一種大面陣動(dòng)態(tài)監(jiān)視測量相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間光學(xué)遙感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于空間的面陣廣角監(jiān)視相機(jī) 光學(xué)成像系統(tǒng)在透射式、大視場、近似遠(yuǎn)心、高相對照度、低畸變和高成像質(zhì)量條件下的實(shí) 現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 魚眼成像光學(xué)系統(tǒng)是一種大視場成像的光學(xué)系統(tǒng)，可以獲取普通鏡頭無法比擬的 場景范圍，其應(yīng)用已經(jīng)從特殊攝影領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到航天深空背景探測過程監(jiān)視等領(lǐng)域。
[0003] 根據(jù)像差理論，光學(xué)系統(tǒng)的畸變是與視場有關(guān)的像差，而像面的相對照度則又與 邊緣視場主光線入射到像面的角度余弦值呈四次方關(guān)系，對已一般光學(xué)系統(tǒng)，角放大倍率 不大，因此，魚眼成像系統(tǒng)常常具有較大的畸變和較低的相對照度，大大降低了系統(tǒng)的成像 質(zhì)量和信噪比。
[0004] 早在上個(gè)世紀(jì)20年代，R. W. Wood就已經(jīng)開始了對魚眼成像系統(tǒng)的研宄，自上世紀(jì) 60年代，魚眼鏡頭得到了空前高速的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新穎且高質(zhì)量的鏡頭。其中尼康公司 設(shè)計(jì)的一種視場180°、F/2. 8、焦距16mm的魚眼鏡頭已經(jīng)在攝影行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。
[0005] 目前已經(jīng)成功應(yīng)用的魚眼鏡頭多為民用領(lǐng)域，像質(zhì)要求相對較低，使用環(huán)境也無 特殊之處，尚無成功在軌應(yīng)用的魚眼成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種大面陣動(dòng)態(tài)監(jiān)視測 量相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，解決了應(yīng)用于空間的面陣廣角監(jiān)視相機(jī)的透射式、大視場、近似遠(yuǎn)心、高 相對照度、低畸變和高成像質(zhì)量同時(shí)實(shí)現(xiàn)的難題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種大面陣動(dòng)態(tài)監(jiān)視測量相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，包括第一透鏡組、 第二透鏡組、第三透鏡組、第四透鏡組、大面陣焦面探測器件；充滿入瞳的目標(biāo)輻射光束進(jìn) 入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過第一透鏡組和第二組透鏡組調(diào)整目標(biāo)輻射光束口徑，使目標(biāo)輻射光束充 滿放置于第二組透鏡組后的光闌，從光闌出射的目標(biāo)輻射光束經(jīng)過第三組透鏡組和第四組 透鏡組后，調(diào)整系統(tǒng)角放大倍率r至0.2,其中r = c^/c^，為光學(xué)系統(tǒng)邊緣主光線入 射角度，為光學(xué)系統(tǒng)邊緣主光線入射到大面陣焦面探測器件上的角度，最終在大面陣焦 面探測器件成像。
[0008] 所述第一透鏡組包括一片非球面彎月負(fù)透鏡、一片非球面彎月負(fù)透鏡和一片球面 彎月正透鏡，其中非球面彎月負(fù)透鏡的材料為冕牌玻璃，非球面彎月負(fù)透鏡的材料為火石 玻璃。
[0009] 所述第二透鏡組包括一片球面彎月正透鏡、一片球面彎月負(fù)透鏡和一片球面彎月 負(fù)透鏡，其中球面彎月正透鏡的材料為冕牌玻璃，球面彎月負(fù)透鏡的材料為火石玻璃。
[0010] 所述第三透鏡組包括一片球面雙凸正透鏡、一片球面彎月正透鏡和兩片球面彎月 負(fù)透鏡，其中球面雙凸正透鏡的材料為冕牌玻璃，球面彎月正透鏡和球面彎月負(fù)透鏡的材 料均為火石玻璃。
