很多,但也有它固 有的優(yōu)點(diǎn)它在提高后工作距離的同時,也降低了像方半視場角ω'(從47.34°下降至 36.56° )。隨著像方半視場角ω'的降低,其像面照度均勻性及軸外視場極限分辨力均大 大增加。前組由第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3依次組成;后組由第四透鏡4、第五透 鏡5、第一雙膠合透鏡6、光闌7、三膠合透鏡8、第二雙膠合透鏡9和凸平透鏡10依次組成。 前組與后組各元件沿光軸依次排列。前組總焦距為-70mm左右,第一透鏡1通光口徑為 215. 2mm。前組由第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3組成,采用三片負(fù)透鏡分離的結(jié)構(gòu),用 來分擔(dān)前組大的負(fù)光焦度,避免面型的過度彎曲、降低鏡頭的敏感性、減少高級像差。考慮到反遠(yuǎn)距式結(jié)構(gòu)在校正整個系統(tǒng)畸變的前提下,難以兼顧軸外像差的校正, 從而導(dǎo)致軸外視場分辨力的下降。為了兼顧軸外視場的像差與系統(tǒng)畸變的校正,在前組引 入非球面。為校正軸外像差,非球面的最佳位置在第一透鏡1的凸面上。然而,因?yàn)榈谝?透鏡1的通光口徑比較大,這必然導(dǎo)致在非球面檢測時所用的補(bǔ)償鏡的增大及復(fù)雜化,增 加成本且難以檢測。為了降低檢測非球面時所用補(bǔ)償鏡的口徑,本發(fā)明決定將非球面用于 第二透鏡二的凹面上,雖然校正軸外像差的效果相對來說遜色一些,但其優(yōu)點(diǎn)在于相對的 降低了加工和檢測非球面時的難度和成本。透鏡2凹面的F數(shù)(即半徑與口徑之比)約為0.7,采用8次非球面。后組由第四透鏡4、第五透鏡5、第一雙膠合透鏡6、光闌7、三膠合透鏡8、第二雙膠 合透鏡9、凸平透鏡10組成。為了產(chǎn)生大的反遠(yuǎn)比,反遠(yuǎn)距式物鏡的前組殘留的畸變比較嚴(yán) 重,所以需要優(yōu)化后組,以產(chǎn)生符號相反的畸變加以補(bǔ)償。后組總焦距為87mm左右。光闌 7 口徑小于21. 5匪。在像差校正的同時,為了縮短相機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸,后組使用了厚透鏡(厚透鏡為本 領(lǐng)域通用術(shù)語),使光線相比在空氣中能夠更快的收斂。由圖1可見,第五透鏡5和第一雙 膠合透鏡6的第二片透鏡均比較厚,本實(shí)施例分別為55mm和35mm左右。具體的厚度本領(lǐng) 技術(shù)人員可以根據(jù)后組透鏡的大小來很容易確定,上面數(shù)據(jù)只是為了說明。在校正相機(jī)畸變的同時,為了保證其大的后截距,光學(xué)設(shè)計(jì)軟件傾向于將光闌7 后方的透鏡在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行壓縮。因此,可以將光闌后面的部分盡量做成膠合鏡,縮短光闌7 后方鏡組的長度且保證各透鏡的厚度。因此本發(fā)明中光闌7后的透鏡選用三膠合透鏡和雙 膠合透鏡,即圖1中的三膠合透鏡8和雙膠合透鏡9。在設(shè)計(jì)時,已通過降低像方半視場角ω'的方法部分的提高了像面照度的均勻 性,但為了更進(jìn)一步提高像面照度均勻性,可用中心到邊緣透過率不同的濾光片。若加在第 一透鏡1之前,因?yàn)榈谝煌哥R1大的通光口徑和大的視場,其濾光片口徑極大,與航測相機(jī) 的小型化要求相悖。所以,將凸平透鏡10的第二面設(shè)計(jì)成平面,可以鍍上中心到邊緣透過 率不同膜,以提高像面均勻性。在后組之后,還有反射式四棱錐用來分光,以及四塊大面陣IOKX IOK的(XD。因?yàn)?反射式四棱錐的各面均為反射面,對光程不產(chǎn)生影響,所以并沒有在圖1中顯示出來。四塊 CXD用等效大小的CXD保護(hù)玻璃11及像面12表示。圖2為寬角全色物鏡MTF圖,其各視場的像面相對照度及551p/mm處的調(diào)制傳遞 函數(shù)MTF見表1。如表1所示,寬角全色物鏡軸外像面照度為43. 8% (未鍍中心和邊緣透 過率不同的膜之前),551p/mm處MTF彡0. 363。表1各視場像面相對照度(未鍍膜之前)及MTF值
物方半視場ω0°14.202°23. 67°33. 469°40.239°47.34°像面相對照度(% )10094. 484. 971. 158. 743. 8子午 MTFC^lp/nun)0. 5060. 4870. 4550. 3860. 3630. 363弧失 MTFG51p/nun)0. 5060. 5210. 5360. 5510. 5180. 498圖3為本發(fā)明寬角和長后工作距離航測相機(jī)全色物鏡點(diǎn)列圖,其各視場RMS直徑 如表2所示,各視場彌散斑大小為像元(9μπι)量級。表2各視場RMS直徑
物方半視場ω0°14.202°23. 67°33. 469°40. 239°47. 34°
權(quán)利要求
1.一種寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡,其特征在于所述物鏡采用反遠(yuǎn)距 式的結(jié)構(gòu),即負(fù)正透鏡分離的結(jié)構(gòu);其中負(fù)光焦度透鏡組作為前組、正光焦度透鏡組作為 后組;所述前組由第一透鏡(1)、第二透鏡(2)和第三透鏡C3)依次組成;后組由第四透鏡 (4)、第五透鏡(5)、第一雙膠合透鏡(6)、光闌(7)、三膠合透鏡(8)、第二雙膠合透鏡(9)和 凸平透鏡(10)依次組成;前組與后組中各組元件沿光軸依次排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡,其特征在于所 述前組第二透鏡(2)的凹面為非球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡,其特征在于所 述后組中的第五透鏡(5)和第一雙膠合透鏡(6)中的第二片透鏡均為厚透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡,其特征在于所 述凸平透鏡(10)的第二面為平面,在所述平面鍍上中心到邊緣透過率不同膜,以提高像面 均勻性。
全文摘要
一種寬角和長后工作距離的航測相機(jī)全色物鏡,采用反遠(yuǎn)距式的結(jié)構(gòu),即負(fù)正透鏡分離的結(jié)構(gòu);其中負(fù)光焦度透鏡組作為前組、正光焦度透鏡組作為后組;所述前組由第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡依次組成;后組由第四透鏡、第五透鏡、第一雙膠合透鏡、光闌、三膠合透鏡、第二雙膠合透鏡和凸平透鏡依次組成;前組與后組中各組元件沿光軸依次排列。本發(fā)明同時實(shí)現(xiàn)大視場、長后工作距離、高分辨力與低畸變。
文檔編號G02B13/18GK102147519SQ20111009951
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者梁偉, 藍(lán)公仆, 馬文禮, 高曉東 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所