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一種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭的制作方法

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一種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,該鏡頭包括7片透鏡,透鏡結(jié)構(gòu)形式為正負(fù)正負(fù)正負(fù)正的結(jié)構(gòu)形式,均采用便于加工的球面結(jié)構(gòu)形式,各透鏡的材料、通光孔徑、厚度及光焦度絕對(duì)值各不相同,光學(xué)系統(tǒng)焦距35mm,最小F數(shù)為2.5,焦深較短,但光學(xué)鏡組的光焦度、材料熱膨脹系數(shù)選取合理,在真空、高低溫條件下可以相互補(bǔ)償,具有較高的地面、空間環(huán)境適應(yīng)性,鏡頭在常溫常壓、真空條件下、?50°真空條件下、+50°真空條件下均可以保持較高的成像質(zhì)量,可以實(shí)現(xiàn)地面常溫常壓裝配、對(duì)象面,到達(dá)空間后不用重新調(diào)節(jié)像面。
【專利說(shuō)明】
一種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種定焦光學(xué)鏡頭,尤其涉及一種適用于空間成像應(yīng)用的大光圈定焦 像方遠(yuǎn)心光學(xué)鏡頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空間探測(cè)的發(fā)展,適用于空間探測(cè)的光學(xué)成像鏡頭需求量越來(lái)越大,種類也 越來(lái)越多。但是空間環(huán)境復(fù)雜,與地面環(huán)境想比,不僅存在較大的溫差,而且壓強(qiáng)也有很大 的不同。溫度和壓強(qiáng)的變化都會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)透鏡的厚度、間隔、光焦度、相對(duì)折射率 發(fā)生變化,從而導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)像面位置變化(即離焦現(xiàn)象),成像質(zhì)量下降。
[0003] 航天產(chǎn)品要求盡可能減少運(yùn)動(dòng)部件,保證器件可靠性,在保證可靠性的條件下還 要求器件小型化、輕量化,所以光學(xué)系統(tǒng)中盡可能不采用調(diào)焦機(jī)構(gòu)。通常鏡頭在生產(chǎn)和裝配 過(guò)程中無(wú)法保證與空間環(huán)境完全一致,所以需要在鏡頭的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)消熱差和消真空環(huán)境 影響,設(shè)計(jì)難度較大。
[0004] 空間環(huán)境中照度變化范圍也十分大,往往要對(duì)微弱目標(biāo)成像探測(cè)。高亮目標(biāo)可以 通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)曝光時(shí)間的縮小實(shí)現(xiàn)成像探測(cè),但微弱目標(biāo)成像探測(cè)則需要通過(guò)減小光學(xué)系 統(tǒng)F數(shù)或者提高光學(xué)系統(tǒng)曝光時(shí)間實(shí)現(xiàn)。光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器曝光時(shí)間有一定的上限,往往會(huì)出 現(xiàn)不足,長(zhǎng)曝光時(shí)間也會(huì)增大圖像噪聲,對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)長(zhǎng)曝光時(shí)間還會(huì)導(dǎo)致圖像拖影,所以 空間用光學(xué)鏡頭采用的F數(shù)相對(duì)較小。
[0005] 光學(xué)鏡頭的焦深與F數(shù)成正比,F(xiàn)數(shù)越小光學(xué)鏡頭焦深越小,溫度和壓強(qiáng)導(dǎo)致的離 焦對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量影響越大。當(dāng)溫度、壓強(qiáng)導(dǎo)致的離焦量小于焦深時(shí),該光學(xué)系統(tǒng)不 需要進(jìn)行熱真空設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)過(guò)程較為簡(jiǎn)單,但當(dāng)溫度、壓強(qiáng)導(dǎo)致的離焦量大于光學(xué)系統(tǒng)焦深 時(shí),就需要進(jìn)行熱真空設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的困難程度隨著熱真空產(chǎn)生的離焦量增大而增大。
