CN113204106B - 一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，从物侧至像侧依次设有焦距为正的第一透镜群、焦距为负的第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群、第五透镜群、焦距为负的第六透镜群和感光像面；第一透镜群作为调焦组根据物距远近相对第二透镜群前后移动实现对焦效果，使得来自物体光线重新聚焦在感光像面；第二透镜组、可变光阑、第三透镜群、第四透镜群、第五透镜群和第六透镜群均对感光像面固定。第二透镜群的第一透镜，以及第四透镜群的第一透镜为非球面透镜；在本方案中，非球面透镜的设置能够校正像差，减少畸变，从而使得光学系统在宽像幅成像时也获得高像质。

Description

一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统

技术领域

本发明涉及航空遥感光学镜头技术领域，具体涉及一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统。

背景技术

目前透射式镜头广泛应用到航空遥感领域中，当前市场往大像面、高分辨率和高像质的方向发展，为了获得大范围覆盖和高分辨率的航空遥感图像，使用像素点更多、像元更小、靶面尺寸更大的感光像面是解决问题的根本途径之一，但是目前的航空遥感镜头存在如下缺点：

普通的光学镜头无法达到航空遥感所需的像面尺寸200mm的要求，目前市场上的大像面的镜头，如1″左右的镜头，像面大小16.0mm的，为实现航空遥感宽幅成像，多采用多个镜头拼接的方案，系统体积重量均不可控制，严重阻碍航空遥感技术的应用发展；

航空遥感的远距离高分辨率成像，要求镜头的焦距大于300mm，目前市面上大画幅光学镜头，如1″左右的镜头，焦距较短，无法满足需要。

目前市面上高清的光学镜头，多为1080p，像素点数200万的，然而对于航空遥感线列成像36000像素，面阵成像12亿以上像素，目前的市面上的镜头无法满足需求。

目前市场上的光学镜头仅在可见光谱范围内消除镜头像差，航空遥感要求光学镜头在可见光到近红外的宽光谱范围内成像以获得更佳的低光照成像效果，因此需要在可见近红外宽谱段范围内消除光学系统像差。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，通过像面大于200mm、焦距大于330mm的长焦、大像面、高分辨率和低公差敏感度低光学镜头，以达到大画幅、高分辨率、小体积、可见近红外宽谱段消像差的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，包括物侧和像侧；还包括依次设置在物侧和像侧之间的焦距为正的第一透镜群、焦距为负的第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群、第五透镜群、焦距为负的第六透镜群和感光像面；

所述第一透镜群能够相对感光像面移动，作为调焦组，能够根据物距远近，相对第二透镜群进行前后移动从而实现对焦效果，从而使得来自物体的光线重新聚焦在感光像面上；

所述第二透镜群、可变光阑、第三透镜群、第四透镜群、第五透镜群和第六透镜群均相对感光像面固定。

进一步的，所述第一透镜群与第二透镜群之间的间距为20.1mm，第二透镜群与第三透镜群之间的间距为2mm，第三透镜群与第四透镜群之间的间距为30.4mm，第四透镜群与第五透镜群之间的间距为101.4mm，第五透镜群与第六透镜群之间的间距为123mm，所述第六透镜群与感光像面距离20mm；

所述第一透镜群的焦距为正，用于消除边沿视场像散，焦距范围为500mm～600mm；

所述第六透镜群为负的单透镜，用于消除光学系统场曲，焦距范围为-200mm～-300mm。

进一步的，所述第一透镜群从物侧至像侧依次包括焦距为正的第一透镜、焦距为负的第二透镜；所述第一透镜的折射率小于1.5、阿贝数小于50；第二透镜的折射率大于1.7、阿贝数大于70；所述第一透镜与第二透镜组成一个焦距为负的双分离透镜。

进一步的，所述第二透镜群包括焦距为负且为单透镜的第三透镜，还包括互相胶合的第四透镜和第五透镜；从物侧至像侧，所述第三透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60，所述第三透镜的后表面为二次非球面；所述第四透镜为负透镜，所述第四透镜的折射率大于1.7、阿贝数小于40；所述第五透镜为正透镜，所述第五透镜的折射率小于1.5、阿贝数大于80。

进一步的，所述第三透镜群包括互相胶合的第六透镜和第七透镜，所述第六透镜为负透镜，所述第六透镜的前表面为二次非球面，所述第六透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60；所述第七透镜为正透镜，所述第七透镜的折射率大于1.7、阿贝数小于40。

