一种大视场低畸变航测相机光学系统的制作方法

本发明属于航空遥感与测绘技术领域，涉及一种应用于拼接式大面阵数字航测相机的光学系统。

背景技术：

大幅面、大视场、高分辨率的面阵相机是航空测量相机发展的必然方向。目前国际上比较著名的航测相机主要有leica的ads40/80、intergraph的dmc系列、microsoftvexcel的ultracam系列。但受限于单个大幅面器件的技术瓶颈于高昂成本，目前只有dmcii采用了单个超大面阵ccd，最大分辨率为17k×14k，其他航测相机多采用多镜头多探测器组合拼接构造的方式形成大幅面。

对于多镜头多探测器组合的大面阵航测相机来说，光学系统一般要求具有长焦距、宽视场角、超低畸变及准像方远心的特点。中国科学院光电技术研究所提出了一种航测相机全色物镜，该物镜视场角大、畸变低、后工作距离长，可用于在焦面前增加四棱锥进行分光实现大幅面式。但该光学系统不具有准像方远心的特点，且系统前端体积过大，总长偏长，系统焦距为118.93mm时，系统总长为336.5mm，系统不够小巧，如采用多镜头拼接，有相互干涉的风险。中国科学院西安光学精密机械研究所提出了一种航测相机光学系统，该光学系统具有大视场、高分辨率、低畸变、准像方远心的特点，但该系统后截距短仅为25mm，且系统总长偏长，焦距为156mm时，系统总长达474.88mm，当采用这种系统进行拼接时，整机重量必然增加。该系统共包含14片透镜，但所用光学玻璃材料种类多达11种，增加了系统成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大视场低畸变航测相机光学系统，具有大视场、高分辨率，准像方远心的特点，还具有结构对称、尺寸轻小、成本低等特点。

本发明通过如下技术方案予以实现：一种大视场低畸变航测相机光学系统，包括：前组透镜、光阑和后组透镜；前组透镜与后组透镜各元件沿光轴依次排列；前组透镜焦距为100mm，后组透镜焦距为-500。

光学系统焦距：142mm；视场角为68°；相对孔径为5.6；畸变小于0.005％。

光学系统采用准像方远心设计，像面轴外最大入射角小于20°。

光学系统总长为320mm；光学系统后截距长为67mm。

前组透镜包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜，第二负透镜，第一正透镜，第二正透镜，第三负透镜，第三正透镜；后组透镜包括沿同一光轴依次设置的第四正透镜，第四负透镜，第五正透镜，第五负透镜，第六负透镜，第六正透镜。

所述的第一正透镜的凹面为非球面，第三正透镜的后表面为非球面，第六负透镜的凹面为非球面.

所述第一负透镜的光学材料为h-k9l，第二负透镜的光学材料为h-k9l，第一正透镜的光学材料为h-k9l，第二正透镜的光学材料为h-k9l，第三负透镜的光学材料为h-k9l，第三正透镜的光学材料为h-fk61，第四正透镜的光学材料为h-fk61，第四负透镜的光学材料为h-tf3l，第五正透镜的光学材料为baf4，第五负透镜的光学材料为h-k9l，第六负透镜的光学材料为h-k9l，第六正透镜的光学材料为h-k9l。

各透镜焦距如下：

第一负透镜：-1.8f＜f1＜-f，

第二负透镜：-1.7f＜f2＜-0.9f，

第一正透镜：3.5f＜f3＜4.3f，

第二正透镜：0.7f＜f4＜1.5f，

第三负透镜：-1.7f＜f5＜-0.9f，

第三正透镜：0.1f＜f6＜f，

第四正透镜：0.1f＜f7＜f，

第四负透镜：-0.7f＜f8＜-0.1f，

第五正透镜：0.2f＜f9＜f，

第五负透镜：-1.4f＜f10＜-0.6f，

第六负透镜：-1.3f＜f11＜-0.5f，

第六正透镜：1.5f＜f12＜2.3f。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明视场角为68°，畸变为0.005％，实现了超大视场角下超低畸变的要求；