[0006] 當(dāng)光學(xué)鏡頭的入瞳位于物方焦平面,像方主光線平行于光軸時(shí),該光學(xué)系統(tǒng)稱為 像方遠(yuǎn)心光路。這種遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)可以有效的減小視差,解決因?yàn)檎{(diào)焦不準(zhǔn)確導(dǎo)致的測(cè)量 精度下降問(wèn)題。
[0007] 目前空間中交匯對(duì)接成像系統(tǒng)中鏡頭常采用這種像方遠(yuǎn)心光路,但其焦距在10mm 左右,F(xiàn)數(shù)也相對(duì)較大(F/3)。此外星敏感器焦距常在35mm左右,F(xiàn)數(shù)相對(duì)較小(小于3),但其 通過(guò)彌散斑質(zhì)心算法測(cè)量目標(biāo)質(zhì)心位置,設(shè)計(jì)時(shí)并不需要考慮熱真空等環(huán)境導(dǎo)致的離焦問(wèn) 題,僅僅考慮彌散斑圓度。
[0008] 本發(fā)明提出了一種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,該鏡頭具有像方遠(yuǎn)心特點(diǎn)可以保證光學(xué) 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度,而且還具有較高的成像質(zhì)量,此外其F數(shù)相對(duì)較小,焦距較長(zhǎng),既可以當(dāng) 成像測(cè)量鏡頭也可以當(dāng)星敏感器使用,十分符合航天多功能化要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量精度高、成像質(zhì)量好的空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其具 有較高的地面、空間環(huán)境適應(yīng)性。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0011] -種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其特別之處在于:包括沿光線入射方向依次同軸排布 的第一正透鏡、第一負(fù)透鏡、第二正透鏡、第二負(fù)透鏡、第三正透鏡、第三負(fù)透鏡和第四正透 鏡;
[0012] 上述第一正透鏡的材料為石英,0.02<光焦度絕對(duì)值<0.025;
[0013] 上述第一負(fù)透鏡的為HZF52A,0.02<光焦度絕對(duì)值<0.03;
[0014] 上述第二正透鏡為HLAK53A,0.1 <光焦度絕對(duì)值<0.2;
[0015] 上述第二負(fù)透鏡為HZF4,0.2<光焦度絕對(duì)值<0.25;
[0016] 上述第三正透鏡為HQK3,0.05<光焦度絕對(duì)值<0.1;
[0017] 上述第三負(fù)透鏡為HZF52A,0.02<光焦度絕對(duì)值<0.03;
[0018] 上述第四正透鏡為HLAK3,0.05<光焦度絕對(duì)值<0.15;
[0019 ]為了便于加工和裝配,上述各透鏡均為球面鏡。
[0020] 上述第一正透鏡20臟<通光孔徑<21謹(jǐn),3mm<厚度<4mm;
[0021 ] 上述第一負(fù)透鏡18臟<通光孔徑<19mm,5mm<厚度<6mm;
[0022] 上述第二正透鏡12臟<通光孔徑<13臟,5111111<厚度<6111111;
[0023] 上述第二負(fù)透鏡8臟<通光孔徑<9mm,1謹(jǐn)< 厚度<2mm;
[0024] 上述第三正透鏡14臟<通光孔徑<15臟,61111]1<厚度<7謹(jǐn);
[0025] 上述第三負(fù)透鏡15mm <通光孔徑< 16mm,5mm <厚度< 6mm;
[0026] 上述第四正透鏡12mm <通光孔徑< 13mm,3mm <厚度< 4mm。
[0027] 優(yōu)選的,上述第一正透鏡的通光孔徑為20.5mm,厚度為3.2mm;
[0028] 上述第一負(fù)透鏡的通光孔徑為18.5mm,厚度為5.69mm;
[0029] 上述第二正透鏡的通光孔徑為12.7mm,厚度為6.00mm;
[0030] 上述第二負(fù)透鏡的通光孔徑為8.1mm,厚度為2.00mm;
[0031 ] 上述第三正透鏡的通光孔徑為14.6mm,厚度為6.76mm;
[0032] 上述第三負(fù)透鏡的通光孔徑為15.4mm,厚度為6.00mm;
[OO33] 上述第四正透鏡的通光孔徑為12.5mm,厚度為3.30mm。
[0034] 上述第四正透鏡的光線出射面的中心離像面距離為6mm。
[0035]該空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭外形尺寸為q)2〇.5x5gmm,結(jié)構(gòu)緊湊。
[0036] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0037] 1、該光學(xué)系統(tǒng)的焦距為35mm,最小F數(shù)為2.5,焦深較短,但光學(xué)鏡組的光焦度、材 料熱膨脹系數(shù)選取合理,在真空、高低溫條件下可以相互補(bǔ)償,具有較高的地面、空間環(huán)境 適應(yīng)性,鏡頭在常溫常壓、真空條件下、-50°真空條件下、50°真空條件下均可以保持較高的 成像質(zhì)量,可以實(shí)現(xiàn)地面常溫常壓裝配及對(duì)象面,到達(dá)空間后不用重新對(duì)像面;