进一步的，所述第四透镜群包括互相胶合的第八透镜和第九透镜，所述第八透镜从物侧至像侧的焦距为负，所述第八透镜的折射率大于1.55、阿贝数大于65；所述第九透镜是焦距为正的单透镜，所述第九透镜的折射率大于1.7、阿贝数小于40；所述第四透镜群还包括焦距为正的第十透镜，所述第十透镜的折射率大于1.8、阿贝数小于30。

进一步的，所述第六组透镜群包括焦距为负且为单透镜的第十一透镜，所述第十一透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60。

进一步的，所述第五组透镜群为反射镜，所述反射镜与第十透镜之间的距离为90～110mm，所述反射镜与第十一透镜之间的距离为120～130mm。

进一步的，所述第三透镜、第八透镜均为非球面透镜；

所述非球面透镜的表面形状满足以下关系式：

式中，参数c为半径所对应的曲率，r为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数。

进一步的，所述非球面透镜的口径小于或等于80mm；

所述非球面透镜的非球面均为二次非球面，并且为玻璃非球面透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：其一，本发明的变焦光学系统使用了含2枚二次非球面玻璃透镜在内的11枚透镜，在较少数量的情况下获得较高的品质，而且体积较小，镜头的透过率也较高。

其二，头全视场角θ＝2*tan(d/EFL)，焦距EFL，d是半像高。对于成像镜头，焦距较长的情况下，像高不易设计很大，因此镜头全视场角很小，对于焦距EFL＝330mm的镜头，一般的视场角在1°～2°左右，本发明镜头EFL＝330mm，d＝100mm，设计的全视场角为32°，使用航天遥感应用，在限定的遥感相机空间体积下，可以获取宽画幅图像。

其三，本发明的光学系统使用玻璃非球面透镜，不使用塑料非球面透镜，因此温度变化对镜头的性能影响很小，在多种环境下均可使用，适用于环境温度变化剧烈的场合如航空机载和车载等。

其四，本发明使用一片反射镜对镜头光路进行折叠，减小光路长度，缩小的镜头的体积。

其五，本发明能够实现线列高于36000像素和面阵1亿像素的超高分辨率成像，本发明可以达到中心分辨率高于200lp/mm、周边0.7H(70％对角线位置)分辨率高于180lp/mm的效果。

其六，本发明的镜头在400nm～850nm可见近红外全谱段消像差，在可见光波长段430nm-650nm和近红外段650nm-850nm可以同时达到清晰，因此在宽波段条件下使画面整体都清晰。

其七，本发明中玻璃非球面镜片口径都小于80mm，不存在加工难度，易于向市场推广。

其八，本发明只使用了两枚玻璃非球面透镜，使得镜头敏感度降低，镜片易于加工，镜头组装成品率大大增加。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、第一透镜群；2、第二透镜群；3、第三透镜群；4、第四透镜群；5、第五透镜群；6、第六透镜群；7、感光像面；8、可变光阑；101、第一透镜；102、第二透镜；201、第三透镜；202、第四透镜；203、第五透镜；301、第六透镜；302、第七透镜；401、第八透镜；402、第九透镜；403、第十透镜；101a、第一镜头的前表面；101b、第一镜头的后表面；102a、第二镜头的前表面；102b、第二镜头的后表面；201a、第三镜头的前表面；201b、第三镜头的后表面；202a、第四镜头的前表面；202b、第四镜头的后表面；203a、第五镜头的前表面；203b、第五镜头的后表面；301a、第六镜头的前表面；301b、第六镜头的后表面；302a、第七镜头的前表面；302b、第七镜头的后表面；401a、第八镜头的前表面；401b、第八镜头的后表面；402a、第九镜头的前表面；402b、第九镜头的后表面；403a、第十镜头的前表面；403b、第十镜头的后表面；6a、第十一镜头的前表面；6b、第十一镜头的前表面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，包括物侧和像侧；还包括依次设置在物侧和像侧之间的焦距为正的第一透镜群1、焦距为负的第二透镜群2、可变光阑8、焦距为正的第三透镜群3、焦距为正的第四透镜群4、第五透镜群5、焦距为负的第六透镜群6和感光像面7；

