專利名稱：：一種可調焦式航空相機的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種航空相機，特別是一種可調焦式中焦航空相機。
背景技術：
：在中高空飛行平臺上，(對流層內)環(huán)境溫度隨海拔高度的升高而降低，每千米下降6t:左右，因此航空攝影相機的實際工作環(huán)境溫度非常低。而在飛機上升或下降的過程中，環(huán)境溫度變化也很大。例如，當飛行平臺從地面飛至7000米高空時，溫度將下降42°C。而光學鏡頭對溫度造成的材料折射率、間距變化、元件面形變化等非常敏感，由于溫度的變化會引起相機鏡頭的像面的變化，影響像質。為了解決溫度變化所帶來的問題，目前國內外的航空攝影相機系統(tǒng)通常做法是對鏡頭進行保溫，即讓其工作在一個相對恒定的常溫環(huán)境，比如20±2°C。這需要一套溫控裝置即加溫和降溫裝置。而這種溫控裝置必將增加系統(tǒng)體積和重量，同時還需提供幾十甚至上百瓦的功率為鏡頭提供熱源用于加溫。這些措施與平臺對載荷的輕量化、小型化、低功耗等要求背道而馳，對飛行平臺來說是一個非常大的負擔。另外，由于飛行平臺上壓力隨高度的增加而降低，而且高度越高，其非線性越嚴重，例如，若地球表面的大氣壓力為101324.72Pa，則當飛行平臺飛至3000米高空時，其大氣壓力為70260.69Pa;當飛行平臺飛至5000米高空時，其大氣壓力為54262.05Pa;當飛行平臺飛至7000米高空時，其大氣壓力為41329.82Pa;當飛行平臺飛至10000米高空時，其大氣壓力為26664.40Pa。壓強的變化將會導致空氣折射率的變化，空氣折射率的變化將會影響玻璃相對空氣折射率的變化，從而影響相機的成像質量。傳統(tǒng)相機系統(tǒng)多采用恒壓或壓力控制裝置來保障系統(tǒng)的正常工作，這些恒壓或壓力裝置將大大增加系統(tǒng)重量和體積，這與飛行平臺對體積和重量嚴格要求不相符。
發(fā)明內容本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可調焦式中焦航空相機，實現(xiàn)鏡頭的寬溫低壓工作，減少研制成本，使航空攝影相機系統(tǒng)應能適應不同的飛行平臺。本發(fā)明要解決的主要技術問題是一種可調焦式航空相機，其特點在于所述可調焦式航空相機的焦距f=380mm、視場角2"=10°、F數8、波段460750nm、總長380mm、后截距150mm、MTF>0.55(701p/mm);它由第一透鏡、第二透鏡、雙膠合透鏡、第三透鏡、第四透鏡、光闌、第五透鏡、第六透鏡、調焦透鏡共九片玻璃組成，所有透鏡依次排列在同一光軸上；通過調焦透鏡的調焦，可以在溫度_60°C6(TC、壓力01個大氣壓、航高200m15000m內清晰成像。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)通過調焦的方式對溫度引起的鏡頭像面的變化和像差進行調整與補償，實現(xiàn)鏡頭的寬溫工作。無需附加恒溫或溫度控制裝置，減小攝影相機的重量和體積，同時降低攝影相機系統(tǒng)對平臺的能源需求；經主動式溫度補償后鏡頭能夠優(yōu)良成像的溫度范圍為-60°C+60°C。(2)采用調焦的方式對由壓強引起的像面變化和像差進行調整和補償，無需附加恒壓或壓力控制裝置，減小攝影相機的重量和體積；經主動式壓力補償后鏡頭能夠優(yōu)良成像的壓力范圍為01個大氣壓。(3)采用調焦的方式補償由航高引起的像面變化，經調焦后，可適合200m以上的空中作業(yè)。(4)同時溫度調焦、壓力調焦和距離調焦均采用相機后方同一片調焦元件進行調節(jié)，簡化機構，降低系統(tǒng)的復雜性，增加了系統(tǒng)可靠性，減小了相機系統(tǒng)體積和重量。鏡頭寬溫低壓適應能力同時滿足多種不同飛行高度的飛行平臺。圖6(i)為溫度20°C、1個大氣壓下，物距為3000m時，未調焦的MTF圖；圖6(i)為溫度20°C、1個大氣壓下，物距為3000m時，調焦后的MTF具體實施例方式如圖l所示，本發(fā)明相機具體參數焦距f=380咖、視場角2"=10°、F數8、波段460750nm、總長380mm、后截距150mm。它由第一透鏡1、第二透鏡2、雙膠合透鏡3、第三透鏡4、第四透鏡5、光闌6、第五透鏡7、第六透鏡8、調焦透鏡9共九片玻璃組成，所有透鏡依次排列在同一光軸上。因考慮到本發(fā)明航空相機要在-6(TC6(rC的范圍內工作，為保證其成像質量，特選用線膨脹系數比較小的玻璃材料，結構件采用鈦合金，其線膨脹系數為8.8X10—7K。第一透鏡1的焦距為367.72mm，通光口徑為75mm，其材料為NSF66_SCH0TT，因為外界溫度的變化首先體現(xiàn)在相機的第一片透鏡上，然后再逐步的傳至鏡頭內部，故第一面玻璃線膨脹系數的選取應非常小，以盡量減少由軸上梯度引起的像差，本發(fā)明第一透鏡1的線膨脹系數為5.9X10—7K。