[0038] 2、該光學(xué)系統(tǒng)首片透鏡采用石英玻璃,厚度大于3mm,其他均采用耐輻照玻璃,抗 輻射能力較強(qiáng),可適應(yīng)空間環(huán)境;
[0039] 3、該光學(xué)系統(tǒng)可以保證像面相對(duì)照度均勻,圖像1/2最大視場(chǎng)角(像邊緣)照度與 中心照度比值優(yōu)于為92%,圖像1/4最大視場(chǎng)角照度與中心照度比值優(yōu)于為95%,不會(huì)存在 明顯的四角變暗情況。光學(xué)系統(tǒng)最大視場(chǎng)角優(yōu)于16°,畸變?yōu)檎?枕型畸變)且相對(duì)較 小,并采用了像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì),在離焦條件下各視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)質(zhì)心位置不變,可用于高精 度目標(biāo)定位、測(cè)量;
[0040] 4、光學(xué)鏡頭中透鏡均采用球面鏡,加工簡(jiǎn)單、便于裝配;
[0041] 5、該鏡頭最大外輪廓為q)20.5x58i_nrn,其最后一片透鏡的后表面中心距離像面 距離為6mm,結(jié)構(gòu)緊湊。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1是本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0043]圖2a常溫常壓條件下光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)圖。
[0044] 圖2b真空常溫條件下光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)圖。
[0045] 圖2c真空-50°低溫條件下光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)圖。
[0046]圖2d真空50°高溫條件下光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)圖。
[0047] 圖3是本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線。
[0048] 圖4是本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)在常溫真空離焦(0.06_)的條件下,彌散斑仿真圖。 [0049] 其中圖1中:1-第一正透鏡;2-第一負(fù)透鏡;3-第二正透鏡;4-第二負(fù)透鏡;5-第三 正透鏡;6-第三負(fù)透鏡;7-第四正透鏡;8-像面。
【具體實(shí)施方式】
[0050]參照附圖對(duì)該鏡頭進(jìn)行說(shuō)明,以下實(shí)例作為該鏡頭實(shí)現(xiàn)的一種方式,均可以滿足 上述要求。
[0051 ]如圖1所示,為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖,該鏡頭包括7片透鏡,7片透鏡以正負(fù)正負(fù)正 負(fù)正的形式排列,且均采用便于加工的球面結(jié)構(gòu)形式。
[0052]以光入射的第一片透鏡為第一正透鏡,其材料米用耐福照能力較強(qiáng)的光學(xué)石英玻 璃,厚度大于3mm,具體的為3.2mm,具有較強(qiáng)的耐輻照能力,可以為鏡頭品質(zhì)的提升做出一 定的貢獻(xiàn),該透鏡的通光孔徑為20.5mm,光焦度的絕對(duì)值大于0.02小于0.025。
[0053]以光入射的第二片透鏡為第一負(fù)透鏡,第六片為第三負(fù)透鏡,這兩組透鏡都選用 H-ZF52A,這兩個(gè)透鏡的折射率高,色散低,可以有效的抑制倍率色差,但其具有較高的熱膨 脹系數(shù),第一負(fù)透鏡的厚度為5.69mm,通光孔徑為18.5mm,光焦度的絕對(duì)值大于0.02小于 0.03;第三負(fù)透鏡的厚度為6.00mm,通光孔徑為15.4mm,光焦度絕對(duì)值大于0.02小于0.03。 [0054]以從光入射方向的第三片透鏡為第二正透鏡,選用HLAK53A,該透鏡的折射率較 低,同時(shí)具有較低的熱膨脹系數(shù),厚度為6.00mm,通光孔徑為12.7mm,光焦度絕對(duì)值大于0.1 小于0.2;該透鏡可以補(bǔ)償殘余色差,并抵消部分由環(huán)境變化引起的像差。
[0055]以從光入射方向的第四、第五及第六片透鏡分別為第二負(fù)透鏡、第三正透鏡和第 三負(fù)透鏡,該三片透鏡對(duì)光闌后方光線傾角進(jìn)行改變,有利于像方遠(yuǎn)心光路,其中第二負(fù)透 鏡為HZF4,其通光孔徑為8.1mm,厚度為2.00mm,光焦度絕對(duì)值大于0.2小于0.25;第三正透 鏡為HQK3,通光孔徑為14.6mm,厚度為6.76mm,光焦度絕對(duì)值大于0.05小于0.1;第三負(fù)透鏡 為HZF52A,通光孔徑為15.4mm,厚度為6.00mm,光焦度絕對(duì)值大于0.02小于0.03。
