CN102147519B - 一种宽角和长后工作距离的航测相机全色物镜 - Google Patents
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Abstract
一种宽角和长后工作距离的航测相机全色物镜，采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构；其中负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组；所述前组由第一透镜、第二透镜和第三透镜依次组成；后组由第四透镜、第五透镜、第一双胶合透镜、光阑、三胶合透镜、第二双胶合透镜和凸平透镜依次组成；前组与后组中各组元件沿光轴依次排列。本发明同时实现大视场、长后工作距离、高分辨力与低畸变。
Description
技术领域
本发明涉及一种全色物镜，特别是一种宽角和长后工作距离航测相机全色物镜，主要应用于拼接式大面阵数字航测相机中。
背景技术
目前的面阵数字航测相机主要有Z/I公司的DMC相机与奥地利V2xcel的UltraCam X(简称UCX，是UltraCam D的升级版本)数字航测相机。它们尚存在一些不足：像幅较小、分辨力较低；物镜视场较小、物镜型号单一；各全色相机曝光的差异引起图像拼接的差异。
为克服这些不足，设计了拼接式大面阵数字航测相机。其全色模块创新性的采用单物镜、反射式四棱锥分光、四块10k×10k大面阵CCD拼接的模式，拼接后总像素高达20k×20k，解决市面上面阵数字航测相机幅面较小的问题，提供大幅面高分辨力的航测图像；含宽角(95°)、中角(75°)、常角(57°)的全色物镜及多光谱物镜各一套，其中一套多光谱物镜包括四个镜头(R、G、B、NIR)。作业时根据不同的测图应用可以进行灵活选择，解决市面上面阵数字航测相机视场较小、物镜型号单一的问题；它相对于多物镜、多CCD拼接的模式(例如DMC和UCX)，避免了因各全色物镜的差异而引起的图像拼接的差异，保证了系统成像质量的一致性。
本发明涉及拼接式大面阵数字航测相机的宽角(95°)全色物镜。为了实现反射式四棱锥分光、四块10k×10k大面阵CCD的拼接，宽角(95°)全色物镜的后工作距离需要≥124mm，且满足高分辨力、低畸变的要求。
目前的宽角航测相机应用的均为对称式结构(或准对称结构)，对称式结构的前组和后组相对光阑对称，其慧差、畸变和倍率色差这三种垂轴色差自动消除；球差、像散、场曲和位置色差这四种轴向相差相互叠加。因此，在半部系统中，只须校正上述四种轴向相差即可，像差校正简单。对称式结构中的Pyccap结构由于其具有特大的视场角，而且畸变也校正的非常理想，广泛地用作航测物镜。Pyccap物镜不断改进，成像质量日益提高，几乎成为了航测物镜的唯一结构形式。
然而对称式结构无法达到如此大的后工作距离，因此并不适用于本系统。
所以为了同时实现宽角与长后工作距离的需求，宽角全色相机物镜的光学结构创新的选用了反远距式结构。但是，对于这种大视场、低畸变要求的反远式结构来说，其设计起来有很大的困难：
(1)结构失对称对校正畸变的影响
对于失对称的反远距式结构来说，为了产生一个比较大的反远比1′/f′，其前组采用负光焦度的透镜组，后组采用正光焦度的透镜组，且前组和后组分离。反远距物镜前组的1/γ1越大，其视场角越大，视场角大，则与其有关的像差则急剧增加，尤其是畸变更为严重。
(2)大视场对像差的影响
对于初级(三级)像差来说，慧差与视场的一次方成正比、像散和场曲与视场的二次方成正比，而航测相机最关心的畸变，则与视场的三次方成正比。所以，对于大视场的相机来说，校正像差，尤其是畸变，是较为困难的。
(3)大视场对像面照度均匀性的影响
随着像方半视场角ω′的增大，轴外像点照度相对轴上像点照度按照cos4ω′的规律下降。
(4)大视场对分辨力的影响
随着视场的增大，轴外视场子午方向的极限分辨力按照cos3ω的规律递减、轴外视场弧失分辨力按照cosω的规律递减。可见，随着视场角的增大，子午方向的分辨力比弧矢方向的分辨力下降得更快些。随着极限分辨力的降低，光学系统在所需空间频率上的调制传递函数MTF也受影响，且对于大视场相机来说，一般子午MTF低于弧失MTF。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种宽角和长后工作距离的航测相机全色物镜，采用反远距式的结构，同时实现大视场、长后工作距离、高分辨力与低畸变。
本发明的技术解决方案：一种宽角和长后工作距离的航测相机全色物镜，采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构；其中负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组；所述前组由第一透镜、第二透镜和第三透镜依次组成；后组由第四透镜、第五透镜、第一双胶合透镜、光阑、三胶合透镜、第二双胶合透镜和凸平透镜依次组成；前组与后组中各组元件沿光轴依次排列。
