CN214201901U

CN214201901U - 大视场光学成像镜头及其构成的光学***

Info

Publication number: CN214201901U
Application number: CN202120514258.9U
Authority: CN
Inventors: 张岳; 刘焕宝
Original assignee: Changchun Ruishi Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Changchun Ruishi Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2031-03-11

Abstract

本实用新型提供一种大视场光学成像镜头及其构成的光学***，大视场光学成像镜头包括：沿光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和滤光片；其中，第一透镜、第二透镜和第八透镜分别为弯月透镜，第三透镜和第六透镜分别为双凹透镜，第四透镜、第五透镜和第七透镜分别为双凸透镜。与传统的星载镜头相比，本实用新型提供的大视场光学成像镜头及其构成的光学***具有分辨率高、体积小、质量轻等优势，该光学***的成像质量高达2600万像素，且成像光谱宽、视场角大，能适应卫星发射和在轨道运行时的恶劣环境，具有抗冲击震动、耐太空高温差、强辐射等优点，克服太空环境的复杂性，满足航天工程的空间使用要求。

Description

大视场光学成像镜头及其构成的光学***

技术领域

本实用新型涉及光学设计技术领域，特别涉及一种大视场、高分辨率的光学成像镜头及其构成的光学***。

背景技术

随着太空资源开发争夺战的日益加剧，研发高分辨率空间目标探测***成为竞争的关键。探测***的核心部件是目标探测镜头，其主要应用于空间目标与碎片的探测与跟踪。为此，高分辨率微型星载相机光学***的成功研制对提高我国近地空间目标监视能力发挥了重要作用。最早运用CCD相机作为星载对地观测载荷是在20世纪80年代初，前苏联在1980年6月发射了载有3谱段推扫式线阵CCD相机的试验卫星。星载相机作为对地观测仪器真正被人们重视并且进入实用阶段是在1986年2月法国成功发射Spot-1卫星以后，该卫星所载的HRVCCD相机获得了巨大的成功。2011年11月26日，美国火星探测器“好奇号”搭载了一批先进的探测仪器，包括17台200万像素的CCD相机。

我国空间相机研制起步较晚，1975年11月第一台可见光谱空间相机“尖兵一号”搭乘第一颗返回式卫星发射。2007年10月嫦娥一号卫星发射成功，携带3个光学遥感器CCD相机、激光高度计和成像光谱仪。2008年8月我国环境减灾卫星发射成功，CCD相机在77lp/mm时MTF最高达0.22。2009年9月26日，福建师范大学研制的神舟七号飞船伴飞卫星相机镜头上，首次近距离获得在轨航天器的全景图像，像素130万。2010年中科院西安光机所研制的星载长焦距高分辨率CCD遥感相机，最小地面分辨率0.5m。国内公开发表的相关文献中，兰丽艳等发表的星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学***的设计中，全视场角为3°，体积为500mm×400mm×400mm相对较大，***结构采用11片透镜。张丹枫等发表的星载多光谱相机光学***设计中，***质量约为5kg，分辨率为1024×1024。由此可知，目前，已公开的星载镜头存在视场角小、成像质量不高、质量较重等缺点。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有的星载镜头存在视场角小、成像质量不高、质量较重的问题，提供一种大视场光学成像镜头及其构成的光学***，具有分辨率高、体积小、质量轻等优势。该光学***的成像质量高达2600万像素，且成像光谱宽、视场角大，能适应卫星发射和在轨道运行时的恶劣环境，具有抗冲击震动、耐太空高温差、强辐射等优点，克服太空环境的复杂性，满足航天工程的空间使用要求。

为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：

本实用新型提供的大视场光学成像镜头，包括：沿光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和滤光片；其中，第一透镜、第二透镜和第八透镜分别为弯月透镜，第三透镜和第六透镜分别为双凹透镜，第四透镜、第五透镜和第七透镜分别为双凸透镜。