所述第一透镜群1能够相对感光像面移动，作为调焦组，能够根据物距远近，相对第二透镜群2进行前后移动从而实现对焦效果，从而使得来自物体的光线重新聚焦在感光像面7上；

所述第二透镜群2、可变光阑8、第三透镜群3、第四透镜群4、第五透镜群5和第六透镜群6均相对感光像面7固定。

所述第一透镜群1与第二透镜群2之间的间距为20.1mm，第二透镜群2与第三透镜群3之间的间距为2mm，第三透镜群3与第四透镜群4之间的间距为30.4mm，第四透镜群4与第五透镜群5之间的间距为101.4mm，第五透镜群5与第六透镜群6之间的间距为123mm，所述第六透镜群6与感光像面7距离20mm；

所述第一透镜群1的焦距为正，用于消除边沿视场像散，焦距范围为500mm～600mm；

所述第六透镜群6为负的单透镜，用于消除光学系统场曲，焦距范围为-200mm～-300mm。

所述第一透镜群1从物侧至像侧依次包括焦距为负的第一透镜101、焦距为正的第二透镜102；所述第一透镜101的折射率小于1.5、阿贝数小于50；第二透镜102的折射率大于1.7、阿贝数大于70；所述第一透镜101与第二透镜102组成一个焦距为正的双分离透镜。

所述第二透镜群2包括焦距为负且为单透镜的第三透镜201，还包括互相胶合的第四透镜202和第五透镜203；从物侧至像侧，所述第三透镜201的折射率大于1.6、阿贝数大于60，所述第三透镜201的后表面201b为二次非球面；所述第四透镜202为负透镜，所述第四透镜202的折射率大于1.7、阿贝数小于40；所述第五透镜203为正透镜，所述第五透镜203的折射率小于1.5、阿贝数大于80。

所述第三透镜群3包括互相胶合的第六透镜301和第七透镜302，所述第六透镜301为正透镜，所述第六透镜301的前表面301a为二次非球面，所述第六透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60；所述第七透镜302为负透镜，所述第七透镜302的折射率大于1.7、阿贝数小于40。

所述第四透镜群4包括互相胶合的第八透镜401和第九透镜402，所述第八透镜401从物侧至像侧的焦距为正，所述第八透镜401的折射率大于1.55、阿贝数大于65；所述第九透镜402是焦距为负的单透镜，所述第九透镜402的折射率大于1.7、阿贝数小于40；所述第四透镜群4还包括焦距为正的第十透镜403，所述第十透镜403的折射率大于1.8、阿贝数小于30。

所述第六组透镜群6包括焦距为负且为单透镜的第十一透镜，所述第十一透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60。

所述第五组透镜群5为反射镜，所述反射镜5与第十透镜403之间的距离为90～110mm，所述反射镜5与第十一透镜之间的距离为120～130mm。

所述第三透镜201、第八透镜401均为非球面透镜；

所述非球面透镜的表面形状满足以下关系式：

式中，参数c为半径所对应的曲率，r为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，当k系数小于-1时面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时为抛物线，当k系数介于-1到0之间时为椭圆，当k系数等于0时为圆形，当k系数大于0时为扁圆形。

所述非球面透镜的口径小于或等于80mm；

所述非球面透镜的非球面均为二次非球面，并且为玻璃非球面透镜。

具体的，本发明的变焦光学系统使用了含2枚二次非球面玻璃透镜在内的11枚透镜，在较少数量的情况下获得较高的品质，而且体积较小，镜头的透过率也较高。

镜头全视场角θ＝2*tan(d/EFL)，焦距EFL，d是半像高。对于成像镜头，焦距较长的情况下，像高不易设计很大，因此镜头全视场角很小，对于焦距EFL＝330mm的镜头，一般的视场角在1°～2°左右，本发明镜头EFL＝330mm，d＝100mm，设计的全视场角为32°，使用航天遥感应用，在限定的遥感相机空间体积下，可以获取宽画幅图像。

本发明的光学系统使用玻璃非球面透镜，不使用塑料非球面透镜，因此温度变化对镜头的性能影响很小，在多种环境下均可使用，适用于环境温度变化剧烈的场合如航空机载和车载等。

本发明使用一片反射镜对镜头光路进行折叠，减小光路长度，缩小镜头的体积。

本发明能够实现线列高于36000像素和面阵1亿像素的超高分辨率成像，本发明可以达到中心分辨率高于100lp/mm、周边0.7H(70％对角线位置)分辨率高于80lp/mm的效果。

本发明的镜头在400nm～850nm可见近红外全谱段消像差，在可见光波长段430nm-650nm和近红外段650nm-850nm可以同时达到清晰，因此在宽波段条件下使画面整体都清晰。