所述前组第二透镜的凹面为非球面。
所述后组中的第五透镜和第一双胶合透镜中的第二片透镜均为厚透镜。
所述凸平透镜的第二面为平面，在所述平面镀上中心到边缘透过率不同膜，以提高像面均匀性。
本发明与现有技术相比本发明具有如下优点：
(1)目前的宽角航测相机中采用物镜一般采用对称式结构，尤其是对称式结构中的Pyccap结构；本发明创新性的采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构，以同时实现大视场与长工作距离，其负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组。反远距式结构在提高后工作距离的同时，也降低了像方半视场角ω′(从47.34°下降至36.56°)。随着像方半视场角ω′的降低，其像面照度均匀性及轴外视场极限分辨力均大大增加，实现了高分辨力与低畸变。
(2)本发明具备长后工作距离功能，其后工作距离长达125mm，保证了像方反射式四棱锥分光、四块10k×10k大面阵CCD拼接的模式，它相对于多物镜、多CCD拼接的模式(例如DMC和UCX)，避免了因各全色物镜的差异而引起的图像拼接的差异，保证了系统成像质量的一致性。
(3)本发明具备宽视场，宽视场角能够达到95°，解决了目前航测相机视场较小的问题(对于DMC数字航测相机来说，其拼接后的视场角为69°×42°，对角线视场为76.7°；对于UCX数字航测相机来说，其视场角为55°×37°，其对角线视场为63.8°)。
(4)本发明还具备大的像面，其像面大小182.52mm×182.52mm、对角线长度258.12mm(DMC数字航测相机拼接后的像面大小为165.89mm×92.16mm；UCX数字航测相机面阵尺寸为104mm×68.4mm)。如此大的像面，满足四块10k×10k大面阵CCD拼接的模式，即可提供总像素为20k×20k的大幅面高分辨力的航测图像。
(5)本发明在满足高分辨力与低畸变要求的同时，还解决了像面照度不均匀性的问题。
附图说明
图1为本发明宽角与长后工作距离航测相机全色物镜结构示意图；
图2为本发明宽角与长后工作距离航测相机全色物镜MTF图；
图3为本发明宽角与长后工作距离航测相机全色物镜点列图；
图4为本发明宽角与长后工作距离航测相机全色物镜球差、场曲、畸变图。
具体实施方式
本发明主要参数为：波段480nm～700nm；像面大小182.52mm×182.52mm、对角线长度258.12mm；焦距f：118.93mm；F#8；视场ω：94.68°；反远比1′/f′＝1.051；镜筒长度：336.5mm；后截距：125mm；第一面通光口径：215.2mm。55lp/mm处MTF≥0.363、轴外像面照度43.8％；各视场弥散斑大小为像元(9μm)量级；相对畸变小于0.011％，绝对畸变小于12.86μm。
如图1所示，为了同时实现宽角与长工作距离，本发明的光学结构创新性的采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构。其负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组。因本发明的焦距f′＝118.93mm，其后工作距离1′＝125mm，所以其反远比1′/f′＝1.051。反远距式结构固然在校正像差，尤其是校正畸变上要困难很多，但也有它固有的优点：它在提高后工作距离的同时，也降低了像方半视场角ω′(从47.34°下降至36.56°)。随着像方半视场角ω′的降低，其像面照度均匀性及轴外视场极限分辨力均大大增加。
前组由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3依次组成；后组由第四透镜4、第五透镜5、第一双胶合透镜6、光阑7、三胶合透镜8、第二双胶合透镜9和凸平透镜10依次组成。前组与后组各元件沿光轴依次排列。前组总焦距为-70mm左右，第一透镜1通光口径为215.2mm。
前组由第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3组成，采用三片负透镜分离的结构，用来分担前组大的负光焦度，避免面型的过度弯曲、降低镜头的敏感性、减少高级像差。