优选地，第一透镜材料为SILICA，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为12mm～20mm，其厚度为3mm～5mm。

优选地，第二透镜材料为H-ZBAF1，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为60mm～75mm，其厚度为2mm～4mm，与第一透镜的间距为11mm～13mm。

优选地，第三透镜材料为TF3，其前表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其后表面的曲率半径为20mm～40mm，其厚度为2mm～4mm，与第二透镜的间距为5mm～7mm。

优选地，第四透镜材料为H-K9L，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其厚度为3mm～6mm，与第二透镜的间距为1mm～5mm。

优选地，第五透镜材料为H-F2，其前表面的曲率半径为20mm～30mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-30mm，其厚度为2mm～4mm，与第四透镜的间距为8mm～12mm。

优选地，第六透镜材料为H-FK61，其前表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其后表面的曲率半径为40mm～65mm，其厚度为2mm～4mm，与第五透镜的间距为2mm～4mm。

优选地，第七透镜材料为H-LAF4，其前表面的曲率半径为100mm～300mm，其后表面的曲率半径为-30mm～-45mm，其厚度为4mm～7mm，与第六透镜的间距为2mm～4mm。

优选地，第八透镜材料为H-LAK2，其前表面的曲率半径为-10mm～-20mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其厚度为2mm～4mm，与第七透镜的间距为11mm～17mm；滤光片材料为H-K9L，其厚度为2mm～4mm，与第八透镜的间距为1mm～3mm。

本实用新型提供的光学***，包括前述中的大视场光学成像镜头和用于对大视场光学成像镜头进行成像的CCD传感器。

与传统的星载镜头相比，本实用新型提供的大视场光学成像镜头及其构成的光学***具有分辨率高、体积小、质量轻等优势，该光学***的成像质量高达2600万像素，且成像光谱宽、视场角大，能适应卫星发射和在轨道运行时的恶劣环境，具有抗冲击震动、耐太空高温差、强辐射等优点，克服太空环境的复杂性，满足航天工程的空间使用要求。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的大视场光学成像镜头及其构成光学***的结构图；

图2是根据本实用新型一个实施例的光学***的点列图；

图3是根据本实用新型一个实施例的光学***的光学传递函数图；

图4是根据本实用新型一个实施例的光学***的场曲和畸变图。

其中的附图标记包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、滤光片9、机械光阑10、CCD传感器11。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，而不构成对本实用新型的限制。

本实用新型需要设计一种大视场、高分辨率的光学成像镜头及其构成的光学***，可在430nm～700nm的谱段内清晰成像。焦距为46mm、入瞳口径为

mm、视场角为40°，边缘视场相对照度为0.86。全视场MTF≥0.65@55lp/mm或≥0.38@110lp/mm，畸变优于-1.0％，抗辐照性能≥5krad。镜头质量为576g，外形尺寸为Φ52mm×100mm。通过温度适应性的模拟和优化，大视场光学成像镜头在15℃～25℃热真空环境下试验，可正常工作。

由于空间环境恶劣，光学***应满足抗冲击震动、耐太空高温差、强辐射等使用要求，且需要体积小、质量轻。根据上述条件要求，光学***的性能技术指标如下：

入瞳口径为

设计波长为430nm～700nm(可在430nm～700nm的谱段内清晰成像)、参考波长550nm、视场角为40°、边缘视场相对照度为0.86焦距为46mm、畸变小于1％、MTF≥0.3@110lp/mm、抗辐照性能≥5krad、温度使用范围20℃±5℃。

光学***的设计难点在于：成像波段430nm～700nm属近紫外到近红外波段。在此波段下设计一个高质量的光学成像镜头，需要进行复消色差设计，平衡光学***中的各种像差，最终使其满足设计要求。并且光学***因要满足低载荷小型化要求，这些要求使得光学***的设计难度变大。