[0011] 所述第四透鏡組包括兩片雙凸正透鏡，其中一片雙凸正透鏡的材料為冕牌玻璃， 另一片材料為火石玻璃。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0013] 1)本發(fā)明大面陣監(jiān)視相機(jī)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，視場達(dá)到130°，通過控制系統(tǒng)角放大 倍率，解決了款譜段廣角透射式系統(tǒng)固有的二級光譜難以消除、邊緣視場小相對畸變和像 面高相對照度難以同時(shí)獲取的難題；光學(xué)系統(tǒng)僅由十二片透鏡組成，可針對第一組、第二 組、第三組和第四組透鏡分別裝框，降低了系統(tǒng)加工和裝調(diào)的復(fù)雜程度；各鏡組質(zhì)心分布均 勻，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。
[0014] 2)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)采用近似遠(yuǎn)心亞對稱結(jié)構(gòu)型式，通過精確控制各視場邊緣主光 線入射到像面的角度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低畸變和高的像面相對照度，邊緣主光線入射到像面的角 度由65〇壓縮至13〇,光學(xué)系統(tǒng)角放大倍率r = 0. 2,質(zhì)心穩(wěn)定，降低了氣候變化對實(shí)驗(yàn)室 測量精度的影響、在軌運(yùn)行時(shí)焦面的微量變化不會(huì)影響數(shù)據(jù)的處理精度、焦面變化不會(huì)引 起各視場彌散斑質(zhì)心的變化從而提高監(jiān)視測量的精度。
[0015] 3)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)采用反遠(yuǎn)距透射式結(jié)構(gòu)形式來優(yōu)化最后一片透鏡結(jié)構(gòu)至焦面 結(jié)構(gòu)的距離，從而降低系統(tǒng)裝配和調(diào)整的難度。
[0016] 4)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)通過光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)與系統(tǒng)全局優(yōu)化，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)鏡筒結(jié) 構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)，使得溫度變化時(shí)光學(xué)系統(tǒng)像面的位置變化趨勢與相機(jī)像面探測器位 置變化趨勢一致，使光學(xué)系統(tǒng)溫度變化±30°C時(shí)像質(zhì)穩(wěn)定。
[0017] 5)本發(fā)明具有光機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、組成簡單、低畸變、成像質(zhì)量良好、相對照度高、易 于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可通過變化物距的同時(shí)采用探測器像元合并實(shí)現(xiàn)監(jiān)視過程的不同分辨率成 像，可應(yīng)用短焦距變物距大視場的高質(zhì)量成像系統(tǒng)。為機(jī)載/星載在軌大視場監(jiān)視成像光 學(xué)系統(tǒng)提出了 一個(gè)較好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線。
[0020] 圖3為光學(xué)系統(tǒng)殘余像差及畸變曲線。
[0021] 圖4為光學(xué)系統(tǒng)工作溫度變化±30°C的傳函曲線
【具體實(shí)施方式】
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)采用反遠(yuǎn)距透射式結(jié)構(gòu)，包括第一透鏡組1、第二透 鏡組2、第三透鏡組3、第四透鏡組4、面陣焦面器件5,光闌6放置于第二透鏡組和中第三鏡 組之間，構(gòu)成亞對稱式結(jié)構(gòu)型式；充滿光學(xué)系統(tǒng)入瞳的測繪目標(biāo)輻射光束經(jīng)過防輻照窗口 進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過前組透鏡組1和第二透鏡組2調(diào)整光束口徑充滿光闌6,后經(jīng)過第三透 鏡組3和第四透鏡組4調(diào)整系統(tǒng)角放大倍率，從而控制光學(xué)系統(tǒng)畸變和像面相對照度，將邊 緣主光線入射到像面的角度由65〇壓縮至13〇,最終在面陣焦面器件5成像。所有透鏡的材 料均為無色光學(xué)