[0056]以從光入射方向的第七片透鏡為第四正透鏡,選用HLAK3,該透鏡的折射率較低, 同時(shí)具有較低的熱膨脹系數(shù),該透鏡也可以補(bǔ)償殘余色差,并抵消部分由環(huán)境變化引起的 像差,其光線出射面正對(duì)探測(cè)器像面,曲率半徑取負(fù)值,有利于鬼像的消除,該透鏡的通光 孔徑為12.5mm,厚度為3.30mm,光焦度絕對(duì)值大于0.05小于0.15。
[0057] 圖2為不同條件下光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)圖,其中橫坐標(biāo)為空間調(diào)制頻率,縱坐標(biāo) 為光學(xué)調(diào)制函數(shù)。圖2a為常溫常壓條件下該鏡頭的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù),圖2b為常溫真空條 件下該鏡頭的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù),圖2c為-50°低溫真空條件下該鏡頭的光學(xué)調(diào)制傳遞函 數(shù),圖2d為50°低溫真空條件下該鏡頭的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù),可以看出本發(fā)明鏡頭在常溫常 壓、真空條件下、-50°真空條件下、50°真空條件下均可以保持較高的成像質(zhì)量。
[0058] 圖3是本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線,其中橫坐標(biāo)為光學(xué)畸變百分比,縱坐標(biāo)為 光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角,可以看出該光學(xué)系統(tǒng)畸變小于1 %。
[0059] 圖4是本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)在常溫真空離焦(0.06_)的條件下,彌散斑仿真圖, 可以看出各個(gè)視場(chǎng)角條件下彌散斑均約為17微米,彌散斑在中心視場(chǎng)相對(duì)較圓,有利于質(zhì) 心的確定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其特征在于:包括沿光線入射方向依次同軸排布的第一 正透鏡、第一負(fù)透鏡、第二正透鏡、第二負(fù)透鏡、第三正透鏡、第三負(fù)透鏡和第四正透鏡; 所述第一正透鏡的材料為石英,0.02 <光焦度絕對(duì)值<0.025; 所述第一負(fù)透鏡的為HZF52A,0.02 <光焦度絕對(duì)值<0.03; 所述第二正透鏡為HLAK53A,0.1<光焦度絕對(duì)值<0.2; 所述第二負(fù)透鏡為HZF4,0.2<光焦度絕對(duì)值<0.25; 所述第三正透鏡為HQK3,0.05 <光焦度絕對(duì)值<0.1; 所述第三負(fù)透鏡為HZF52A,0.02<光焦度絕對(duì)值<0.03; 所述第四正透鏡為HLAK3,0.05<光焦度絕對(duì)值<0.15; 所述各透鏡均為球面鏡。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其特征在于: 所述第一正透鏡20_<通光孔徑<21mm,3mm<厚度<4mm; 所述第一負(fù)透鏡181111]1<通光孔徑<19mm,5mm<厚度<6mm; 所述第二正透鏡12mm<通光孔徑<13mm,5mm<厚度<6mm; 所述第二負(fù)透鏡8mm<通光孔徑<9mm,lmm<厚度<2mm; 所述第三正透鏡14111111<通光孔徑<15mm,6mm<厚度<7mm; 所述第三負(fù)透鏡15_<通光孔徑<16mm,5mm<厚度<6mm; 所述第四正透鏡12_<通光孔徑<13mm,3mm<厚度<4mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其特征在于: 所述第一正透鏡的通光孔徑為20.5mm,厚度為3.2mm; 所述第一負(fù)透鏡的通光孔徑為18.5mm,厚度為5.69mm; 所述第二正透鏡的通光孔徑為12.7mm,厚度為6.00mm; 所述第二負(fù)透鏡的通光孔徑為8.1mm,厚度為2.00mm; 所述第三正透鏡的通光孔徑為14.6mm,厚度為6.76mm; 所述第三負(fù)透鏡的通光孔徑為15.4mm,厚度為6.00mm; 所述第四正透鏡的通光孔徑為12 ? 5mm,厚度為3 ? 30mm 〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其特征在于:所述第四正透鏡的光 線出射面的中心離像面距離為6mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間用像方遠(yuǎn)心鏡頭,其特征在于:外形尺寸為 (p2().5x58mm。
【文檔編號(hào)】G02B13/00GK106054360SQ201610529718
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】梅超, 楊洪濤, 閆阿奇, 張凱勝, 曲銳
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
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