第二透鏡2與第一透鏡1的中心距為11.4mm，其焦距為185.60mm，其材料為NFK5_SCHOTT，其線膨脹系數為9.2X10—6/K，接近鈦合金的線膨脹系數8.8X10—6/K。雙膠合透鏡3與第二透鏡2的中心距為3mm，其焦距為-112.64mm，其凸透鏡焦距為471.40mm，材料為NSK11_SCH0TT;凹透鏡的焦距為-73.85mm，材料為NKZFS11_SCH0TT。為保證在-60°C6(TC溫度范圍內變化時，雙膠合透鏡3不發(fā)生脫膠現(xiàn)象，特選擇線膨脹系數相近的兩種材料，其中凸透鏡的線膨脹系數為6.5X10—7K、凹透鏡的線膨脹系數為6.6X10—7K。第三透鏡4與雙膠合透鏡3的中心距為4mm，其焦距為141.62mm，材料為NSK11_SCHOTT，其線膨脹系數為6.5X10—7K。第四透鏡5與第三透鏡4的中心距為3mm，其焦距為-199.45，材料為NSF57_SCHOTT，線膨脹系數為9.2X10—6/K。光闌6的直徑為24mm。它距離第四透鏡5的中心距為16.8mm、距第五透鏡7的中心距離為15mm。第五透鏡7的焦距為-125.03mm。它的材料為NSF66_SCH0TT，線膨脹系數為5.9X10—7K。第六透鏡8距第五透鏡7的中心距為81.5mm，其焦距為211.48mm，材料為NSF1_SCHOTT，線膨脹系數為9.1X10—7K。調焦透鏡9在相機的最后一面上。它距離第六透鏡8的距離為5mm，焦距為988.Omm。材料為NSF57_SCH0TT，線膨脹系數為8.5X10—6/K。圖2為本航空相機的傳遞函數MTF圖(溫度為2(TC，一個大氣壓)。如圖2所示，在701m/mm時，各視場的MTF均大于等于0.55，接近衍射極限。這保證了鏡頭物鏡能夠獲得高分辨率的地面圖像信息。圖3為本航空相機的點列圖(溫度為2(TC，一個大氣壓)。從圖3可以看出，各視場的點列圖均非常的圓。各視場的RMS直徑最大不超過3.5iim。表1表示的是為補償溫度所帶來的影響，調焦透鏡9的調節(jié)量(以常溫2(TC的位置為零位，)。當調焦透鏡9向右(即朝向像面方向)調節(jié)時，符號為"+"，反之，當調焦透鏡9向左調節(jié)時，符號為"-"。表1溫度變化時，調焦透鏡(9)的調節(jié)量<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從表1可以看出，隨著溫度的變化，調焦透鏡9相應的調節(jié)量基本上滿足一個線性的關系。當溫度從-6(TC到6(TC變化時，調焦透鏡9共走了-2mm的量程。即溫度平均每增長l(TC，調焦透鏡約需要向左調節(jié)0.167mm，以對相機的離焦量進行補償。圖4為在1個大氣壓下，溫度分別在-6(TC、(rC和6(TC時，調焦前和調焦后的MTF對比圖。從圖4可以看出，在-6(TC時，若不調焦(即調焦透鏡9置于零位)，MTF在261p/mm處就已經為0了；調焦后，其各視場MTF在701p/mm處均大于0.45。在0。C時，未調焦的情況下，MTF大于0.32;調焦后MTF大于0.52。在6(TC，不調焦時MTF在701p/mm降為0;調焦后MTF在701p/mm處大于0.55。從圖4可以看出，通過調焦透鏡9的調節(jié)，可以補償由于溫度變化而引起的像差，保證成像質量。表2壓強變化時，調焦透鏡9的調節(jié)量<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>圖5表示的是在溫度為2(TC時，壓強分別為1個大氣壓、0.7個大氣壓、0.5個大氣壓、0.3個大氣壓、0個大氣壓下，調焦前和調焦后的MTF對比圖，從圖5可以看出，在0.7個大氣壓下，若不調焦(即調焦透鏡9置于零位)MTF在701p/mm處約為0.12;調焦后，MTF大于0.52。在0.5個大氣壓下，未調焦情況下，MTF在451p/mm處已降為0;調焦后MTF在701p/mm處大于0.51。在0.3個大氣壓下，未調焦時的MTF在221p/mm時即已經降為0;調焦后MTF在701p/mm處大于0.5;在0個大氣壓時，未調焦的MTF在181p/mm處即已經下降為0;而調焦后的MTF在701p/mm處大于0.49。從圖5可以看出，通過調焦透鏡9的調節(jié)，可以補償由于壓強變化而引起的像差，保證成像質量。調焦透鏡9除了可以對溫度和壓強進行調節(jié)外，還可以對距離進行調焦。表3表示的是在常溫常壓下，當航高發(fā)生變化時，調焦透鏡9的調節(jié)量。調焦透鏡9的零位在航高(物距)為無窮遠時成像所在的位置。通過調焦，本航空相機可以在航高為200m以上的高空進行作業(yè)。受飛行平臺的限制，航空相機的工作范圍為200m15000m。表3行高變化時，調焦透鏡9的調節(jié)量<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖6表示的是，當航高分別為200m、500m、1000m、2000m、3000m時，調焦前和調焦后，其調制傳遞函數MTF的變化情況。從圖6可以看出當航高為200m時，未調焦時MTF在141p/mm處即已經下降為0;調焦后在701p/mm處MTF大于5.1。