含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，包括沿入射光线依次设置的前透镜组件、光阑、双层衍射元件以及后透镜组件；前透镜组件包括依次设置的第一弯月负透镜、第一弯月正透镜、第一凸透镜、第一凹透镜、第二弯月正透镜以及双胶合透镜；双层衍射元件用于将光阑出射的光束进行衍射并射入后透镜组件；后透镜组件包括依次设置的第二凸透镜、第二弯月负透镜、第三凸透镜、第三弯月负透镜以及第四凸透镜。本实用新型使用普通玻璃材料与高衍射效率的双层衍射光学元件结合消除设计过程中产生的二级光谱色差，获得良好成像质量的航空测绘相机物镜系统，为大视场高分辨率航测相机的成像质量的提高产生了积极的作用。
【专利说明】含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于航空光学成像与遥感【技术领域】，涉及一种含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统。
【背景技术】
[0002]数字化航空测绘相机应用于测绘工程中，通过结合现代通讯、GPS差分定位及惯性导航等技术，可直接获取地物数字立体影像，以对地物进行相关分析。近年来，航空摄影测绘技术以其时效性强、目标影像直观、机动灵活、准确率高、针对性强等优点，受到世界各国的广泛重视，并广泛应用于地理信息测绘、环境遥感、资源普查、防灾救灾等许多领域，尤其在数字城市建设、国土资源普查等大比例尺地形图绘制领域的数据服务具有至关重要的作用。
[0003]近几年，由于国内对于航测相机的关键器件制备技术落后，虽然在航空摄影测绘领域的研究取得了一定进展，但相对于国外先进水平仍具有较大的差距；长期以来，国内航空摄影应用的航测相机大部分购置于国外，包括Z/I公司的DMC、Vexcel公司的U⑶、Leica公司的ADS40/80等数字化航测相机。
[0004]随着航空摄影测绘技术不断发展，为获得大比例尺照片，高效率拍摄，航空测绘相机光学系统设计指标也进一步提高，现阶段的高性能航空测绘相机都在向着大视场、长焦距的方向发展，随之带来的问题是其光学系统各种像差变大，像差校正与平衡工作变的极其困难，系统结构越来越复杂庞大，成为了限制其发展的重要因素。
[0005]在航测相机光学系统设计过程中产生的二级光谱色差是制约长焦距大视场航测相机成像质量的最主要因素，由于传统设计中采用的特殊光学玻璃材料价格昂贵且机械物理性能差，加工困难，故不适用于航空相机光学系统设计中对二级光谱色差的校正，而衍射元件具有负色散特性，将其应用于长焦航空相机中可很好地校正其光学系统设计中的二级光谱色差。
[0006]因此，急需一种能够利用衍射元件与光学系统结合，达到消除设计过程中产生的二级光谱色差，获得良好成像质量的航空测绘相机物镜系统，并容易获得、保证质量、价格低廉、达到了降低开发成本的目的的航测相机光学系统。
实用新型内容
[0007]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本实用新型提供一种含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统。
[0008]本实用新型的技术解决方案是:
[0009]本实用新型提供一种含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特殊之处在于:包括沿入射光线依次设置的前透镜组件、光阑、双层衍射元件以及后透镜组件；
[0010]所述前透镜组件包括依次设置的第一弯月负透镜、第一弯月正透镜、第一凸透镜、第一凹透镜、第二弯月正透镜以及双胶合透镜；所述双层衍射元件用于将光阑出射的光束进行衍射并射入后透镜组件；
[0011]所述后透镜组件包括依次设置的第二凸透镜、第二弯月负透镜、第三凸透镜、第三弯月负透镜以及第四凸透镜；