2)本发明焦距为142mm时，其长度仅为320mm，后截距为67mm，实现了小型化轻量化设计；

3)本发明像面最大入射角小于20°，实现准像方远心设计，保证了像面照度均匀性及轴外视场的极限分辨率。

4)本发明包含12片透镜，仅采用四种材料，且绝大部分透镜均采用价格低廉但性能超优异的光学材料h-k9l，降低了系统制造成本。

附图说明

图1为本发明光学系统结构图。

图2为本发明光学系统的像差曲线图。

图3为本发明光学系统的mtf曲线。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明大视场低畸变光学系统其主要性能指标为：

1.工作谱段为500nm-700nm；

2.系统焦距：142mm；

3.视场角为68°；

4.相对孔径为5.6；

5.畸变小于0.005％；

6.准像方远心设计，像面轴外最大入射角小于20°；

7.光学系统总长为320mm；

8.光学系统后截距长为67mm；

光学系统具有极小畸变与远心度是相互矛盾的，一般的航测相机光学系统，多采用对称式结构，虽然视场角很大，但畸变可以校正到很小，光学系统的出射角和入射角相当，光学系统远心度很差，因此对于大视场光学系统会造成像面边缘照度很低，像面照度均匀性很差，严重影响应用。

本发明所提出的大视场和低畸变航测相机光学系统，通过巧妙的设置光学系统各组光焦度，恰当的平衡了这一内在矛盾。本光学系统的前组透镜包括沿同一光轴依次设置的第一负透镜1，第二负透镜2，第一正透镜3，第二正透镜4，第三负透镜5，第三正透镜6；后组透镜包括沿同一光轴依次设置的第四正透镜7，第四负透镜8，第五正透镜9，第五负透镜10，第六负透镜11，第六正透镜12。前组焦距为100mm左右，后组焦距为-500左右。

前组采用负透镜在前正透镜在后的结构形式，光线经负透镜发散后进入正透镜会聚，用来增大系统的视场角，减小镜头前端的透镜尺寸，改善像面光照度的均匀性。由于前组相对口径较大，引入的与孔径有关的高级像差增加，光学系统在设计时引入非球面进行校正，非球面设置在第一正透镜的凹面和第三正透镜的后表面。

后组采用负正负的结构形式，后组第四正透镜和第四负透镜采用光学材料h-fk61和h-tf3l组合成负焦距，第五正透镜和第五负透镜采用光学材料baf4和h-fk61组合成正焦距，第六负透镜和第六正透镜均材料光学材料h-k9l组合成负焦距。第四正透镜与第四负透镜组合用来校正系统初步色差及二级光谱，第四正透镜与第四负透镜组合成的负焦距与第五正透镜和第五负透镜组合成的正焦距进行组合更进一步的消除系统的高级色差以及前组存在的较大彗差和畸变等垂轴像差，后组第六负透镜的凹面引入非球面，用来进一步消除系统残余像差。

各透镜的焦距具体如下：

第一负透镜1：-1.8f＜f1＜-f

第二负透镜2：-1.7f＜f2＜-0.9f

第一正透镜3：3.5f＜f3＜4.3f

第二正透镜4：0.7f＜f4＜1.5f

第三负透镜5：-1.7f＜f5＜-0.9f

第三正透镜6：0.1f＜f6＜f

第四正透镜7：0.1f＜f7＜f

第四负透镜8：-0.7f＜f8＜-0.1f

第五正透镜9：0.2f＜f9＜f

第五负透镜10：-1.4f＜f10＜-0.6f

第六负透镜11：-1.3f＜f11＜-0.5f

第六正透镜12：1.5f＜f12＜2.3f

按照上述的光路顺序及各透镜焦距约束，最终优化确定的一实例参数如下表所示。

本发明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。