當航高為500m時，未調焦MTF在371p/mm處降為0;調焦后在701p/mm處MTF大于5.5。當航高為1000m時，調焦前MTF在701p/mm處大于1.5;調焦后在701p/mm處MTF大于5.5。當航高為2000m時，未調焦MTF在701p/mm處約為0.4;調焦后MTF在701p/mm處大于5.5。當航高為3000m時，未調焦時在701p/mm處MTF大于0.48;調焦后在701p/mm處MTF大于5.5。事實上，當航高在2500m以上時，就不需要調焦透鏡9對距離進行的調焦了。權利要求一種可調焦式航空相機，其特征在于所述可調焦式航空相機的焦距f＝380mm、視場角2ω＝10°、F數8、波段460～750nm、總長380mm、后截距150mm、MTF＞0.55(70lp/mm)；它由第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、雙膠合透鏡(3)、第三透鏡(4)、第四透鏡(5)、光闌(6)、第五透鏡(7)、第六透鏡(8)、調焦透鏡(9)共九片玻璃組成，所有透鏡依次排列在同一光軸上；通過調焦透鏡(9)的調焦，可以在溫度-60℃～60℃、壓力0～1個大氣壓、航高200m～15000m內清晰成像。2.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述第一透鏡(1)的焦距為367.72mm，通光口徑為75mm，其材料為NSF66_SCH0TT，線膨脹系數為5.9X10—6/K。3.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述第二透鏡(2)與第一透鏡(1)的中心距為11.4mm，其焦距為185.60mm，材料為NFK5—SCH0TT，線膨脹系數為9.2X10—7K。4.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述雙膠合透鏡(3)與第二透鏡(2)的中心距為3mm，其焦距為-112.64mm，其凸透鏡焦距為471.40mm，材料為NSK11_SCH0TT;凹透鏡的焦距為-73.85mm，材料為NKZFS11_SCH0TT;為保證在_60°C6(TC溫度范圍內變化時，雙膠合透鏡(3)不發(fā)生脫膠現(xiàn)象，特選擇線膨脹系數相近的兩種材料，其中凸透鏡的線膨脹系數為6.5X10—7K、凹透鏡的線膨脹系數為6.6X10—7K。5.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述第三透鏡(4)與雙膠合透鏡(3)的中心距為4mm，其焦距為141.62mm，材料為NSK11_SCH0TT，線膨脹系數為6.5X10—7K。6.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述第四透鏡(5)與第三透鏡(4)的中心距為3mm，其焦距為-199.45，材料為NSF57—SCHOTT，線膨脹系數為9.2X10—7K。7.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述光闌(6)的直徑為24mm，它距離第四透鏡(5)的中心距為16.8mm、距第五透鏡(7)的中心距離為15mm。8.根據權利要求l所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述第五透鏡(7)的焦距為-125.03mm。它的材料為NSF66_SCHOTT，線膨脹系數為5.9X10—6/K。9.根據權利要求1所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述第六透鏡(8)距第五透鏡(7)的中心距為81.5mm，其焦距為211.48mm，材料為NSFl—SCHOTT，線膨脹系數為9.1x10—7k。10.根據權利要求1所述的可調焦式航空相機，其特征在于所述調焦透鏡(9)在相機的最后一面上，它距離第六透鏡(8)的距離為5mm，焦距為988.Omm，材料為NSF57_SCHOTT，線膨脹系數為8.5X10—7K。全文摘要可調焦式航空相機，其特征在于由第一透鏡、第二透鏡、雙膠合透鏡、第三透鏡、第四透鏡、光闌、第五透鏡、第六透鏡、調焦透鏡共九片玻璃組成，所有透鏡依次排列在同一光軸上；其焦距f＝380mm、視場角2ω＝10°、F數8、波段460～750nm、總長380mm、后截距150mm、MTF＞0.55(701p/mm)；通過主動調焦，可以在溫度-60℃～60℃、壓力0～1個大氣壓、航高200m～15000m內清晰成像。本發(fā)明實現(xiàn)了鏡頭的寬溫低壓工作，減少了研制成本，使航空攝影相機系統(tǒng)應能適應不同的飛行平臺。文檔編號G03B13/32GK101794055SQ20101012156公開日2010年8月4日申請日期2010年3月10日優(yōu)先權日2010年3月10日發(fā)明者梁偉,藍公仆,馬文禮,高曉東申請人:中國科學院光電技術研究所