[0012]上述前透镜组件的第一弯月负透镜的入射接收面为二次曲面；所述后透镜组件的第四凸透镜的入射接收面为二次曲面；
[0013]上述前透镜组件以及后透镜组件的透镜均为无色光学玻璃且玻璃采用的材料为K9、ZK9、F2、ZF2、ZF3、ZF13、QK3 或 BaK7 ；
[0014]上述双层衍射元件以K9玻璃和F2玻璃作为基底；
[0015]上述双胶合透镜由高色散的ZF3透镜和低色散的ZK9透镜胶合而成；
[0016]上述前透镜组件的双胶合透镜出射面与光阑之间的距离为5mm ;所述光阑与双层衍射元件入射接收面之间的距离为38.277mm ;所述双层衍射元件出射面与后透镜组件的第二凸透镜入射接收面之间的距离为15mm ;所述后透镜组件的第四凸透镜出射面到接收像面的距离为41.475mm ；
[0017]上述前透镜组件中第一弯月负透镜中心厚度为8_ ;所述第一弯月负透镜出射面与第一弯月正透镜入射接收面的距离为36mm ;所述第一弯月正透镜的中心厚度为15mm ;所述第一弯月正透镜出射面与第一凸透镜入射接收面的距离为7.693mm;所述第一凸透镜中心厚度为15mm ;所述第一凸透镜出射面与第一凹透镜入射接收面的距离为8mm ;所述第一凹透镜中心厚度为IOmm;所述第一凹透镜出射面与第二弯月正透镜入射接收面的距离为22.444mm ;所述第二弯月正透镜中心厚度为10.474mm ;所述第二弯月正透镜出射面与双胶合透镜的高色散的ZF3透镜入射接收面的距离为22.534mm ;所述双胶合透镜的高色散ZF3透镜中心厚度为IOmm ;所述双胶合透镜的低色散ZK9透镜中心厚度为20mm ;所述双胶合透镜的低色散ZK9透镜出射面与光阑的距离为5mm ;所述光阑与双层衍射元件的K9透镜入射接收面的距离为38.277mm ;所述双层衍射元件K9透镜中心厚度为5mm ;所述双层衍射元件的F2透镜中心厚度为8mm ;所述双层衍射元件的F2透镜出射面与后透镜组件中第二凸透镜入射接收面的距离为15mm ;所述第二凸透镜中心厚度为14.503mm ;所述后透镜组件中第二凸透镜出射面与第二弯月负透镜入射接收面距离为42.650mm;所述第二弯月负透镜中心厚度为IOmm ;所述第二弯月负透镜出射面与第三凸透镜入射接收面距离为11.361mm ;所述第三凸透镜中心厚度为23mm;所述第三凸透镜出射面与第三弯月负透镜入射接收面距离为48.958mm ;所述第三弯月负透镜中心厚度为15mm ;所述第三弯月负透镜出射面与第四凸透镜入射接收面距离为6.710mm ;所述第四凸透镜中心厚度为30mm ;所述第四凸透镜出射面到接收像面的距离为41.475mm。
[0018]本实用新型的优点:
[0019]1、本实用新型使用普通玻璃材料与高衍射效率的双层衍射光学元件结合消除设计过程中产生的二级光谱色差，获得良好成像质量的航空测绘相机物镜系统，为大视场高分辨率航测相机的成像质量的提高产生了积极的作用。
[0020]2、本实用新型的光学系统透镜全部采用国产光学玻璃材料，使其机械性能提高、耐腐蚀和热稳定性良好、价格低廉，达到了降低开发成本的目的。
【专利附图】
【附图说明】[0021]图1为本实用新型含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统结构及光路不意图；
[0022]图2为本实用新型的系统MTF曲线；
[0023]图3为本实用新型的系统点列图；
[0024]图4为本实用新型的系统像差曲线图
[0025]图5为本实用新型的双层衍射元件示意图；
[0026]其中:1-第一弯月负透镜，2-第一弯月正透镜，3-第一凸透镜，4-第一凹透镜，5-第二弯月正透镜，6-双胶合透镜，7-光阑，8-双层衍射元件，9-第二凸透镜，10-第二弯月负透镜，11-第三凸透镜，12-第三弯月负透镜，13-第四凸透镜，14-接收像面。