为保证实现上述的理论设计值，需要光学***中的光学零件具有足够高的精度，如透镜厚度、曲率半径、面型精度等，并且在装配过程中要调整好透镜间的光学间隔、控制倾斜偏心等装配误差，保证镜头全视场MTF≥0.3@110lp/mm。

为减轻太空辐射对成像***的损害，通过使用抗辐射的石英玻璃作为第一片透镜的办法，可以大大减轻太空辐射的影响，保证相机内光学***的使用寿命。因太空环境温度剧烈变化，需要对相机整体进行温度控制，并对光学***在温度使用范围内进行消热差设计，即对镜头进行无热化设计。

下面将对本实用新型实施例提供的大视场光学成像镜头及其构成的光学***进行详细说明。

图1示出了本实用新型一个实施例的大视场光学成像镜头及其构成的光学***的结构。

如图1所示，本实用新型实施例提供的大视场光学成像镜头，包括：沿光传播方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8和滤光片9；其中，第一透镜1、第二透镜2和第八透镜8分别为弯月透镜，第三透镜3和第六透镜6分别为双凹透镜，第四透镜4、第五透镜5和第七透镜7分别为双凸透镜。第一透镜1作用为减小***球差，第二透镜2作用为调整***球差，第三透镜3作用为减小***色球差，第四透镜4作用为减小***慧差、像散，第五透镜5作用为平衡***慧差、像散，第六透镜6作用为减小***色差，第七透镜7作用为平衡***色差，第八透镜8作用为减小***场曲和畸变。

在本实用新型的一个具体实施例中，在第四透镜4与第五透镜5之间设置有机械光阑10，该机械光阑10作为孔径光阑，用于限制入射到第五透镜5的光束。

在本实用新型的另一个具体实施例中，第一透镜材料为SILICA，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为12mm～20mm，其厚度为3mm～5mm。第二透镜材料为H-ZBAF1，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为60mm～75mm，其厚度为2mm～4mm，与第一透镜的间距为11mm～13mm。第三透镜材料为TF3，其前表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其后表面的曲率半径为20mm～40mm，其厚度为2mm～4mm，与第二透镜的间距为5mm～7mm。第四透镜材料为H-K9L，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其厚度为3mm～6mm，与第二透镜的间距为1mm～5mm。第五透镜材料为H-F2，其前表面的曲率半径为20mm～30mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-30mm，其厚度为2mm～4mm，与第四透镜的间距为8mm～12mm。第六透镜材料为H-FK61，其前表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其后表面的曲率半径为40mm～65mm，其厚度为2mm～4mm，与第五透镜的间距为2mm～4mm。第七透镜材料为H-LAF4，其前表面的曲率半径为100mm～300mm，其后表面的曲率半径为-30mm～-45mm，其厚度为4mm～7mm，与第六透镜的间距为2mm～4mm。第八透镜材料为H-LAK2，其前表面的曲率半径为-10mm～-20mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其厚度为2mm～4mm，与第七透镜的间距为11mm～17mm。滤光片材料为H-K9L，其厚度为2mm～4mm，与第八透镜的间距为1mm～3mm。

本实用新型提供实施例的光学***，包括前述内容中的大视场光学成像镜头和用于对大视场光学成像镜头进行成像的CCD传感器11，滤光片9与CCD传感器11的间距为16.2mm。

在透镜材料的选择上采用石英玻璃作为抗辐射防护材料，其可以有效地保护CCD成像传感器免受太空辐射的损害，保证光学***的有效寿命。通过使用低色散和特殊色散材料，使光学***在430nm～700nm光谱范围内实现高质量成像。最终光学***中各光学元件的参数(半径、厚度、材料等)如表1-表5所示：

表1光学***中各光学元件参数

表2光学***中各光学元件参数

表3光学***中各光学元件参数

上述的大视场光学成像镜头和CCD探测器11构成本实用新型实施例的光学***，成像物体发出的光依次经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8和滤光片9后成像在CCD探测器11的像面上。