考虑到反远距式结构在校正整个系统畸变的前提下，难以兼顾轴外像差的校正，从而导致轴外视场分辨力的下降。为了兼顾轴外视场的像差与系统畸变的校正，在前组引入非球面。为校正轴外像差，非球面的最佳位置在第一透镜1的凸面上。然而，因为第一透镜1的通光口径比较大，这必然导致在非球面检测时所用的补偿镜的增大及复杂化，增加成本且难以检测。为了降低检测非球面时所用补偿镜的口径，本发明决定将非球面用于第二透镜二的凹面上，虽然校正轴外像差的效果相对来说逊色一些，但其优点在于相对的降低了加工和检测非球面时的难度和成本。透镜2凹面的F数(即半径与口径之比)约为0.7，采用8次非球面。
后组由第四透镜4、第五透镜5、第一双胶合透镜6、光阑7、三胶合透镜8、第二双胶合透镜9、凸平透镜10组成。为了产生大的反远比，反远距式物镜的前组残留的畸变比较严重，所以需要优化后组，以产生符号相反的畸变加以补偿。后组总焦距为87mm左右。光阑7口径小于21.5mm。
在像差校正的同时，为了缩短相机的结构尺寸，后组使用了厚透镜(厚透镜为本领域通用术语)，使光线相比在空气中能够更快的收敛。由图1可见，第五透镜5和第一双胶合透镜6的第二片透镜均比较厚，本实施例分别为55mm和35mm左右。具体的厚度本领技术人员可以根据后组透镜的大小来很容易确定，上面数据只是为了说明。
在校正相机畸变的同时，为了保证其大的后截距，光学设计软件倾向于将光阑7后方的透镜在结构上进行压缩。因此，可以将光阑后面的部分尽量做成胶合镜，缩短光阑7后方镜组的长度且保证各透镜的厚度。因此本发明中光阑7后的透镜选用三胶合透镜和双胶合透镜，即图1中的三胶合透镜8和双胶合透镜9。
在设计时，已通过降低像方半视场角ω′的方法部分的提高了像面照度的均匀性，但为了更进一步提高像面照度均匀性，可用中心到边缘透过率不同的滤光片。若加在第一透镜1之前，因为第一透镜1大的通光口径和大的视场，其滤光片口径极大，与航测相机的小型化要求相悖。所以，将凸平透镜10的第二面设计成平面，可以镀上中心到边缘透过率不同膜，以提高像面均匀性。
在后组之后，还有反射式四棱锥用来分光，以及四块大面阵10K×10K的CCD。因为反射式四棱锥的各面均为反射面，对光程不产生影响，所以并没有在图1中显示出来。四块CCD用等效大小的CCD保护玻璃11及像面12表示。
图2为宽角全色物镜MTF图，其各视场的像面相对照度及55lp/mm处的调制传递函数MTF见表1。如表1所示，宽角全色物镜轴外像面照度为43.8％(未镀中心和边缘透过率不同的膜之前)，55lp/mm处MTF≥0.363。
表1 各视场像面相对照度(未镀膜之前)及MTF值
| 物方半视场ω | 0° | 14.202° | 23.67° | 33.469° | 40.239° | 47.34° |
| 像面相对照度(％) | 100 | 94.4 | 84.9 | 71.1 | 58.7 | 43.8 |
| 子午MTF(55lp/mm) | 0.506 | 0.487 | 0.455 | 0.386 | 0.363 | 0.363 |
| 弧失MTF(55lp/mm) | 0.506 | 0.521 | 0.536 | 0.551 | 0.518 | 0.498 |
图3为本发明宽角和长后工作距离航测相机全色物镜点列图，其各视场RMS直径如表2所示，各视场弥散斑大小为像元(9μm)量级。
表2 各视场RMS直径
| 物方半视场ω | 0° | 14.202° | 23.67° | 33.469° | 40.239° | 47.34° |
| RMS直径(μm) | 8.69 | 8.55 | 10.32 | 11.67 | 11.32 | 9.91 |
图4为本发明宽角和长后工作距离航测相机全色物镜的球差、场曲、畸变图。其中，畸变为航空测绘相机最重要的指标之一，各视场的相对畸变及绝对畸变设计值见表3，宽角全色相机物镜的相对畸变小于0.011％，绝对畸变小于12.86μm。
表3 各视场畸变数据
Claims (1)
1.一种宽角和长后工作距离的航测相机全色物镜，其特征在于：所述物镜采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构；其中负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组；所述前组由第一透镜（1）、第二透镜（2）和第三透镜（3）依次组成；后组由第四透镜（4）、第五透镜（5）、第一双胶合透镜（6）、光阑（7）、三胶合透镜（8）、第二双胶合透镜（9）和凸平透镜（10）依次组成；前组与后组中各组元件沿光轴依次排列；
所述前组第二透镜（2）的凹面为非球面；
所述后组中的第五透镜（5）和第一双胶合透镜（6）中的第二片透镜均为厚透镜；
所述凸平透镜（10）的第二面为平面，在所述平面镀上中心到边缘透过率不同膜，以提高像面均匀性。
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