【具体实施方式】
[0027]本实用新型提供一种含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，包括沿入射光线依次设置的前透镜组件、光阑7、双层衍射元件8以及后透镜组件；
[0028]前透镜组件包括依次设置的第一弯月负透镜1、第一弯月正透镜2、第一凸透镜3、第一凹透镜4、第二弯月正透镜5以及双胶合透镜6 ;前透镜组件用于调整入射光束口径，并将光束压缩后充满光阑7出射；
[0029]双层衍射元件8用于将光阑7出射的光束进行衍射并射入后透镜组件；
[0030]后透镜组件包括依次设置的第二凸透镜9、第二弯月负透镜10、第三凸透镜11、第三弯月负透镜12以及第四凸透镜13 ;后透镜组件用于将衍射入射光束进行全部离轴像差最小化以及场曲的校正并达到准像方远心光路的目的；
[0031]前透镜组件的第一弯月负透镜I的入射接收面为二次曲面；后透镜组件的第四凸透镜13的入射接收面为二次曲面；
[0032]前透镜组件以及后透镜组件的透镜均为无色光学玻璃且玻璃采用的材料为K9、ZK9、F2、ZF2、ZF3、ZF13、QK3或BaK7，并均为国产牌号的常用光学玻璃；
[0033]双层衍射元件8以K9玻璃和F2玻璃作为基底；
[0034]双胶合透镜6由高色散的ZF3透镜和低色散的ZK9透镜胶合而成；
[0035]前透镜组件的双胶合透镜6出射面与光阑7之间的距离为5mm ;光阑7与双层衍射元件8入射接收面之间的距离为38.277mm ;双层衍射元件8出射面与后透镜组件的第二凸透镜9入射接收面之间的距离为15_ ;后透镜组件的第四凸透镜13出射面到接收像面14的距离为41.475mm。
[0036]前透镜组件中第一弯月负透镜I中心厚度为8_ ;第一弯月负透镜I出射面与第一弯月正透镜2入射接收面的距离为36mm ;第一弯月正透镜2的中心厚度为15mm ;第一弯月正透镜2出射面与第一凸透镜3入射接收面的距离为7.693mm ;第一凸透镜3中心厚度为15mm ;所述第一凸透镜3出射面与第一凹透镜4入射接收面的距离为8mm ;第一凹透镜4中心厚度为IOmm ;第一凹透镜4出射面与第二弯月正透镜5入射接收面的距离为22.444mm ；第二弯月正透镜5中心厚度为10.474mm ;第二弯月正透镜5出射面与双胶合透镜6的高色散的ZF3透镜入射接收面的距离为22.534mm ;双胶合透镜6的高色散ZF3透镜中心厚度为IOmm ;双胶合透镜6的低色散ZK9透镜中心厚度为20mm ;双胶合透镜6的低色散ZK9透镜出射面与光阑7的距离为5mm ;光阑7与双层衍射元件8的K9透镜入射接收面的距离为38.277mm ;双层衍射元件8的K9透镜中心厚度为5mm ;双层衍射元件8的F2透镜中心厚度为8mm ;双层衍射元件8的F2透镜出射面与后透镜组件中第二凸透镜9入射接收面的距离为15_ ;第二凸透镜9中心厚度为14.503mm ;后透镜组件中第二凸透镜9出射面与第二弯月负透镜10入射接收面距离为42.650mm ;所述第二弯月负透镜10中心厚度为IOmm ;第二弯月负透镜10出射面与第三凸透镜11入射接收面距离为11.361mm ;第三凸透镜11中心厚度为23mm ;第三凸透镜11出射面与第三弯月负透镜12入射接收面距离为48.958mm ;第三弯月负透镜12中心厚度为15mm ;第三弯月负透镜12出射面与第四凸透镜13入射接收面距离为6.710mm ;第四凸透镜13中心厚度为30mm ;第四凸透镜13出射面到接收像面14的距离为41.475mm。
[0037]1、透射式光学系统
[0038]由于透射式光学系统结构形式具有旋转对称的特点，易实现大相对孔径、宽谱段、大视场、高成像质量的要求，且相比于反射式系统，透射式系统的加工、检测和装调技术都较为成熟，工程可实施性高；所以，航空相机光学系统中多数采用的是透射式结构；采用该结构形式，其变量多，自由度多，该结构形式的光学系统容易达到或接近衍射极限。