图2是根据本实用新型一个实施例的光学***的点列图。

如图2所示，FIELD代表成像的各个视场、RMS RADIUS代表像面弥散斑均方根半径。从图2中可以看出，本实用新型的光学***像面处中心视场点列图RMS直径<5.1μm，边缘视场点列图RMS直径<10.2μm。

图3是根据本实用新型一个实施例的构成光学***的光学传递函数图。

如图3所示，横坐标代表传递函数值，纵坐标代表每毫米的线对数值。图中曲线TSDIFF.LIMT为光学***衍射极限传函曲线，曲线TS 0.00DEG为轴上视场传函曲线，曲线TS4.00DEG中T曲线为4°视场子午传函曲线、曲线TS 4.00DEG中S曲线为4°视场弧矢传函曲线，曲线TS 8.00DEG中T曲线为8°视场子午传函曲线、曲线TS 8.00DEG中S曲线为8°视场弧矢传函曲线，曲线TS 12.00DEG中T曲线为12°视场子午传函曲线、曲线TS 12.00DEG中S曲线为12°视场弧矢传函曲线，曲线TS 16.00DEG中T曲线为16°视场子午传函曲线、曲线TS16.00DEG中S曲线为16°视场弧矢传函曲线，曲线TS 20.00DEG中T曲线为20°视场子午传函曲线、曲线TS 20.00DEG中S曲线为20°视场弧矢传函曲线。从图3中可以看出，像面处光学***具有高传函的优点，全视场MTF>0.38@110lp/mm。

图4是根据本实用新型一个实施例的光学***的场曲和畸变图。

如图4所示，左半部为光学***的场曲值曲线，其横坐标为场曲值大小，单位为毫米，纵坐标为归一化的视场。右半部为光学***的畸变值曲线，其横坐标为畸变值大小的百分比，纵坐标为归一化的视场。从图4中可以看出，本实用新型的光学***具有低畸变的优点，全视场范围内畸变优于-1.0％。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种大视场光学成像镜头，其特征在于，包括：沿光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和滤光片；其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第八透镜分别为弯月透镜，所述第三透镜和所述第六透镜分别为双凹透镜，所述第四透镜、所述第五透镜和所述第七透镜分别为双凸透镜。

2.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第一透镜材料为SILICA，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为12mm～20mm，其厚度为3mm～5mm。

3.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第二透镜材料为H-ZBAF1，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为60mm～75mm，其厚度为2mm～4mm，与所述第一透镜的间距为11mm～13mm。

4.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第三透镜材料为TF3，其前表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其后表面的曲率半径为20mm～40mm，其厚度为2mm～4mm，与所述第二透镜的间距为5mm～7mm。

5.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第四透镜材料为H-K9L，其前表面的曲率半径为30mm～40mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其厚度为3mm～6mm，与所述第二透镜的间距为1mm～5mm。

6.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第五透镜材料为H-F2，其前表面的曲率半径为20mm～30mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-30mm，其厚度为2mm～4mm，与所述第四透镜的间距为8mm～12mm。

7.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第六透镜材料为H-FK61，其前表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其后表面的曲率半径为40mm～65mm，其厚度为2mm～4mm，与所述第五透镜的间距为2mm～4mm。

8.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第七透镜材料为H-LAF4，其前表面的曲率半径为100mm～300mm，其后表面的曲率半径为-30mm～-45mm，其厚度为4mm～7mm，与所述第六透镜的间距为2mm～4mm。

9.根据权利要求1所述的大视场光学成像镜头，其特征在于，所述第八透镜材料为H-LAK2，其前表面的曲率半径为-10mm～-20mm，其后表面的曲率半径为-20mm～-40mm，其厚度为2mm～4mm，与所述第七透镜的间距为11mm～17mm；所述滤光片材料为H-K9L，其厚度为2mm～4mm，与所述第八透镜的间距为1mm～3mm。

10.一种光学***，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的大视场光学成像镜头和用于对所述大视场光学成像镜头进行成像的CCD传感器。