本发明中玻璃非球面镜片口径都小于80mm，不存在加工难度，易于向市场推广。

本发明只使用了两枚玻璃非球面透镜，使得镜头敏感度降低，镜片易于加工，镜头组装成品率大大增加。

如表1所示，为本发明的一个实际设计案例：

所述第一镜头的前表面101a为球面，所述第一镜头的后表面101b为球面，所述第二镜头的前表面102a为球面，所述第二镜头的后表面102b为球面，所述第三镜头的前表面201a为球面，所述第三镜头的后表面201b为非球面，所述第四镜头的前表面202a为球面，所述第四镜头的后表面202b为球面，所述第五镜头的前表面203a为球面，所述第五镜头的后表面203b为球面，所述第六镜头的前表面301a为非球面，所述第六镜头的后表面301b为球面，所述第七镜头的前表面302a为球面，所述第七镜头的后表面302b为球面，所述第八镜头的前表面401a为球面，所述第八镜头的后表面401b为球面，所述第九镜头的前表面402a为球面，所述第九镜头的后表面402b为球面，所述第十镜头的前表面403a为球面，所述第十镜头的后表面403b为球面，所述第十一镜头的前表面6a为球面，所述第十一镜头的前表面6b为球面。

表1。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，其特征在于：包括物侧和像侧；还包括依次设置在物侧和像侧之间的焦距为正的第一透镜群、焦距为负的第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群、第五透镜群、焦距为负的第六透镜群和感光像面；

所述第一透镜群能够相对感光像面移动，作为调焦组，能够根据物距远近，相对第二透镜群进行前后移动从而实现对焦效果，从而使得来自物体的光线重新聚焦在感光像面上；

所述第二透镜群、可变光阑、第三透镜群、第四透镜群、第五透镜群和第六透镜群均相对感光像面固定；

所述第一透镜群与第二透镜群之间的间距为20.1mm，第二透镜群与第三透镜群之间的间距为2mm，第三透镜群与第四透镜群之间的间距为30.4mm，第四透镜群与第五透镜群之间的间距为101.4mm，第五透镜群与第六透镜群之间的间距为123mm，所述第六透镜群与感光像面距离20mm；

所述第一透镜群的焦距为正，用于消除边沿视场像散，焦距范围为500mm～600mm；

所述第六透镜群为负的单透镜，用于消除光学系统场曲，焦距范围为-200mm～-300mm；

所述第一透镜群从物侧至像侧依次包括焦距为正的第一透镜、焦距为负的第二透镜；所述第一透镜的折射率小于1.5、阿贝数小于50；第二透镜的折射率大于1.7、阿贝数大于70；所述第一透镜与第二透镜组成一个焦距为正的双分离透镜；

所述第二透镜群包括焦距为负且为单透镜的第三透镜，还包括互相胶合的第四透镜和第五透镜；从物侧至像侧，所述第三透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60，所述第三透镜的后表面为二次非球面；所述第四透镜为负透镜，所述第四透镜的折射率大于1.7、阿贝数小于40；所述第五透镜为正透镜，所述第五透镜的折射率小于1.5、阿贝数大于80；

所述第三透镜群包括互相胶合的第六透镜和第七透镜，所述第六透镜为正透镜，所述第六透镜的前表面为二次非球面，所述第六透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60；所述第七透镜为负透镜，所述第七透镜的折射率大于1.7、阿贝数小于40；

所述第四透镜群包括互相胶合的第八透镜和第九透镜，所述第八透镜从物侧至像侧的焦距为正，所述第八透镜的折射率大于1.55、阿贝数大于65；所述第九透镜是焦距为负的单透镜，所述第九透镜的折射率大于1.7、阿贝数小于40；所述第四透镜群还包括焦距为正的第十透镜，所述第十透镜的折射率大于1.8、阿贝数小于30；

所述第六组透镜群包括焦距为负且为单透镜的第十一透镜，所述第十一透镜的折射率大于1.6、阿贝数大于60；

所述第五组透镜群为反射镜，所述反射镜与第十透镜之间的距离为90～110mm，所述反射镜与第十一透镜之间的距离为120～130mm。

2.如权利要求1所述的宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，其特征在于：所述第三透镜、第八透镜均为非球面透镜；

所述非球面透镜的表面形状满足以下关系式：

式中，参数c为半径所对应的曲率，r为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数。

3.如权利要求2所述的宽幅高分辨率可见光镜头光学系统，其特征在于：所述非球面透镜的口径小于或等于80mm；

所述非球面透镜的非球面均为二次非球面，并且为玻璃非球面透镜。

Images