[0039]参见图1，本实用新型所设计的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，系统总长为500mm，最大镜片直径为223mm，后截距为41.475mm,使用镜片数目为14片；透镜采用的材料有:K9、ΖΚ9、F2、ZF2、ZF3、ZF13、QK3或BaK7，均为国产牌号的常用光学玻璃，机械性能好、耐腐蚀、热稳定性好、价格低廉，达到了降低开发成本的目的。
[0040]由图1可看出，系统的整体布局近似对称结构分布，有利于系统整体彗差等垂轴像差的校正，并通过光焦度的优化匹配的方法校正色差、球差、彗差、场曲、象散等像差，同时，使用普通玻璃材料与高衍射效率的双层衍射光学元件结合消除了剩余二级光谱色差。
[0041]沿光线入射方向同光轴放置光学透镜组，其结构依次分为前透镜组件、光阑7、双层衍射元件8、后透镜组件和接收像面14 ;而前透镜组、光阑7、双层衍射元件8、后透镜组和接收像面14的位置作用联系为:
[0042]I)测绘目标的辐射光束经过前透镜组调整光束口径，将光束压缩后充满光阑7出射；
[0043]2)从光阑7出射的光束经过双层衍射元件8衍射达到后透镜组；
[0044]3)后透镜组将光束进行全部离轴像差最小化以及场曲的校正，以达到准像方远心光路的目的，最后成像于接收像面。
[0045]通过上述联系，测绘目标的辐射光束经过前透镜组调整光束口径后充满光阑7出射，出射光束经过双层衍射元件8和后透镜组，成像于接收像面14。
[0046]1.1、结构关系
[0047]沿光线入射方向前透镜组件包括七片透镜，按光路顺序分别是:第一弯月负透镜
1、第一弯月正透镜2、第一凸透镜3、第一凹透镜4、第二弯月正透镜5以及双胶合透镜6 ；
[0048]其中，双胶合透镜6为两个胶合的透镜组成；所述双胶合透镜6由高色散的ZF3透镜和低色散的ZK9透镜胶合而成，中间面为胶合面，其作用主要是用于校正系统色差。
[0049]特别是，前透镜组件第一个透镜(即第一弯月负透镜I)的第一面采用二次曲面，通过这样的设置有益于校正象散和畸变，并有利于部分或全部离轴像差最小化，进而可增大所设计光学系统的视场角，且有利于改善像面光照度的均匀性。[0050]其中，双层衍射元件8以K9玻璃与F2玻璃作为基底，将其加入到光学系统中，放在光阑7后第一个镜面后，该表面光线入射角较小，衍射效率高，并且该处位置是系统中直径最小的位置，所设计的衍射元件易于加工。
[0051]后透镜组件为五片透镜，其按光路顺序分别是:第二凸透镜9、第二弯月负透镜10、第三凸透镜11、第三弯月负透镜12以及第四凸透镜13，其中第二凸透镜9的第一面为二次曲面；特别是，第四凸透镜13距离接收像面14较近，且第四凸透镜13的第一面又为二次曲面，这样有益于校正场曲，以达到准像方远心光路的目的，并有利于部分或全部离轴像
差最小化。
[0052]上述光学系统包含的14片透镜材料均为无色光学玻璃，每一片透镜与空气接触的表面都镀有增透膜，以增加该宽波段成像光学系统的能量传输效率。
[0053]1.2、满足条件
[0054]光学系统包含14片透镜应满足以下关系:
【权利要求】
1.一种含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:包括沿入射光线依次设置的前透镜组件、光阑、双层衍射元件以及后透镜组件； 所述前透镜组件包括依次设置的第一弯月负透镜、第一弯月正透镜、第一凸透镜、第一凹透镜、第二弯月正透镜以及双胶合透镜； 所述双层衍射元件用于将光阑出射的光束进行衍射并射入后透镜组件； 所述后透镜组件包括依次设置的第二凸透镜、第二弯月负透镜、第三凸透镜、第三弯月负透镜以及第四凸透镜。
2.根据权利要求1所述的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:所述前透镜组件的第一弯月负透镜的入射接收面为二次曲面；所述后透镜组件的第四凸透镜的入射接收面为二次曲面。
3.根据权利要求1所述的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:所述前透镜组件以及后透镜组件的透镜均为无色光学玻璃且玻璃采用的材料为K9、ZK9、F2、ZF2、ZF3、ZF13、QK3 或 BaK7。
4.根据权利要求1所述的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:所述双层衍射元件以K9玻璃和F2玻璃作为基底。
5.根据权利要求1所述的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:所述双胶合透镜由高色散的ZF3透镜和低色散的ZK9透镜胶合而成。
6.根据权利要求1所述的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:所述前透镜组件的双胶合透镜出射面与光阑之间的距离为5mm ;所述光阑与双层衍射元件入射接收面之间的距离为38.277mm ;所述双层衍射元件出射面与后透镜组件的第二凸透镜入射接收面之间的距离为15mm ;所述后透镜组件的第四凸透镜出射面到接收像面的距离为41.475mm。
7.根据权利要求6所述的含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统，其特征在于:所述前透镜组件中第一弯月负透镜中心厚度为8mm;所述第一弯月负透镜出射面与第一弯月正透镜入 射接收面的距离为36mm ;所述第一弯月正透镜的中心厚度为15mm ;所述第一弯月正透镜出射面与第一凸透镜入射接收面的距离为7.693mm;所述第一凸透镜中心厚度为15mm ;所述第一凸透镜出射面与第一凹透镜入射接收面的距离为8mm ;所述第一凹透镜中心厚度为IOmm;所述第一凹透镜出射面与第二弯月正透镜入射接收面的距离为.22.444mm ;所述第二弯月正透镜中心厚度为10.474mm ;所述第二弯月正透镜出射面与双胶合透镜的高色散的ZF3透镜入射接收面的距离为22.534mm ;所述双胶合透镜的高色散ZF3透镜中心厚度为IOmm ;所述双胶合透镜的低色散ZK9透镜中心厚度为20mm ;所述双胶合透镜的低色散ZK9透镜出射面与光阑的距离为5mm ;所述光阑与双层衍射元件的K9透镜入射接收面的距离为38.277mm ;所述双层衍射元件K9透镜中心厚度为5mm ;所述双层衍射元件的F2透镜中心厚度为8mm ;所述双层衍射元件的F2透镜出射面与后透镜组件中第二凸透镜入射接收面的距离为15mm ;所述第二凸透镜中心厚度为14.503mm ;所述后透镜组件中第二凸透镜出射面与第二弯月负透镜入射接收面距离为42.650mm ;所述第二弯月负透镜中心厚度为IOmm ;所述第二弯月负透镜出射面与第三凸透镜入射接收面距离为11.361mm ;所述第三凸透镜中心厚度为23mm;所述第三凸透镜出射面与第三弯月负透镜入射接收面距离为48.958mm ;所述第三弯月负透镜中心厚度为15mm ;所述第三弯月负透镜出射面与第四凸透镜入射接收面距离为6.710mm ;所述第四凸透镜中心厚度为30mm ;所述第四凸透镜出射面到接收像面的 距离为41.475mm。
【文档编号】G02B1/00GK203759342SQ201420081194
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】王峰, 张建, 闫阿奇, 范哲源, 祝青, 郭惠楠, 赵晓冬, 刘辰, 董小坤, 曹剑中 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所